HV 모터 콘트롤러(SEVCON GEN4) 매뉴얼 정리 (2)

[20 최범수]

안녕하세요 최범수입니다

바로 2편 들어가보겠습니다. 레쓰고

CHAPTER 3. Installation

Mounting Gen4

gen4의 장착에 관한 내용입니다. HV박스를 구성할 때 신경쓸 내용들이 있으니 잘 알아봅시다.

-위치 :

 1. 허가받지 않은 사람이 접근할 수 없도록, 별도의 외부 인클로저를 구성하여 장착해야 합니다.

 -> 컨트롤러 자체의 하우징을 인클로져로 생각해선 안된다는 말입니다. 아무나 못건들게 다른 상자 하나를 만들어서 넣어놓으라네요. 우리의 경우는 HV박스가 되겠습니다.

[빨간세모] 컨트롤러의 전극 단자는 감전/ 화상사고에서 자유로울 수 없습니다. 잘 모르는 사람이 접근할 수 없도록 해야합니다.

 2. 도로 위 파편에 의한 충격이나 화학적 오염을 피할 수 있는 장소에 장착해야 합니다.

 3. 컨트롤러 본체와 달리 전극 단자는 방수가 되지 않습니다. 침수, 고압수 노출, 전도성이 있는 오염물질에 노출 되지 않는 장소에 장착해야 합니다.

 -> Gen4의 커버는 전반적인 보호가 가능한 소재이지만, 산업 화학물질에 노출되는 것은 피해야합니다. 에스테르, 산업용 알코올을 조심합시다.

 4. 열적인 조건과 EMC(전자파 적합성)에 대해서도 고려해야 합니다. 매뉴얼 뒷쪽에 나온다네요.

-방향 : 어느 방향이든 상관 없이 장착 가능합니다.

-마운트 홀 패턴

- 우리가 사용하는 Gen4 Size4 모델의 도면입니다. 볼트 구멍 4개와 위치가 보입니다.

- 다만 실제로 사용할때는 알루미늄 재질의 Finned 히트싱크를 부착해 사용하기 때문에, 저 수치를 그대로 갖다 쓸 일이 있을까? 싶긴합니다. 그리고 Size4의 캐드 파일이 있는 것으로 알고 있으니 설계할땐 그걸 활용하는 쪽이 좋겠네요.

-[노란 세모] 장착면의 최소 surface flatness는 0.2mm 입니다. 이 조건이 확보가 되지 않은 상태로 장착 시 제품에 변형 혹은 손상이 발생 할 수 있습니다.

 ->

Surface flatness는 실제 제품이 이상적인 평면에서 얼만큼 오차가 있는지 나타내는 값으로 생각하면 되겠습니다. 여기서는 장착면의 어떤 지점이든 이상적인 평면에서 0.2mm 벗어나는 것은 괜찮다는 이야기겠네요.

- 장착조건 :

 위 그림에서 보이듯, M6 볼트 총 4개를 사용하여 장착합니다. T 핸드 소켓 렌치, 육각 렌치를 사용하면 됩니다.

 체결시 토크는 8Nm~12Nm가 적당합니다.

 방열을 위해 히트싱크를 장착할 시, 접촉면에 써멀 구리스를 도포해야합니다.

-> 위 사진이 우리가 사용하는 Gen4의 실물입니다. 초록색 동그라미가 Gen4 본체의 Base plate이고 그 밑의 빨간 동그라미는 Finned 히트싱크입니다. 저 경계면에 써멀 구리스를 바르는건데, 써멀 구리스가 말라붙었는지 히트싱크와 쉽게 떨어지는 상태가 아니네요. 분리후 재도포를 해야할지 아니면 그대로 쓸지는 조금 더 고민해봐야겠습니다.

->  본체 베이스 플레이트는 약 1.2cm, 히트싱크 전체 높이는 약 3.3cm 입니다(Fin 높이는 1인치=2.54cm). HV박스 결합면과 장착하기 위해 6cm M6 볼트로 체결하면 적당하겠습니다.

https://www.electricmotorsport.com/9-aluminum-heatsink-for-sevcon-gen4-size-4-controller.html

9" Aluminum Heatsink for Sevcon Gen4 Size 4 Controller

 - > 이전 카페 글에서 찾은 히트싱크 상품 페이지입니다. 

