최적화된 드라이브트레인과 새 반도체 기술로 에너지 효율적인 EV 설계

트랙션 인버터는 전기차 드라이브트레인의 핵심 부품으로 필수적인 시스템이다. 트랙션 인버터는 출력을 직접적으로 제어하고 차량 동역학에 큰 영향을 미치기 때문에 효율적이고 지속가능한 e모빌리티를 위해 중요한 역할을 한다. 또 효율적인 전기차를 개발하기 위해서는 일련의 서브 시스템들을 통합하고 첨단 반도체 기술을 활용하는 것 또한 중요하게 고려해야 할 요소다.

글 | 디르크 가이거(Dirk Geiger), 크리스토프 바우어(Christoph Bauer), Infineon Technologies








모빌리티와 교통은 우리 생활의 필수적인 부분을 이루고 있다. 이 분야는 기후변화 목표를 달성하기 위해 중요한 역할을 할 수 있다. 특히 CO2나 NOx 같은 온실가스 배출과 미세먼지 배출을 낮추는 것과 관련해서 그렇다. 그런데 전기차 시장이 계속해서 성장함에 따라 원재료와 희토류 물질에 대한 수요가 증가하고 있다. 따라서 단지 완전 전기차로 전환하는 것만으로는 충분하지 않다. 진정으로 친환경적인 미래를 실현하기 위해서는 에너지 효율이 우수하고 지속가능한 솔루션을 도입해야 한다. 드라이브트레인을 전기화함으로써 배기가스를 크게 줄일 수 있으며, 첨단 반도체 기술과 최적화된 칩셋을 사용해 에너지 효율을 극대화할 수 있다. 그렇다면 인피니언이 내세우고 있는 “10 kWh for 100 km” 비전을 어떻게 실현할 수 있을지 살펴보자.

최신 자동차의 드라이브트레인은 온보드 차저(OBC), 배터리 관리 시스템(BMS), 인버터, 트랙션 모터와 같은 다수의 장치로 이뤄진다(그림 1). 이들 애플리케이션이 함께 작동해 최적의 자동차 효율을 달성한다. 배터리 용량과 전기 효율 같은 요소들에 따라 차량의 주행거리가 좌우된다. 최대의 주행 성능을 달성하기 위해서는 전기 드라이브트레인과 전기차 자체의 모든 측면을 최적화해야 한다. 이런 것들로는 무게를 낮추고, 공기역학 저항을 최소화하고 바퀴의 회전마찰저항(rolling resistance)을 낮추고, 회생 성능을 극대화하는 등이 포함된다. 나아가 차량을 스마트 충전 인프라로 통합하는 것도 중요하게 고려해야 한다. 한편으로는 의도하는 용도에 따라 자동차의 디자인과 크기를 적절히 선택해야 한다. 지속가능한 라이프사이클을 위해서는 자동차 생산공정과 리사이클링 역시 중요하게 고려해야 한다.

자동차 효율은 주행거리와 관련해서만 중요한 것이 아니다. 자동차 효율을 향상시키는 것은 자동차 무게를 낮추는 것과도 직결된다. 더 가벼운 자동차는 제조 시에 더 적은 원재료와 희토류 물질을 필요로 하며 동일한 주행거리로 더 적은 에너지를 사용한다. 그러므로 “효율”은 경제적인 가격대로 더 많은 숫자의 자동차를 생산하기 위해서도 중요하다.



인버터 그 이상의 역할

인버터는 트랙션 모터를 제어하고, 직류(DC)를 엔진 출력에 필요로 하는 교류(AC)로 변환한다. 인버터가 AC 주파수를 조절해 모터의 속도를 조절할 수도 있다. “제너레이터” 모드일 때는 인버터가 브레이크로 동작해 차량의 동역학 에너지를 포착하고 에너지 루프를 폐쇄한다(그림 2). 회생 효율은 시스템 내에 유지되는 에너지양에 중요한 역할을 한다. 이 점에 있어 실리콘 카바이드(SiC) 기반 전력 반도체가 유리하다. 스위치 내에서 양방향 전류가 가능하기 때문이다. 이뿐 아니라, 더 많은 에너지를 회수할수록 기계식 브레이크가 더 적은 에너지를 열로 소산시키기 때문에 브레이크 미세먼지를 줄일 수 있다.


