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48V 시스템이 자동차로 가져오는 변화_자동차 시스템 전기화로 갈수록 엄격해지는 배출 규정 충족

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글/칼 하인츠 스타인메츠(Karl-Heinz Steinmetz), TI 오토모티브 시스템 비즈니스 부문 이사

48V 전기 시스템을 도입함으로써 갈수록 엄격해지는 연비 및 배출 요건을 충족할 수 있다. 공기를 더 깨끗하게 하고 환경 보호에 기여할 수 있다. 오늘날 자동차와 내연 엔진이 근본적인 변화에 직면하고 있다. 전세계적으로 자동차 회사들이 갈수록 엄격해지는 배기가스 요건을 충족하기 위해서 자동차 탄소 배출을 효율적이고 효과적으로 낮출 수 있는 방안을 찾고 있다.
자동차가 첨단 안전성 기능, 콘서트홀에 버금가는 사운드 시스템, 열선 시트, 전방의 도로 상황에 따라서 자동으로 각도가 조절되는 전조등 같은 첨단 기능을 추가하면서 바퀴 달린 하이테크 장치로 변모하고 있다. 이러한 모든 기술이 자동차의 전기 전력을 사용한다.
TI의 하이브리드/전기차 및 파워트레인 시스템 엔지니어링 팀을 이끌고 있는 Karl-Heinz Steinmetz는 “12V 전기 시스템은 연속 전력으로 약 300A 및 피크로 약 600A를 제공할 수 있는데, 이것은 표준적 스타터, 인포테인먼트, 반자율 안전성 기능, 제동을 구동하는 것은 가까스로 할 수 있으나 하이브리드차의 트랙션 모터를 구동하기 위해서는 많이 부족하다. 그러므로 근본적인 변화가 필요하다”고 말했다.
이에 대한 해결책이 될 수 있는 것이 48V 전기 시스템이다. 48V 시스템은 자동차의 전기 구동 아키텍처를 한 단계 발전시키는 것으로서, 갈수록 더 많은 양의 에너지를 소모하는 자동차로 더 높은 전기 전력을 제공할 수 있다. 더 높은 전력을 제공하므로 내연 엔진을 더 효율적으로 작동할 수 있고, 그럼으로써 더 빠르게 배출 요건을 충족할 수 있다.
업계에서 이 기술이 빠르게 도입되고 있다. 유수의 자동차 회사들이 스톱-스타트 기술을 적용한 마일드 하이브리드차를 내놓고 있다(스톱-스타트 기술은 차가 타력 주행, 제동, 정차하는 동안에 엔진을 잠시 껐다가 재빨리 다시 켜는 것을 말한다). 이것은 부분적으로 이 새로운 시스템을 사용해서 가능한 것이다. 기존의 하이브리드차와 달리, 마일드 하이브리드(배터리 보조 하이브리드라고도 함)는 전기 모터를 사용해서 내연 엔진을 보강하며 전기 모터 자체로 자동차를 운전하지는 않는다.
48V 전기 시스템은 유해한 배기가스를 줄이고 연비를 높일 뿐만 아니라, 더 높은 전력을 제공함으로써 첨단 인포테인먼트, 편의성 기능, 운전자 보조 안전성 기능을 장착한 자동차로 갈수록 높아지는 요구를 충족할 수 있다. 일부 48V 전기 시스템 업체들은 최고 20%까지 연비를 높일 수 있다고 주장한다.(1) 그렇다면 2025년까지 이산화탄소 배출을 30%까지 줄일 수 있다.(2)
이러한 혁신을 통해서 자동차 업체들이 성능과 운전자 안전성은 그대로 유지하면서 갈수록 엄격해지는 연비와 배출 요건을 충족할 수 있다. 그럼으로써 공기를 더 깨끗하게 하고 도로 상에서 더 안전하게 운전할 수 있다.

