이 글은 통합적인 시스템 디자인을 달성하고 있는 혁신적인 드라이브 트레인에 대해서 소개한다. 이 다위상 디자인은 가동성과 페일세이프(fail-safe) 동작을 향상시키고 통합 수준이 높으며 전기적 성능이 뛰어나다. 또한 희토류 물질을 필요로 하지 않으며, 향상된 패키징과 통합 기법을 이용함으로써 비용 절감에 기여한다.

현재 전기차 시장은 혁신을 거듭하면서 빠르게 진화하고 있다. 전기차 제조사들은 향상된 배터리를 이용해서 더 높은 에너지 효율과 더 우수한 연비를 실현한 시장성이 뛰어난 매력적인 모델들을 내놓고 있다. 그렇지만 높은 기능 통합, 더 높은 효율, 안전성, 공간 절약과 비용 절감이라고 하는 설계상의 주요 과제들을 해결하기 위해서는 여전히 새로운 파워트레인 시스템을 필요로 하고 있다.

이러한 가운데 독일의 연구 컨소시엄에서 소형 전기차에 이용하기 위한 혁신적인 파워트레인을 개발했다. “MotorBrain”이라고 하는 이 연구 프로젝트의 주된 연구 목표는 전반적인 xEV 시스템 효율을 향상시키고, 모터의 자기 소자에 희토류 물질이 필요하지 않게 하면서 안전성을 향상시키는 것이다. 이러한 연구 성과로서 인버터, 모터, 기어 드라이브를 통합하고 크기와 무게를 크게 줄인 극히 효율이 뛰어나고 높은 안전성을 달성하는 60 kW 드라이브를 개발하게 됐다.



xEV 시장은 앞으로 더욱 빠른 속도로 성장할 것으로 전망된다. 기존의 파워트레인을 향상시키는 것으로는 정부의 CO2 배출규제를 만족하기에 충분치 않게 됐다. 이에 대한 해결책이 바로 파워트레인을 전기화(electrification)하는 것이다. 이러한 야심적인 목표를 달성하기 위해서는 공간을 절약하고 비용은 낮추는 새로운 세대의 모터와 인버터가 요구된다. 이와 더불어 유연한 시스템 솔루션과 효율적인 제조가 가능해야 한다.

파워트레인을 전기화하기 위해서는 상당한 비용이 추가된다. 최종 소비자 입장에서는 전기차나 하이브리드 카가 더 효율적이긴 하지만 상당한 가격 차가 구입을 꺼리는 요소로 작용한다. 이에 따라 시스템 비용을 낮추도록 압박하고 있다.

MotorBrain 프로젝트

2014년 하노버 산업박람회에서 유럽 연구 프로젝트인 “MotorBrain” 프로젝트는 연구 성과의 일부로서 전기모터의 프로토타입 디자인을 선보였다. 이 전기모터 프로토타입은 소형이고, 무게가 가볍고, 효율이 뛰어남으로써 전기차의 미래를 이끌어갈 것으로 기대되고 있다.

이 전기모터는 인피니언 테크놀로지스, 지멘스, 드레스덴 공과대학의 경량 엔지니어링 및 폴리머 기술 연구소, ZF Friedrichshafen이 공동으로 개발하고 제작한 것이다. 이들 MotorBrain 프로젝트 참여 기관들은 모터, 인버터, 컨트롤러 사이의 인터페이스 아키텍처를 근본적으로 재설계하고, 이들 장치를 최신 스마트폰 가격에 노트북 가방 안에 들어가는 크기의 단일 유닛으로 통합했다(시연한 디자인은 60 kW 전력 용량).


이것은 120년의 파워트레인 개발 역사에 있어서 한 획을 긋는 획기적인 전환점으로, 다위상 모터 아키텍처를 제어하기 위해서 혁신적인 나노 공학기술을 이용함으로써 달성할 수 있게 된 것이다. 이는 파워트레인의 기능성을 크게 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 인버터 무게를 50%까지 줄이고 비용을 30%까지 낮춘다.

MotorBrain 프로토타입은 전기차 파워트레인의 대부분 주요 요소들을 단일화한 통합 전기모터다. 모터 이외에 파워트레인 시스템의 주요 요소들로서 고성능 센서와 마이크로컨트롤러, 파워 스위치, 수동소자들을 통합하고 있다. 또한 모터, 기어 구동, 인버터를 통합함으로써 모터, 기어, 인버터를 포함한 파워트레인의 무게를 90킬로그램에서 77킬로그램 미만으로 약 15% 가까이 낮췄다(그림 1).

이에 따라 전기차가 그만큼 가벼워지면 현재 전기차와 비교해 배터리 전력을 더 효율적으로 사용하고 더 먼 거리까지 주행할 수 있다. MotorBrain 전기모터를 채택한 60 kW 성능(약 80 hp(마력)에 해당)의 중형차는 한 번 충전으로 평균 주행거리가 약 150킬로미터인 현재 전기차 대비 족히 30~40킬로미터는 더 운전할 수 있다.