  완전 전기 드라이브트레인 도입에는 새로운 과제들이 제기된다. 고도로 통합된 애플리케이션들이 상호의존적으로 동작하기 때문이다. 이런 상호의존성은 자동차 제조사들 입장에서 좀 더 총체적인 접근을 요구하고, 한편으로는 최적화를 이룰 수 있는 새로운 가능성을 제시한다. 한 가지 예로, 트랙션 인버터를 제동 시스템으로 활용하는 것을 들 수 있다. 이렇게 하면 완전 기계식 제동 시스템에 대한 의존도를 낮출 수 있다. 트랙션 인버터는 기계식 시스템에 비해 더 정밀하고 효율적인 토크를 발생시킬 수 있다. 그럼으로써 힐 홀드(경사로 밀림 방지), 제동, ABS 같은 기능들을 지원할 수 있다. 이뿐 아니라 토크 관리 기능을 갖춘 4모터 시스템이 표준 ESC(Electronic Stability Control) 시스템을 대체할 수 있다. 트랙션 컨버터가 단지 자동차의 모터 구동만이 아니라 그 외의 다른 많은 기능을 수행할 수 있다(그림 3).


  그림 3 | 전기차에 사용되는 최신 트랙션 컨버터/모터의 다양한 기능들 ⓒ Infineon Technologies



SiC와 GaN을 활용한 성능 향상    

전기차를 비롯한 다양한 애플리케이션에 와이드 밴드갭(WBG) 반도체 디바이스를 사용해 상당한 전력 효율 향상을 이룰 수 있다. 특히 전기차 트랙션 인버터, 온보드 차저, 고전압 DC-DC 컨버터(HV-DCDC)에 사용하기에 유리하다.
효율 향상을 이루기 위해서는 총체적인 접근법을 취하는 것이 중요하다. 마이크로컨트롤러, 센서, 게이트 드라이버, 전력 스위치 모두를 각기 적절하게 선택해야 하며, 자동차 통합과 주변장치 기능들 또한 중요하게 고려해야 한다. 현재의 트랙션 인버터는 이미 98%를 넘어서는 높은 효율을 내고 있다. 그러므로 추가적인 향상을 위해 모터, 기어박스, 냉각 시스템 같은 것들로 눈을 돌리고 있다.

현재 개발 초점을 맞추고 있는 주된 것은 효율을 극대화하는 것이다. 특히 차세대 트랙션 인버터를 위해서는 새로운 전력 스위칭 기술과 향상된 마이크로컨트롤러 기능이 중요한 역할을 할 것이다. 비용이 여전히 가장 중요한 고려인 가운데, 성능, 제조 용이성, 통합 또한 중요하게 고려할 것들이다.

그러면 여기서 잠깐 WBG 반도체에 대해 알아보자. 트랙션 인버터의 효율을 향상시키기 위해서는 MOSFET과 IGBT 같은 스위칭 디바이스와 그에 따른 다이오드가 가장 크게 영향을 미친다. 와이드 밴드갭 소재인 실리콘 카바이드(SiC)와 갈륨 나이트라이드(GaN)를 활용함으로써 필요로 하는 효율 향상을 이룰 수 있다. 많은 엔지니어가 이들 소재가 미래의 전력 시스템이 필요로 하는 성능을 달성하기 위해 중요한 역할을 할 것으로 보고 있다. 특히 드라이브 컨버터 같은 까다로운 환경에 활용하기에 유리하다. SiC 기반 스위칭 디바이스는 시스템에서 전력 손실을 일으키는 두 가지 주된 측면을 해결함으로써 성능 향상을 이루도록 한다. 그 첫째는 전도 손실이다. 드레인과 소스 사이에 낮은 저항(RDS(ON))이 손실을 낮추고 열 발생을 최소화하도록 한다. 이 점이 중요한 것은, SiC 스위치와 GaN 스위치는 모터링과 제너레이터 모드 시에 다이오드가 아니라 채널을 통해 전류가 흐르기 때문이다.


