배터리 전기자동차의 중량 문제, 어떻게 해결할 것인가

고밀도 전력 모듈을 통해 무게와 전력손실을 줄일 수 있는 48V 시스템 구현

배터리 전기자동차(Battery-Electric Vehicle, BEV)는 심각한 중량 문제를 안고 있지만, 그렇다고 해서 웨이트 워처스(Weight Watchers®)처럼 다이어트를 통해 감량할 수 있는 문제도 아니다. 많은 BEV는 내연기관(Internal Combustion Engine, ICE) 차량에 비해 무게가 33% 이상 더 무겁다. 미국연방교통안전위원회(National Transportation Safety Board, NTSB) 의장은 “포드 F-150 라이트닝(Ford F-150 Lightning)은 비전기식 모델보다 2,000 ~ 3,000파운드가량 더 무겁다.”고 언급하기도 했다. 또한 전미경제연구소(National Bureau of Economic Research, NBER)에 따르면, 차량의 무게가 1,000 파운드 증가할 경우, 사고로 인한 사망 위험이 약 47% 증가하는 것으로 나타났다.

이로 인해 자동차 OEM 들은 주행거리 연장과 안전 및 전자 시스템을 갖춘 BEV 설계에 있어 심각한 제약에 직면해 있다. 이는 지금까지 업계가 직면해 왔던 R&D 과제 중 가장 어려운 문제 중 하나이다.

이는 상당히 까다로운 도전과제이지만, 전기자동차의 중량을 초과시키는 기존의 전력 분배 네트워크(Power Delivery Network, PDN)에서 48V 버스로 레거시 12V 시스템을 대체하는 48V 존 아키텍처(Zonal Architecture)로 전환한다면, OEM과 소비자 및 정부 관계자들의 우려를 완화시킬 수 있다. 특히 고밀도 전력 모듈을 이용하여 존 아키텍처를 구축하면, 세 가지 측면에서 무게를 줄일 수 있다. 이 새로운 아키텍처는 두꺼운 와이어 하네스를 훨씬 얇은 와이어 하네스로 대체하여 하네스 무게를 최대 85% 까지 줄일 수 있다. 또한 전력 모듈로 저전압 보조 배터리를 제거하고, 가상화할 수 있어 보조 배터리 무게를 완전히 줄일 수 있다. 마지막으로, 전력 모듈을 이용해 PDN 을 개선하면, 열 관리 시스템을 최적화할 수 있어 최대 33% 까지 무게를 줄일 수 있다.

따라서 기존의 중앙집중식 아키텍처의 대안인 존 아키텍처로 전환하면 무게가 크게 줄어들고 전반적인 전력 시스템 효율성이 향상된다.

48V 로의 이행: 늦었지만, 필수적인 BEV의 개선 대안

안전, 보안 및 자율성과 같은 새로운 전자장치들이 설계 주기마다 새로운 차량에 추가되고 있다. 모든 추가 기능은 전력 소모를 증가시키고, 표준화된 고정 배터리를 사용하면서 전류 또한 기하급수적으로 증가하고 있다. 그림 1의 전류 수요 추세에서 알 수 있듯이, 중앙집중식 아키텍처 기반의 PDN은 지속 가능한 솔루션이 아니다. 지속적으로 증가하는 전력 요건을 지원하고, 지속 가능한 전류 레벨을 회복하는 동시에, 와이어 하네스 무게를 최소화할 수 있는 유일한 방법은 존 아키텍처를 이용하여 동작 전압을 48V로 높이는 것이다.

오늘날의 BEV는 전기 트랙션 모터뿐만 아니라 에어컨, 열선 시트 및 인포테인먼트 시스템과 같은 수많은 저전압 부하에 전력을 공급해야 하는 1차측 고전압 배터리(일반적으로 400V 또는 800V)로 구동된다. PDN은 고전압을 48V 및 12V 보조 배터리 전압으로 강압하여 이러한 서브 시스템에 전력을 공급한다.

