04( ) 안정훈-LPG,CNG Interface Box 제품.hwp

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서원 경
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1 Transactions of KSAE, Vol. 15, No. 6, pp (2007) Copyright C 2007 KSAE /2007/ LPG/CNG Interface Box 제품 Hardware 설계 안정훈 * 정재민 SIEMENS Automotive P ED HW LPG/CNG Interface Box Hardware Design JeongHoon An * JaeMin Jung Powertrain Electronics / Drivetrain Hardware of Siemens Automotive System Corporation, Saeum-dong, Icheon-si, Gyeonggi , Korea (Received 4 October 2006 / Accepted 17 July 2007) Abstract : In Korea, the number of LPG vehicles is increasing continuously because LPG is cheaper than Gasoline. Also in Europe, the CNG fuel is a good solution to meet CO 2 regulation. In order to use LPG/CNG fuel, new EMS ECU must be developed for every type of vehicles and it requires huge development cost. In order to reduce development cost and time, SIEMENS VDO has developed an Interface Box. It supports EMS ECU in the car and manages LPG/CNG fuel injection system. Basically the Interface box can be used with any kind of EMS ECU. The Interface Box controls LPG/CNG injector through the injection command of gasoline EMS ECU. It calculates required amount of based on the fuel temperature and pressure and sends feedback signal to ECU for fuel correction. Also, it controls LPG/CNG specific actuator such a Shut off valves and LPG switch inputs. Key words : LPG( 액화석유가스 ), CNG( 압축천연가스 ), EMS ECU( 엔진제어장치 ), Interface Box(LPG/CNG 연료제어장치 ) 1. 서론 1) 석유에너지의고갈로인한가격인상으로대체에너지시장이활기를띠고있다. 그중 LPG와 CNG 의사용량이점차늘어나고있다. 국내에는가스연료중 LPG가가장많이사용되고있으며, 유럽이나중동등지에서는 CNG가많이사용되고있다. 기존 LPG차량에사용된기술은믹서와베이퍼라이저를이용하여혼합기를엔진에공급하는원리였으나, 이러한장치들로는최근강화된배기가스규제를만족할수없으며, 가솔린엔진대비연비와동력성능이열세였다. 이것을해결하기위하여최근 * Corresponding author, jeonghoon.an@siemens.com 국내자동차회사에서는액상상태의 LPG를인젝터를통하여엔진의실린더입구에분사하는 LPI (Liquid Petroleum Injection) 시스템을장착하여출시하고있다. 4) 유럽에서는이산화탄소규제에대응하기위하여 CNG(Compressed Natural Gas) 사용차량에대한세제혜택이주어지고있다. 이산화탄소의배출량은석탄을 100으로하면석유 83, 천연가스는 57로서 CNG를사용할경우이산화탄소발생량을현저히줄일수있다. 또한풍부한매장량으로가격이저렴해중동지역에서도자동차연료로서각광을받고있다. 3) 이러한시장의요구를충족하기위해 LPG와 CNG 연료분사를제어하는 Interface box( 이하 IB) 의 23

