어떻게 CAN 버스 통신이 전기차 배터리 시스템의 복잡한 구성 요소를 연결하는지 궁금하신가요? 여러분이 올바른 곳에 계십니다, 왜냐하면 저는 이 중요한 네트워크가 어떻게 작동하는지 정확히 설명할 것이기 때문입니다. 저는 수년간 고전압 통합 문제를 해결해 왔으며, 이 통신 프로토콜을 숙달하는 것이 차량에 있어 비 negotiable임을 보여드리겠습니다.
CAN(컨트롤러 영역 네트워크) 버스는 전기차 배터리 시스템에서 강력한 차량 네트워크 프로토콜입니다. 이는 BMS, PDU, VCU와 같은 마이크로컨트롤러들이 호스트 컴퓨터 없이 실시간 데이터를 통신하고 공유할 수 있게 하여 배터리 안전, 열 관리, 고전압 제어를 보장합니다.
CAN 버스 네트워크의 구체적인 기능, 구성 요소, 테스트 방법에 대해 깊이 파고들어 보겠습니다. 이 중요한 시스템이 현대 전기차를 안전하게 운행하게 하는 방법과 일반적인 통합 실패를 피하는 방법을 정확히 보여드리겠습니다.
간단한 용어로 CAN 버스란 무엇인가요?
CAN 버스를 전기차의 중앙 신경계로 생각하세요.
인체에서는 뇌가 모든 근육 섬유에 연결된 별도의 신경선을 필요로 하지 않습니다. 대신, 공유된 신경계를 통해 신호를 보내고, 적절한 근육이 반응합니다.
CAN 버스는 전기차 배터리 시스템에서도 정확히 같은 역할을 합니다.
모든 센서와 컨트롤러 사이에 무겁고 비싼 포인트 투 포인트 구리 배선을 설치하는 대신, 모든 전자 제어 장치(ECU)는 메시지를 공유된 2선 네트워크에 방송합니다.
네트워크상의 어떤 장치든 메시지를 “들을” 수 있지만, 자신과 관련된 데이터에만 반응합니다.
배터리 관리 시스템 (BMS)배터리 관리 시스템) 리튬 이온을 감지합니다 배터리 팩 온도가 너무 높아지고 있어, CAN 버스에 메시지를 방송한다. 차량의 열 관리 시스템이 이 메시지를 듣고 즉시 액체 냉각 펌프를 가동한다.
이것은 밀리초 단위로 발생합니다. 믿을 수 없을 만큼 신뢰할 수 있으며, 전기 잡음에 매우 강하게 저항하며, 본질적으로 차량의 배선 하니스의 무게와 복잡성을 줄입니다.
CAN 버스와 자동차 이더넷의 차이점
시스템 아키텍트 또는 전기 엔지니어라면 CAN을 계속 사용할지 아니면 자동차 이더넷으로 전환할지 고민하고 있을 수 있습니다.
여기 진실이 있습니다: 둘 다 각각의 역할이 있지만, 완전히 다른 목적을 위해 사용됩니다.
CAN 버스(및 더 빠른 형제인 CAN FD)는 결정론적입니다. 이는 메시지가 매우 예측 가능하고 엄격한 시간 내에 도착할 것임을 보장합니다. 높은 잡음 환경에서도 절대적인 신뢰성과 결함 허용성을 위해 만들어졌습니다.
자동차 이더넷은 반면에 대용량 대역폭을 위해 설계되었습니다. 최대 10 Gbps까지 처리할 수 있어 첨단 운전자 지원 시스템에 적합합니다.ADAS레이저 거리측정기, 라이다, 그리고 고화질 영상 스트림.
간단한 비교를 살펴보겠습니다:
속도: CAN은 최대 1 Mbps(또는 CAN FD의 경우 최대 8 Mbps)까지 지원합니다. 이더넷은 쉽게 1 Gbps에서 10 Gbps까지 전송할 수 있습니다.
지연 시간: CAN은 중요한 안전 프레임에 대해 마이크로초 지연 시간으로 매우 결정적입니다. 이더넷은 유사한 결정성을 달성하기 위해 복잡한 시간 민감 네트워킹(TSN) 스위치를 필요로 합니다.
배선: CAN은 간단한 무차폐 또는 차폐된 꼬임선 쌍을 사용합니다. 이더넷은 데이터 손실을 방지하기 위해 더 복잡하고 전문화된 케이블이 필요합니다.