48V 존 아키텍처로 전환하면, (전력=전류 ×전압)에 따라 새로운 기회를 창출할 수 있다. 동일한 전력 분배를 위해 12V 소스는 48V 소스보다 4배 더 많은 전류를 필요로 하기 때문에 일반적으로 12V는 48V 와이어보다 4배 더 두꺼운 와이어를 사용하게 된다.

12V 중앙집중식 아키텍처의 종말

12V 중앙집중식 시스템은 1960 년대부터 자동차에 사용되어 온 전통적인 전력 아키텍처이다. 이 아키텍처는 DC-DC 컨버터와 고전압에서 48V 및 12V 까지 모든 디스크리트 부품이 포함된 부피가 큰 하나의 실버 박스로 구성되어 있다. 12V 전류를 부하단(PoL, point of Load)까지 전달하기 위해서는 두껍고 무거운 와이어가 필요하다. 더욱이 이러한 중앙집중식 전력 시스템은 기존의 비효율적인 DC-DC 변환으로 인해 실버 박스에서 상당한 열이 발생되기 때문에 집중적인 액체 냉각이 필요한 경우가 많으며, 이로 인해 무게가 더욱 늘어나게 된다.

48V 로 전환하기 위해, 부하단(PoL)에서 12V로 효율적으로 변환할 수 있는 고밀도 전력 모듈을 부하단에 사용할 수 있다. 이를 통해 OEM 은 점진적으로 유연하게 12V 부하 디바이스를 48V 로 전환할 수 있으며, 시스템 아키텍처에 미치는 혼란을 최소화하면서 48V 의 이점을 신속하게 활용할 수 있다.

48V 존아키텍처로 열 손실 및 전류 감소

새로운 48V 존아키텍처 시스템은 삭제요청합니다.중앙집중식 실버 박스의 내부가 아닌 부하단(PoL)과 더 근접한 위치에서 DC-DC 변환을 처리함으로써 업계의 패러다임을 새롭게 변화시키고 있다. 이러한 접근방식은 고전압에서 48V로 변환하여 차량 전반에 걸쳐 안전하게 48V 버스를 구현할 수 있다. 48V-12V 변환은 부하단(PoL)에서 이뤄진다. 12V 대신 48V로 전류를 전달하기 때문에 훨씬 더 경제적이며, 얇고, 가벼운 와이어를 사용할 수 있다(그림 2 참조). 이러한 작고 유연한 와이어는 차량 내 배선 경로를 더욱 용이하게 한다. 또한 이 접근방식은 DC-DC 컨버터와 관련된 열 손실을 차량 전반에 걸쳐 균일하게 분산시키기 때문에 섀시 장착 열 전도 및 대류 공기 냉각 활용 가능성을 높여준다.

중량 감소 효과

48V 존아키텍처는 BEV 의 증가하는 전력 수요를 보다 효과적으로 지원하는 동시에, 세 가지 측면에서 차량의 무게를 줄일 수 있다.

1. 와이어 하네스: 최대 85% 까지 무게 감소
   48V 존아키텍처로 업그레이드하면, 기존의 273g/m 에 해당하는 12V, 4-게이지 와이어를 27g/m에 불과한 48V, 10-게이지 와이어로 대체할 수 있다. 이를 통해 와이어 무게를 약 85%까지 줄일 수 있다.
2. 보조 배터리 제거: 100% 무게 감소
   전력 모듈 기반의 존 아키텍처는 DC-DC 컨버터의 빠른 과도 응답 특성을 이용해 가상 배터리를 생성할 수 있다. 따라서 존 아키텍처 기반 12V/48V 전력 모듈은 12V/48V 저전압 배터리의 특성을 그대로 재현할 수 있으며, 물리적인 12V 배터리를 완전히 제거하여 무게를 100% 줄일 수 있다.
3. 전력 시스템 최적화: 최대 33%까지 무게 감소
   중앙집중식 시스템을 존 아키텍쳐 시스템으로 대체하면, 48V-12V 전력 변환이 실버 박스가 아닌 부하단(PoL)에서 수행된다. 48V 출력을 제공하기 위해 고밀도 전력 모듈을 사용하는 새로운 전력 시스템 박스는 최대 33% 까지 크기가 감소한다. 따라서 하우징 중량 또한 최대 3 분의 1(33%)까지 줄일 수 있다.
   
