현재 사용 중인 대부분의 배터리 전기차에는 전기모터, 변속기, 인버터가 통합된 메인 액슬(차축) 및 보조 e-액슬이 있다. 그러나 이는 저속에서 손실로 인해 효율이 떨어진다. 인휠모터가 적용된 스케이트보드 아키텍처와 같은 새로운 설계들은 이런 문제를 해결하고 비용 효율적이고 효율적인 전기차를 가능하게 한다.

글 | 지오바니 패리노(Giovanni Parrino), Infineon Technologies

지오바니 패리노
패리노는 인피니언에서 자동차 구동 컨버터를 담당하는 시스템 애플리케이션 엔지니어다. 그는 OEM, 티어 1, 반도체 제조업체 간 가교 역할을 하며 새로운 개념을 구현하고 이를 양산 단계까지 발전시킨다. 또, 최신 트렌드를 제품 요구사항으로 변환하는 역할도 한다.    





모빌리티 전환의 일환으로 기존 내연기관차는 배터리 전용 전기차(BEV)로 대체되고 있다. 현재 BEV의 가장 많이 사용되고 있는 구동시스템은 e-액슬이라고도 하는 통합 구동 모듈이다. 기존 액슬과 달리 전기모터, 인버터, 변속기가 통합돼 있다. 열 관리도 기존 액슬과 크게 다르다.
e-액슬에서 가장 중요한 시스템 중 하나는 트랙션 인버터로, 트랙션 인버터의 특정 특성이 차량의 전반적인 성능과 효율에 큰 영향을 미친다. 현재 가장 일반적인 구성은 2레벨 B6 구성이고, 필요로 하는 스위치 수가 적고 제어가 더 쉽기 때문이다. 차량의 다양한 파워 클래스들과 토크 요구항에 따라 특성이 다른 하나 또는 두 개의 e-액슬을 사용해 아키텍처를 구현한다:





그림 1a-h | 가능한 승용차의 엔진 구성. ⓒ 인피니언



메인 e-액슬은 차량 움직임을 담당하고 전체 효율에 가장 큰 기여를 하는데(그림 1a 및 b), 부분적으로는 회생제동 덕분이다. 이런 이유로 트랙션 인버터는 일반적으로 SiC MOSFET(모듈 또는 디스크리트)을 기반으로 하며, 특히 부분 부하에서 기존 IGBT들에 비해 약 5% 더 긴 주행 거리 범위를 제공한다^[1].

보조 e-액슬은 최대 토크와 목표 속도를 달성하는 데 도움이 된다: 실제 동작 시간은 10%까지도 떨어질 수도 있다(그림 1c). 이 경우 인버터는 좁은 작동 범위에서 작동하며 주로 IGBT를 기반으로 하는데, 이는 가격이 저렴하고 고출력 작동 시 우수한 성능을 제공하기 때문이다.
그러나 보조 e-액슬은 성능뿐만 아니라 차량의 전반적인 비용도 증가시키기 때문에 더 높은 출력 클래스 차량에만 사용된다. 또한 추가 e-액슬에는 기계식 차동 커플링이 장착돼 각 휠마다 다른 토크를 제공한다. 이로 인해 추가 기어 및 변속기 손실로 인한 기계적 유지보수 및 손실도 증가한다. 

그림. 1a + b + c

대체 드라이브트레인 아키텍처는 그림 1d부터 h까지다: 기존의 단일 또는 이중 차축 옵션들  외에도 단일 휠에 전용 인버터를 제공하여 모터 수를 최대 4개까지 늘릴 수 있다. 전용 인버터 시스템으로 단일 전동 휠 모터를 제어하면 차동 접근 방식에 비해 낮은 유지보수로 시스템을 간소화하고 더 높은 효율을 달성할 수 있다.
그림 1g은 가장 인기 있는 컨셉 중 하나인 후방 e-액슬과 두 개의 전방 인휠모터를 보여준다. 고급 토크 벡터링 알고리즘으로 인해 고성능 스포츠카에 주로 사용된다. 4개의 인휠모터(IWM)가 포함된 컨셉(그림 1h)도 자연스러운 AWD 구성을 구현하는 데 이상적이다.

그림. 1d + e + f + g + h



인휠모터    

휠 허브에 전기모터를 설치하면 변속기 없이도 각 휠이 직접 구동될 수 있다. 지금까지는 기술적 제약으로 인해 널리 사용되지 않았다. 그러나 이제 전동화가 증가하고 효율성과 공간 유연성에 대한 요구가 높아짐에 따라 휠 허브 모터 보급이 증가하고 있다. 인휠모터의 구조는 개별 휠 부분에 독립적으로 위치하는 것으로 정의된다.
IWM 요구사항 및 기술에 따라 세 가지 설정이 가능하다.

- 인보드 구성: 모터와 인버터는 섀시의 중앙에 위치해, 카르단 샤프트를 통해 휠에 직접 연결된다.
- 휠에 가까운 구성: 모터와 인버터는 섀시에 위치하며, 카르단 샤프트를 통해 휠에 직접 연결된다.
- 인휠 구성: 모터가 허브에 내장되어 있으면서 인버터는 여전히 섀시에 있는 구조 또는 휠 허브에 모두 통합되는 것도 가능한 가장 컴팩트한 솔루션이다.

