전기차, 새로운 효율에 한층 가까워지다

2017년 03월호 지면기사  /  글│칼-하인츠 스타인메츠(Karl-Heinz Steinmetz), 오토모티브 파워트레인 섹터 총괄본부장, Texas Instruments

자동차 전동화의 핵심 쟁점은 고전압을 안전하게 다루는 데 있다. 고전압은 재료, 공정, 디자인, 패키지, 검증 등에 대한 엄격한 요구사항을 IC 기술 전반에 적용하도록 요구한다.


 

첨단 전자공학으로 자동차 엔진의 전기화가 가능해지고 자동화, 안전, 편안함, 편리성 등이 향상되면서 자동차의 혁명이 일어나고 있다. 이러한 변화는 운전의 미래를 지금과는 아주 다른 모습으로 그리고 있다. 도시는 자율주행과 제로 에미션(zero emission) 전기차(EV)로 채워질 것이며, 전기차는 도로 인프라는 물론 서로 간에도 소통하게 될 것이다.

자동차는 승객을 목적지까지 실어 나르고 스스로 유도 패드(inductive pad)가 있는 주차 구역으로 이동해 다음 호출이 있을 때까지 빠르게 재충전된다. 자동차가 정지해야하는 교차로와 기타 장소에도 배터리 충전을 위한 충전 패드가 설치될 것이다. 자동차는 그 용도에 맞게 맞춤화될 것이며, 승객(운전자가 아닌 그야말로 승객)이 업무를 보거나 즐길 수 있는 통신 기능을 갖추게 될 것이다. 이와 같은 자동차는 승차감이 쾌적할 뿐만 아니라, 도로 및 에너지를 보다 효율적으로 사용해 도시를 한층 친환경적으로 만들면서 오늘날 대부분의 자동차보다 훨씬 더 높은 빈도로 사용될 것이다.


첨단 전자장치로 가능해진 혁신


이 비전이 미래를 정확히 설명하든 그렇지 않든, 사실 첨단 전자장치는 엔진을 시작으로 자동차의 많은 변화를 가능하게 한다. 자동차 제조사와 고객 모두가 다양한 형태의 EV와 하이브리드 카(HEV), 전자식 내연기관을 사용해 연비를 개선하고 비용을 효과적으로 절감하고 있다.

시장조사업체인 IHS Automotive에 따르면, EV는 천천히, 그러나 꾸준히 성장해 2025년까지 전 세계 자동차 판매량의 5%에 도달할 전망이다. 한편, 같은 해 전기모터와 가솔린엔진을 결합한 하이브리드 카는 전 세계 자동차 판매량의 약 20%에 해당하는 2,200만 대에 달할 전망이다. 

HEV가 인기를 끄는 이유는 연비를 개선하고 배출가스를 낮출 수 있다는 점 외에도, 제조사에게는 전기화에 필요한 지원 기술을 단계적으로 개발할 수 있는 기회를 제공하고, 소비자에게는 이에 익숙해질 시간을 벌어주기 때문이다. 정부의 규제와 시장 수요가 이러한 이행과정의 속도를 결정하게 될 것이다. 

HEV/EV로의 전환과 자동 스타트/스톱 및 회생제동 같은 제한된 옵션은 전자장치의 혁신을 통해 가능하며, 이러한 혁신은 자동차 효율성, 안전성, 편안함, 편의성 및 자동화의 새로운 이점을 제공한다. 

자동차는 운전자의 개입 없이 상태를 감지하고, 액추에이터를 구동하며, 신호를 변환하고, 차량 시스템 간에 통신은 물론 무엇을 할 것인지 결정하는 집적회로(IC)에 점점 더 의존하고 있다. 자동차에서 작동하는 IC는 극한의 전압, 전류, 온도 및 진동 조건에서 작동해야 하며, 장비와 탑승자의 안전을 기할 수 있도록 안정적으로 작동해야 한다.


광범위한 전기/연소 구성


현재 시장에서는 소규모의 특정 소비자 집단이 EV를 구매하고 있지만, 지난 10여 년의 성공으로 인해 HEV를 구매하려는 소수파의 규모가 커지고 있다. 구매자의 대다수는 내연기관의 효율과 성능을 높이는 새로운 전자 기능을 찾는다. 이러한 구성의 전체 범위를 표 1에 요약한다. 표 1에는 현재의 표준 기본 차량과 비교한 엔진 지원 수준, 추진력, 일반 주행에서의 연료 절감량 등이 제시돼 있다.