2 안정훈 정재민 제품개발이완성되었고, 이제품이국내 LPI차량과유럽의 CNG 차량에장착되고있다. LPG/CNG 시스템을구성하기위해서는각종센서, 액츄에이터, 연료펌퍼, 밸브류, 압력조절장치등여러가지장치들이필요한데, 이러한것들에대한내용은기타논문을통해많이소개된바있으므로, 본논문에서는연료분사제어장치인 IB의하드웨어의구성중기존 EMS ECU와구별되는점과, 고압의가스연료를분사하는인젝터구동회로, 열악한실차환경조건에맞는전원회로설계에대해소개하고자한다. 2. 기술개요자동차엔진 / 연료제어장치를구성하는 EMS (Engine management system) ECU 제품은차종별로여러회사에서생산되고있는데, 하나의 EMS ECU를개발하여양산하는데는보통 2~3년의기간이소요된다. LPG나 CNG 차량은비교적소량생산이되며다양한엔진과차종에적용이되는데, 만일각차종별로전용의 LPG/CNG EMS ECU를개발할경우개발비 ( 인력 / 기간포함 ) 의과다로제품단가가크게상승하게된다. 이러한어려움을극복하기위해기존 EMS ECU는그대로두고 LPG/CNG 연료부분만을관장하는독립적인 ECU(IB) 를개발하여기존차 Fig. 1 Exterior of interface box 량에추가장착하여 LPG/CNG 차량으로변경한다면짧은기간에많은차종에확대적용할수있을것이다. 위와같은배경하에 IB가개발이되었고, 현재국내뿐아니라유럽, 중동지역의 LPG/CNG 차량에동일한 IB 하드웨어제품이적용되고있다. 물론 LPG와 CNG는서로다른제어로직이필요하며, 차종별로배기가스제어에필요한데이터는조절해주어야한다. 그러나제어를담당하는 IB 하드웨어입장에서는 LPG나 CNG 시스템은크게다르지않으므로, 공용화할수있다. 물론기존의 EMS ECU에추가로 IB를장착하여야하므로, IB가격만큼원가가상승되는요인이있으나, 이것은위에언급한개발비절감으로모두상쇄된다. Fig. 2 Block diagram 24 한국자동차공학회논문집제 15 권제 6 호, 2007

LPG/CNG Interface Box 제품 Hardware 설계 IB는하드웨어는일반적인 EMS ECU와유사하게구성이되나, LPG/CNG 인젝터의특성상개폐구동은전류를 Peak and Hold 방식으로제어해야하고, 또한 EMS ECU의인젝션신호를입력받기위한디지털입력회로에도 Pull-up 회로의사용을 SW 적으로스위칭할수있는기능이필요하다.

3 LPG/CNG Interface Box 제품 Hardware 설계 IB는하드웨어는일반적인 EMS ECU와유사하게구성이되나, LPG/CNG 인젝터의특성상개폐구동은전류를 Peak and Hold 방식으로제어해야하고, 또한 EMS ECU의인젝션신호를입력받기위한디지털입력회로에도 Pull-up 회로의사용을 SW 적으로스위칭할수있는기능이필요하다. IB 하드웨어는다음과같이구성되어있다. - 마이크로컨트롤러부 & 메모리 - 신호입력부 - LPG/CNG 인젝터구동부 - 전원부 - CAN/K 통신부 - 112pin 커넥터 / 알미늄하우징 2.1 마이크로컨트롤러부 & 메모리 IB에사용된마이크로컨트롤러는 Infineon사의 C167CS를사용하였다. C167 마이크로컨트롤러는차량용제어장치에적합하게개발되어많은 ECU제작사에서채용하고있다. PWM, AD converter, RAM 11K Byte, WDT, SPI, CAN, SCI 등의기능들이온칩상에포함되어있어비교적간단한주변회로만으로장치를구성할수있다. IB에는 8MHz Crystal 오실레이터가사용되었고, 이를 PLL로 2채배시켜내부시스템클럭은 16MHz로구동된다. 프로그램과데이터저장을위해 256KByte의 Flash 메모리를사용하였고, 7개의섹터중 2개는운행중발생한각종에러진단결과를저장하도록하였다. 이영역은다시수백바이트씩영역을나누어, 차량운행을마칠때마다학습치를기록한다. 문제는 Flash에학습치를저장할때, 실행코드를 Flash로부터액세스할수없는데, 이것을위해최소한의필요한코드만을 RAM으로복제후 RAM에서프로그램이실행되 Fig. 3 Memory map 게한다 (EEPROM Emulation). 2.2 신호입력부설계 아날로그센서신호입력가스연료의압력과온도를입력받기위한아날로그입력회로가필요한데, C167 마이컴내부의 16Ch 10bit 해상도의 A/D 변환기를이용하였다. A/D 변환기의기준전압은 5volt를사용하였고, 입력회로는아래 Fig. 4와같이구성하였다. R_pu은 100KΩ 정도를사용하여입력배선의단선시마이콤의입력전압을 VCC로만들어, 정상센서출력전압과차별화시켜단선진단이가능하도록하였다. 또한배선이밧데리전압이나 GND에단락될경우에도회로가파손이되지않도록설계되어야한다. 여기서전압은차량에서공급될수있는가장높은전압을선택하여야하는데, 12volt 밧데리차량의경우, 저온시동시밧데리두개를직렬연결한경우를가정하여 24volt로선택하였다. Rs는커넥터에서마이컴으로흐르는전류를제한하고, 또한 C2와함께필터로사용된다. 필터이후에직접마이콤의 A/D 변환입력에연결이되는데, C167 내부에는클램핑다이오드가있어커넥터단이 VB에단락되어 24volt 전압이인가되어도마이콤의입력핀에는 5.6 volt 정도의전압만나타나게된다. C1 커패시터는 6.8nF을사용하여 ESD 보호 /EMC 저감용으로사용되었다. Fig. 4 Analog input circuit 디지털입력회로 ( 인젝션신호입력 ) IB의디지털입력중가장중요한것은 EMS ECU 에서보내오는가솔린인젝션신호를입력받는부분이다. 일반적인디지털입력회로의기능을모두가지면서, 추가로다음조건을족해야한다. 1) 입력구동시, Pull-up 저항을통하여 40mA 이상의전류를 EMS ECU측으로흘려주어, EMS ECU Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 15, No. 6,

