혁신의 배경: 전류 감지를 재정의하기까지의 여정

요점:

• TMCS2100은 전기 자동차의 트랙션 인버터를 위한 TI 최초의 다축 코어리스 홀 효과 전류 센서로, 전류 측정 정확도를 저하시키지 않으면서도 자기 코어가 필요하지 않습니다.
• 전류를 둘러싼 자기장을 한 방향으로만 측정하는 기존의 코어리스 전류 센서와 달리, TMCS2100은 두 방향으로 측정하기 때문에 진동에 덜 민감하고 물리적 변위에 대한 내성이 더 큽니다.
• 이 새로운 다축 코어리스 홀 효과 전류 센서는 트랙션 인버터 설계의 오랜 걸림돌을 해결했습니다. 코어리스 구조이면서도 정밀한 전류 감지를 구현하여 모터 위상 간의 크로스토크와 토크 리플을 줄이고, 이를 통해 주행 거리를 늘리고 승차감을 더 부드럽게 합니다.
• TI의 Kilby Labs와 센싱 팀의 협업을 통해 개발된 TMCS2100은 자동차 제조업체가 크기와 무게를 늘리지 않고도 필요한 정밀도를 달성할 수 있도록 지원하며, 더 작고 효율적인 트랙션 인버터를 만들 수 있도록 합니다.

지난 수년간 한 가지 문제가 전기차용 트랙션 인버터를 설계하는 수천 명의 엔지니어들을 혼란스럽고 좌절스럽게 만들었습니다.

트랙션 인버터에서 정밀한 모터 제어를 달성하려면 정밀한 전류 측정이 필요합니다. 이로 인해 오랫동안 근본적인 희생을 치러야 했습니다. 자기 코어(magnetic core)는 필요한 전류 측정 정밀도를 제공하지만, 모든 설계에 무게와 크기를 더하게 됩니다. 반면, 자기 코어를 제거하면 진동만으로도 전류 측정값이 손상될 수 있습니다.

TI의 엔지니어들은 이러한 희생을 어쩔 수 없는 선택으로 받아들이기를 거부했고, 오히려 이를 혁신을 위한 기회로 전환했습니다.

Jason Cole TI 센싱 제품 부문 부사장 겸 총괄 매니저는 "우리 고객들은 트랙션 인버터에서 코어리스 구조이면서도 정밀한 전류 감지가 가능한 솔루션이 필요하다고 명확하게 말했습니다."라고 말합니다. TI의 센싱 사업팀은 이 솔루션을 개발하기 위해 TI 첨단 R&D의 원동력인 Kilby Labs와 파트너십을 맺었습니다. 이 팀은 아직 명확한 답이 없는 엔지니어링 과제들을 해결하고자 TI 기술 사업부와 협력하고 있었습니다.

기술적인 과제를 해결책으로 전환

TI는 이미 트랙션 인버터가 가진 장단점이라는 문제에 직면해 있던 두 명의 자동차 분야 엔지니어와 함께 작업을 시작하여, 프로젝트 초기부터 실제 설계 제약 조건을 반영했습니다. 설계자들의 근본적인 질문이 TI의 출발점이 되었습니다. 코어리스 솔루션이 엔지니어들이 오랫동안 감수해 온 희생 없이도 트랙션 인버터에 필수적인 정밀도를 제공할 수 있을까요?

"이상적으로는 밀접하게 협력할 수 있는 몇몇 핵심 협업자들이 있는 것이 좋습니다." Kilby Labs의 시스템 매니저인 Lei Ding은 말했습니다. "그러면 작은 팀을 구성하여 개념을 빠르게 프로토타입으로 만들고, 평가하고, 발전시킬 수 있습니다."

이 협업은 프로젝트의 초기 방향을 결정지었습니다. 초기 컨셉에서는 이미 측정된 후에 오류를 수정하기 위해 외부 마이크로컨트롤러를 사용했습니다. 그러나 Kilby Labs와 센싱 팀 간의 논의는 "내부에서 직접 측정 오류를 수정할 수 있는 센서"라는 더 야심 찬 목표를 향해 나아갔습니다.

