http://dx.doi.org/10.5369/JSST.2016.25.2.155 pISSN 1225-5475/eISSN 2093-7563
PHEV 용 Charge Indicator 시험기 개발
김진영 · 강준희+
Development of Charge Indicator Inspection System for Plug-in Hybrid Electric Vehicle
Jin Young Kimand Joonhee Kang+
Abstract
In this work, we have developed a test system to examine whether the charge indicator of the plug-in hybrid electric vehicle (PHEV) works properly or not. In PHEV, the driver should charge the necessary electricity by plugging in manually and be able to know the charging status through the charge indicator conveniently located for the charging individual. Our system used the CAN bus to transmit the same commands from ECU to the indicator to test the proper operation of the indicator lights. It measured the electric current values during operation and analyzed to determine the quality of the indicators. The inspection items included the proper packaging, the elec- trical shorts, the LED lighting during charging, the LED lighting for charging failure, and the LED lighting when errors occur. We devel- oped the system for the operators in the factory allowing them to approve the test results at the site. We developed the hardware, the control software, and the software to store the test results and the history of the products in the database. Serial numbers were given to the good quality products and the bar code labels were printed to trace the products afterwards. Through this work, we developed a system to inspect the electric parts in real time upon fabrication. We are planning to further improve our system to inspect the bright- ness of the indicator by adding the vision inspection in future.
Keywords: PHEV, charge indicator, inspection, CAN
1. 서 론
자동차는 오늘날 인류의 생활에 없어서는 안 될 정도로 큰 비 중을 차지하고 있다. 이러한 자동차 기술의 발전은 기계 기술과 전자기술의 접목을 통해 발전해왔다. 특히 최근의 자동차는 전 장 부품을 탑재하고 있으며, 전장 부품은 배터리에서 전원을 공 급하여 동작하는 전기 전자 부품 및 저항이나 콘덴서와 같은 소 자들로 이루어진 작은 기판을 포함하는 부품과 마이크로컴퓨터 를 포함한 단면 양면/기판들과 기계적인 기구들이 조합된 부품 들까지 포함된 것을 의미한다. 이는 전기가 흐르는 모든 부품이 나 장치를 의미해 ESA(Electric/Electronic Sub Assembly) 라고 도 부른다. 최근 전기 자동차, 친환경 자동차 및 지능형 자동차 하이브리드 자동차 등이 주목을 받으면서 더욱 전장부품 시장
은 점점 최신 기술 등을 발명을 통해 발전해 나가고 있으며 기 존 자동차 시장이 각종 환경적 사회 규제로 인해 대체 에너지 원을 활용한 자동차 개발에 앞서 투자하면서 그와 관련된 자동 차 전장부품 시장도 더욱 활기를 띄고 있다[1-9]. 자동차 기술 의 발전함에 따라 편의장비 및 안전장비 들이 기하급수적으로 증가하고 있으며, 전장부품의 품질 검사 또한 엄격해 지고 있다 . 실제 전장부품을 생산하여 완성차 업체에 납품하는 1차, 2차, 3차 벤더들의 경우에는 반드시 자사가 생산한 전장부품을 시험 하도록 되어있으며, 시험결과를 자동차 완성차 업체에 제출토록 되어있다. 다양한 전장부품을 테스트 하기 위하여 모달 테스트 를 통해 분석하는 방법과 유한요소 해석법을 사용한 연구들이 진행되었다[10,11].
본 연구에서는 플러그인 하이브리드 자동차의 충전 인디케이 터 전장 부품을 시험하는 시험기를 개발 하였다. 플러그인 하이 브리드 자동차 (PHEV)는 이름에서 알 수 있듯이 차량에서 사 용할 전기를 플러그로 충전 할 수 있어야 한다[12,13]. 그러기 위해서는 플러그를 차량에 장착한 경우에 충전 상태를 차량의 운전자에게 알려주는 기능을 하여야 한다. 충전 정보는 차량의 머리라 할 수 있는 ECU에서 정보를 받아 차량의 운전자에게 디스플레이를 하게 된다. 이때에는 충전량과 에러 정보를 쉽게 디스플레이 하여야 하며, 특히 플러그인 하이브리드 차량의 경
인천대학교 물리학과 (Dept. of physics, Incheon National Unversity)(Songdo-dong)119 Academy-ro, Yeonsu-gu, Incheon, Korea.
