글│바이코(Vicor)

 

 

일반 승용차를 비롯해 트럭, 버스, 모터사이클 제조업체들에 이르기까지 내연기관의 연비를 높이고 CO₂ 배출량을 줄이기 위한 자동차 전기화 노력이 가속화되고 있다. 자동차 전기화를 위한 많은 방법들이 존재하지만, 대부분 제조업체들은 풀 하이브리드 파워트레인보다는 48V 마일드 하이브리드 시스템을 선택하고 있다. 마일드 하이브리드 시스템은 전통적인 12V 배터리에 48V 배터리를 추가하는 것이다.

이렇게 하면 전력 용량을 4배(P = V •I)까지 높일 수 있기 때문에 에어컨이나 시동 시의 촉매 컨버터와 같은 높은 부하를 구동할 수 있다. 자동차의 성능을 높이기 위해 48V 시스템을 사용하면, 더 빠르고 매끄러운 가속이 가능한 하이브리드 모터를 구동할 수 있고, 연비를 높일 수 있다. 또한 추가 전력을 사용해 스티어링, 브레이크, 서스펜션 시스템을 지원하고 새로운 안전성 및 엔터테인먼트, 편의기능들을 추가할 수 있다.

48V 마일드 하이브리드 시스템은 일단 도입하기만 하면 여러 면에서 유리하다. 문제는 기존에 사용하던 12V 전력 분배 네트워크(PDN: Power Delivery Network)를 변경하는 번거로움을 극복하는 것이 가장 큰 과제가 될 것이다. 전력 분배 네트워크를 변경하기 위해서는 새로운 기술을 도입하고 광범위한 테스트를 실시해야 하며, 자동차 산업의 높은 안전 및 품질 요건을 충족하는 새로운 공급업체들이 필요하게 된다.

하지만 데이터 센터가 48V PDN으로 전환하고 있다는 점에서 알 수 있듯이, 전환 비용을 훨씬 뛰어넘는 효과를 거둘 수 있다. 자동차 산업은 48V 마일드 하이브리드 시스템으로 전환함으로써 배기가스를 줄이고, 주행거리를 늘리고, 연비를 향상시킬 수 있는 새로운 차량을 빠르게 개발할 수 있다. 또한 CO₂ 배출을 줄이면서도 성능과 기능을 높이는 새롭고 흥미로운 설계 옵션을 얻을 수 있다.

 

48V 전력 분배 네트워크 극대화 방안

보다 강력한 파워트레인과 섀시 시스템 부하에 전원을 공급하기 위해 48V 배터리를 추가하면, 엔지니어들에게는 더 많은 옵션이 주어진다. 48V 입력을 직접 처리할 수 있는 시스템을 추가하거나, 펌프, 팬, 모터와 같은 기존의 12V 전기기계식 부하를 그대로 유지하면서 레귤레이션 DC-DC 컨버터를 통해 48V를 12V로 변환할 수 있다.

하지만 변화와 위험을 관리하기 위해 기존의 마일드 하이브리드 전력 분배 시스템은 점진적으로 48V 부하를 추가하고 있으며, 자동차 내 12V 부하에 12V를 공급하기 위해 중앙에 대규모로 수 kW 대에 달하는 48V에서 12V 변환 컨버터를 사용하고 있다. 그러나 이러한 중앙집중식 아키텍처로는 48V PDN의 장점을 최대한 활용하거나 첨단 컨버터 토폴로지 및 제어 시스템, 패키징의 이점을 이용하기 어렵다. 이러한 중앙집중식 DC-DC 컨버터(그림 1)의 대부분은 구형 저주파 스위칭 PWM 토폴로지를 사용하기 때문에 크고 무겁다. 또한 중요한 파워트레인 시스템의 결함을 일으키는 주된 요인이 되기도 한다.



그림 1 | 전통적인 12V 중앙집중식 아키텍처

그림 2 | 48V 분산형 아키텍처

이때 고려할 만한 다른 아키텍처는 모듈식 전력 컴포넌트를 이용하는 분산형 전력 분배 아키텍처(그림 2)이다. 이 아키텍처는 자동차 전반에 걸쳐 12V 부하에 가까운 지점에 소형의 저전력 48V-12V 변환 컨버터를 분산시키는 것이다. P = V•I와 PLOSS=I2R의 간단한 전력 공식을 통해 왜 12V를 분산시키는 것보다 48V가 더 효율적인지 알 수 있다.

특정 전력 레벨에서 48V 시스템은 12V 시스템에 비해 전류는 4배 더 낮고, 손실은 16배까지 줄어든다. 전류가 1/4로 줄어들면, 케이블과 커넥터의 크기를 소형화할 수 있고, 무게를 줄이고, 비용을 낮출 수 있다. 또한 이러한 분산형 전력 아키텍처는 열관리나 전력 시스템 리던던시 측면에서도 훨씬 유리하다(그림 4).