- 써멀 구리스 :

 평평한 도포를 위해 작고 부드러운 페인트 롤러를 사용합니다.

 구리스는 많아도 문제 적어도 문제입니다. 적정량을 잘 맞춰 도포합시다.

 구리스 도포시 접착면 양 쪽(컨트롤러 베이스 플레이트와 히트싱크 부착면) 모두에 발라야하며, 잘 비벼?줘야 한답니다.

 볼트 체결은 구리스 도포 및 부착 후에 하면 됩니다.

 써멀 구리스가 잘 도포된 상태로 부착이 되었다면, 부착면에서 컨트롤러를 분리하는게 몹시 힘들고 분리 후 표면에 위와 같은 물결 무늬가 남는다고 합니다. 

Cooling Requirement 

예전 카페글들에서 볼 수 있듯, 모터 컨트롤러는 굉장히! 예민한 장치입니다. 발열에 민감한 만큼 냉각에도 신경을 써야합니다. 작년 차량에는 HV박스 양쪽에 팬을 달았었는데, 올해는 블로워 팬과 덕트의 조합으로 냉각을 해보려 합니다.

- Gen4의 최고 성능을 끌어올리기 위해 :

 다른 발열 장치와는 거리를 두어야 합니다.

 페이지 4-6 '작동 환경'에 따라 작동 주변 환경 온도를 specified maximum보다 낮게 유지해야합니다.

 발열로 발생한 폐열이 잘빠져나갈 수 있게 적절한 표면에 컨트롤러를 장착해야하며, 이떄 Finned 히트싱크의 효과가 좋습니다.

페이지 3-5의 열저항 관련 부분은 우리의 현재 상황에서 이해하기 힘든 것이 많습니다. 페이지 3-5의 테이블을 보면 우리가 사용하고 있는 히트싱크의 사이즈가 Size4가 아닌 Size2의 것에 가깝습니다.(그마저도 완전히 똑같은게 아닙니다)

구매처에서 제시한 제원은 위와 같습니다. 열저항을 단위길이 3인치당으로 줘버렸네요.

(+ 관련 배경지식)

열 저항(thermal resistance)은 열 전달을 방해하는 성질입니다. 즉 열 저항이 높을수록 열의 흐름이 어려우니 방열에 불리하겠죠?

쓰읍...........

젬미니(구 바드)는 이렇게 답변하네요. 저 말대로면 우리의 히트 싱크는 1W 열 흡수시 0.167도 상승한답니다. 다만 답변에 일관성이 없었기 때문에 믿어도 될진 잘 모르겠습니다..

열저항이 높으면 동일 열원에 대해 히트싱크의 온도 상승량이 높겠죠? 모터컨트롤러의 열을 잘 흡수한다면 히트싱크의 온도 상승량이 높다고 생각할 수 있습니다. 실제로 저는 이 점이 좀 헷갈렸습니다. 

도달한 결론은, 히트싱크가 공기 중으로 열을 뱉어내기 때문에 결과적으로 히트싱크의 온도 상승량이 낮은 것이(=열저항이 낮아야지) 좋은게 맞다는 것입니다. (열을 빨아들인 만큼 잘 뱉어내야 냉각이 잘 되고 있는 것이니까)

- 냉각 성능에 영향을 주는 두 요인은 1. 마운트 표면의 평탄도 2. 표면 간 열 전도 입니다. 상기한대로 부착면의 최대 0.2mm까지의 flatness를 확보하고 성능좋은 써멀 구리스를 사용하는것이 냉각 성능을 올리는데 중요하답니다!

EMC Guidelines

Electromagnetic Compatibility, 검색해보면 '전자파 적합성'으로 나오네요. 어떠한 고속 스위치(High speed switch)든 작동시 원천 주파수의 고조파(Harmonics)를 발생시키기때문에, 이를 최소화하고 흡수하는 것이 좋습니다. 또한 모든 와이어링은 송/수신이 가능한 안테나처럼 작용한다고도 합니다. 