+Corresponding author: [email protected]
(Received: Mar. 11, 2016, Revised: Mar. 28, 2016, Accepted: Mar. 29, 2016)
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우 차량의 운전자는 차를 충전하기 위해서는 외부에서 플러그 를 차량에 꼽는 방식을 사용하며, 따라서 Charge indicator는 외 부에서도 잘 확인할 수 있는 곳에 위치하여야 한다. 그리고 확 실히 운전자에게 충전 정보를 디스플레이 할 수 있도록 직관적 이어야 하며, 충분히 밝은 조도를 확보하여야 한다. 본 연구에 서는 Charge indicator의 불량을 생산 후 바로 판정할 수 있는 시험기를 제작 하였다.
2. 설계 및 소프트웨어
2.1. 하드웨어 구성
Fig. 1 은 하드웨어 블록 다이어그램을 나타내고 있다. 제어를 위한 MCU회로와 디스플레이를 위한 LCD, Charge indicator 를 검사하기 위한 전류 측정센서, ECU의 명령을 송수신하기 위한 CAN통신 회로, 디지털 입출력, ADC회로부로 구성하였다. 또한 측정 결과를 작업자에게 명확히 전달하기 위하여 부저와 경광 등을 부착하였으며, 각종 동작 버튼을 함께 구비하였다. 측정된 결과를 DB에 저장하기 위해 PC를 추가하였으며, 측정을 한 제
품에 대해서는 자동으로 시리얼 번호를 부여하도록 하였으며, 합격품인 경우에는 생성된 시리얼 번호에 해당하는 바코드라벨 을 출력하여 작업자가 생산완료 된 제품에 부착할 수 있도록 하 였다. 그러나 불량 판정이 난 경우에는 불량의 원인을 작업자에 게 디스플레이 하도록 하고, 이력을 저장하여 합격품과 구분할 수 있도록 하는 기능을 구현하였다.
2.2. CAN 통신 회로 설계
CAN 은 실시간 제어 응용시스템 내에 있는 센서 또는 기동장 치 등과 같은 주변장치들을 서로 연결해 주는 마이크로 제어기 용 직렬 버스 네트워크를 가리킨다. 메시지는 해당 네트워크에 서의 고유한 식별자를 사용하여 네트워크 내에 있는 모든 노드 들에게 동시에 뿌려진다. 개개의 노드들은 이 식별자에 기반을 두어 해당 메시지를 처리할 것인지의 여부를 결정하며. 버스 접 근 순서 역시 경쟁원리에 따라 메시지 우선 순위를 정한다. 충 돌이 감지되었을 때 이더넷에서는 전송이 중단되는 것과는 달 리, CAN과 같은 방식을 사용하면 중단 없는 데이터 전송이 가 능하다. CAN은 1986년에 로버트 보쉬에 의해 처음 개발되었으 며, 최고 속도 125 Kbps 까지 활용을 위해 ISO 11519로, 그리 고 1 Mbps 까지 활용을 위해 ISO 19898로 각각 표준화되었 다[14-16]. Fig. 2는 Multi CAN 인터페이스의 블록 다이아그램 을 나타내고 있다.
본 연구에서는 Multi CAN 인터페이스를 구현하기 위해서 PIC18F4480 칩을 사용하였다. Fig. 3에 회로도를 나타내었다.
사용자가 제어를 통해 다수의 CAN통신이 가능하도록 기능을 구현하였다. 본 연구에서는 CAN#1-CAN#5 까지 총 5개의 CAN 통신 채널을 제어할 수 있도록 하드웨어를 개발 하였다. 시험기 에 5개의 CAN채널을 구성하여 테스트 제품이 변경되더라도 확 장성이 용이하도록 하였다.