  그림 4 | 트랙션 인버터 애플리케이션의 주요 시장 동력 ⓒ Infineon Technologies



둘째는 스위칭 손실이다. 스위칭 손실도 전도 손실에 필적할 만하므로 마찬가지로 중요하다. 40 kHz에 이르기까지 스위칭 주파수가 높아짐에 따라 매 스위칭 시에 손실을 최소화하는 것이 중요하게 됐다. SiC나 GaN 기술을 사용하면 최대 40 V/ns에 이르는 높은 스위칭 속도가 가능하다. 그럼으로써 손실을 낮추도록 한다. 현재는 보통 대략 10 V/ns 수준인데, 이들 기술을 활용함으로써 추가 향상이 가능할 것이다. 특히 GaN을 사용하면 더 그럴 것이다. 하지만 트랙션 모터 같은 애플리케이션 자체나 EMC 제약이 한계 요소로 작용함으로써 절충이 필요한 실정이다.
GaN과 SiC는 특정한 활용 용도에 따라 각기 나름의 강점을 갖고 있다. SiC 기술의 유리한 특성들은 소재의 밴드갭으로부터 비롯되는 것이다. SiC는 전자 이동도가 높을 뿐만 아니라, 실리콘에 비해 임계 항복 전압이 높다. 그러므로 SiC 디바이스는 더 짧은 채널 길이를 사용해서 더 작은 크기로 만들 수 있다. 그러므로 특정한 공칭 전압으로 온 저항(on-resistance)을 낮출 수 있다. 더 작은 칩 크기는 디바이스 커패시턴스 또한 낮춘다. 그러므로 스위칭 손실을 최소화한다. 매 사이클에 이 커패시턴스를 충전하고 방전하기 때문이다.

GaN은 SiC보다 밴드갭이 더 넓으며(3.4eV) 전자 이동도도 훨씬 더 높다. GaN 디바이스는 게이트 전하가 실리콘 디바이스의 1/10에 불과하며 회복 전하는 극히 미미하다. 이런 특성에 의해 GaN은 훨씬 더 낮은 손실로 스위칭할 수 있다. 그러므로 GaN 기반 솔루션은 10 MHz까지 이르는 극히 높은 주파수로 동작할 수 있다. 이런 점들에 의해 GaN은 공진 토폴로지에 사용하기에 유리하다.



필요로 하는 원재료 및 희토류 물질 감소  

전기차는 다양한 전기 드라이브트레인 구성을 사용할 수 있는 가능성을 제시한다. 자동차 회사가 필요로 하는 성능과 기능에 따라 다양한 위치에 다중 모터를 사용할 수 있다. 전기차 시장이 빠르게 성장함에 따라 드라이브트레인 아키텍처를 향상시키고 최적화하기 위한 노력들이 빨라지고 있다(그림 5). 이런 노력은 단지 효율을 극대화하는 것만이 아니라, 공급이 제한적인 원재료 및 희토류 물질의 사용을 극대화하고자 하는 것이기도 하다(그림 1 참조).

  그림 5 | 설계 자유도: 자동차로 다양한 엔진 구성이 가능하다. ⓒ Infineon Technologies



전력 부품들이 이미 높은 수준의 효율을 달성하고 있기 때문에 다음 수순으로는 통합이 중요하게 됐다. 특히 마이크로컨트롤러가 진화함으로써 다중의 전문적인 작업을 처리하고 향상된 기능들을 통합하게 됐다.
전기모터는 관련 트랜스미션 및 냉각 시스템과 함께 점점 더 혁신의 중심이 되고 있다. 또 전기모터는 차량의 원자재 의존도를 낮추고 지속가능한 생산공정을 촉진하는 데 핵심적인 역할을 한다. 경제적인 측면도 무시할 수 없다. 덜 비싸고 좀 더 손쉽게 구할 수 있는 소재들을 사용함으로써, 제조 시간 단축과 함께 전기차 가격대를 낮추도록 일조할 수 있다.

