48V/12V 듀얼 배터리 자동차 시스템 성능 극대화

2017년 05월호 지면기사  /  글│브루스 황(Bruce Haug), 수석 제품 마케팅 엔지니어, Linear Technology

LV148은 12 V 시스템에 2차 48 V 버스를 결합한다. 48 V 레일은 ISG 또는 BSG, 48 V 리튬이온 배터리, 양방향 DC/DC 컨버터로 이루진다. 따라서 48 V와 12 V의 배터리를 합쳐서 최대 10 kW의 에너지를 제공할 수 있다.

연비 규정이 엄격해지고 커넥티비티를 사용한 자율주행 기능이 속속 도입됨에 따라, 구식 12 V 자동차 전기 시스템은 사용할 수 있는 전력이 한계에 다다르고 있다. 그런데다가 자동차 전장 시스템이 빠르게 늘어나고, 전력 요구량이 계속해서 높아짐에 따라 엔지니어링 측면에서 일련의 새로운 기회이자 과제를 제기하고 있다. 그렇기 때문에 3 kW 전력 한계의 12 V 납축전지 자동차 시스템을 보강하고자 하는 노력을 펼치고 있다. 

새로 제안된 자동차 표준인 LV148은 기존 12 V 시스템에 2차 48 V 버스를 결합한다. 48 V 레일은 통합 스타터 제너레이터(Integrated Starter Generator, ISG) 또는 벨트 스타트 제너레이터(Belt Start Generator, BSG), 48 V 리튬이온 배터리, 양방향 DC/DC 컨버터로 구성되며, 48 V 배터리와 12 V 배터리를 합쳐서 최대 10 kW의 에너지를 제공할 수 있다. 이 기술은 기존의 내연기관 자동차뿐만 아니라 하이브리드 전기차 및 마일드 하이브리드에도 사용할 수 있다. 자동차 업체들이 갈수록 엄격해지는 CO₂ 배출 요건을 충족하고자하기 때문이다. 
 

12 V 버스는 계속해서 점화, 조명, 인포테인먼트, 오디오 시스템을 구동할 것이다. 48 V 버스는 능동 섀시 시스템, 에어 컨디셔닝 컴프레서, 조절가능 서스펜션, 전기 슈퍼차저/터보차저 등에 전력을 공급하며 회생제동을 지원할 것이다. 추가적인 48 V 버스를 사용하는 것은 조만간 다수의 양산 모델로 도입 될 것으로 예상되며, 엔진 시동을 지원해 스톱-스타트 동작을 더 부드럽게 할 것이다. 또한 더 높은 전압이므로 단면적이 작은 케이블을 사용할 수 있어, 케이블 굵기와 무게를 줄일 수 있다. 
 

오늘날 하이엔드 차량은 배선 길이가 4 km 이상에 이른다. 또한 자동차가 점점 더 PC처럼 되어감에 따라 다수의 “플러그-앤-플레이” 장치들을 연결할 것이다. 평균적으로 통근자들은 하루의 9%를 자동차에서 보낸다. 그러므로 자동차로 멀티미디어와 텔레매틱스를 도입함으로써 생산성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 추가적인 엔터테인먼트를 제공할 수 있다. 
 

또한 자율주행을 구현하기 위해서는 컴퓨터, 카메라, 레이더, 라이더 센서와 같은 여러 요소들을 필요로 하며, 이 모든 요소들이 추가적인 에너지를 필요로 한다. 이러한 추가적인 에너지는 자동차를 인터넷으로 연결하기 위해서 뿐만 아니라 다른 자동차와 건물, 교통신호등, 주변 환경의 여타 구조물로 연결하기 위해서도 필요하다. 또한 드라이브트레인, 파워스티어링, 오일펌프 및 워터펌프 같은 것들 역시 기계식에서 전동식으로 전환할 것이다. 
 

48 V 배터리 시스템이 실현되는 시기는 완전 자율주행차보다 훨씬 가까운 미래가 될 것이다. 한편, 많은 자동차 부품업체들은 앞으로 수년 내에 궁극적으로 자율주행에 필요한 기술적 빌딩 블록에 대한 수요가 가파르게 증가할 것으로 기대하고 있다. 몇몇 자동차 회사들에 따르면, 48 V 기반 전기시스템을 사용함으로써 내연기관 자동차의 연비를 10~15% 향상시킬 수 있다.

 

그러므로 CO₂ 배출을 줄일 수 있다. 또한 듀얼 48 V/12 V 시스템을 사용하는 미래의 자동차는 엔진 부하와 무관하게 동작할 수 있는 전기부스터 기술을 통합할 수 있어서 가속 성능을 향상시킬 수 있다. 이미 이와 관련한 개발로, 인덕션 시스템과 인터쿨러 사이에 컴프레서를 배치해서 터보를 회전시키고 있다. 
 