전기차(EV)에서의 적용: CAN은 BMS, 고전압 전력 분배 장치(PDU) 및 차량 제어 장치(VCU)에 있어서 명백한 최고의 선택입니다. 이더넷은 인포테인먼트와 자율주행의 핵심 역할을 담당합니다.
배터리 기반 플랫폼의 핵심 전력 및 안전 시스템에는 CAN 버스가 여전히 표준입니다.
전기차 배터리 시스템에서 CAN 버스 통신의 목적은 무엇인가요?
CAN 통신의 주요 목적은 리튬이온 배터리 팩이 안전하고 효율적으로 작동하도록 하는 것입니다.
배터리 프로젝트는 종종 부품이 부족해서가 아니라, 기계적, 열적, 전기적, 제어 시스템이 하나의 조정된 솔루션으로 개발되지 않아서 실패합니다. CAN 버스는 이러한 조정을 가능하게 하는 연결고리입니다.
여기서 그 목적을 구체적으로 설명합니다:
1. 실시간 배터리 모니터링
BMS는 배터리의 충전 상태(SOC)와 건강 상태(SOH)를 지속적으로 계산합니다. 이 데이터를 CAN 버스를 통해 방송하여 계기판에 남은 주행 거리와 모터 제어기가 안전하게 사용할 수 있는 전력을 정확히 알 수 있게 합니다.
2. 열 관리 트리거링
전기 트럭이나 해양 선박과 같은 고성능 플랫폼은 액체 냉각에 대한 엄격한 요구 사항이 있습니다. 셀 온도가 급속 충전이나 강한 가속 시 상승하면, BMS는 냉각 시스템에 CAN 요청을 보내 펌프 속도와 밸브 위치를 조정하게 합니다.
3. 고전압 안전 및 접촉기 제어
상용 차량의 PDU/HV 제어 박스 는 차량에서 고전압 배터리를 물리적으로 연결하거나 차단하는 역할을 담당합니다. BMS가 열폭주 또는 심각한 과전압과 같은 치명적인 결함을 감지하면, 즉시 우선순위 높은 CAN 메시지를 PDU에 보내 메인 접촉기를 열어 전력을 차단하여 차량을 보호합니다.
4. 충전 조율
전기차를 연결하면, 차량은 무작정 전력을 받아들이지 않습니다. BMS는 CAN 버스를 통해 DC 고속 충전기와 통신하며, 실시간으로 정확한 전압과 전류 제한을 협상하여 셀 열화를 방지합니다.
전기차 배터리 시스템에서 CAN 버스 통신은 어떻게 작동하나요?
작동 방식을 이해하려면, 두 가지 핵심 개념인 차동 신호와 메시지 중재를 이해해야 합니다.
먼저, CAN은 두 개의 선: CAN_High와 CAN_Low를 사용합니다.
모듈이 디지털 “1”(열성 비트)을 보내고 싶을 때, 두 와이어 모두 2.5볼트에 있습니다. 디지털 “0”(우성 비트)을 보내고 싶을 때, CAN_High는 3.5볼트로 상승하고 CAN_Low는 1.5볼트로 하강합니다.
시스템은 두 와이어 간의 전압 차이를 읽기 때문에, 높은 전압의 EV 인버터에서 발생하는 막대한 전자기 간섭 (EMI)에 대해 높은 내성을 가집니다. 전자기 스파이크가 케이블을 타격하면, 두 와이어 모두 동일하게 타격되므로 전압 차이는 정확히 동일하게 유지됩니다.
둘째, CAN은 비파괴 비트와이즈 중재라고 하는 우선순위 기반 메시지 시스템을 사용합니다.
모든 메시지에는 식별자(ID)가 있습니다. ID 번호가 낮을수록 우선순위가 높아집니다.
인포테인먼트 시스템이 BMS가 중요한 “과전압 결함” 메시지를 보내려고 하는 정확한 밀리초에 메시지를 보내면, 시스템은 ID를 봅니다. BMS 결함 메시지는 더 낮은 ID(더 높은 우선순위)를 가집니다. 인포테인먼트 시스템은 즉시 전송을 중단하고, BMS 메시지가 전달되도록 허용한 후 나중에 다시 시도합니다.