2.3. 하드웨어 layout
Fig. 4 는 메인 보드의 PCB layout을 나타내고 있다. 메인보드 Fig. 1. System hardware block diagram
Fig. 2. Block diagram of Multi CAN interface
Fig. 3. Circuit diagram of Multi CAN interface
의 사이즈는 185 mm×115 mm 의 크기로 설계 하였다. 릴레이 제어, 각종 신호 입출력 기능을 탑재하였다. 또한 Charge indicator 의 LED의 불량여부를 검출하기 위해서는 가장 좋은 방법은 LED의 조도를 측정하는 방식이다. 그러나 현실적으로 LED조 도를 측정하는 광학장비를 탑재하기에는 제작 단가가 매우 상 승하기 때문에 본 연구에서는 소비전류를 측정하는 방식으로 불 량 여부를 판정할 수 있도록 회로를 구성하였다.
Fig. 4의 우측하단에 쪽보드 형태로 전류센싱 보드를 설계하 였으며, 이렇게 설계를 진행한 이유는 전류 센싱 보드는 이상전 류를 측정하는 기능을 담당하며, 쇼트, 또는 전류이상으로 인해 센서 칩이 망가지는 경우가 발생할 수 있다. 그래서 본 연구에 서는 임베디드 보드에 헤더핀 으로 장착할 수 있도록 전류센서 보드를 설계하여 고장이나 이상 발생 시 전류 센싱 보드만 쉽 게 교체가 가능하도록 하였으며, 측정 정밀도는 0.01mA까지 측 정할 수 있도록 하였다.
2.4. 소프트웨어 개발설계
Fig. 5 는 Charge indicator 시험기의 동작 프로세스 개념도를 나 타내고 있다. 그림에서 알 수 있듯이 START 버튼을 누름과 동시 에 검사 프로세스가 가동되도록 하였다. START 버튼이 눌려지 면 전류센서를 통해 Charge indicator의 SHORT(쇼트) 검사모드 로 진입하게 된다. 쇼트 테스트 시에는 Charge indicator의 메인 전원인 (IGN)을 공급하게 되고, LED를 점등하기 위한 (ILL+) 신 호를 공급한다. 이때 만약 쇼트 검사에서 실패하게 되면 경광등 과 부저를 구동하여 사용자에게 피드백을 하고 작업자는 불량품 을 확인하고 제거하게 된다. 쇼트 테스트를 통과하게 되면 충전 중, 이상발생 등의 램프 검사를 진행하게 된다. 이때는 각 상황에 따라 점등되는 LED의 색깔이 다르게 나타나며, 정상적으로 소비 되는 전류를 측정하여 상하한 범위 안에 있는지를 판단하게 된다.
Fig. 6는 Charge indicator 시험기의 LCD창의 디스플레이 모 습을 나타내고 있다. 시험기에는 앞서 기술한 바와 같이 LED 전류소모량의 기준값 및 상하한 값을 설정하는 기능과 조립검 사, 쇼트검사, 충전중 검사, 충전실패검사, 외관검사를 수행하는
시간 간격, 측정 횟수 등의 기본정보를 설정하고 측정된 결과 및 판정결과를 PC에 송신하는 기능을 수행하도록 개발을 진행하였다
3. 제작 및 성능 시험
3.1. System 제작
Fig. 7 은 본 연구를 통해 개발된 PHEV용 Charge indicator 시 험기를 나타내고 있다. Fig. 7에서 볼 수 있듯이 시험기는 LCD 와 Charge indicator를 커넥팅 하기 위한 지그로 구성이 되어있 으며, 자동 커넥팅을 위해서 공압 실린더와 공압제어 회로를 탑 재 하였다. 시험기의 옆에는 작업자가 확인할 수 있도록 부저와 경광등을 설치하였으며, 시험결과 및 시리얼 번호, 양품, 불량 수량을 확인할 수 있는 PC와 모니터를 별도로 구성하였다. 그 리고 양품의 경우 시리얼을 출력할 수 있는 바코드 라벨 프린 터까지 구동할 수 있도록 소프트웨어를 개발하였다.