하지만 자동차에 추가적인 48 V 전원 네트워크를 구축하기 위해서는 가치사슬 상의 여러 단계에 걸쳐 주요한 설계상의 과제를 해결해야 한다. 특히 반도체와 ECU 업체들에게 미치는 파장이 클 것이다. 이들 업체들은 자사 제품의 동작범위를 더 높은 전압을 처리하도록 조정해야할 것이며 부분적인 제품 변경을 해야 할 수 있다. 마찬가지로 DC/DC 컨버터 업체들도 이러한 고전력 전달을 할 수 있는 전문적인 IC를 제공해야할 것이다. 바로 이러한 요구를 충족하도록 리니어는 다수의 DC/DC 컨버터를 설계하고 개발하고 있다. 그럼으로써 에너지를 절약할 수 있으며, 훨씬 더 낮은 전력손실로 열설계를 최소화할 수 있다. 
 

그러기 위해서는 12 V 배터리와 48 V 배터리 사이에 양방향 스텝다운 및 스텝업 DC/DC 컨버터를 필요로 한다. 이 DC/DC 컨버터를 사용해서 양쪽 어느 배터리이든 충전할 수 있으며, 필요하다면 양쪽 배터리로 하여금 동일 부하로 전류를 공급하도록 할 수 있다. 대부분의 초기 48 V/12 V 듀얼 배터리 DC/DC 컨버터 디자인은 스텝업과 스텝다운에 각 전력소자들을 사용한다. 하지만 리니어가 최근 출시한 LTC3871 양방향 DC/DC 컨트롤러는 동일한 외부 전력소자를 사용해 전압을 스텝업하고 스텝다운 할 수 있다.

 

단일 양방향 IC 솔루션 

LTC3871은 100 V/30 V 양방향 2위상 동기벅 또는 부스트 컨트롤러로서, 12 V와 48 V 보드 넷 사이에 양방향 DC/DC 제어 및 배터리 충전을 할 수 있다. 벅 모드로 48 V 버스에서 12 V 버스로 동작하거나, 부스트 모드로 12 V 버스에서 48 V 버스로 동작할 수 있다. 인가된 제어신호에 따라 필요에 따라 양쪽 어느 모드로든 구성된다. 최대 12개 위상을 병렬로 연결하고 이위상(out-of-phase)으로 클로킹 할 수 있으므로 고전류 애플리케이션(최대 250 A)에 필요로 하는 입력 및 출력 필터링을 최소화 한다. 첨단 전류 모드 아키텍처는 병렬로 연결된 위상들 사이에 뛰어난 전류 매칭을 달성한다. 12위상 디자인으로 벅 모드나 부스트 모드로 최대 5 kW를 공급할 수 있다. 
 

자동차의 시동을 걸거나 추가적인 전력이 필요할 때는 LTC3871이 한 보드 넷에서 다른 쪽 보드 넷으로 에너지를 변환함으로써 양쪽 배터리로 하여금 동시적으로 에너지를 공급하도록 할 수 있다. 최대 97% 효율을 달성하며, 온칩 전류 프로그래밍 루프를 사용해서 어느 방향으로든 부하로 공급할 수 있는 최대 전류를 제어한다. 또한 전류용으로 2개와 전압용으로 2개의 4개 제어 루프를 사용해 48 V 보드 넷이든 12 V 보드 넷이든 전압과 전류를 제어할 수 있다. 
 

또한 LTC3871은 60~475 kHz의 사용자 선택 고정 주파수로 동작하며, 동일 범위로 외부 클록으로 동기화할 수 있다. 사용자는 경부하 시 연속 동작이나 펄스 스키핑 동작을 선택할 수 있다. 그밖에도 과부하 및 단락회로 보호, 벅 및 부스트 모드로 개별적인 루프 보정, EXTVCC를 사용한 효율 향상, 온도에 따라 ±1% 출력 전압 레귤레이션 정확도, 저전압 및 과전압 록아웃 기능을 포함한다. 또한 AEC-Q100 규격을 충족하며 ISO 26262 시스템용으로 포괄적인 진단 커버리지를 제공한다. 
 

LTC3871은 열 향상 48리드 LQFP 패키지로 제공된다. -40 ℃~150 ℃의 고온 자동차 범위를 포함해서 3가지 온도범위로 제공된다. 그림 1은 애플리케이션 회로 예를 보여준다. 이 회로도 상단의 P-채널 MOSFET은 과전류 및 단락회로 보호에 사용된다.

 

통합 스타터-제너레이터(ISG)

전자제어 ISG를 사용하면 단일 전자부품으로 통상적인 스타터와 발전기 둘 다를 대체할 수 있다. 그러므로 다음과 같은 이점을 거둘 수 있다:
 

1. 엔진 동작 중에 유일한 수동장치인 스타터를 제거할 수 있다.
2. 발전기와 크랭크 축 사이의 현행 벨트 풀리 결합을 대체할 수 있다.
3. 부하 덤프 시에 제너레이터 전압을 빠르게 제어할 수 있다.
4. 일부 현행 권선 회전자 교류 발전기에서 슬립 링과 브러시를 제거할 수 있다.

 

ISG는 3가지 중요한 특징을 들 수 있다. 스타트-스톱 기능, 전기 생성, 전원 지원이 그것이다. ISG는 내연기관으로 하여금 모터를 끄게 해서 정차 시에 연료를 절약할 수 있으며 가속 페달을 밟으면 즉시 다시 출발한다. 이 기능을 스타트-스톱 시스템이라고 하는데, ISG는 엔진을 시작할 때 더 매끄럽게 전환할 수 있다. 통상적인 발전기와 마찬가지로 ISG는 자동차가 주행 시에 전기전력을 발생시킨다.

