자동차 전기화: 48V가 12V 대체

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자료제공/바이코 코리아

EV의 높은 성능 요구를 충족하기 위해서 자동차 제조사들이 일차 전지(800V 또는 400V)로부터 48V로 변환하고 있다. 그럼으로써 부하들로 전원을 더 효율적으로 분배할 수 있다.

전기차(e-모빌리티)가 최근에 테크놀로지 회사와 소비자들이 당면한 가장 중요한 과제로 부상하고 있다. 모빌리티를 혁신할 친환경적 시스템을 필요로 할 뿐만 아니라, 새로운 녹색 기술을 가격대 성능비 측면에서 되도록 효율적이고 효과적으로 만들어야 한다.

자동차 제조사들은 갈수록 엄격해지는 CO2 배출 요건을 충족하면서도 경쟁력 제고를 위해서 자동차 성능을 높여야 한다. 바로 이러한 요구를 충족할 수 있는 것이 순수 전기차(EV), 하이브리드 전기차(HEV), 내연 엔진(ICE) 차량으로 전기화를 하는 것이다. 갈수록 높아지는 전력 요구량을 충족하기 위해서 48V, 400V, 800V 같은 고전압 배터리를 추가함으로써 전원 분배 아키텍처의 복잡성이 높아지게 되었으며 크기와 효율 측면에서 새로운 요구들이 제기되고 있다.

마일드 하이브리드 전기차(MHEV)는 전기화로 가기 위한 관문이 될 것이다. 경량 하이브리드 추진(light hybrid propulsion)이라고도 하는 MHEV는 하이브리드 모델이 폭발적으로 늘어나도록 하는 발판 역할을 할 것이다. MHEV 시스템은 제동 시에 차량 에너지를 회수하고 차가 다시 출발할 때 이 에너지를 제공한다. 그러므로 연료 소모와 CO2 배출을 줄인다.

HEV 모델의 두 번째 전기화 접근법은 ICE와 함께 전기 모터를 사용하는 것이다. 그러므로 차가 수 킬로미터를 전적으로 전기 모드로 주행할 수 있다. 널리 사용되는 또 다른 방법은 플러그인 하이브리드 전기차(PHEV)이다. PHEV는 배터리를 전력망을 사용해서 충전할 수 있으며 탄소 배출 제로로 주행할 수 있는 거리가 약 50킬로미터로 늘어난다. 그러므로 전기화 수준이 MHEV나 하이브리드 기술보다 확실하게 더 높다. 다만 구입 가격도 그만큼 높아진다. 십여 종의 PHEV 모델이 시장에 출시되고 있다.

배터리 전기차(BEV)는 ICE가 없이 인버터와 전기 모터로만 작동한다. BEV는 전력망을 사용해서 충전할 수 있으며 제동 재생을 통해서도 에너지를 회수한다. 전기차 중에는 주행거리 연장형 전기차(EREV)도 등장하고 있다. EREV는 소형 내연 엔진을 전류 발전기로 사용해서 충전 수준이 낮을 때 배터리를 충전할 수 있다. 끝으로는 연료 전지 전기차(FCEV)를 들 수 있다. FCEV는 수소 연료 전지를 사용한 것이다.

해결책은 솔리드 스테이트 배터리나 수소 연료 전지 같은 새로운 에너지 저장 기술에만 있는 것이 아니고, 무게를 낮추고 새로운 전기 아키텍처를 도입하는 것을 통해서 차량 효율을 높이는 것 또한 필요하다.

전기화를 위한 과제들

Vicor의 오토모티브 사업 개발 글로벌 부사장인 Patrick Wadden은 “오늘날 전기화와 관련한 과제들로는 비용을 낮추고, 공격적인 CO2 배출 목표를 달성하고, 전력 요구량이 변화되는 것에 따라 대처하고, 기존 12V 부하를 지원하고, 더 가볍고 성능은 높은 차량을 제공하고, 전력 수준을 높이고, 충전 시간을 단축하고, 800V 및 400V 배터리 시스템의 높은 전압을 관리하는 것을 들 수 있다”고 말했다.

승용차, 트럭, 버스, 오토바이 제조사들은 내연 엔진의 연비를 높이고 CO2 배출을 줄이기 위해서 자사 차량들을 빠르게 전기화하고 있다. 전기화에는 여러 가지 방법이 있을 수 있는데, 대다수 제조사들이 풀 하이브리드 파워트레인보다는 48V 마일드 하이브리드 시스템을 채택하고 있다. 마일드 하이브리드 시스템은 기존 12V 배터리에다 48V 배터리를 추가한다.

“자동차에는 800V 또는 400V 배터리가 사용된다. Vicor는 배터리로부터 800V 또는 400V를 취하고 이것을 48V로 변환해서 전기 터보, 앞유리 열선 기능, 냉각 펌프 같은 부하를 구동할 수 있도록 한다. 800V 또는 400V 배터리로 구동되는 시스템은 48V 배터리를 완전히 없애고 가상의 48V 배터리를 생성하는 방법이 가능하다. 이와 같이 48V 배터리를 없앰으로써 제조사들이 전력 밀도를 높이고 무게와 크기를 줄일 수 있다. 이것은 자동차 주행거리를 연장하는 것으로 이어진다. 이 솔루션은 확장이 용이하므로 보급형 차량부터 고급형 차량에까지 활용 가능하다”고 Wadden 부사장은 말했다. 