이 디자인은 다양한 기계적/전기적 파워트레인 디자인에 이용할 수 있도록 유연성이 뛰어날 뿐만 아니라, 현재 하이브리드 카 및 전기차에서 상당한 비용 요인이 되고 있는 희토류 물질을 사용하지 않는다. 현재 희토류 물질은 모든 전기모터의 영구자석에 중요한 물질로 사용돼 매우 강력하고 일정한 자기장이 발생하도록 한다. 자기장이 강력할수록 모터 성능이 뛰어나다.
 
MotorBrain 전기모터는 손쉽게 구할 수 있으며 가격이 더 저렴한 페라이트 마그넷을 이용할 수 있다. 희토류 물질을 이용할 때와 비교해 페라이트 마그넷을 이용하면 성능이 떨어지지만 이것을 MotorBrain 전기모터는 특별히 개발된 고-RPM(revolutions per minute) 로터를 이용해서 보상한다.

모터와 인버터를 xEV 애플리케이션에 이용하도록 고도로 통합된 파워트레인 솔루션의 요구와 제약을 충족하도록 설계했다. 이 모터 콘셉트는 NdFeB나 SmCo 같은 희토류 마그넷을 이용하지 않고 PMSM(Permanent Magnet Synchronous Machine)을 이용한다. 이 디자인의 또 다른 요구사항은 대량생산 시 비용을 절감할 수 있도록 고도로 자동화된 생산 및 조립 공정이 가능하도록 하는 것이었다. 전기적/기계적 출력 측면에서 이 디자인은 다음과 같이 요약할 수 있다:

최대 기계적 출력: 55 kW 이상
최대 모터 속도: 11,000 rpm 이상
최대 위상 전류: 100 Arms
최대 라인-라인 전압: 360 V
피크 토크: 170 Nm 이상
 

다위상 디자인의 장점

리던던시와 통합에 대한 요구를 충족하는 것으로서 다위상 모터는 통합이 용이하고, 전류가 낮고, 모듈을 소형화하고, EMI(과도 전압 )가 우수하고, 더 빠른 스위칭이 가능하고, 효율이 높고, 확장성이 뛰어나고, 가용성이 높다는 점 등의 여러 가지 장점을 제공한다. 따라서 궁극적으로 다위상 모터는 비용을 절감하고 기능성을 향상시킬 수 있다.

하지만 한편으로 다위상 모터 드라이브는 몇 가지 해결해야 할 과제를 제기한다. 다위상 시스템을 제어하기 위해서 고성능 멀티코어 마이크로컨트롤러를 필요로 하고 각 위상에 이용되는 각 IGBT들을 통합해야 한다.

MotorBrain 디자인은 9위상 기법이 유용한 조합이라는 것을 입증했다(그림 2). 권선은 2개의 대칭적 유닛(각기 9개 슬롯)으로 이뤄져 있으며 직렬 또는 병렬로 연결할 수 있다. 각기 대칭적 유닛 내에서는 직렬로 3개의 인접한 코일들이 한 위상을 나타낸다.

높은 속도와 제한적인 인버터 전압을 고려했을 때 이들 3개 코일은 낮은 권수(turns)를 필요로 한다. 따라서 두꺼운 와이어 직경과 그에 따른 다수의 병렬 컨덕터를 필요로 한다. 와이어 직경이 수 밀리미터에 달하고 기본 주파수가 1 kHz 이상에 이르면 권선 내에서 상당한 맴돌이  전류(eddy current) 손실을 발생시킨다. 그런데 병렬 컨덕터에는

평형 전류가 더 알맞기 때문에 이 또한 권선 손실을 증가시킨다.
디자인을 9위상으로 변경함으로써 위상 당 3개의 인접한 코일들로 이뤄진 각 코일 세트를 3개 위상으로 분할하고 있다. 이렇게 해서 얻어진 9개 위상을 3개의 3위상 시스템으로 그룹화한다. 높은 리던던시를 달성하기 위해서 이들 3개 시스템은 각기 절연된 star point를 이용한다. 각 위상 시스템에 최대 인버터 출력 전압을 이용할 수 있어 더 높은 권수(turns)를 가능하게 한다.

인버터를 통합하기 위한 취지에서 개발된 것으로서 이 글에서 소개하는 9위상 기법은 새로운 디자인 가능성을 실현할 수 있는 길을 열고 더 높은 리던던시를 가능하게 한다. 이 토폴로지는 위상 전력을 낮춤으로써 동일한 전압 레벨로 더 낮은 위상 전류를 필요로 해 결과적으로 더 소형화된 인버터 모듈을 가능하게 하고 모터-인버터 통합에 있어서 더 높은 자유도를 가능하게 한다.

어떤 한 위상을 소실하거나 심지어는 한 3위상 시스템 전체를 소실한다고 하더라도 성능을 완전히 잃지는 않는다. 나머지 2개의 3위상 시스템을 이용해서 계속해서 구동함으로써 여전히 50% 이상의 기계적 출력을 제공할 수 있다.

인버터 통합

이 디자인은 60 kW 전력, 공칭 DC 링크 전압 400 V, 100 Arms 위상 전류를 이용하는, 축방향으로 통합된 인버터를 기반으로 한다(그림 3).