이것은 지능형 제어 메시지가 항상 우선권을 갖도록 보장합니다.
전기차 배터리 시스템에서 CAN 버스 통신은 무엇으로 구성되어 있나요?
차량 통합 엔지니어나 부품 구매 담당자라면, 이 네트워크를 구성하는 하드웨어가 무엇인지 정확히 알아야 합니다.
높은 수준에서, 네트워크는 중앙 버스에 연결된 여러 노드로 구성됩니다. 전기차 배터리 시스템에서는 다음과 같습니다:
1. 배터리 관리 시스템(BMS) 노드
이것은 배터리의 두뇌입니다. CAN 컨트롤러(데이터를 프레임으로 포맷하는 역할)와 CAN 트랜시버(디지털 프레임을 물리적 전압 펄스로 변환하는 역할)를 포함합니다. 우리는 종종 까다로운 환경에 맞게 설계된 지능형 BMS 아키텍처를 통합합니다.
2. PDU / HV 제어 박스 노드
상용 차량의 전력 분배 장치 이 노드는 CAN 노드를 사용하여 VCU 또는 BMS로부터 사전 충전 회로와 메인 릴레이를 닫는 명령을 받습니다.
3. 차량 제어 유닛(VCU) 노드
VCU는 마스터 지휘관 역할을 합니다. 가속 페달에서 입력을 받고 인버터에 토크 요청을 보내며, 동시에 배터리의 부하 처리 능력을 확인하기 위해 BMS CAN 데이터를 점검합니다.
4. 물리 계층
이 계층에는 차폐된 꼬인 쌍선 케이블, 표준 자동차 커넥터(예: TE Connectivity 또는 Amphenol), 그리고 신호 반사를 방지하기 위해 버스의 가장 먼 두 끝에 위치한 120옴 종단 저항이 포함됩니다.
비도로 또는 특수 차량을 제작하는 경우, 이 모든 노드들이 서로 통신하게 만드는 방법을 찾는 것은 매우 어렵습니다. 1단계 셀 제조업체들은 대량 표준 생산을 위해 만들어졌으며, 종종 그들의 원시 모듈이 차량과 통신하게 하는 방법에 대해 큰 엔지니어링 골칫거리를 남깁니다.
이때 턴키 통합 파트너가 매우 중요해지며, 시스템 아키텍처를 정의하고 VCU 통신을 원활하게 통합하는 데 도움을 줍니다.
CAN 버스 통신의 이점은 무엇인가요?
CAN 버스는 수십 년 동안 자동차 산업에서 살아남은 이유가 있습니다. 여기 왜 EV 배터리 시스템에 있어 최고의 선택인 이유가 있습니다:
극도의 신뢰성: 앞서 언급한 차등 신호 방식은 고전압 EV 모터에서 발생하는 EMI에 대해 사실상 방탄 수준입니다.
감량 및 비용 절감: 수십 개의 장치에 단일 꼬인 쌍의 와이어를 사용함으로써 OEM은 엄청난 양의 구리를 절약할 수 있습니다. 대형 차량 제조에서 이 무게 감소는 배터리 주행 거리 향상으로 직결됩니다.
중앙 집중형 진단: 모든 메시지가 동일 버스를 통해 전달되기 때문에 기술자는 OBD-II 스캐너를 하나의 포트에 연결하여 BMS, PDU, 냉각 시스템의 상태를 한 번에 읽을 수 있습니다.
플러그 앤 플레이 확장성: 추가 데이터로거 또는 보조 디스플레이를 추가해야 하나요? 전체 차량의 배선을 다시 할 필요가 없습니다. 기존 CAN 버스에 연결하고 새 장치를 올바른 ID를 듣도록 프로그래밍하기만 하면 됩니다.
CAN 버스 통신의 단점은 무엇인가요?
비록 뛰어난 기술이지만, CAN은 완벽하지 않습니다. 차세대 플랫폼을 설계하는 CTO 또는 R&D 책임자라면 이러한 한계를 인지해야 합니다:
대역폭 제한: 클래식 CAN은 최대 1 Mbps입니다. 릴레이 명령이나 온도 읽기에는 적합하지만, 배터리 임피던스 분광 차트나 카메라 영상과 같은 대용량 데이터 전송에는 한계가 있습니다.