 



스타트/스톱과 마이크로 하이브리드


우선, 엔진이 공회전 상태일 때 엔진을 정지시킨 다음, 다시 출발하기 위해 엔진을 재시동하면 소량의 연료를 절약할 수 있다. 회생제동과 타행주행(coasting)을 추가하면, 배터리 충전에 요구되는 엔진 부담을 줄일 수 있기 때문에 좀 더 연료절감 효과가 있는 마이크로 하이브리드(micro-hybrid)가 만들어진다. 또한 적응형 크루즈 컨트롤(Adaptive Cruise Control, ACC)과 같이 점점 더 일반화되고 있는 일부 안전 및 편의 자동화 기능들이 운전을 보다 효율적으로 만들어 연료를 절약한다.


이러한 형태의 보조 기능들은 겉으로 보기에 단순해 보여도 상당히 복잡하고 전자 관리가 필요하다. 또한 드라이브 바이 와이어(drive by wire), 시프트 바이 와이어(shift by wire), 브레이크 바이 와이어(brake by wire) 같은 기술은 연료소비를 줄이고 더 나은 전기화를 위한 길을 준비하는 데 도움이 된다. 스타트/스톱, 에너지 회생, 기타 여러 가지 형태의 전기 보조장치들이 앞으로 몇 년 안에 전반적인 차량 연비 향상과 HEV/EV의 보다 광범위한 혁신을 위해 엄청난 수의 자동차에 도입될 것이다.


마일드 하이브리드


추가적인 연비 개선은 배터리 크기에 좌우된다. 조명과 윈드쉴드 와이퍼와 같이 가벼운 전기장치들은 배터리로 직접 구동하지만, 펌프 같은 무거운 장치는 엔진에 의해 구동하는 알터네이터(alternator)나 또는 엔진에서 직접 벨트 구동식으로 구동시켜야 한다. 다수의 자동차 제조사들이 기존 시스템과의 호환성을 위해 12 V 배터리와 스타터/제너레이터, 수퍼차저 또는 터보차저, 연료펌프, 워터펌프, 쿨링팬, 기타 전력 소모량이 많은 시스템을 구동할 48 V 배터리를 결합한 듀얼 전압 전기 시스템을 도입하기 위해 노력하고 있다.




그림 1은 듀얼 전압 전기 시스템에 의해 직접 구동되는 시스템 유형을 보여준다. 그런 다음 이것은 내연기관에서 분리되어 그 부하를 줄임으로써 엔진을 소형화할 수 있다.

48 V는 그림 1의 시스템을 구동하는데 최대 10 kW의 전력을 제공하는 새로운 표준을 제시하고 있지만, 전기 수퍼차징/터보차징의 경우 최대 20 kW까지 출력을 내려면 더 높은 전압이 필요하다. 어떤 경우든, 마일드 하이브리드라는 자동차 구성은 연료를 추가로 절약하고 주행성을 높여준다. 그렇다 하더라도 그것이 독립적인 전기 추진(electric propulsion)이나 차량 주행을 제공하는 것은 아니다. 마일드 하이브리드는 표 1의 구성 중에서도 가장 빠르게 성장해 2025년에는 2,200만 대 중 절반 이상을 차지할 것으로 전망된다.


풀 하이브리드 및 플러그인 하이브리드

최대 80 kW의 부하로 자동차를 전기 추진하는 풀 하이브리드의 경우, 수백 볼트 정격의 배터리가 필요하다(이 전압 수준에서 작동하도록 설계된 시스템과의 호환성은 48 V 배터리를 통해 지원). 연비는 연소 대비 전기적으로 자동차가 얼마나 오래 주행하는가에 달려 있다. 배터리 기술의 비약적 발전이나 배터리를 신속하게 교체할 방법이 없는 경우, 전선 연결이나 유도 패드 같은 외부 전원에서 배터리를 충전해 연료 소비를 추가로 절감한다.


표 1에서 두 번째로 빠르게 성장 중인 플러그인 하이브리드 카는 차주가 정기적으로 콘센트에서 차량을 충전하는 정도만큼의 연비를 향상시켜준다.