디자인은 650 V 또는 1,200 V IGBT 동작으로 최적화된 전력 모듈과 3위상 구동 모터를 이용한다(그림 4). DCB(Direct Copper Bonding) 베이스플레이트는 열 저항(Rth)이 낮아 냉각 성능이 우수하다. 또한 PressFit 기법을 적용함으로써 어셈블리 비용을 낮추도록 한다(모듈, 커패시터, 커넥터). 인버터와 모터 권선을 직접 연결해 위상 케이블을 필요로 하지 않는다. 인버터와 모터에 공통적인 냉각 회로와 하우징을 이용한다. 또한 기어와 차동장치을 통합해 사용한다.

Aurix 멀티코어 마이크로컨트롤러는 임베디드 제어의 안전성을 높이고 비용을 절감한다. 드라이버와 컨트롤러 보드는 9위상 시스템에 따른 높은 복잡성을 지원한다. 전력 보드는 버스 바(bus bar)를 교체하고 전력 모듈을 통합하고 있으며, 모터는 DC 링크 용량을 제공한다.

9위상 기법은 인버터 제어를 위해서 추가적인 작업을 필요로 한다. 3배 더 많은 위상을 처리해야 하므로 부품 수가 3배로 늘어난다. 동시에 전력 반도체의 주요 설계 지수는 1/3로 줄어든다: 위상 전류(전력 모듈, 전류 센서, 커패시터에 영향을 미침), 과도 전압 변동, 게이트 전하. 특히 스위칭 천이가 낮아지면 DC 링크 전압이 높아짐으로써 모듈의 활용도를 높인다. 또한 대형 모듈에서와는 달리, 고전류를 스위칭하기 위해서 게이트 저항을 높일 필요가 없다. 따라서 최소한의 게이트 저항을 이용할 수 있으며 스위칭 손실을 낮출 수 있다.

위상 전류가 낮아지면 버스 바(bus bar) 대신에 덜 복잡한 PCB 디자인, PCB 탑재 전류 센서, 더 소형화된 게이트 드라이버를 이용할 수 있다. 모든 부품들을 전력 PCB로 솔더링하거나 압착(pressed)할 수 있다. 따라서 스위칭을 위한 전기 경로 상에 나사로 연결하는 지점이 없다.

DC 링크를 배터리로 연결하고 모듈과 히트싱크를 연결하는 지점에서만 나사 연결을 사용한다. 모터 권선과 인버터는 추가적인 HV 케이블을 필요로 하지 않고 커넥터를 통해서 곧바로 연결할 수 있다. 그러므로 이 점에서 또한 비용을 절감할 수 있으며 유지보수 시에 편리하게 탈착할 수 있다.

전력 모듈 자체는 전기차의 낮은 냉각온도 덕택에 베이스플레이트가 없이 설계됐다[T 및 낮은 위상 전류(100 Arms)]. 이는 더 단순하면서 더 경제성이 뛰어난 모듈을 가능하게 한다.

각기 다른 위상 세트 및 위상들을 위상 편이함으로써 DC 링크 커패시터를 줄일 수 있다. 뿐만 아니라 이들 커패시터를 전력 모듈 바로 위에 탑재함으로써 부유 인덕턴스를 줄일 수 있다. 또 DC 링크에는 세라믹 커패시터를 사용할 수 있다. 세라믹 커패시터는 표준 박막 커패시터에 비해 300% 더 높은 용량 밀도, 20 K 더 높은 동작 온도, 40% 더 낮은 ESL(equivalent series inductance)을 제공한다.

계산을 통해서, 넓은 동작 범위에 걸쳐서 인버터 효율이 97% 이상이고, 60%~100% 부하에 걸쳐서 피크 효율이 97.5%에 달하는 것으로 나타났다(그림 5).

“Functional Safety” 규격

ISO 26262에서 규정하고 있는 안전성 프로세스를 충족하도록 하기 위해서 강력한 Aurix 멀티코어 마이크로컨트롤러를 이용해 ISO 26262에 따른 복잡한 제어작업을 처리하도록 하고 있으며, ASIL(Automotive Safety Integrity Level) C 및 ASIL D를 충족한다. Aurix MCU는 모터의 현장 지향적 제어를 가능하게 하며 예측가능 타이밍을 이용해 타이밍 요구에 따른 타이밍 검사를 실시할 수 있다. 이 MCU는 9위상 시스템을 제어할 수 있을 뿐만 아니라 결함 검출 네트워크를 관리할 수 있다. 

참고 문헌

P. Brockerhoff, T. Ehlgen, Yves Burkhardt, P. Lucas:  “Electrical Drivetrain without Rare Earth Magnets and Integrated Inverter with Inherent Redundancy”, IEEE 2014

라이너 존(Reiner John)
인피니언 테크놀로지스의 R&D 프로젝트 지원 이사다. 독일의 노이베르크(뮌헨 인근)에 소재한 인피니언 본사에서 근무하고 있다.

AEM_Automotive Electronics Magazine