보안 취약점: CAN은 신뢰성을 위해 설계되었으며, 사이버 보안은 고려하지 않았습니다. 내장 암호화 기능이 없기 때문에 악의적인 공격자가 버스에 접근하면 메시지를 쉽게 위조할 수 있습니다—예를 들어, 차량이 고속도로를 주행하는 동안 PDU에 고전압 접촉기를 열도록 명령하는 것과 같습니다.
네트워크 부하 문제: 하나의 버스에 너무 많은 장치(노드)를 추가하면 네트워크 이용률이 70%를 초과할 수 있습니다. 이 경우 낮은 우선순위 메시지는 높은 우선순위 메시지에 의해 계속 차단되어 프레임 손실과 시스템 지연이 발생합니다.
전기차 배터리 시스템에서 CAN 버스 통신을 테스트하는 방법은 무엇인가요?
최종 배포를 담당하는 테스트 엔지니어나 프로그램 매니저라면, 통신이 잘 될 것이라고 기대만 하고 손가락만 꼬고 있을 수 없습니다.
엄격한 테스트는 필수 단계이며, 특히 전기 광산 차량이나 해양 선박과 같이 매우 신뢰할 수 있고 폭발 방지 시스템이 요구되는 애플리케이션에 대해 더욱 그렇습니다. .
전문가들이 CAN 네트워크를 테스트하는 방법은 다음과 같습니다:
1. 물리 계층 테스트
소프트웨어를 보기 전에 항상 오실로스코프를 잡습니다. CAN_High와 CAN_Low 라인을 프로브하여 유휴 전압이 정확히 2.5V에 유지되는지 확인합니다. 깨끗하고 사각형 모양의 전압 펄스를 찾으며, 둥근 모서리나 전기 잡음 스파이크가 없는지 확인합니다. 또한 전원이 꺼진 상태에서 멀티미터를 사용하여 버스 저항이 정확히 60옴(두 개의 120옴 저항이 병렬 연결된 것)인지 측정합니다.
2. 프로토콜 계층 테스트
다음으로, Vector CANalyzer 또는 PCAN-USB 인터페이스와 같은 CAN 스니퍼 도구를 연결합니다. 이를 통해 노트북에서 원시 16진수 트래픽을 읽을 수 있습니다. BMS가 11비트 또는 29비트 CAN ID를 올바른 주기(예: 10 또는 100밀리초마다)로 제대로 전송하는지 확인합니다.
3. 결함 주입 테스트
시스템이 문제가 생겼을 때 어떻게 반응하는지 알아야 합니다. 의도적으로 CAN_High 선을 접지에 단락시켜 BMS가 통신 손실 결함을 성공적으로 기록하는지, 차량이 안전한 “림프 모드’에 들어가는지 확인할 것입니다.”
제조는 항상 100% 최종 검사(EOL) 프로토콜에 따라 이루어져야 하며, 이러한 통합 문제를 현장에 도달하기 전에 잡아내야 합니다.
결론
CAN 버스 통신을 이해하는 것은 안전하고 신뢰할 수 있으며 지능형 제어를 갖춘 모든 전기차 배터리 시스템의 핵심입니다. 이는 원시 셀 화학과 맞춤형 차량의 전반적인 제어 전략 사이의 간극을 메워줍니다.
그러나 지능형 BMS, 고전압 PDU, 그리고 원활한 VCU 통신을 완전히 인증된 플러그 앤 플레이 에너지 시스템에 통합하는 것은 엄청난 엔지니어링 도전입니다.
Tier-1 배터리 모듈이 중장비, 해양 또는 비포장 도로 플랫폼과 신뢰성 있게 통신하도록 만드는 데 어려움을 겪고 있다면, 엔지니어링 중심의 통합 파트너가 필요할 수 있습니다.
At 아스트레온 다이내믹스, 우리의 비즈니스 모델은 간단합니다: 당신이 화학을 제어하면, 우리는 엔지니어링을 숙달합니다. 우리는 컨셉부터 시운전까지 배터리 시스템 프로그램을 지원하며, CAN 아키텍처가 완벽하고 배포 준비가 되도록 보장합니다.
오늘 저희 엔지니어링 팀에 연락하여 플랫폼 제약 조건에 대해 논의하고, 다음 전기차 프로젝트를 성공적으로 통합하여 현장에 배치합시다.