4 JeongHoon An JaeMin Jung 가단선진단하지않도록할것 2) LPG/CNG 출력단이단선된경우, 입력측전류를차단하여 EMS-ECU가스스로인젝터단선을판단할수있게할것이미자동차에장착되어있는 EMS ECU는 IB의장착유무를알지못한다는전제하에, 실제연료를분사하는 LPG/CNG 인젝터의배선에문제가있는경우 IB는 EMS ECU의인젝션신호를단선으로만들어 EMS ECU가가지고있는에러관리기능을수행할수있도록해야한다. IB회로는아래 Fig. 5와같이구성하여, R1이 EMS ECU의인젝터부하로사용되었다 (R1 : 150 R2 : 10K). LPG/CNG 인젝터구동에문제가없는경우단선진단제어를 HIGH로두어 FET를 ON시켜 R1을연결해주어, EMS ECU가정상이라판단하도록한다. 만일 LPG/CNG 인젝터에문제가발생한경우, 단선진단제어를 LOW로만들어 FET를 OFF하고, R2를통한미소전류만흘려보냄으로써 EMS ECU가스스로단선진단을하도록한다. Fig. 6 Injection signal input circuit Fig. 5 Injection signal input circuit 2.3 인젝터구동부 IB의 HW에서가장특별한부분이바로인젝터구동회로이다. LPG/CNG의특성상연료라인의압력이 9bar 전후로가솔린 (3bar 전후 ) 보다훨씬높다. LPG는액상상태로분사되어야정확한연료제어가가능하므로, 연료압력을높여연료레일상에 LPG가항상액상으로존재하게만든다. 연료라인의압력이높으면, 인젝터를개방하는데큰힘이필요하다. 인젝터가개방된이후에는작은힘으로도 개방상태를유지할수있다. 이러한동작을하기위해서는초기에큰전류를인젝터코일에흘려주고, 개방된이후전류를제어하여인젝터의발열을줄여야한다. 이러한제어방식을 Peak and Hold 제어라고한다. 일반가솔린용인젝터의저항은 14 정도로약 1A 정도의전류가흐르나, LPG/CNG에사용된인젝터는그저항이 2 정도로전류제한을하지않으면 7A 정도의전류가흐른다. 일반적으로 Peak and Hold용인젝터의전류값은인젝터종류별로다른값을가질수있다. 일반적으로 Peak시 4A와 Hold시 1A의전류제어를요구한다. IB는다양한종류의인젝터를 HW 변경없이제어하기위하여, Peak and Hold 제어전류를 Calibration data로조절할수있도록하였다. Peak & Hold 전류제어원리는다음과같다. - 전원전압과엔진 RPM 입력 - 목표 Peak 전류 (Ipeak) 를위한위조건별 Turn on 26 한국자동차공학회논문집제 15 권제 6 호, 2007