-전원 케이블 :

 모든 케이블을 프레임 내부에, 최대한 낮게 위치시켜야 합니다. 메인 섀시 안에 위치한 케이블이 그렇지 못한 케이블보다 잘 보호된다고 합니다.

 송/수신 면적을 최소화 하기위해, 케이블 길이를 최대한 짧게 사용하는 것이 좋습니다.

 이러한 구조적 방호가 충분하지 않을 수 있으니, 금속 슈라우드를 사용하는 것도 고려해보아야합니다.

이런게 슈라우드입니다

검색해보니 금속 슈라우드는 이렇게 생겼네요

 케이블을 평행 배치하고, 고정된 레이아웃으로 묶어두면 누설 자기장을 막을 수 있습니다. 

 전원 케이블과 신호 케이블 사이엔 적어도 300mm의 거리를 확보해야 합니다.

- 신호 케이블 :

  모든 와이어링 하네스를 짧게 유지하고 차체에 가깝게 유지해야 합니다.

 신호 배선과 전원 케이블에 겹치지 않게 하고, 차폐된 와이어를 사용하는 것이 좋습니다. 

 가속페달 배선과 같은 아날로그 신호가 전송되는 제어 배선도 마찬가지로 전원 케이블에 겹치지 않게 해야합니다.

와이어 하네스의 특징과 고르는 방법 (feat. 커넥터와의 차이)

와이어하네스란 뭐지? 케이블 아냐? 같은 것 아닌가?

와이어링 하네스가 무엇인지 참 생소하죠? 일반적인 케이블과 어떻게 다른지 잘 정리된 글이 있어 가져와봤으니 읽어봅시다.

- 방열과 EMC는 반대의 성향이 있습니다. 누설 자기장을 막기 위해 절연 조치를 강화하면 방열 능력이 떨어지기 떄문이죠. 적당한 균형을 잡는 것이 필요합니다. 설계에 변경 요소가 발생한다면 EMC에는 어떤 영향이 있을지 항상 염두에 두어야 합니다.

-  배터리 전원선 : 컨트롤러의 B+, B- 단자 와이어링 시 루프영역을 최소화하는 것이 좋습니다. 그러기 위해선 전원선의 길이가 최대한 짧은 것이 좋겠죠?

- 모터 전원선 : 마찬가지로 M1, M2, M3 단자 와이어링 시 최대한 짧은 선을 사용하여 배선이 형성하는 루프 영역을 최소화 하는 것이 좋습니다.

- 모터 encoder 연결선 : 최대한 짧은 선을 쓰는 게 좋습니다. 멀티 코어 차폐선을 사용해야 합니다. 케이블 차폐는 B- 단자에 연결되어야 합니다.

Multi core shielded cable

- CANbus : 멀티 코어 차폐선을 사용해야 합니다. 내부의 코어들은 꼬인(twisted) 한 쌍을 이뤄야 하며, 그 중 한 쌍은 CAN High와 CAN Low에 사용됩니다. 다른 한 쌍은 CAN Supply에 사용됩니다. 케이블 차폐는 B- 단자에 연결되어야 합니다.

 -> 모터콘트롤러 와이어링에 관련된 예전 카페글들과 내용이 살짝 다르네요. 추후 와이어링 파트에 CANbus 와이어링 부분에서 더 자세히 알아봅시다.

- Key switch : 키 와이어를 짧게 쓰는 게 좋습니다. 루프 영역을 줄이는 것도 중요합니다

 -> 다만 우리는 키 스위치를 쓰는 방식이 아니라, HV+ AIR가 폐쇄됨과 동시에 1번 핀을 통해 모터컨트롤러에 신호가 갑니다. 전장 신동 최용준 군의 설명에 따르면 'AIR+가 닫히는 순간 1번핀으로 신호 전달 -> precharge 릴레이를 거쳐 저항이 있는 쪽으로 전류가 흐르며 초기 충전-> 초기 충전이 완료되면 precharge 릴레이가 열리고 precharge AIR가 닫히며 배터리 팩의 전압이 온전히 컨트롤러에 인가됨' 이라고 하네요. 키 스위치의 역할을 HV 릴레이(AIR+)가 수행하는 것으로 보면 되겠습니다.

