전기자동차: 48V 가 새로운 12V 이다

전기자동차(전기 모빌리티)는 최근 몇 년 동안 기술 기업과 소비자들에게 가장 중요한 과제 중 하나로 부상했다. 이에 따라 이동 방식을 혁신할 수 있는 친환경 시스템에 대한 요구가 계속해서 증가하고 있으며, 비용 및 성능 측면에서도 효율적이고 효과적인 새로운 친환경 기술에 대한 요구도 높아지고 있다.

자동차 OEM 업체들은 경쟁력을 유지하고, 차량의 성능을 높이는 동시에, 점점 더 엄격해지는 CO₂ 배출 기준 또한 충족해야 한다. 이러한 핵심 과제들은 순수 전기자동차 (EV: Pure-Electric Vehicle) 와 하이브리드 전기자동차 (HEV: Hybrid-Electric Vehicle) 및 내연기관 (ICE: Internal Combustion Engine) 자동차의 전동화를 통해 해결할 수 있다. 하지만 증가하는 전력 요구사항을 충족하기 위해 48V, 400V, 800V 와 같은 고전압 배터리가 추가되면서 전력분배 아키텍처의 복잡성이 증가하고 있는데다, 크기 및 효율성 측면에서도 새로운 요구사항이 제기되고 있다.

마일드 하이브리드 전기자동차 (MHEV: Mild-Hybrid-Electric Vehicle) 시스템은 전동화의 관문이라 할 수 있다. 이는 경량의 하이브리드 추진 시스템에 기반하고 있으며, 하이브리드 모델의 급속한 성장에 기여하고 있다. MHEV 시스템은 제동 중에 차량의 에너지를 회수하고, 차량 재시동 시 에너지를 공급하여 연료 소비량과 CO₂ 배출량을 줄일 수 있다.

HEV 모델의 두 번째 전동화 접근방식은 전기모터와 ICE 가 함께 동작하는 방식으로, 수 킬로미터의 거리를 100% 전기모드로 주행할 수 있다. 또 다른 가장 일반적인 대안은 플러그인 하이브리드 전기자동차 (PHEV: Plug-in Hybrid-Electric Vehicle) 이다. 이는 그리드에서 배터리를 충전할 수 있으며, 배출량 제로의 전기모드 주행거리를 약 50km 까지 늘릴 수 있다. PHEV 는 이미 수십 개의 모델이 시장에 출시되어 있으며, MHEV 및 하이브리드 기술에 비해 전동화 레벨은 물론, 구매 비용 또한 높다.

배터리 전기자동차 (BEV: Battery-Electric Vehicle) 는 ICE 를 사용하지 않고, 대신 인버터와 전기 모터 조합으로 구동된다. BEV는 그리드를 통해, 그리고 제동 상태에서 회생제동을 통해 충전할 수 있다. 전기자동차 중에는 배터리 레벨이 낮아지면 이를 충전하기 위해 소형 내연기관을 전류 발전기로 사용하는 주행거리 연장 전기자동차(EREV: Extended-Range Electric Vehicle) 도 있다. 마지막 분류에는 연료전지 전기자동차 (FCEV: Fuel-Cell Electric Vehicle) 가 있으며, 이는 수소 연료전지로 구동된다.

해결책은 반도체 타입 배터리나 수소 연료전지와 같은 새로운 에너지 스토리지 기술은 물론, 경량화 및 새로운 전기 아키텍처 등을 통해 차량의 효율성을 향상시키는 것이다.

오늘날의 전동화과제

바이코의 글로벌 자동차 사업부 부사장인 패트릭 워든(Patrick Wadden)은 “오늘날 차량의 전동화를 발전시키기 위해서는 비용 절감, 공격적인 CO₂ 배출량 목표 달성, 변화하는 전력 요구사항 관리, 기존의 12V 부하에 대한 전력공급, 보다 가볍고, 뛰어난 성능의 차량 제공, 전력 레벨 향상, 충전시간 단축, 800V 및 400V 배터리 시스템에서 더 높은 전압 관리 등의 당면 과제들을 해결해야 한다.”고 언급했다.

자동차, 트럭, 버스 및 오토바이 제조업체들은 내연기관의 연비를 높이고, CO₂ 배출량을 감축하기 위해 차량의 전동화 여정을 신속하게 전개하고 있다. 대부분의 제조업체들은 다양한 전동화 옵션 중에서도 완전한 하이브리드 파워트레인보다는 48V 마일드 하이브리드 시스템을 선택하고 있다. 마일드 하이브리드 시스템에는 기존의 12V 배터리와 함께 48V 배터리가 추가된다.

워든 부사장은 “이러한 차량에는 800V 또는 400V 배터리도 존재한다. 바이코는 이러한 800V 또는 400V 배터리에서 48V로 변환하여 전기 터보와 전면 윈드실드 및 냉각 펌프와 같은 부하에 전력을 공급할 수 있다. 이를 통해 48V 배터리를 제거하거나, 48V 배터리를 가상화함으로써 OEM 업체들이 더 높은 전력밀도를 달성하고, 무게와 크기를 감소시켜 차량의 주행거리를 연장할 수 있도록 지원한다. 또한 이러한 솔루션은 확장성이 뛰어나기 때문에 보급형에서 고급 차량에 이르기까지 모든 요구사항을 충족할 수 있다.”고 밝혔다.

효율적인 전력분배를 지원하는 48V 기술

48V 기술은 전력 용량을 4x (P = V • I) 로 증가시켜 에어컨 및 시동 시 촉매 컨버터와 같은 더 큰 부하에도 사용할 수 있다. 48V 시스템은 연비 절감과 보다 빠르고 부드러운 가속을 위해 사용되는 하이브리드 모터에 전원을 공급하여 차량의 성능을 향상시킬 수 있다.