완전 전기차

최종 단계의 풀 EV는 가스 소비를 제로로 줄이지만 장거리 여행과 급속 재충전에 대한 내연기관의 유연성은 잃게 된다. EV 확산의 가장 큰 걸림돌은 주행거리가 짧고 충전시간이 길다는 것이다. 대부분의 사람들은 운행 거리가 짧고 밤새 재충전할 시간이 충분하지만, 대개 내연기관 자동차가 갈 수 있는 거리만큼 주행할 수 있기를 원하고 충전 시간은 연료탱크를 가득 채우는 시간보다 약간 더 소요되는 정도의 옵션을 선호한다. 장기적으로 배출가스 제로 차량의 성공은 배터리 용량 및 고속충전 사이클의 기술적 진보에 의해 좌우될 것이다. 후자는 아마도 전원 코드 대신, 또는 전원 코드와 함께 자동차 아래 유도 코일에 의해 무선으로 전력을 공급받을 수 있다.

 



자율주행과 ADAS

연료절감에 무게를 두는 또 다른 요소는 자율주행이다. 엄밀히 말하자면, 자동운전은 HEV/EV의 쟁점은 아니며 어떤 차에나 도입할 수 있다. 그러나 자율주행 능력을 갖춘 자동차에는 전기 엔진에 필요한 시스템들과 유사한 수많은 센서 및 작동 시스템(actuation systems)이 포함된다. 또한 일정 속도를 유지하기 어려운 도심 주행에서 대다수의 운전자들이 할 수 있는 것보다 더 뛰어난 연비로 자동운전이 가능하도록 자동차를 설계할 수 있다. 이러한 이유로 자동차 제조사들의 HEV/EV 개발은 연비와 배출가스뿐만 아니라 안전성을 이유로 ADAS 개발 및 자율주행 기능과 긴밀하게 연계될 것으로 보인다.

 



HEV/EV 개발의 기술적 과제


자동차 디자이너와 부품 공급업체들에게 자동차 전기화의 핵심 쟁점은 고전압을 안전하게 다루는 데 있다. 고전압은 재료, 공정, 디자인, 패키지, 검증 등에 대한 엄격한 요구사항을 IC 기술 전반에 적용하도록 요구한다. 이러한 문제의 해결은 안정적인 기능은 물론, 스타터/제너레이터, 전동 스티어링, 트랙션 제어, 배터리 관리, 양방향 DC/DC 변환 및 기타 여러 분야에서 안정성 확보에 중요하다.


이러한 시스템은 과전압, 과전류, 전력 스파이크, 다른 시스템으로의 신호 피드백, 외부 소스의 전자기 잡음, 기타 여러 가지 파괴 또는 오염의 영향으로부터 보호되어야 한다. 무엇보다 사람이 과전압과 과전류에 노출되지 않도록 모든 위험을 없애야 한다.

이미 언급한 IC 기술 요소들 외에도, 안전은 회로 절연에 의해 크게 좌우된다. 이는 칩 다이 내부에 있을 수도 있고, 싱글 패키지의 칩 다이 사이에 있을 수도 있고, 함께 작동하는 IC 소자들 중 또는 이들의 조합 중 하나일 수도 있다. 자동차 규격은 안전을 보장하기 위해 단순 작동에 필요한 것보다 2배의 절연을 요구한다. 차량용 IC는 이른바 강화 절연(reinforced isolation)이라고 알려진 높은 보호 기능을 제공하도록 제조된다.

하이브리드의 고전압은 내연기관의 크기를 줄여주어, 연료소비는 물론 전달되는 전력까지 낮춰준다. 소형 엔진을 보완하기 위해, 전기 스타터 모터는 엔진에 토크를 전달해야 하고, 기존의 터보/수퍼차저를 작동 중에 토크를 추가하는 전기 터보/수퍼차저로 교체하거나 보완해야 한다. 이러한 기능들을 위한 과전압 과도 보호 기능을 제공하려면 최대 100 V에 달하는 FET(field-effect transistors)가 필요하다. 자동차를 추진하고 콘센트나 유도 코일과 같은 외부 전원으로 충전하는 경우, 고속 충전 사이클을 지원하기 위해 1,000 V(1kV) 수준의 높은 사양이 필요하다. 일부 애플리케이션에서는 매우 높은 고주파수 스위칭을 지원해야 한다.

