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EV 개발 프로세스 검증 단계에서는 시뮬레이션 시스템 (Hardware in the Loop Simulation, 이하 HILS) 이 활용되고 있습니다 .

배터리 팩의 개개의 셀을 감시하는 BMS (Battery Management System) 가 없는 상태에서 검증하는 경우나 EV 주행 환경을 모의해 각 셀의 충방

전 제어를 검증할 때는 배터리의 실제 기기와 시뮬레이션을 조합한 검증이 이루어집니다 . 이러한 검증에서는 각 셀의 전압이나 온도 측정 데이터를

실시간으로 고속으로 시뮬레이션 시스템에 반영하는 것이 요구됩니다 .

이 기사에서는 데이터 로거로 배터리의 각 셀 전압과 온도를 측정하여 취득한 데이터를 HILS 와 연계시키는 활용 사례를 소개합니다 .

이 측정에서 요구되는 데이터 로거의 성능

배터리 셀의 충방전 시 전압 변화를 상세하게 파악하기 위해서는 ms 단위의 짧은 주기로 데이터를 취득하고 제어해야 합니다 . HILS 와 같은 실시

간성이 요구되는 제어 시뮬레이션에서는 방대한 셀의 측정 데이터를 고속으로 시스템에 도입할 필요가 있습니다 . 따라서 데이터 로거는 고속 샘플

링으로 측정한 다채널 데이터를 저지연으로 고속 출력하는 성능이 요구됩니다 . 또한 고전압 배터리 팩을 측정할 경우 안전하게 시험하기 위한 절연

성능이 필수적입니다 . 이 측정에 사용하는 데이터 로거에는 다음과 같은 3 가지 성능이 요구됩니다 .

· 고속 샘플링으로 측정한 데이터를 실시간 출력할 수 있음

· 높은 절연 성능을 갖추고 있음

· 고전압 배터리 측정에 대응할 수 있는 채널 수

HILS 와의 연계에 최적인 데이터 로거

HIOKI 데이터 로거 LR8102 는 실제 배터리를 충방전할 때 제어 시뮬레이션에 최적인 측정기입니다 . 전압 · 온도 모듈 M7100 과 조합하여 계측 시 

스템을 구성합니다 . 배터리의 각 셀의 전압과 온도를 측정하고 측정한 데이터를 고속으로 실시간 시뮬레이션 시스템에 출력합니다 . ( 샘플링 속도는

측정하는 파라미터나 사용 채널 수에 따라 제한이 있습니다 .

데이터 로거 LR8102 와 전압 · 온도 모듈 M7100 이 HILS 와의 연계에 최적인 이유는 다음 세 가지입니다 .

1. 고속 샘플링으로 측정한 데이터를 실시간 출력할 수 있다 : 최고 샘플링 속도 5ms

LR8102 는 UDP (User Datagram Protocol)로 방대한 셀 데이터를 샘플링마다 실시간으로 출력할 수 있습니다 .

일반적인 데이터 로거 측정과 데이터 출력 타이밍

일반적으로 데이터 로거에서 취득한 데이터를 상위 시스템으로 전송하기 위해서는 통신 커맨드를 통해 데이터를 주고받습니다 . 하나의 데이터를

가져오는 데는 수십 ms 에서 수백 ms 의 시간이 걸립니다 . 수 ms 오더 샘플링으로 측정한 데이터를 상위 시스템이 수취하는 타이밍은 실제 측정

한 타이밍과 큰 차이가 생깁니다 . 그림 1 은 일반적인 데이터 로거 측정과 데이터 출력 타이밍을 보여줍니다 . 전압값은 t7 보다 전에 임계치를 초과

하지만 t9 타이밍까지 해당 데이터를 얻을 수 없습니다 . 또한 수 ms 의 측정 데이터를 결손 없이 상위 시스템이 취득하려면 여러 데이터를 한 번에

취득해야 합니다. 그러나, 실시간으로 데이터를 취득해 연산 결과를 피드백하는 HILS 에서는 여러 데이터를 한꺼번에 가져와도 최신 데이터만 사

용할 수 있게 됩니다 .

HIOKI 데이터 로거 LR8102 에 의한 고속 실시간 데이터 출력

데이터 로거 LR8102 는 측정 데이터를 샘플링마다 실시간으로 UDP로 출력할 수 있습니다 . 각 모듈에서 측정한 데이터는 새로운 설계의 고속 차동

통신으로 연결된 데이터 로거 본체에 수집합니다 . 데이터 로거의 secondary기에서 primary기로의 데이터 전송에는 광섬유를 사용한 고속 통신을 채용

하고 있습니다 . 모든 측정 데이터는 5ms 이내에  primary기로 집약됩니다 . 집약된 데이터는 Real-time OS 로 LAN 출력됩니다. 이렇게 측정에서 출력

까지를 충분한 대역폭을 가진 실시간 처리 가능한 하드 구성으로 함으로써 측정 데이터 취득 타이밍의 저지연을 실현합니다. 데이터 로거에서 시스템

으로 UDP 로 고속 실시간 데이터를 출력함으로써 측정한 데이터를 HILS 제어 루프에 연계시킬 수 있습니다 .

그림 2 의 그래프는 LR8102 의 UDP 출력 통신 주기의 실증 시험 결과를 보여줍니다 . 5ms 마다 측정 데이터를 UDP 출력하여 지연을 관측했습니다 .

14 만회가 넘는 플롯을 반복해도 통신주기는 5ms ± 600 μs 이내로 매우 안정적임을 알 수 있습니다 . 주기 안정성이 높기 때문에 시뮬레이션 시스

템에 데이터를 고속 출력해도 안정적인 측정 데이터를 얻을 수 있습니다 .