그림 3 | 표준 DC-DC 컨버터는 효율이 94%이다.

그림 4 | 바이코(Vicor)의 DC-DC 컨버터는 효율이 98%이다.



분산형 아키텍처에서 모듈식 컴포넌트의 이점


분산형 전력 분배 아키텍처에서 모듈식 접근방식을 사용하면 확장성이 크게 향상된다(그림 5).




배터리의 48V 출력을 자동차 내의 다양한 고전력 부하들로 분산시킬 수 있으며, 낮은 전류(1/4)와 낮은 손실(1/16)의 이점을 극대화하고 물리적으로 더 작고 더 가벼운 PDN을 구현할 수 있다. 또한 다양한 분산 부하의 부하 전력 분석에 따라 적정 전력을 세분화하고 스케일링하여 하나의 모듈을 병렬 어레이로 사용할 수 있도록 설계하고, 검증할 수 있다.

이 예에서는 2 kW 모듈이 사용되고 있다. 앞서 언급했듯이 전력을 세분화하거나 확장하는 것은 시스템에 따라 다르다. 대형 중앙집중식 DC-DC 컨버터 대신 분산형 모듈을 사용하면 훨씬 더 낮은 비용으로 N+1 리던던시도 가능하다. 이러한 방식은 자동차를 개발하는 중에 부하 전력이 변경될 때도 유용하다. 엔지니어는 완전히 처음부터 전원공급 장치를 변경하여 구현하는 대신, 모듈을 추가하거나 제거할 수 있다. 설계상의 또 다른 이점은 모듈이 이미 승인 및 인증을 받았기 때문에 개발 시간도 단축할 수 있다.

 

그림 5 | 하이브리드 카를 위한 모듈식 접근방식


고전압 배터리 시스템의
분산형 모듈식 48V 아키텍처 구현

순수 전기차나 고성능 하이브리드 카는 파워트레인과 섀시 시스템의 높은 전력 요구로 인해 고전압 배터리를 사용한다. 48V SELV PDN은 여전히 OEM들에게 상당한 이점을 제공하지만, 고전압 800V 또는 400V에서 48V로 변환하는 것은 전력 시스템 디자이너들에게 또 다른 과제가 되고 있다.

이러한 고전력 DC-DC 컨버터는 절연은 필요하지만, 레귤레이션은 필요하지 않다. 뛰어난 전압 레귤레이션은 48V-12V 변환 컨버터를 분산형으로 배치시키는 이점 중 하나이다. 레귤레이션 PoL 컨버터를 사용하면 고전력 업스트림 컨버터가 고정 비율 토폴로지를 사용할 수 있다. 이는 800/48과 400/48에 대해 각각 16:1 또는 8:1의 넓은 입력-대-출력 전압 범위가 가능하기 때문에 매우 유리하다(그림 6). 하지만 이러한 범위로 레귤레이션이 가능한 컨버터를 사용하면 매우 비효율적이고, 열관리 측면에서도 큰 문제가 발생할 수 있다.

400V 또는 800V 분배를 위해 이러한 고전압 절연 컨버터를 분산시키는 것은 안전 요건으로 인해 매우 어려운 작업이며, 비용 또한 많이 소모된다. 하지만 대형의 실버 박스 DC-DC 컨버터 대신 전력 모듈을 사용하면 고전력 중앙집중식 고정 비율 컨버터를 설계할 수 있다.

적정 레벨의 세분화 및 확장성을 갖춘 전력 모듈을 개발해 다양한 자동차의 각기 다른 파워트레인 및 섀시 전기화 요구에 따라 손쉽게 병렬로 사용할 수 있다. 바이코(Vicor)의 고정 비율 버스 컨버터(BCM®)는 양방향으로 동작하기 때문에 다양한 에너지 재생 체계를 지원할 수 있다. 또한 BCM은 사인 진폭 컨버터(SAC™) 고주파 소프트 스위칭 토폴로지를 통해 98% 이상의 효율을 달성할 수 있으며, 2.6 kW/in3의 전력 밀도를 갖추고 있어 중앙집중식 고전압 컨버터의 크기를 상당히 줄일 수 있다.

바이코는 자동차 시장을 위한 혁신적인 최첨단 48V 솔루션을 공급하고 있다. 자동차 전력 분배 아키텍처에 분산형 모듈식 접근방식을 사용하면, 복잡한 전력 공급 문제를 간소화하고, 성능 및 생산성을 높이고, 시장 출시시간을 단축할 수 있다. 바이코는 48V 전력 변환 분야의 선도 기업으로서 전력 분배 아키텍처, 전력 변환 토폴로지, 제어 시스템, 패키징을 지속적으로 혁신하고 있다.