5 LPG/CNG Interface Box Hardware Design Hold duty :10% at 10Khz => 0.5A hold current Fig. 7 Peak and Hold control circuit time(tpeak) 을 calibration data 로부터선택 - Hold 전류를위한 duty 선택따라서 calibration data의변경으로 Peak current와 hold current를인젝터에맞게조절해줄수있다. SIEMENSVDO의 ASIC인 ATM38을메인드라이버로서사용하였고, MTD3055EL N-channel FET를이용하여 Freewheel on/off 제어를하였다. ATM38은 4ch N-channel FET가내장된 driver로서 Ch1,2는최고 8A의전류를구동할수있고, Ch3,4는최고 3A의전류를구동할수있다. 자체과전류 / 단선등의진단기능과고온에의한 Junction 파손을막기위하여고온 Shut down 기능을가지고있다. Fig. 8 Injector current and voltage waveform Hold duty :10% at 10Khz => 0.5A hold current Fig. 9 Duty control for Variable hold current Peak control : 1msec peak and 20% duty for 4A/1A 14volt 2.4 Voltage Regulator 차량배터리전압을 IB 내부 IC의공급전압인 5volt 로만들기위해서 SIEMENSVDO 의 ASIC 인 ATIC17 을사용하였다. 이 IC 는 20pin PSOP package 이며, Low drop out, Reset output, 2 채널센서용 5volt 전원출력, 0.1uA 이하의누설전류등, Automotive 용 voltage regulator 의특징을모두갖추었다. 배터리측에직렬다이오드와 100uF 전해콘덴서를사용하여, 차량에서흔히발생하는서지전압 (ISO Puls #1, #2번) 을보호하고있다. 또한직렬다이오드는배터리역접속시전해콘덴서를보호하는역할도한다. 필요에따라 Pulse #5번을막기위해 Zener diode를 33uF과병렬로장착할수도있다. 출력단에는특성이좋은 Tantal capacitor 68uF을채용하여 VCC 전원을안정화시켰다. Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 15, No. 6,

안정훈 정재민 Fig. 10 Voltage regulator diagram 2.5 통신부 Fig. 12 Thermal via and radiation path 2.5.1 K-Line System 에서 발생한 각종 Failure 정보를 진단 장비 로 보내기 위한 K-Line driver로 Freescale사의 TY93065가 사용되었고, KWP2000 protocol 이 구현 되어 Flash Reprogram 등도 가능하다.

사 용되는 통신속도는 500Kbaud이며, BUS안정화를 위해 아래 Fig. 11 회로와 같이 Termination 저항을 Fig. 13 Component placement of peak and hold part PCB (ATM38, FET, Diode) 연결 하였다. 3.