IWM은 각 휠에 고급 토크 벡터링 알고리즘을 구현해 회전 반경을 거의 0으로 줄일 수 있기 때문에 핸들링과 그립감을 개선한다. 또한 가용 공간을 늘리고 앞뒤 차축 사이에 더 나은 무게 분포를 제공해 안정성과 핸들링을 향상시킨다. 그러나 이 구조는 상당한 양의 하중을 스프링이 없는 영역으로 이동시키기 때문에 충격이나 진동을 드라이브 시스템에 직접 전달하여 핸들링과 신뢰성에 영향을 준다. 이런 이유로 서스펜션을 재설계해야 할 수도 있다. 스프링이 없는 영역의 질량을 줄이는 한 가지 방법은 일반적으로 제동력은 회생제동을 통해 달성할 수 있기 때문에 차축의 기계식 브레이크를 줄이거나 제거하는 것이다.

이 새로운 아키텍처 개념은 전기 드라이브 설계의 획기적인 트렌드가 될 수 있다. 그러나 하드웨어 및 소프트웨어 수준에 상당한 영향을 미치며 현재 버스, 밴, 피플 무버 등 설계 유연성과 높은 기동성이 요구되는 특정 사용 사례에만 적용되고 있다.


IWM 안에는 무엇이 있을까?      

아키텍처의 더 높은 기계적 견고성을 달성하기 위해 축 방향 자속 모터 대신 3상 브러시리스 방사형 자속 모터를 선택하는 경우가 있으며, 일반적으로 표준 2레벨 인버터로 구동된다. 마이크로 모빌리티의 경우, 고전적인 48V 솔루션은 일반적으로 드라이브 인버터에서 저전압 MOSFET을 이용해 휠당 약 20kW를 공급하기에 충분하다. 이런 공랭식 시스템의 설계는 부하가 높은 상태에서 차량이 정지하면 인버터 소자들에게 중요한 열적 조건인 공기 흐름이 없기 때문에 매우 어려움이 많다. 더 높은 전력 등급의 경우 액체 냉각이 필수이지만 냉각 회로를 허브에 통합하면 최종 기계 설계에 추가적인 요구사항이 발생한다. 

상용 차량의 최대 출력은 액티브 휠 당 100kW 이상이다. 더 높은 출력 애플리케이션의 경우 가장 일반적인 배터리 전압 등급은 약 400V이며, 이는 현재 이미 사용 가능한 표준 BEV 충전기와 호환된다. 최대 800V의 더 높은 배터리 전압을 지원하는 아키텍처는 대형 상용차 애플리케이션들에 유용하지만 그 외에는 추가적인 이점이 거의 없다. 스위칭 전압 등급은 650V에서 750V이며, 전력 소모를 줄이기 위해 일반적으로 효율이 높은 SiC MOSFET 기술이 IGBT보다 선호된다. 또한 전력 소모를 최소화하려면 낮은 열 저항과 낮은 인덕턴스를 가진 패키지가 요구된다. 따라서 양면 냉각 패키지인 인피니언 CoolSiC™ G2이 적용된  HybridPACK™ DSC(그림 2)가 유용하다. 




그림 2 | CoolSiC G2 기술 기반 하이브리드팩 DSC를 사용하면 높은 전력 밀도를 달성할 수 있다. ⓒ 인피니언


스케이트보드 구조의 장점  

IWM은 밸류체인을 적용하기 위한 출발점으로, 전기 모빌리티 분야 전반에 대한 새로운 비즈니스 모델을 가능하게 한다. "롤링 섀시" 또는 스케이트보드 아키텍처는 차량 설계 및 사용을 더 자유롭게 한다. 일반적으로 기존 플랫폼은 각 자동차 제조업체가 각 요구 사항을 충족하기 위해 모듈식 시스템으로 맞춤 제작하며, 제동 및 구동 시스템과 같은 애플리케이션에 대한 책임은 자동차 제조업체에 있다. 반면, 스케이트보드 아키텍처는 각 OEM의 개발 작업과 무관하다. 대신 휠과 플랫 배터리 팩을 포함하여 시스템 통합업체에서 개발한 전기 드라이브 개념에 초점을 맞추고 있다. 스케이트보드 공급업체들의 모듈식 설계는 다양한 차량 레이아웃 요구 사항들을 충족하는 데 중요한 높은 수준의 유연성을 제공한다. 여러 고객들이 사용할 수 있는 표준 모듈의 도입은 유지보수 및 서비스에도 긍정적인 영향을 미칠 것이다.



