최근 테슬라(Tesla)는 향후 모든 테슬라 전기차에 48V 저전압 시스템을 적용할 것이라고 발표했다. 자동차 업계가 점차 48V 시스템으로 나아가는 상황에서, 이에 적응해야 하는 OEM 및 티어 1 공급업체에게는 기회인 동시에 도전이기도 하다. 이런 유형의 시스템을 설계하는 가장 효율적인 방법은 부하에서 48V를 12V로 변환하는 분산형 영역(Zonal) 아키텍처를 채택하는 것이다. 소형의 전력 밀도가 높은 바이코(Vicor)의 모듈을 사용하면, xEV를 지원하는 영역 아키텍처를 쉽게 설계하고, 구현할 수 있다. 

글 | 전영삼 상무, 바이코 아시아태평양 오토모티브 사업개발 담당







자동차, 트럭, 버스, 오토바이 등 차량 제조사는 CO₂ 배출량 감축을 위해 신속하게 차량의 전동화를 추진하고 있다. OEM 업체는 하이브리드 파워트레인, 플러그인 하이브리드(Plug-in Hybrid, PHEV) 및 배터리 전기자동차(Battery-Electric Vehicle, BEV) 등을 주요 전동화 수단으로 활용해 전동화를 위한 다양한 접근방식을 취하고 있다. 내연기관 기반 하이브리드 및 PHEV 파워트레인은 알터네이터(Alternator), 즉 내연기관을 유지한 상태로 교류발전기 기반 12V 전력 분배 네트워크(Power Delivery Network, PDN)를 긴밀하게 결합하고 있는 반면, BEV 플랫폼은 OEM이 완전한 전기자동차를 위한 PDN을 처음부터 완벽하게 설계할 수 있는 기반을 제공한다. 그러나 오랫동안 사용해온 12V PDN을 수정하는 것은 간단한 일이 아니다. 이런 변화는 광범위한 테스트가 수반되는 새로운 기술이 요구될 수도 있으며, 특히 자동차 산업의 높은 안전 및 품질 표준을 충족하는 새로운 공급업체가 필요할 수 있다.


전력 모듈을 이용해 48V PDN 극대화 

BEV 플랫폼의 전원 소스는 고전압(400V 또는 800V) 배터리이기 때문에, 이런 고전압을 60V 미만의 안전한 초저전압(Safety Extra Low Voltage, SELV)으로 줄여야만 한다. 이를 위해 SELV의 첫 번째 유효 전압 레벨이 48V가 되거나 OEM이 차량의 PDN을 위해 전력을 24V 또는 12V로 낮춰야 한다. 현재 48V 입력을 직접 처리할 수 있는 시스템을 추가하거나 펌프나 팬, 모터와 같은 기존의 12V 전기기계 부하를 유지하면서 레귤레이션 DC-DC 컨버터를 통해 48V를 12V로 변환하는 것이 가능하다. 변화와 위험을 관리하기 위해 기존 BEV 전력 분배 시스템에 48V 부하가 점차 추가되고 있지만, 여전히 차량 주변에 12V를 공급하기 위해 수 kW에 이르는 고전압을 12V로 변환하는 대규모 중앙집중식 컨버터가 사용되고 있다. 그러나 이런 중앙집중식 아키텍처는 48V PDN의 이점을 완벽하게 구현하기 어렵고, 이용 가능한 첨단 컨버터 토폴로지와 제어 시스템 및 패키징 등의 이점도 활용하지 못한다. 



그림 1 | 전통적인 중앙집중식 12V 아키텍처는 두꺼운 케이블을 사용하고, 단일 지점에서 12V 변환(실버 박스)이 이뤄지기 때문에 본질적으로 영역 아키텍처보다 무겁고, 효율성은 떨어진다.

그림 2 | 48V 영역 아키텍처는 차량 전반에 걸쳐 더 얇은 10 게이지 배선을 이용할 수 있어 케이블 무게를 85%까지 줄일 수 있다. 또한, 48V에서 12V로의 변환 지점을 분산시킬 수 있어 전력 모듈을 엔드포인트에 사용해 매우 효과적인 대류 냉각이 가능하다. 