( 그래프는 1 패킷을 스위칭 HUB 경유로 수신한 결과입니다 .)

 2. 높은 절연 성능 : DC1500V CAT II

고전압 배터리 팩의 셀 전압을 안전하게 측정하기 위해서는 높은 절연 성능이 필수적입니다 . 예를 들어 , 총 전압 800V 의 배터리 팩의 셀 전압을 측

정하려면 모듈간 전압 800V 및 대지간 전압 800V 의 절연 성능이 필요합니다 . 전압・온도 모듈 M7100 은 ENIEC 61010 안전 규격에 준거한 DC

1500V CAT II 의 절연 성능으로 고전압 시스템을 안전하게 측정할 수 있습니다 .

3. 고전압 배터리 측정에 대응할 수 있는 채널 수 : 800ch(5ms 샘플링 시 )

고전압 배터리 팩의 셀 전압과 온도를 측정하기 위해서는 다채널 측정이 필요합니다 . 예를 들어 셀 전압을 4V 라고 했을 때 , 총 전압 800V 의 배터

리 팩을 구성하는 셀의 수는 200 개입니다 . 그 모든 셀의 전압과 온도를 측정하려면 400ch 가 필요합니다 . EV 개발 현장에서는 실험 레벨에서는

1000V 를 넘는 배터리도 시험 제작하고 있어 향후 더욱 다채널이 필요할 것으로 전망됩니다 .

데이터 로거 LR8102 는 데이터 로거 본체와 측정 모듈을 조합하여 입력 채널 수를 자유롭게 확장할 수 있습니다 . 그림 3 과 같이 M7100 을 10 대 연

결한 LR8102 를 광접속 케이블로 10 대 샘플링 동기화하면 최대 800ch 를 5ms 샘플링으로 측정할 수 있는 시스템을 구성할 수 있습니다 . M7100

으로 측정한 데이터는 연결한 LR8102 로 수집하며 , 모든 데이터는 5ms 이내에  primary기로 집약됩니다 . 집약된 데이터는  primary기의 데이터 출

력 전용 LAN2 포트에서 실시간 고속 출력됩니다 .

주 ) 한 대의 M7100 사용 채널 수가 8ch 이내이면서 모든 채널의 레인지가 전압레인지일 경우 5ms 샘플링으로 측정할 수 있습니다 .

　　온도 측정은 10ms 샘플링부터 측정할 수 있습니다 .

시스템 예

여기서는 데이터 로거 LR8102 와 전압 및 온도 모듈 M7100 을 최대 수로 사용한 경우의 시스템 예를 소개합니다 . LR8102 는 최대 10 대까지 동기

화할 수 있습니다 . LR8102 에 M7100 을 각 10 대 연결하면 최대 100 대의 M7100 을 사용한 계측 시스템을 구성할 수 있습니다 . M7100 에서 측

정하는 파라미터는 자유롭게 조합할 수 있습니다 . 이 예에서는 100 대의 M7100 중 70 대를 전압 측정 , 30 대를 온도 측정에 사용합니다 .

그림 4 와 같이 10 대의 LR8102 를 광접속 케이블로 연결하여 샘플링 동기화합니다 . LR8102 각각에 전압・온도 모듈 M7100 을 10 대 연결합니

다 . 이 계측 시스템으로 전압 (560ch, 5ms 샘플링 ) 과 온도 (450ch, 10ms 샘플링 ) 를 한 번에 측정할 수 있습니다 . 모든 데이터는 5ms 이내에 첫

째기기에 집약되며 데이터 출력 전용 LAN2 포트에서 실시간 고속 출력됩니다 . 이와 같이 LR8102 와 계측 모듈로 다채널 계측 시스템을 구성하면 ,

1500V 의 대규모 배터리 시스템의 충방전 시험에서 HILS 와 제휴하는 것도 가능합니다 .

주）한 대의 M7100 사용 채널 수가 8ch 이내이면서 모든 채널의 레인지가 전압레인지일 경우 5ms 샘플링으로 측정할 수 있습니다 .

　　온도 측정은 10ms 샘플링부터 측정할 수 있습니다 .

정리

HILS 와 같은 실시간성이 요구되는 제어 시뮬레이션에 데이터 로거를 통합하려면 데이터 로거의 샘플링 속도와 데이터 출력 속도가 매우 중요합니

다 . 또한 고전압 배터리 팩을 측정할 경우에는 다채널 측정이 가능하고 높은 절연 성능을 갖추고 있어야 합니다 . HIOKI 데이터 로거 LR8102 와 계

측 모듈 M7100 을 조합한 시스템으로 최고 샘플링 5ms 로 안전하고 정확하게 데이터를 취득하여 해당 데이터를 실시간 고속 출력할 수 있습니다 .

HILS 와의 원활한 제휴를 서포트해서 EV 개발에 공헌합니다 . 덧붙여 이 제품에 부속하는 DVD 에는 수신하는 시스템의 샘플 프로그램이 수록되어

있습니다 . 이 샘플 프로그램을 실행하면 LR8102 의 측정값을 UDP 로 수신하여 출력 형식별로 물리량으로 변환하여 파일에 보존하므로 UDP 의 동

작을 바로 체험해 볼 수 있습니다 .

이 제품에 대해서 자세한 것은 HIOKI 웹 사이트의 제품 페이지를 참조해 주세요 . 

데모기의 요청이나 측정에 관한 상담은 HIOKI 담당자에게 연락해주세요 .