[논문]LPG/CNG Interface Box 제품 Hardware 설계

안정훈; 정재민

Abstract ▼ AI-Helper

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 deve...

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.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

이러한 시장의 요구를 충족하기 위해 LPG와 CNG 연료분사를 제어하는 Interface box(이하IB)의 제품개발이 완성되었고, 이제품이국내LPI차량과 유럽의 CNG 차량에 장착되고 있다. LPG/CNG 시스템을 구성하기 위해서는 각종 센서, 액츄에이터, 연료펌퍼, 밸브류, 압력조절장치 등 여러 가지 장치들이 필요한데, 이러한 것들에 대한 내용은 기타 논문을 통해 많이 소개된 바 있으므로, 본 논문에서는 연료분사 제어장치인 IB의 하드웨어의 구성 중 기존 EMS ECU와 구별되는 점과, 고압의 가스 연료를 분사하는 인젝터 구동회로, 열악한 실차 환경 조건에 맞는전원회로 설계에 대해 소개하고자 한다.

가설 설정

또한 배선이 밧데리 전압이나 GND에 단락 될 경우에도 회로가 파손이 되지 않도록 설계 되어야 한다. 여기서 전압은 차량에서 공급될 수 있는 가장 높은 전압을 선택하여야 하는데, 12volt 밧데리 차량의 경우, 저온 시동시 밧데리 두개를 직렬 연결한 경우를 가정하여24volt로 선택하였다.

제안 방법

가스 연료의 압력과 온도를 입력받기 위한 아날로그 입력회로가 필요한데, C167 마이컴 내부의 16Ch 10bit 해상도의 A/D 변환기를 이용하였다. A/D 변환기의 기준전압은 5volt를 사용하였고, 입력 회로는 아래 Fig.
IB 하우징은 알루미늄 재질을 사용하였고, 방열을 위하여 하우징 표면에 방열핀을 설치하였다. 또한 전자부품에서 발생하는 열을 IC->PCB->Housing으로 잘 발산되게 하기 위하여 파워 디바이스가 납땜되는 면적에 다수의 Thermal via를 설치하였다. Thermal via를 통해 IC에서 발생한 열은 PCB 내층의 전면 Ground 층을 통해 확산이 되고, 또한 하우징을 통해 외부로 전달이 된다.
필요에 따라 Pulse #5번을 막기 위해 Zener diode를 33uF과 병렬로 장착할 수도 있다. 출력단에는 특성이 좋은 Tantal capacitor 68uF을 채용하여 VCC 전원을 안정화시켰다.
프로그램과 데이터 저장을 위해 256KByte의 Flash 메모리를 사용하였고, 7개의 섹터 중 2개는 운행중 발생한 각종 에러 진단 결과를 저장하도록 하였다. 이 영역은 다시 수백 바이트씩 영역을나누어, 차량 운행을 마칠 때마다 학습치를기록한다.

대상 데이터

IB에 사용된 마이크로 컨트롤러는 Infineon사의 C167CS를 사용하였다. C167 마이크로 컨트롤러는 차량용 제어장치에 적합하게 개발되어 많은 ECU제작사에서 채용하고있다.
연료량 추가, 또한 Calibration을 위해 CCP(CAN Calibration Protocol)이 SW적으로 구현되어 있다. Philips의 PCA82C250 CAN driver가 사용되었고, EMC 저감을 위해 25uH choke coil이 사용되었다. 사용되는 통신속도는 500Kbaud이며, BUS안정화를 위해 아래 Fig.
SIEMENSVDO의 ASIC인 ATM38을 메인 드라이버로서 사용하였고, MTD3055EL N-channel FET를 이용하여Freewheel on/off 제어를 하였다. ATM38은 4ch N-channel FET가 내장된 driver로서 Ch1,2는 최고 8A의 전류를 구동할 수 있고, Ch3,4는 최고 3A의 전류를 구동할 수 있다.
Philips의 PCA82C250 CAN driver가 사용되었고, EMC 저감을 위해 25uH choke coil이 사용되었다. 사용되는 통신속도는 500Kbaud이며, BUS안정화를 위해 아래 Fig. 11 회로와 같이 Termination 저항을 연결하였다.