6 안정훈 정재민 Fig. 10 Voltage regulator diagram 2.5 통신부 Fig. 12 Thermal via and radiation path K-Line System 에서 발생한 각종 Failure 정보를 진단 장비 로 보내기 위한 K-Line driver로 Freescale사의 TY93065가 사용되었고, KWP2000 protocol 이 구현 되어 Flash Reprogram 등도 가능하다 CAN IB는 EMS와 CAN bus를 통해 정보를 교환한다. 연료량 추가, 또한 Calibration을 위해 CCP(CAN Calibration Protocol)이 SW 적으로 구현되어 있다. Philips의 PCA82C250 CAN driver가 사용되었고, EMC 저감을 위해 25uH choke coil이 사용되었다. 사 용되는 통신속도는 500Kbaud이며, BUS안정화를 위해 아래 Fig. 11 회로와 같이 Termination 저항을 Fig. 13 Component placement of peak and hold part PCB (ATM38, FET, Diode) 연결 하였다. 3. 결 론 LPG/CNG IB는 제품 설계 측면에서 본다면 일반 적인 ECU와 크게 다르지 않다. 그렇지만 기존의 ECU와 구별되는 큰 차이점은 IB는 특정 차량을 위 해 개발된 것이 아니라, 여러 회사에서 만들어진 다 양한 EU와도 연결되어 모든 차량에 적용될 수 있도 Fig. 11 CAN driver diagram 록 준비된 제품이다. 이러한 이유로 IB에는 여분의 입출력이 많이 준비되어야 한다. 이것으로 인해 IB 2.6 하우징과 PCB 디자인 의 크기와 원가구조에 악영향을 미치게 되지만, 새 IB 하우징은 알루미늄 재질을 사용하였고, 방열 로운 차량마다 새로운 ECU를 개발할 필요가 없으 을 위하여 하우징 표면에 방열핀을 설치하였다. 또 므로, LPG나 CNG로 연료 변경을 위한 차량 개발시, 한 전자부품에서 발생하는 열을 IC->PCB->Housing 상당한 개발비 절감 효과를 가져다 줄 수 있다. 으로 잘 발산되게 하기 위하여 파워 디바이스가 납 실제로 HW 측면에서 ECU 개발을 위해 소요되는 땜되는 면적에 다수의 Thermal via를 설치하였다. 기간이 2~3년이나, IB를 이용함으로서 완성품 대응 Thermal via를 통해 IC에서 발생한 열은 PCB 내층의 기간을 1년 이내로 단축하였다. 이것마저도 Cali- 전면 Ground 층을 통해 확산이 되고, 또한 하우징을 bration을 위해서 필요한 시간이 대부분이었으며, 통해 외부로 전달이 된다. 28 한국자동차공학회논문집 제15 권 제6 호, 2007

7 LPG/CNG Interface Box 제품 Hardware 설계 HW는불과 3개월내에양산품질을확보할수있었다. 매년강화된배기가스규정을맞추기위한새로운입출력회로를요청하고있음에도, HW 변경없이대응가능하므로, 전체적인개발일정단축과비용절감을실현하였다. 현재 KULEV도동일 HW로대응가능하다. 또한충분한 I/O를확보하고있고, 다양한종류의 LPG/CNG 인젝터를 HW 회로변경없이제어할수있다는것은, 제품개발비용절감뿐아니라, 국내외여러자동차회사의다양한요구조건을즉시수용할수있으므로, 상품성측면에서커다란경쟁력을가져다준다. 향후 LPG/CNG 차량수요가크게늘어난다면 IB 에축적된기술을이용하여특정차종에맞는전용의 ECU 개발도가능하다. References 1) Siemens Automotive, Application for Power Stages, SASCO Presentation, ) Siemens Automotive, Orbital Driver Concept, Siemens Technical Document, ) Siemens Automotive, CNG Bi-fuel Projects 관련기술정보및국내외산업계동향, SASCO Presentation, ) D. R. Kim and J. N. Park, LPG LPI (Liquified Pertoleum Injection) System, Auto Journal, KSAE, Vol.27, No.3, pp.14-18, Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 15, No. 6,

CAN-fly Quick Manual

CAN-fly Quick Manual adc-171 Manual Ver.1.0 2011.07.01 www.adc.co.kr 2 contents Contents 1. adc-171(rn-171 Pack) 개요 2. RN-171 Feature 3. adc-171 Connector 4. adc-171 Dimension 5. Schematic 6. Bill Of Materials 7. References