[그림 2] 변환: 가상의 48V 배터리 가능

[그림 3] 과중한 부담을 지고 있는 12V 기계식에서 48V로 전환

48V 기술을 활용해서 효율적인 전원 분배

48V 기술은 전력 용량을 4배로 늘린다(P = V · I). 그러므로 시동 시에 에어 컨디셔너와 촉매 변환장치 같은 무거운 부하들을 지원할 수 있다. 차량 성능을 높이는 점으로서 48V 시스템은 하이브리드 모터를 구동해서 더 빠르고 매끄러운 가속을 가능하게 하고 연료를 절약한다.

“오래 사용되어 왔고 가격적으로 최적화된 12V 전원 분배 네트워크(PDN)를 변경하기를 꺼려하는 것을 극복하는 것이 가장 큰 과제이다. 자동차 업계에 48V 마일드 하이브리드 시스템은 배출을 줄이고 주행거리를 늘리고 연비를 높이는 새로운 차량을 빠르게 도입할 수 있도록 하는 방법이다. 뿐만 아니라 새롭고 흥미로운 디자인으로 성능과 기능성을 높이면서 CO2 배출을 줄일 수 있도록 한다”고 Wadden 부사장은 말했다.

오늘날 사용되고 있는 대부분의 중앙집중형 DC-DC 컨버터는 크고 무겁다. 구식의 PWM 저주파 스위칭 토폴로지를 사용하기 때문이다. 좀더 최신의 아키텍처는 전원 모듈을 사용한 분산형 전원 공급이다(그림 4).

“분산형 모델의 장점은 시스템 차원에서 좀더 명확하다. 차량 내의 케이블 무게를 줄일 수 있는 것이다. 컨버터를 부하 가까이에다 배치하면 임피던스와 저항을 최소화하고, 냉각을 간소화하고, 경우에 따라서 냉각판이나 액체 냉각을 없앨 수 있다는 것이 장점이다. 그러므로 더 많은 옵션을 사용해서 좀더 유연하게 기능 안전을 구현할 수 있다”고 Wadden 부사장은 말했다.

이 전원 분배 아키텍처는 크기가 더 작고 전력대가 더 낮은 48V 대 12V 컨버터를 사용한다. 분산형 전원 아키텍처는 전원공급 시스템으로 열 관리 면에서 중대한 이점들을 제공한다.

“중앙집중형 시스템과 분산형 시스템의 고수준 다이어그램을 보자. 왼쪽은 전통적인 3kW 실버 박스로서, 400V 입력에다 12V 출력으로 차량 내의 12V 부하들로 전원을 공급한다. 오른쪽은 차량으로 48V를 어떻게 사용하는지 보여준다. 컨버터를 곧바로 부하가 있는 지점에다 배치하고, 대형의 실버 박스를 없애고, 차량 내에서 필요에 따라서 여기저기로 전원을 분배한다. 그러므로 또한 중복적 전원을 사용해서 ASIL FUSA를 구현하는 것을 가능하게 한다. 전력 요구량이 높아질수록 예전의 이러한 전통적 실버 박스를 계속해서 추가하는 것은 점점 더 어려워진다”고 Wadden 부사장은 말했다.

새로운 48V PDN은 더 높은 전력을 요구하는 기존 12V 부하들을 지원하고 케이블을 사용해서 새로운 고전력 드라이브, 스티어링, 제동 시스템을 지원해야 한다. 더 많은 수의 부하들로 더 높은 48V 전력을 공급하기 위해서 부피가 큰 디스크리트 솔루션 대신에 고밀도 모듈을 필요로 한다. Vicor는 48V로 전원 공급을 위한 용도로 다수의 모듈 제품을 제공한다. 이러한 것들로서 벅 또는 부스트 모드로 48V와 12V 부하를 모두 지원하는 고정 비율 및 레귤레이티드 변환 솔루션을 포함한다. 이들 컨버터는 단일 하우징에다 집어넣거나 소형 경량 48V PDN을 사용해서 차량 여기저기에 분산시킬 수 있다.

Vicor NBM은 분산형 아키텍처로 부하 가까이에다 전압 변환 스테이지를 배치하고 48V를 12V로 스텝다운하거나 12V를 48V로 부스트하고자 할 때 사용하기에 적합하다.

400V 및 800V 충전기를 사용할 때 차량이 어느 충전기하고나 호환 가능하도록 하기 위해서는 되도록 간단하면서도 효율적인 변환 솔루션이 요구된다. NBM6123은 61mm x 23mm CM-ChiP 패키지로 6.4kW 고정 비율 400V 및 800V 변환을 제공한다. 그러므로 충전기와 각기 다른 차량 사이에 호환이 가능하도록 확장성 뛰어난 고효율 고밀도 솔루션을 제공한다. Vicor 솔루션은 양방향이 가능하므로 동일 모듈을 사용해서 스텝업 또는 스텝다운 변환이 가능하다. 또한 NBM6123을 사용해서 충전 동안에 에어 컨디셔닝에 필요한 전원 공급을 할 수 있다. 그러므로 배터리 밸런싱 회로를 최소화할 수 있다.

맺음말

오늘날 자동차 전기화가 다양한 형태로 일어나고 있다. 이에 따라서 자동차로 전원 공급이 복잡해지고 있다. 자동차의 다양한 시스템들이 전력 요구가 각기 다를 수 있다. 모듈러 전원 접근법은 근본적으로 좀더 유연하고 확장이 용이하며 이러한 다양한 요구를 충족할 수 있다. Vicor의 고성능 제품들은 크기가 작고 가벼우며 다양한 시스템의 다양한 전원 변환, 충전, 공급 요구를 충족하도록 설계되었다. 

기사입력 : 2024-07-30