예를 들어 EESM(Externally Excited Synchronous Machines)을 트랙션 모터로 사용할 수 있다. EESM은 발전소를 비롯한 다양한 분야에 사용되고 있다. EESM의 가장 큰 장점은 로터 디자인에 있다. 로터에 자석을 사용하는 것이 아니라 전기적으로 공급되는 자계 권선을 사용한다. 자석은 가격이 비싸고, 최상의 성능을 달성하기 위해 흔히 희토류 물질을 필요로 한다. 다만 EESM은 로터로 자계를 발생시키기 위해 추가적인 자계 여자기 회로를 필요로 한다. 스테이터와 로터 동작을 완벽하게 제어할 수 있어 전기모터를 최적화해서 다양한 애플리케이션으로 향상된 효율을 달성할 수 있다. 차량용으로 트랙션 애플리케이션에는 3상 동기식 기계(다위상 구성도 가능)를 주로 사용한다.

모터 디자인을 선택하는 것은 목표 애플리케이션에 따라 할 수 있으며, 단일 차량으로 각기 다른 타입의 모터들을 결합할 수도 있다. 예를 들어서, 메인 축은 EESM을 사용해 효율적이고 강력하게 구동하고, 선택적인 2차 축에는 가격적으로 최적화된 영구자석 동기머신(PMSM)이나 비동기 머신(ASM)을 사용할 수 있다. 이와 같은 접근법으로 각 축이 필요로 하는 효율이나 비용적 경제성에 근거해 가장 적합한 모터 구성을 선택할 수 있다.

리사이클링을 어떻게 할 것인지도 고려해야 한다. PMSM은 통상적으로 금속판 안에 자석을 내장하고 단단하게 부착하기 때문에 이런 자석을 효과적으로 리사이클링하기가 어렵다. 반면에 EESM은 단지 구리선을 사용해 로터를 감고 있기 때문에 물질을 회수하기가 훨씬 더 용이하다. 따라서 EESM은 더 효과적이고 지속가능한 리사이클링 프로세스가 가능하다.
특정 기술 도입에는 그에 따른 과제들이 수반된다. 예를 들어 ASIL-D 토크 경로를 구현하기 위해 추가적인 하드웨어 부품들과 소프트웨어 기능들이 필요하다. 추가 회로와 제어 루프를 포함시키기 위해서는 시스템의 복잡성이 높아진다. 토크 제어를 위해 스테이터 전류와 자계 권선 전류 둘 다 필요하므로 더 많은 전류 센서가 요구된다.

안전을 위해서는 각기 다른 안전 상태마다 각기 다른 조치를 취하는 것이 필요하다. 그러므로 새로운 기술을 도입하기 위해서는 차량의 기능안전성을 업데이트하는 것이 필요하다. 이뿐 아니라, 로터와 스테이터 사이의 직렬 저항(Ross) 결합 효과와 같이 EESM에 따른 특정한 효과들을 철저하게 파악해야 한다. 현재로서 EESM의 최대 효율은 PMSM보다 낮다. 하지만 WLTP(Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedure)에 따랐을 때 통상적으로 사용되는 동작 점들로 더 높은 효율이 관찰된다는 점을 감안했을 때, EESM의 유효 효율은 PMSM보다 약간 더 높거나 비슷하다고 할 수 있다. 효율을 평가할 때는 EESM 여자의 전력 소모를 고려해야 한다. 부분 연결 H-브리지를 사용해 약 30 Arms의 여자 전류가 발생되며 고전압 측으로부터 전류를 인출한다.



자동차의 전기화는 에너지를 절약하고 NOx, CO2, 미세먼지 배출을 줄이도록 중요한 역할을 한다. 그럼으로써 지속가능한 미래를 실현하는데 기여한다. 전기차에서 최적의 효율을 달성하기 위해서는 전체 파워트레인에 걸쳐, 그리고 라이프사이클 전반에 걸쳐 총체적이고 포괄적인 접근법이 필요하다. GaN과 SiC 반도체는 각기 나름의 강점을 갖고 있고, 각기 특정한 애플리케이션에 사용하기 유리하다. SiC와 GaN은 특히 온보드 차저와 HV-DCDC 시스템처럼 높은 스위칭 주파수로 동작하는 애플리케이션에 사용하기 적합하다. 트랙션 인버터는 차량 동역학과 주행거리에 영향을 미친다는 점에서 중요하다. SiC 반도체를 일련의 최적화된 칩셋, 첨단 마이크로컨트롤러와 결합해 모터와 시스템 통합을 높이고 향상된 효율을 달성할 수 있다.

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AEM_Automotive Electronics Magazine