 

또한 ISG는 자동차를 감속할 때도 전기전력을 생성할 수 있다(회생제동). 회생제동 시에 생성된 전기전력을 사용해서 48 V 배터리를 충전할 수 있다. 그럼으로써 연료 소모와 그에 따른 CO₂ 배출을 추가적으로 낮출 수 있다.
그림 2는 내연기관 자동차로 ISG, LTC3871, 12 V 및 48 V 배터리를 어떻게 통합하는지 개념도를 보여준다.
 

 

벅 및 부스트 모드

LTC3871은 간단한 제어신호를 사용해서 벅 모드에서 부스트 모드로, 또는 반대로 동적으로 매끄럽게 전환할 수 있다. VHIGH 및 VLOW 레귤레이션을 위해서 2개의 별도의 오차 증폭기(error amplifiers)를 사용한다. 2개의 오차 증폭기를 사용함으로써 벅 모드와 부스트 모드 각 루프 보정을 미세하게 보정할 수 있으므로 과도응답(transient response)을 최적화할 수 있다. 벅 모드가 선택되면 해당되는 오차 증폭기가 작동되고 ITHLOW 전압이 피크 인덕터 전류를 제어한다. 또 다른 오차 증폭기는 정지된다.

 

부스트 모드일 때는 ITHHIGH가 작동되고 ITHLOW는 정지된다. 벅 대 부스트 또는 부스트 대 벅 전환 시에는 내부 소프트 스타트가 리셋 된다. 소프트 스타트를 리셋하고 ITH 핀을 제로 전류 레벨로 되돌려 놓음으로써 새로 선택한 모드로 매끄럽게 전환할 수 있다.

 

다중위상 동작

다중 LTC3871을 데이지체인으로 연결하고 이위상으로 실행함으로써 입력 및 출력 전압 리플을 높이지 않으면서 더 높은 출력 전류를 제공할 수 있다. SYNC 핀을 사용해서 LTC3871을 또 다른 LTC3871의 CLKOUT 신호로 동기화할 수 있다. 이 CLKOUT 신호를 그 다음에 오는 LTC3871의 SYNC 핀으로 연결할 수 있으며, 이런 식으로 전체 시스템의 주파수와 위상을 정렬시킬 수 있다. 총 12개 위상을 데이지체인으로 연결할 수 있으며 상호 간에 이위상으로 동시에 실행할 수 있다.
 

그림 3의 LTC3871 데모 회로 DC2348A는 1개 혹은 2개의 LTC3871을 사용해서 2위상 또는 4위상으로 구성할 수 있다. 그림 3은 4위상 버전으로서, 벅 모드로 이 데모 회로는 30~75 V 입력 전압 범위로 최대 60 A로 12 V 출력을 제공한다. 부스트 모드로 동작할 때는 입력 전압은 10~13 V이고, 최대 10 A로 48 V를 제공한다.
 

그림 4의 LTC3871 효율곡선은 2개 LTC3871 디바이스를 사용한 4위상 데모 보드 디자인에 대한 것이다. 벅 모드 곡선은 48 V를 최대 60 A에서 12 V로 스텝다운하고, 부스트 곡선은 12 V를 최대 10 A에서 48 V로 스텝업하고 있다. 둘 다 97% 피크 효율을 달성한다.

 

과전류 보호

벅 모드로 과전류 조건이 발생하거나 VLOW가 접지로 단락되었을 때 전력소모를 제한하기 위해, LTC3871은 전류 폴드백 보호기능을 포함한다. VLOW가 공칭 출력 레벨의 85% 아래로 떨어지면 최대 검출 전압이 프로그램된 최댓값에서 이 값의 1/3로 점차적으로 낮아진다. 폴드백 전류 제한은 소프트 스타트 때 작동한다. 매우 낮은 듀티사이클로 단락회로 조건일 때는 LTC3871이 사이클 스키핑을 해서 단락회로 전류를 제한한다. 

통상적인 부스트 컨트롤러에서는 동기 다이오드나 동기 MOSFET의 바디 다이오드가 입력에서 출력으로 전류를 전도한다. 그러므로 블로킹 다이오드나 MOSFET을 사용해서 전류를 차단하지 않으면 출력(VHIGH) 단락이 입력(VLOW)을 끌어내린다. LTC3871은 VHIGH가 접지로 단락되었을 때 입력 단락회로 보호를 위해서 RDS(ON)이 낮은 외부 P-채널 MOSFET을 사용한다. 정상 동작일 때는 이 P-채널 MOSFET이 항상 온(on)이고 게이트-소스 전압은 15 V 최대로 클램핑된다. 그러다가 UVHIGH 핀 전압이 1.2 V 임계값 아래로 떨어지면 125 μs 후에 FAULT 핀이 로우(low)가 된다. 그러면 PGATE 핀이 외부 P-채널 MOSFET을 턴오프한다.

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