파워트레인과 그 외의 것들 구동

전통적인 12V 전기 시스템은 기존의 납축전지와 얼터네이터를 사용해서 내부 및 외부 조명, 반자율 충돌 방지 기능, 차선 이탈 기능, 차내 오디오와 비디오를 제공하기 위한 일단의 하드웨어 및 소프트웨어를 비롯해서 갈수록 더 늘어나는 기능들을 구동해야 한다.
48V 시스템은 이들 부하뿐만 아니라 그 외에 훨씬 더 많은 것들을 구동할 수 있다. 첨단 자동차로 터보차저, 에어 컨디셔닝 컴프레서, 능동 서스펜션 시스템, 냉각수 펌프, 오일 펌프, 파워 스티어링 펌프 같은 시스템을 구동하기 위한 에너지를 내연 엔진을 구동하는 데 사용되는 크랭크 풀리와 벨트 드라이브가 아니라 전기 시스템으로부터 제공할 수 있다.
이산화탄소를 발생시키는 엔진을 사용해서 구동하던 것에서 48V 전기 전류를 사용해서 구동하는 것으로 전환함으로써 엔진을 크게 할 필요가 없어진다.
“그럼으로써 내연 엔진의 크기를 줄일 수 있다. 예를 들어서 6실린더 차량을 4실린더 차량으로 변경할 수 있다. 그러면 연비를 높이고 CO2 배출을 줄일 수 있다”고 Karl-Heinz 책임자는 말했다.
기술적으로 12V에서 48V로 전환하기 위해서 구조 변경이 그렇게 많이 필요하지는 않다. 하지만 자동차 업체들은 장기적으로 더 높은 전압의 시스템들을 추가할 것에 대비해서 유연성을 높이도록 하고 있다. 12V 시스템에서는 얼터네이터를 사용하는 것과 달리, 48V 시스템에서는 전기 제너레이터가 엔진으로부터의 전력을 변환한다. 더 대형의 48V 리튬 기반 배터리와 회생 제동 시스템 또한 필요하다. 회생 제동은 자동차가 감속할 때 낭비되는 키네틱 에너지를 제너레이터가 전기로 변환해서 48V 배터리로 저장한다.
“회생 제동을 사용해서 예를 들어서 운전자가 신호등에 정차해 있다가 가속할 때 저장된 에너지를 사용해서 더 빠르게 추진할 수 있다. 또 어떤 48V 전기 시스템은 자동차가 타력 주행을 하거나 정차해 있을 때 엔진을 꺼서 연비를 높이고 배기가스를 줄인다”고 Karl-Heinz 책임자는 말했다.
48V 시스템은 HVAC 시스템과 관련해서도 유용한 이점이 있다. 12V 시스템을 사용하면 차가 정차했을 때 히터와 에어 컨디셔닝 시스템이 동력을 잃는다. 이 점이 많은 운전자들의 불만사항이다. 48V 시스템은 그렇지 않다. 또 이 에너지를 사용해서 차 유리창의 성에를 제거하고 열선 시트를 더 빠르게 데울 수 있다.
또한 갈수록 더 많은 업체들이 탑승자들을 직접 따뜻하게 할 수 있는 새로운 적외선 히팅 패널을 도입하고 있다. 그러면 차의 나머지 공간을 데우느라고 전력을 낭비할 필요가 없다. 마치 난방 온도를 높이는 대신에 옷을 하나 더 껴입어서 따뜻하게 하는 것과 같은 이치다.
“적외선 히팅 패널의 과제는 좌석당 약 500와트의 전력을 필요로 하기 때문에 12V 전기 시스템으로는 한계가 있다는 것이다. 하지만 48V 시스템은 그렇지 않다”고 Karl-Heinz 책임자는 말했다.

미래 자동차의 심장

고도의 자율 운전과 운전자 보조 기능을 위해서는 센서와 카메라들로부터 데이터를 분석하고 조치를 취하기 위해서 온보드 컴퓨터로 필요로 하는 에너지가 12V 전기 시스템으로는 감당할 수 없는 수준이 된다.
각각의 온보드 컴퓨터로 1~2킬로와트에 이르는 전기 전력을 소비할 것이다. 그러므로 12V 시스템으로 전력을 빠르게 잡아먹을 것이다. 이와 같은 전력 소모적인 부하들을 지원하기 위해서는 미래의 자율 자동차가 하이브리드가 되었던 완전 전기차가 되었든 48V 시스템이 필요할 것이다.
많은 자동차 회사들이 스타터와 제너레이터, DC/DC 컨버터, 배터리 관리 시스템뿐만 아니라 HVAC 컴프레서, PTC 히터, 정션 박스 같은 차체 전자장치까지도 48V로 전환하고 있다. 또한 갈륨 나이트라이드를 활용한 온보드 충전 효율과 전력 밀도 향상, 정밀한 전류 검출, 무선 배터리 관리 시스템 기술, 절연과 전력 관리에 있어서 기술 혁신이 차량 무게를 줄일 수 있도록 하고 있으며, 이것은 연비를 향상시키는 것으로 이어진다.
자동차 시스템들을 전기화함으로써 배기가스를 줄일 수 있으며, 그럼으로써 공기를 더 깨끗하게 하고 환경 보호에 기여할 수 있다.

(1) https://www.whichcar.com.au/car-news/new-continental-hybrid-motor-promises-20-percent-lower-fuel-consumption
(2) https://www.greencarcongress.com/2019/09/20190920-audi30.html