   기존의 12V 중앙집중식 시스템은 실버 박스 하우징 내부에 있는 디스크리트 부품들이 높은 주위 온도를 유발한다. 반면, 고밀도 전력 모듈을 이용하는 새로운 전력 시스템 박스는 열을 적게 발생시키고, 부하단(PoL)모듈은 섀시에서 효율적으로 공기 냉각으로 처리할 수 있다. 이러한 개선을 통해 액체 냉각 시스템을 최대 7% 까지 줄일 수 있다.

중량 감소를 통한 기회 창출

OEM 은존아키텍처를 사용하여 다양한 이점을 얻을 수 있다. 일례로, 중량 감소가 주행거리 연장에 미치는 영향을 고려할 수 있다. 무거운 차량일수록 전력소모 및 주행거리에 대한 세금이 부과된다.

반면 감소된 무게를 배터리 크기를 늘리는데 사용한다면, 추가 무게로 인해 주행거리에 미치는 영향을 완화할 수 있다. 추가된 배터리는 더 많은 에너지 저장공간을 제공하여 주행거리를 향상시킬 수 있다.

바이코에서 진행한 연구에 따르면, 고밀도 전력 모듈로 지원되는 존아키텍처는 차량의 중량을 최대 40 파운드(표 1)까지 줄일 수 있는 것으로 나타났다. 이 무게를 40 파운드의 배터리 셀로 대체한다면, EV 주행거리는 순중량 증가 없이 연간 최대 4,000 마일까지 늘어나게 된다. 미국 연방고속도로관리국(Federal Highway Administration)에 따르면, 2023 년 기준 미국인들의 연평균 운전 거리는 14,263 마일인 것으로 나타났다. 따라서 주행거리 연장은 중요한 의미를 갖는다. 48V 존아키텍처를 활용하면, 연간 충전 시간을 최대 30% 까지 단축할 수 있으며(표 2), 한 번 충전으로 차량이 주행할 수 있는 거리도 증가하게 된다.

혁신을 통한 최적화

전기자동차는 과체중 상태에 있으며, 이러한 추세는 전반적인 EV 시장의 발전에 유익하지도, 지속 가능하지도 않다. 기존의 실버 박스와 디스크리트 부품으로 구성된 중앙집중식 아키텍처는 EV 전력 분배 네트워크와 열 관리 시스템을 최적화할 수 있는 48V 존아키텍처로 업그레이드되어야 한다. 존아키텍처로 전환하여 연간 최대 4,000 마일까지 주행거리를 늘리거나 추가적인 안전 또는 전자 기능을 적용할 수도 있다. 가장 효율적인 존아키텍처는 부하단(PoL)에 경량의 작은 컨버터를 사용한다. 고효율 전력 밀도를 제공하는 전력 모듈은 48V-12V 변환을 위한 최선의 선택이다. 오늘날 자동차용 전력 전자 장치의 복잡성을 고려하면, OEM 은 성능을 높이면서도 무게를 줄일 수 있는 창의적인 시도가 필요하다. 고성능 전력 모듈 분야의 선도주자인 바이코는 혁신과 창의성을 실현할 수 있도록 지원한다. 바이코의 소형 전력 모듈과 아키텍처 및 토폴로지는 자동차 OEM이 차량 전반에 걸쳐 고전압 전력 변환을 실현할 수 있는 유연하고 확장 가능한 전력 솔루션을 제공한다. 이러한 구축이 용이한 전력 모듈은 기존의 중앙집중식 전력 시스템에 사용되는 전통적인 디스크리트 설계를 대체할 수 있는 최적의 대안이다. 또한 작고 컴팩트한 전력 모듈은 자동차 산업을 위한 미래의 전력 분배 네트워크인 48V 존아키텍처로 원활하게 전환할 수 있는 최상의 솔루션이다.