-Contactor driver : 루프 영역을 최소화하는게 좋습니다. 배선을 꼬아서 사용하거나 B-에 연결된 차폐 케이블을 사용하는 것이 누설 자기장을 줄이는데 도움이 된답니다.

 -> 처음 보는 단어가 막 나오죠? 제 나름대로 이해한 바를 설명하자면..

나중에 나오는 와이어링 다이어그램입니다. 왼쪽 중간 부분을 보면 1번 핀과 6번 핀에서 나온 선이 키 스위치, 컨트롤 퓨즈, 그리고 '라인 접촉기'에 연결되어있습니다. 컨택터 드라이버는 이 놈을 켜주는 것이죠

https://cafe.daum.net/eoulsure/9rm9/10

복무중인 유동수군이 남긴 전장위키에 따르면 접촉기는 짱쎈 릴레이 정도로 볼 수 있겠네요. 이리저리 살펴보면 우리 차의 HV+ AIR가 Line contactor의 역할을 수행하는가 싶습니다. HV +AIR(= 접촉기이자 키 스위치?)가 닫히면 1번핀을 통해 모터 컨트롤러에 신호가 가고, 프리차지 릴레이와 프리차지 에어의 작동으로 초기 충전이 이루어지는거죠. (근데 위 그림에는 배터리 양단에 Isolator가 떡하니 따로 적혀있긴하네요.. 잘 아시는 분은 댓글 부탁드립니다)

- Throttle input : 쓰로틀의 접지 연결은 B- 단자로 직접 연결되어야 하며, 어떠한 전원 연결/ 스위칭 부하와도 접지 경로를 공유해서는 안됩니다. 차폐 케이블을 사용하는 것이 좋으며, 마찬가지로 이때도 차폐(스크린)는 B-에 연결되어야 합니다.

개인적으로 궁금해서 젬미니한테 물어보니 이런 답을 주네요. 참고하면 되겠습니다.

- 추가적인 조치

 만약 위에 제시된 EMC 가이드라인을 만족할 수 없다면, 다음 중 한 개 이상의 조치를 취해야합니다.

 1. 모든 연결에 차폐 케이블 사용

 2. 컨트롤러/ 모터 주변에 Faraday cage 사용(https://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%8C%A8%EB%9F%AC%EB%8D%B0%EC%9D%B4_%EC%83%88%EC%9E%A5)

 3. Key switch supply에  LC 필터 추가 (노이즈 감소가 목적으로 보입니다.)

 4. 배터리 케이블은 배터리와 컨트롤러에 연결된 차폐가 필요

 5. 모터 케이블은 모터와 컨트롤러에 연결된 차폐가 필요

 6. 모든 소형 신호 연결에 common mode 페라이트 초크 사용 ( 젬미니 왈 : "코몬 모드 노이즈는 전원선이나 신호선의 두 전선에 동시에 발생하는 원하지 않는 전기 신호입니다. 이는 모터, 스위치, 전력 변환 장치 등 다양한 전자 장치에서 발생할 수 있습니다.") -> 이 또한 노이즈를 줄이는 것이 목적이겠네요.

이게 페라이트 초크라네요. 우리 주변에서 쓰는 전자제품 케이블에서도 종종 본 것 같습니다.

- 피해야할 것들

[노란 세모] EMC는 그렇게 단순한 문제가 아닙니다. 일반적인 차량이라면 잠재적으로 송/ 수신의 기능을 가진 부품이 많기에 EMC를 개선하기 위해 새롭게 조치한 것이 EMC 문제를 악화 시킬 수 있습니다.

