3. TSAL

3. TSAL

E-포뮬러 전기시스템 제작기

2022년 05월 27일

목차


TSAL 개요

TSAL, Tractive System Active Light는 개요에서 설명한 것처럼 LV일 때 녹색, HV일 때 적색으로 차량의 전기계통 활성화 상태를 표시하는 장치이다. 한국자동차공학회 Formula 차량기술규정 제10장 전기시스템 제53조 고전압 표시등에 관련 규정이 있다.

규정에 따라 TSAL의 LED는 야외 햇빛 아래에서도 반경 3m 이내에서 확실하게 식별할 수 있는 밝기여야 한다. 또한 LV로 작동하되, HV 전압을 감지하여 작동해야 한다. 이 말은 회로가 LV와 HV의 전압을 비교할 수 있어야 한다는 말이다. 목차 1번 들어가며접지 문단을 다시 한 번 읽어보자. 전압을 비교하려면, 기준점이 같아야 한다. 기준점이 같다는 것은 그라운드를 공유한다는 뜻이며 이는 전혀 절연 상태가 아니라는 말이다.

뭔가 이상하지 않은가? HV와 LV는 어떠한 상황에서도 절연을 유지해야 하는데, 비교하려면 절연을 포기해야 한다. 이 말도 안 되는 상황을 해결하기 위해 우리는 SPAN02A-12나 MUS1212와 같은 절연형 12V DC-DC 컨버터를 사용한다. 이 아이들은 그냥 간단하게 12V를 입력받아 12V를 출력하는 친구다. 이 기능밖에 없다면 존재가치가 없겠지만 이 아이들은 입력과 출력이 완전히 절연되어 있다. 그래서 LV 배터리 전원을 이 컨버터에 통과시키면 LV와 완벽하게 절연된 12V 전원을 만들어낼 수 있다. 이 전원의 그라운드를 HV-와 연결하면 LV를 통해 전원을 공급받으면서도 LV와는 절연된 12V 레퍼런스를 갖게 되는 것이다.

회로 동작

HV 영역

TSAL은 먼저 4M7 저항 4개로 이루어진 전압 분배 회로를 통해 12V 레퍼런스 전압을 1/4로 나눈다. 12V는 고정이므로 나눠진 전압은 항상 3V이다. 이 3V 레퍼런스 전압은 LM311 비교기의 3번 입력 핀으로 들어간다.

한편, HV 전압은 4M7 저항 4개와 1M 저항으로 이루어진 전압 분배 회로를 통해 1/20으로 나누어 LM311의 2번 핀으로 입력된다. 한국자동차공학회 규정상 HV는 60V 이상이므로 HV 전압이 60V보다 높아지는 순간 TSAL이 작동되어야 한다. 60V는 1/20으로 나누면 3V이므로, HV가 60V보다 커지면 분배된 전압은 3V보다 높아지게 된다.

LM311은 이 두 전압을 비교해 2번 핀 전압이 더 크다면 HIGH를, 3번 핀 전압이 더 크다면 LOW를 7번 핀으로 출력한다. 이 신호는 2.2kΩ 전류 제한 저항을 통과하여 4N36 포토커플러를 작동시킨다.

  • HV 전압 분배 회로 뒤의 제너다이오드는 LM311에 입력되는 전압을 최대 12V로 제한하기 위함이다. 제너다이오드의 동작은 별도로 찾아보길 바란다. LM311의 입력 핀 전압은 최대 15V인데, 우리 HV 배터리의 전압은 (3.3 ~ 4.2) * 70 = 231 ~ 294V이다. 이를 1/20으로 분배하면 11.6 ~ 14.7V가 되는데, 최대 전압인 14.7V가 LM311의 입력 한계에 매우 가깝기 때문에 이를 12V로 깎는 것이다. 어차피 HV가 60V보다 크다면 2번 핀 전압은 3V보다 커져 항상 LM311을 작동시키기 때문에 동작에는 아무 문제가 없다.
  • 전압 분배 회로에 높은 저항값을 사용하는 것은 LM311과 같은 IC 회로는 전압으로 동작하는 논리 회로이지, 전류를 사용하는 회로가 아니기 때문이다. HV는 결국 구동계통 전원이므로 고전압으로 인한 과전류를 방지하기 위해서도, 모터에 쓸 배터리를 아끼기 위해서도 높은 저항값을 사용하여 손해볼 것은 없다.
  • LM311의 2번 핀과 3번 핀 사이 커패시터는 노이즈 필터링을 위한 것이다.
  • LM311 주변의 1uF 커패시터와 10kΩ 저항은 LM311을 동작시키기 위한 주변 회로이다.

LV 영역

TSAL의 녹색, 적색 LED는 LV로 동작한다. 따라서 LM311의 비교 출력을 절연을 유지한 상태로 LV로 전달해주어야 하기 때문에 포토커플러를 사용한다. 포토커플러를 통해 LM311의 출력 신호는 LV 측으로 전달되고, 출력이 HIGH라면 맨 오른쪽 MOSFET을 작동시켜 적색 LED를 점등한다. 만약 출력이 LOW라면 가운데 MOSFET과 저항이 만드는 NOT게이트를 통과하여 HIGH로 반전된 값이 맨 왼쪽 MOSFET으로 전달되고, 녹색 LED를 점등한다.

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