Fig. 4. Encoder schematic diagram
Fig. 5. Test process of charge indicator tester
Fig. 6. LCD display of the Charge indicator tester
3.2. 성능 테스트
본 연구를 통해서 개발된 CAN통신 관련 테스트를 진행하였 다. 테스트는 고속 CAN LINE 비정상 점유 평가를 실시하였 다. 테스트 방법은 오실로 스코프를 사용하여 CAN H, CAN L 신호를 연결 후 IGN 전원을 인가한 후에 Error Frame 발생 유 무를 확인 하는 방법으로 진행하였다. 이러한 CAN 통신 테스 트는 다수의 전장부품들이 CAN통신으로 묶여있는데, 어떤 CAN 디바이스에서 이상 신호를 발생하게 될 경우 차량의 안전에 치 명적인 문제를 야기 할 수 있기 때문에 반드시 CAN통신 관련 테스틀 거쳐야만 한다.
Fig. 8 은 테스트 결과를 나타내고 있다. 노란색 신호선은 CAN H이며, 파란색 신호선은 CAN L를 나타낸다. CAN H 신호에서 CAN L 신호를 뺀 결과가 가운데 적색 신호로 나타나고 있다. 전 원을 디바이스에 인가하였을 때 Error Frame이 발생하지 않은 것을 알 수 있다.
그 외에도 CAN stress 테스트를 수행하였다. 각 CAN 메시지 에 대해 연속적인 장애를 가하여 BUS OFF 및 장애 제거시 정
상복귀 여부를 확인하였다. GND 라인 쇼트시, CAN H, CAN L 쇼트시로 나뉘어 테스트를 진행하였으며, 장애 제거시 바로 통신이 가능한 상태로 복귀하는 것을 확인하였다. 본 연구를 통 해 개발된 PHEV용 Charge indicator 시험기는 실제 자동차 전 장부품을 생산하는 생산업체에서 바로 사용이 가능한 수준으로 개발되었다.
Fig. 9은 PHEV용 Charge indicator 시험기의 테스트 결과를 나타내고 있다. 조립검사, 쇼트검사, 충전중 검사(전류상한 72 mA, 전류하한 68 mA, 측정시간 0.8초, 반복회수 2회), 충전실패 검 사(전류상한 72 mA, 전류하한 68 mA, 측정시간 2초, 반복회수 1 회), 외관검사(작업자 육안검사)를 모두 통과하여 합격 판정된 결과를 나타내고 있다.
4. 결 론
플러그인 하이브리드 자동차에 사용되는 Charge indicator의 시험기를 개발 하였다. Charge indicator는 ECU와 CAN통신 방 식으로 데이터를 송수신하며, 운전자에게 충전 정보를 디스플레 이하는 장치이다. 본 연구를 통해서 CAN데이터를 송수신 하는 전장부품 시험기를 개발하였으며, 이를 통해 실제 자동차 전장 부품을 생산하는 업체에서 바로 사용할 수 있도록 우수한 성능 과 저렴한 생산가격을 갖는 시험기를 개발하였다. 전류센서의 분해능은 0.01 mA의 오차범위 내에서 측정이 가능하였으며, 12bit ADC 회로를 통해 측정하도록 회로를 구성하였다. 자동 커 넥팅 방식으로 실제 작업현장에서 편리하게 사용할 수 있도록 작업자의 편의성까지 고려하였다. 본 연구를 통해 전류 센싱 및 CAN통신 방식의 전장부품 시험기를 개발하였으나, 추후에는 LED indicator의 조도까지 정밀하게 검사할 수 있는 비전기능을 탑재한 시험기의 개발을 추진할 계획이다.
Fig. 7. Photograph of Charge indicator tester
Fig. 8. CAN test result
Fig. 9. PHEV Charge Indicator test software snapshot
감사의 글
이 논문은 인천대학교 2015년도 자체연구비 지원에 의하여 연구되었음.
REFERENCES