1. 차량 섀시에 대한 커패시턴스(상호 전기용량)이 10 나노 패럿이상인 장치가 소형 신호 와이어링에 연결되어 있는 것을 조심해야합니다. 상호 전기용량이 높으면 그만큼 전기가 더 잘 흐르죠? 전기가 모터 컨트롤러 -> 전기용량이 큰 장치  -> 모터 컨트롤러로 다시 흘러 들어가 문제를 발생시킬 수 있다고 합니다. 

 2. 차폐 케이블을 사용할 때 접지 루프가 발생하는 것을 신경써야 합니다. 그렇지 않으면 불필요하게 전류가 유도되거나 의도치 않은 경로로 노이즈 전류가 발생할 수 있답니다. 

 -> 접지 루프는 차폐 케이블 차폐층이 여러 지점에 연결되면 발생할 수 있다고 합니다.

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길고 장황한 EMC 파트가 끝났네요. 공부하면서 느낀점은, 이걸 다 지키는 건 현실적으로 정말 어려울 것이란 사실입니다. 그래도 배선 작업시 꼭 참고해서 문제가 발생하지 않도록 하는 게 좋겠습니다. 처음 보는 용어나 장치가 많이 나와서 부연 설명이 길어졌는데 이해 바랍니다 ^^

Connecting Power cables

- 배터리와 모터 연결

[노란 세모] 높은 AC전류가 흐르는 전선은 교류 자기장에 의한 힘을 받기 때문에 별도의 지지대가 필요할 수 있습니다.

-> 모터 컨트롤러를 거치기 전까진 우리는 배터리에서 나온 직류를 사용합니다.

우리가 사용하는 size4는 :

M8 crimp ring lugs

-> M8은 사이즈(규격?)이고, crimp ring lug는 이런겁니다.

모터 컨트롤러 단자에서 보이는 녀석

Crimp tool

-> 단자압착기입니다.

9~13 Nm의 토크렌치와 소켓

케이블 작업 전에 고려 할 사항 :

1. 케이블을 짧게

2. 양/음 케이블을 최대한 가까이 붙여서 전류 루프를 최소화

3. LED를 사용한다면 케이블과 멀리 떨어뜨려 놓을 것

- 전원 케이블 연결할때는 주어진 볼트를 사용하고, 올바른 토크를 사용해야합니다.

 -> 매뉴얼에서도 볼드 처리 되어있네요. 위에 적힌 적정 토크(9-13 Nm)를 꼭 준수하여 망가뜨리는 일 없도록 합시다. 

- 기본적으로 제공된 볼트는 1개 분량의 ring lug만 체결할 수 있는 사이즈라, 여러개를 체결하고 싶으면 더 긴 볼트를 사용하면 된다고 합니다.

- 나사산은 최소 10mm 맞물려야 하며 최대 15mm까지 들어갑니다.

[노란 세모] 너무 길거나 너무 짧은 볼트는 사용하면 문제가 발생할 수 있습니다.

[노란 세모]  나사를 과도하게 쑤셔넣으면 커버가 손상되서 액체가 침투할 수 있습니다.

- 케이블 사이즈 

[노란 세모]  케이블을 선정할 때는 다음 네 가지를 고려해야 합니다 .

매뉴얼에서 제시된 다음 테이블은 다른 케이블과 그루핑 되지 않고, 주변온도 25도에서 케이블 표면 온도 60도 상승 조건에서의 값입니다. 

다만 케이블에 관련해서는 작년에 병규가 정리해놓은 글을 보는게 더 도움이 될 것 같네요.

https://cafe.daum.net/eoulsure/9ry0/11

Daum 카페

적으면서도 EMC 파트가 이렇게 길어질 줄은 예상 못했네요.

다음 글에선 퓨즈 마운팅과 가장 중요한 시그널 와이어링을 정리해보도록 하겠습니다. (분량이 허용한다면 챕터4까지..)

피드백이나 부연 설명 너무나도 환영합니다!!!

다음글에서 봐용.

[21 이인서]

근데 모터 컨트롤러 아닌가요

[20 최범수]

어쩔티비

[22 이강산]

[23 박현도]

[20 조현승]

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