그림 3 | 동일한 스케이트보드 구조에 대한 다양한 사용 사례들의 예. ⓒ Elaphe



서스펜션, 스티어링, 추진, 제동과 같은 모든 주요 차량 모션 작업은 특정 영역에 할당되지 않고 ‘코너’의 지능형 액추에이터들이 처리한다. 따라서 스케이트보드 통합기는 구동 모터, 브레이크, 댐핑 및 스티어링을 포함한 모든 차량 동작(VMO) 기능과 특성을 완전하고 주행 가능한 기본 플랫폼으로 제공한다. 이런 설계는 안전 및 충격 성능 측면에서 표준 플랫폼과 다르게 작동하므로 일부 스케이트보드 제조업체들은 배터리 팩에 대한 인증을 제공하기도 한다. 자동차 제조업체는 최종 보정 및 적용만 담당한다. 따라서 실제 자동차 배경이 없는 소프트웨어 및 배송 서비스 제조업체도 전기 구동계에 대해 걱정할 필요 없이 OEM으로 자체 차량을 제작할 수 있다. 또한 절실히 필요한 차량들을 더 쉽게 시장에 출시하여 향후 모빌리티의 일부 격차들을 메울 수 있다.

사용자와 직접 기계적으로 연결하지 않고도 드라이브 기능을 제어하는 스티어 바이 와이어와 같은 바이 와이어 기술도 스케이트보드 컨셉의 특별한 특징이다: 이는 무엇보다도 레벨 5까지의 자율주행을 향한 추진이 뒷받침해주고 있다.

공급망과 사고 체계의 변화는 차량의 표준 E/E(전기/전자) 아키텍처에도 큰 영향을 미칠 것이고 새로운 안전 요구사항들로 이어질 것이다. 중앙 차량 제어장치(VCU)가 각 휠에 개별적으로 토크를 요구해 전반적인 차량 역학을 제어하고 주행 스타일을 결정할 것이다. 이를 위해 인피니언의 AURIX™ TC3x 및 곧 출시될 TC4x 제품군은 OPTIREG™ PMIC를 탑재해 성능, 기능안전성 및 보호 기능을 탁월하게 결합하여 전술적, 전략적 수준에서 차량 움직임을 제어할 수 있다.


스케이트보드 구조의 기능안전성    

드라이브 시스템은 항상 어떤 조건에서든 부정확하거나 의도하지 않은 토크가 휠에 전달되는 것을 방지해야 한다. 단일 e-액슬 아키텍처의 단일 인버터에서 무작위 결함이 발생 시 결함 허용 시간 간격(FTTI)(예: 100ms) 내에서 소위 안전 상태로 전환할 수 있다. 결함이 발생한 정확한 조건과 시스템 통합업체의 기능안전성 전략에 따라 이 안전 상태는 프리휠링(모터 권선 "열림") 또는 액티브 숏서킷 상태가 될 수 있다.

4가지 IWM 스케이트보드 아키텍쳐의 장점은 단일 드라이브 고장 시 내재된 이중화(redundancy) 기능이다: 영향을 받은 시스템과 같은 축에 있는 시스템은 FTTI의 안전 소프트웨어에 의해 동일한 안전 상태로 유지된다. 다른 IWM이 계속 작동하면 차량은 감소된 출력으로 집이나 가까운 차고까지 운전할 수 있다. 

또한 휠 허브의 부피가 제한돼 있어 기계식 브레이크와 그 냉각 장치를 차축들 중 하나에 설치해야 한다. 이 경우 전기 모터에 의한 강력한 회생 제동이 작동하여 바퀴의 비부하 질량과 구동 개념의 비용을 줄일 수 있으며 드라이브 컨셉의 비용도 마찬가지다. 그러나 회생 제동만으로는 비상 상황에 충분하지 않으므로 적어도 하나의 차축에 기계식 브레이크가 여전히 구현된다.

일반적으로 단일 소자로는 기능안전성 목표를 달성할 수 없다. 이런 이유로 인피니언은 강력한 안전 개념을 가능하게 하면서도 개발 노력을 줄일 수 있는 트랙션 인버터용 맞춤형 제품을 결합한다. 안전한 스케이트보드 구조를 구현하기 위해 개발자들은 강력한 전류 센서 시리즈(TLE947x), 차세대 절연 고전압 드라이버 EiceDRIVER 1EDI30x, 고유의 PMIC들이 탑재된 AURIX TC3x 및 TC4x 제품군 중에서 선택할 수 있다. 또한 인피니언 칩셋은 가장 작은 PCB 풋프린트와 부품 수로 ASIL을 준수하는 인버터 설계의 주요 기능을 제공한다.

다양한 전기 자동차 아키텍처, 특히 최대 4개의 인휠모터가 장착된 스케이트보드 디자인은 전례 없는 수준의 모듈성과 유연성을 제공한다. 또 스케이트보드 접근 방식은 전통적인 공급망, 시스템 책임 소재, 자동차 제조업체와 시스템 통합업체 간 관계들에 영향을 미치는 OEM 플랫폼 설계의 잠재적 진화로 간주된다. 이런 연결들은 기능안전성 목표와 개념에 영향을 미치므로 스케이트보드 아키텍처와 하드웨어 및 소프트웨어 설계가 이에 따라서 조정된다.