성능/효과

2) LPG/CNG 출력단이 단선된 경우, 입력측 전류를 차단하여 EMS-ECU가 스스로 인젝터 단선을 판단할 수 있게 할 것
이것마저도 Calibration을 위해서 필요한 시간이 대부분이었으며, HW는 불과 3개월 내에 양산 품질을 확보할 수 있었다. 매년 강화된 배기가스 규정을 맞추기 위한 새로운 입출력 회로를 요청하고 있음에도, HW 변경 없이 대응 가능하므로, 전체적인 개발일정 단축과 비용절감을 실현하였다. 현재 KULEV도 동일 HW로 대응가능하다.
실제로HW 측면에서 ECU 개발을 위해 소요되는 기간이 2~3년이나, IB를 이용함으로서 완성품 대응 기간을 1년 이내로 단축하였다. 이것마저도 Calibration을 위해서 필요한 시간이 대부분이었으며, HW는 불과 3개월 내에 양산 품질을 확보할 수 있었다. 매년 강화된 배기가스 규정을 맞추기 위한 새로운 입출력 회로를 요청하고 있음에도, HW 변경 없이 대응 가능하므로, 전체적인 개발일정 단축과 비용절감을 실현하였다.

후속연구

LPG나 CNG 차량은 비교적 소량생산이 되며 다양한 엔진과 차종에 적용이 되는데, 만일 각 차종별로 전용의 LPG/CNG EMS ECU를 개발 할 경우 개발비(인력/기간 포함)의 과다로 제품 단가가 크게 상승하게 된다. 이러한 어려움을 극복하기 위해 기존 EMS ECU는 그대로 두고 LPG/CNG 연료 부분만을 관장하는 독립적인 ECU(IB)를 개발하여 기존 차량에 추가 장착하여 LPG/CNG 차량으로 변경한다면 짧은 기간에 많은 차종에 확대 적용할 수 있을 것이다.
향후 LPG/CNG 차량 수요가 크게 늘어난다면 IB에 축적된 기술을 이용하여 특정 차종에 맞는 전용의 ECU 개발도 가능하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유럽에서는 CNG 사용 차량에 대한 어떤 혜택이 주어지고 있나?	유럽에서는 이산화탄소 규제에 대응하기 위하여 CNG(Compressed Natural Gas) 사용 차량에 대한 세제 혜택이 주어지고 있다. 이산화 탄소의 배출량은 석탄을 100으로 하면 석유 83, 천연가스는 57로서 CNG를 사용할 경우 이산화탄소 발생량을 현저히 줄일 수 있다.
	기존 LPG차량에 사용된 기술은 어떤 원리였나?	기존 LPG차량에 사용된 기술은 믹서와 베이퍼라이저를 이용하여 혼합기를 엔진에 공급하는 원리였으나, 이러한 장치들로는 최근 강화된 배기가스 규제를 만족할 수 없으며, 가솔린 엔진대비 연비와 동력성능이 열세였다. 이것을 해결하기 위하여 최근 국내 자동차 회사에서는 액상상태의 LPG를 인젝터를 통하여 엔진의 실린더 입구에 분사하는 LPI (Liquid Petroleum Injection) 시스템을 장착하여 출시하고 있다.
	IB 하드웨어는 어떻게 구성되어 있나?	- 마이크로 컨트롤러부& 메모리 - 신호 입력부 - LPG/CNG 인젝터구동부 - 전원부 - CAN/K 통신부 - 112pin 커넥터/ 알미늄 하우징

참고문헌 (4)

Siemens Automotive, Application for Power Stages, SASCO Presentation, 2002
Siemens Automotive, Orbital Driver Concept, Siemens Technical Document, 1998
Siemens Automotive, CNG Bi-fuel Projects 관련 기술 정보 및 국내외 산업계 동향, SASCO Presentation, 2005
D. R. Kim and J. N. Park, 'LPG LPI (Liquified Pertoleum Injection) System,' Auto Journal, KSAE, Vol.27, No.3, pp.14-18, 2005

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