워든 부사장은 “오랜 기간 사용되어 온 비용에 최적화된 12V 전력분배 네트워크(PDN: Power Delivery Network)를 수정하는데 따른 불안을 극복하는 것이 가장 큰 과제가 될 수 있다.”며, “자동차 산업에서 48V 마일드 하이브리드 시스템은 배출량을 줄이고, 긴 주행거리와 더 높은 연비는 물론, 보다 실용적인 방식으로 새로운 모델의 차량을 신속하게 출시할 수 있도록 지원한다. 또한 CO₂ 배출량 감축과 더 높은 성능 및 기능을 위한 새롭고 흥미로운 설계 옵션도 제공된다.”고 말했다.

현재 사용되는 대부분의 중앙집중식 DC-DC 컨버터는 오래된 저주파수 PWM 스위칭 토폴로지를 이용하기 때문에 부피가 크고, 무겁다. 전력 모듈을 이용한 최신 분산형 전력분배 (그림 4) 아키텍처는 이러한 문제를 해결할 수 있다.

워든 부사장은 “분산형 모델을 사용하면, 차량 전반의 케이블링 무게를 줄이는 것은 물론, 시스템 레벨에서 더 많은 이점을 얻을 수 있다. 컨버터를 부하와 가장 가깝게 배치하여 임피던스와 저항을 최소화할 수 있으며, 일부 쿨링 방식을 간소화하고, 경우에 따라 방열판 또는 냉각유로를 제거할 수도 있다. 또한 기능 안전을 구현할 수 있는 더 많은 옵션과 함께 유연성을 더욱 높일 수 있다.” 고 설명했다.

이러한 전력분배 아키텍처는 더 작고, 낮은 전력소모의 48V-12V 컨버터를 이용한다. 따라서 분산형 전력 아키텍처는 전원공급장치 시스템에서 열 관리 이점을 제공할 수 있다.

워든 부사장은 “그림 4 에는 중앙집중식 시스템과 분산형 시스템의 하이-레벨 다이어그램이 나와 있다. 좌측에는 전통적으로 자동차의 12V 부하에 전력을 공급하기 위해 400V 입력 및 12V 출력을 제공하는 기존의 3kW 은색 박스¹가 있는 것을 볼 수 있다. 우측은 차량 전반에 어떻게 48V 를 사용하는지 보여주는 개괄도이며, 컨버터가  PoL (Point-of-Load) 바로 옆에 배치되어 있는 것을 볼 수 있다. 이러한 분산형 모델은 부피가 큰 은색 박스를 없애고, 필요에 따라 차량 전반으로 전력분배를 확산시킬 수 있다. 또한 리던던트 서플라이를 통해 ASIL FUSA 구현도 지원할 수 있다. 전력 요건이 증가하면서 관리 또한 점점 더 어려워지고 있기 때문에 이러한 구형의 기존 은색 박스를 제거하는 것은 더 이상 선택사항이 아니다.”고 언급했다.

새로운 48V 전력분배 네트워크는 증가하는 전력 요건에 따라 기존의 12V 부하 는 물론, 케이블을 이용하는 조향 및 제동 시스템과 새로운 고전력 드라이브를 모두 지원해야 한다. 증가하는 부하 수에 따라 더 많은 48V 전력을 공급하기 위해서는 부피가 큰 디스크리트 솔루션 대신 고밀도의 모듈이 필요하다. 바이코는 벅 또는 부스트 모드에서 48V 및 12V 부하를 모두 지원하는 고정 비율 및 레귤레이션 변환 솔루션을 비롯해 48V 전력분배를 위한 다양한 모듈을 제공하고 있다. 이러한 컨버터는 단일 하우징으로 사용하거나 더 작고 가벼운 48V 전력분배 네트워크를 이용해 차량 전반에 분산시킬 수도 있다.

분산형 아키텍처에 사용되는 바이코의 NBM 은 OEM 업체들이 차량 전반에 걸쳐 부하와 가장 가까운 위치에 전력 변환 스테이지를 배치하여 48V 를 12V 로 스텝다운하거나 12V 에서 48V로 부스트할 수 있도록 지원한다.

400V 및 800V 충전소 를 이용하는 차량과 모든 충전소 간의 호환성을 지원하기 위해서는 가능한 간단하면서도, 무엇보다 효율적인 변환 솔루션이 필요하다. NBM6123은 61 x 23mm CM-ChiP 패키지로 6.4kW 고정비율 400V 및 800V 변환 을 제공하며, 도로변 충전소와 각기 다른 차량들 간의 호환성을 보장할 수 있는 확장 가능한 고효율, 고밀도 솔루션을 지원한다. 바이코 솔루션의 양방향 기능을 통해 동일한 모듈을 스텝업 또는 스텝다운 변환으로 사용할 수 있다. 또한 NBM6123 은 배터리 밸런싱 회로를 최소화하고, 충전 중 에어컨 가동 등을 위해 차량에 전력을 공급할 수도 있다.

결론

오늘날 차량의 전동화를 향한 여정은 다양한 형태로 진행되고 있으며, 이에 따라 전력 공급 문제는 더욱 복잡해지고 있다. 또한 자동차는 여러 다양한 시스템을 갖추고 있으며, 각 시스템은 서로 다른 전력 요건을 필요로 한다. 본질적으로 더 유연하고, 확장 가능한 모듈식 전력 접근방식은 이러한 수많은 문제들을 해결할 수 있다. 바이코의 소형, 경량의 고성능 솔루션은 모든 시스템의 전력 변환과 충전 및 분배 요건을 처리할 수 있도록 설계되었다.