이렇게 높은 전압과 주파수를 제공할 수 있는 FET를 제공하는 것이 자동차 전자의 남은 과제이다. 실리콘 파워 FET의 특징은 기존 12 V의 부하는 물론 48 V 배터리의 수많은 부하도 처리할 수 있을 만큼 높은 전압이다. 그렇지만, 100 V에 육박하거나 그 이상의 특성을 발휘하려면 다른 재료가 필요하다. 최근 질화갈륨(GaN) 기술의 발전으로, 이 재료는 고전압 파워 FET의 훌륭한 대안이 되고 있다. 이론상 메가헤르츠 주파수에서 1 kV 이상 스위칭 능력을 발휘하는 GaN은 단순 온오프 하이파워 스위치는 물론 초고주파수 스위칭 전원공급장치에서도 유용하다.

HEV/EV 배터리 관리는 혁신적인 고전압 기술의 핵심 분야다. 12 V와 48 V 배터리를 조합한 듀얼 전압 시스템은 그림 2에서처럼 회로를 보호하고 기능을 작동하도록 하기 위해 양방향 DC/DC 변환을 필요로 한다. 추진 및 외부 충전에 소요되는 훨씬 더 높은 전압은 직렬로 연결된 대량의 전지(cells)에서 얻어야 한다. 배터리 관리에는 첨단 제어 지능이 필요하다. 이러한 첨단 제어 기능은 충전, 방전, 재충전을 모니터링 할 수 있고 각 전지의 온도, 전압, 전류를 감지할 수 있다.

개별 전기 시스템 제어는 서로간의 통신, 그리고 외부 도로 환경을 감지해 자동차의 작동 일부나 전부를 관리하는 차량 제어 시스템과의 통신을 통해 시너지 효과를 낸다. 자동차 제조사들은 현재 CAN 버스와 기타 알려진 네트워크 표준에 의존하고 있다. 그렇지만 앞으로 훨씬 더 많은 혁신들이 자동차 네트워크 통신에 적용될 것이다. 자동차 제조사들은 IC 업체들이 여러 가지 자동차 모델들의 변화하는 통신 요건에 맞춰주기를 희망하고 있다.


자동차 전장의 과제 해결


고전압 관련 안전성과 동작 무결성에 대한 기술적 요구사항들이 생기면서 IC 업체 측에 혁신 기술이 요구되고 있다. 그림 3에서는 TI의 부품들이 사용되는 자동차 전기 시스템 분야를 확인할 수 있다.

안전에 대한 우려는 앞선 절연 기술의 개발로 이어졌다. 예를 들어 고전압 및 저전압, 고주파수 및 저주파수 기능을 동일한 패키지에 통합할 수 있는 절연 기술이 개발됐다. 강화 절연은 높은 온도, 전압, 전류, 진동 조건에 대해 자동차 및 산업용으로 인증된 칩 다이 및 패키지의 일반적인 특징이다.

마이크로컨트롤러(MCU)는 전기 시스템을 안전하게 제어하기 위해 듀얼 락스텝(lockstep) CPU, 오류 보정, 셀프-테스팅 등의 기능을 제공한다. TI의 C2000과 같은 고속 실시간 모터 제어에 최적화된 MCU도 있다. 또한 안전을 위해 파워 라인에 직접 사용되는 IC들로는 파워 스위치, 배터리 관리보호, DC/DC 컨버터, 델타-시그마 ADC 등이 있다.

공정 기술의 진보는 새로운 자동차 전자장치에 사용되도록 더 높은 전압 수준에서 실리콘이 지속적으로 작동하도록 지원한다. 매우 높은 고전압, 고주파수 파워 애플리케이션을 위해 GaN FET가 제공된다. TI의 초기 GaN 제품들은 스위칭 전원공급장치를 겨냥한 것으로 최대 100 V의 고전류가 특징이며 추가 개발도 예정돼 있다.


미래 교통의 전기화


교통 혁명이 계속되면서 자동차 전장의 새로운 소개가 계속해서 자동차를 보다 연료 효율적이고 안전하며 편리하게 만들고 있다. 전기 지원 내연기관, 다양한 수준의 하이브리드 및 풀 EV는 배출가스에 변화를 주어 공기 오염과 온실가스를 줄여준다. 자율주행과 EV는 자동차의 운전, 특히 도심에서의 운전에 변화를 가져오며, 배출가스를 낮추거나 제로로 만드는 새로운 비즈니스 모델 제시와 맞춤식 운송 수단을 제공한다.  

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