이때부터 프로젝트는 다른 길을 걸었습니다. TI 엔지니어들은 첫 번째 설계를 다듬는 대신, 센서가 트랙션 인버터에서 전류를 측정하는 방식을 근본적으로 재검토하기 시작했습니다.

팀은 곧 독일에 위치한 고객사의 연구실에 프로토타입을 전달했고, 그곳에서 3일 동안 실제 센서가 직면하게 될 조건(다양한 전류 수준, 다양한 주파수, 다양한 변조) 아래 테스트를 진행했습니다.

때로는 이러한 테스트가 더 많은 질문으로 이어졌습니다. 예를 들어, 실제 환경에서도 이 테스트와 같이 시스템이 견뎌낼 것인가? 하지만 흥미롭게도 이러한 불확실성은 경고가 아니라 프로세스의 일부가 되었습니다.

Kilby Labs의 프로세스 개발 엔지니어링 매니저인 Dok Won Lee는 "아이디어의 효과를 입증할 쉬운 사례를 찾는 대신, 반대되는 접근 방식을 취했습니다. 실패할 수 있는 사례를 찾는 것이죠."라고 말했습니다. "그러면 빠르게 답을 얻을 수 있습니다."

한 가지 질문이 계속 제기되었습니다. 기존의 코어리스 센서는 한 방향으로만 전류 주변의 자기장을 측정합니다. 만약 센서가 두 방향에서 이를 측정한다면 어떻게 될까요?

함께 만들어낸 더 스마트한 센서

지금까지 시장의 어떤 솔루션도 복잡한 전류 감지를 수행하면서 신호의 다축 특성을 반영할 수 없었습니다. TI 엔지니어들은 정확도를 떨어뜨릴 수 있는 의도치 않은 영향을 줄이려면 다축 센서 설계를 채택해야 한다는 것을 알고 있었습니다.

다축 센서 설계는 업계가 오래동안 마주해왔던 절충 문제를 피할 수 있습니다. 두 방향에서 자기장을 읽어내면 센서가 진동에 덜 민감해집니다. 다축 측정 기능은 더 정확하고 신뢰할 수 있는 자기 감지가 가능하므로, 장치가 물리적 변위를 견딜 수 있는 능력을 높여줍니다. 향상된 정밀도는 모터 위상 간의 크로스토크와 토크 리플을 줄여, 전기차의 주행 거리와 승차감의 부드러움 모두에 악영향을 미치는 덜컥거리는 현상을 줄여줍니다.

"이는 단순한 문제가 아니었기 때문에 매우 보람찼습니다." Dok Won은 말했습니다. "위험은 컸지만 보상도 컸습니다. 막다른 골목으로 이어질 수 있는 많은 불확실성이 있었습니다. 하지만 우리는 제품화로 이어갈 수 있었습니다."

다축 센서는 결국 트랙션 인버터용 TMCS2100 다축 코어리스 홀 효과 전류 센서라는 실제 제품이 되었습니다.

"이것은 혁신의 극히 일부분일 뿐입니다." TI의 HEV/EV 및 파워트레인 부문 총괄 매니저인 Jerry Shi는 말합니다. "우리 고객들은 이를 한 단계 더 발전시킬 수 있을 것입니다. 이 장치를 차량에 장착하면 자동차 제조업체가 크기와 무게를 늘리지 않고도 필요한 정밀도를 달성하는 동시에 더 작고 효율적인 트랙션 인버터에 적용할 수 있도록 도와줄 것입니다."

TMCS2100의 개발은 검토, 개선, 재조정의 여러 주기를 거치면서 다양한 방향을 거쳤습니다. 하지만 그 여정은 한 곳에서 끝났습니다.

"우리는 엔지니어를 위해 발명하는 엔지니어입니다. 우리의 목표는 고객의 문제를 이해하고 그들이 가능하다고조차 생각하지 못했던 솔루션을 함께 창조하는 것입니다." Jason은 말합니다. "이 기술은 그것을 실현한 것입니다."