이런 중앙집중식 DC-DC 컨버터(그림 1)의 대부분은 오래된 저주파수 PWM 스위칭 토폴로지를 사용하기 때문에 부피가 크고 무겁다. 또한, 중요한 여러 파워트레인 시스템의 중단을 유발할 수 있는 단일 장애 지점(Single Point of Failure)으로 작용하게 된다. 이와 함께 중앙집중식 시스템은 열 부하가 단일 지점에 집중되기 때문에 상당한 냉각 시스템도 필요하게 된다(그림 3).

다른 고려할 만한 아키텍처로는 모듈식 전력 부품을 이용한 영역 기반의 전력 분배(그림 2) 아키텍처가 있다. 이 전력 분배 아키텍처는 차량 전반에 분산되어 있는 12V 부하와 가까운 위치에 더 작은 저전력 48V-12V 컨버터를 사용하는 것이다. 간단한 전력 방정식 P = V • I 및 PLOSS = I2R을 통해 12V를 분산시키는 것보다 48V가 훨씬 더 효율적인 이유를 알 수 있다. 

48V 시스템은 주어진 전력 레벨에서 12V 시스템보다 전류가 4배 더 낮고, 손실(I2R)은 16배 더 적다. 전류가 4분의 1에 불과하기 때문에 더 작고, 가볍고, 저렴한 케이블과 커넥터를 이용할 수 있다. 또한, 영역 기반 전력 아키텍처는 열 관리 및 전력 시스템 리던던시 측면에서도 상당한 이점이 있다(그림 4). 이는 전통적인 DC-DC 컨버터의 무게와 열 및 부피 문제를 해결하면서도 차량 전반에 킬로와트(kW)의 전력을 공급할 수 있는 방법 중 하나다. 



그림 3 | 표준 DC-DC 컨버터는 효율성이 94%에 불과하다. 이유는 밀집된 인클로저 내에서 대량의 전압 변환이 이뤄지기 때문에 냉각이 매우 어렵고 효율성을 저해하기 때문이다. 또한, 이런 전통적인 접근방식은 차량 내에서 더 큰 시스템 공간을 차지한다. 

그림 4 | 바이코의 DC-DC 컨버터는 효율이 98%에 이른다. 영역 아키텍처를 통해 더 얇고 가벼운 케이블을 이용할 수 있으며, 변환은 차량의 중앙에서 엔드포인트 영역으로 이동한다. 부하에서 소형 전력 모듈을 통해 48V를 12V로 변환하기 때문에 변환 지점을 분산시켜 대류 냉각이 가능하고 효율성을 높일 수 있다.



모듈식 영역 기반 아키텍처로 효율성 최적화  

분산형 전력 분배를 위한 모듈식 접근방식(그림 4)은 확장성이 매우 뛰어나다. 
배터리에서 출력된 48V를 차량의 다양한 고전력 부하에 분산시킴으로써 더 낮은 전류(4배)와 더 적은 손실(16배)의 이점을 극대화해 물리적으로 더 작고 가벼운 PDN을 만들 수 있다. 분산된 다양한 부하에 대한 부하 전력을 분석해 적절하게 세분화된 전력에 적합한 하나의 모듈을 설계한 다음, 이를 병렬 어레이로 이용해 더 큰 시스템 전력 레벨로도 확장할 수 있다. 

그림 5는 2kW 모듈을 예로 나타낸 것이다. 언급한 것처럼, 세분화 및 확장성은 시스템에 따라 달라질 수 있다. 대규모 중앙집중식 DC-DC 컨버터 대신, 모듈을 엔드포인트 영역으로 분산시켜 사용하면, 훨씬 더 저렴한 비용으로 N+1 리던던시가 가능하다. 또한, 이런 접근방식은 차량의 개발 단계 중에 부하 전력이 변경되는 경우에도 유리하다. 엔지니어는 맞춤형 전원공급장치를 처음부터 완전히 변경하는 대신, 모듈을 추가하거나 제거해 처리할 수 있다. 또한, 이런 모듈은 이미 승인 및 검증이 완료되었기 때문에 개발 기간을 단축할 수 있다. 



확장 가능한 영역 기반 모듈식 48V 아키텍처 구현


그림 5 | 전력 모듈은 작고 가벼우며, 확장성이 매우 용이하다.



순수 전기차나 고성능 하이브리드 차량의 경우, 파워트레인과 섀시 시스템의 전력 요건이 높기 때문에 고전압 배터리가 사용된다. 48V SELV PDN은 OEM에게 여전히 상당한 이점을 제공하지만, 이제 전력 시스템 설계자는 고전력 800V에서 48V로, 또는 400V에서 48V로 변환해야 하는 또 다른 과제를 해결해야 한다. 

또한, 이런 고전력 DC-DC 변환에도 절연이 필요하지만, 이런 전력 범위에 레귤레이션 컨버터를 사용하는 것은 매우 비효율적이고 열 관리 문제가 상당하기 때문에, 이런 변환에는 레귤레이션을 포함시키지 않는 것이 좋다. 다운스트림 레귤레이션 PoL(Point-of-Load) 컨버터를 사용하면, 고전압 업스트림 컨버터는 보다 효율적인 고정 비율 토폴로지를 사용할 수 있다. 이는 800/48, 400/48 변환에 대해 각각 16:1 또는 8:1의 넓은 입력 대 출력 전압 범위를 제공하기 때문에 매우 유용하다(그림 5). 따라서 OEM은 배터리 팩 내부에 이런 효율적인 스텝다운 솔루션을 배치하거나 경우에 따라서는 배터리를 사용하지 않을 수도 있다. 바이코의 고정 비율 고전압 버스 컨버터는 탁월한 과도 응답의 특성으로 빠르게 전류를 분배할 수 있어 OEM은 12 ~ 14 kg에 이르는 불필요한 48V 배터리 중량을 줄일 수 있다. 

400V 또는 800V 전력 분배에 따른 안전 요구사항으로 인해 고전압 절연 컨버터를 분산시키는 것은 매우 어렵고 비용도 많이 소요된다. 그러나 대형 실버박스 DC-DC 컨버터 대신 전력 모듈을 활용하면, 고전력 중앙집중식 고정 비율 컨버터를 설계할 수 있다. 
전력 모듈은 각기 다른 파워트레인과 섀시 전동화 요건을 가진 다양한 차량 모델에 따라 확장성이 뛰어나며 쉽게 병렬화가 가능하다. 바이코의 BCM^® 고정 비율 버스 컨버터는 양방향은 물론, 다양한 에너지 재생방식을 지원할 수 있다. 이 BCM은 고주파수 소프트-스위칭 토폴로지 기반 SAC™(Sine amplitude Converter)이기 때문에 98% 이상의 효율을 달성할 수 있다. 또한, 최대 2.6 kW/in³의 전력 밀도를 제공해 중앙집중식 고전압 컨버터의 크기를 대폭 줄일 수 있다. 

테슬라는 이미 도전을 시작했다. 이들은 글로벌 자동차 전동화의 필수적인 다음 단계인 48V로 전환하는데 주력하고 있다. 다른 업체들도 이 길을 걷게 될 것이다. 최고의 BEV 개발 경쟁에서 앞서 나가기 위해서는 새로운 기술을 적극적으로 도입하고, 경계를 넓혀야 한다. 48V로 전력 분배 네트워크를 업그레이드하는 것은 분명한 수순이 될 것이다. 48V를 채택하고, PDN를 극대화하는 가장 효율적인 방법은 전력 밀도가 높은 전력 모듈을 활용해 영역 아키텍처로 전환하는 것이다. 이런 전력 모듈은 가벼운 중량의 48V 케이블의 이점과 함께, 차량 전반에 걸쳐 가장 높은 48V-12V 변환 효율을 제공하고, 열 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 확장성이 용이한 소형 전력 모듈을 통해 보다 원활하게 영역 기반 48V 아키텍처로 이행할 수 있다.

AEM_Automotive Electronics Magazine