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자동차 전력 아키텍처를 48V로 전환할 수 있는 완벽한 기회
저자: 앨리 위닝(Ally Winning) 유럽 지역 에디터
차량 제조사들은 차량의 경량화를 최우선 과제로 삼고 있으며, 48V 전력분배망으로의 전환은 이를 달성하는데 도움이 될 수 있다.
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지난 20년 동안, 자동차의 전력 아키텍처를 12V에서 48V로 전환하고자 하는 움직임이 전혀 없었던 것은 아니다. 업계의 기대에도 불구하고, 여러 이유로 인해 이러한 변화는 실현되지 못했다. 주요 원인 중 하나는 기존의 12V 장비의 동작에 큰 문제가 없었을 뿐만 아니라, 동일한 유형의 장치를 48V용으로 개발하는데 많은 비용과 시간이 소요되었기 때문이다. 바이코(Vicor)의 자동차 부문 디렉터인 그렉 그린(Greg Green)은 “전기차 도입과 차량의 존 아키텍처(Zonal Architecture)로의 전환이 가속화되면서 이제는 변화를 위한 완벽한 기회가 도래했다.”고 말했다. 실제로 48V 전력분배망을 구축한 테슬라(Tesla)의 사이버트럭(Cybertruck)을 비롯해 이러한 변화는 이미 시작되고 있다. |
지난 수십 년 동안 차량에 도입된 전자장치는 그 수와 가치 측면에서 모두 급격히 증가했으며, 현재는 최대 100개의 ECU가 탑재된 차량 설계가 등장하고 있다. 이러한 전자장치로 인해 차량의 무게가 크게 증가하고 있으며, 특히, ECU와 연결하는데 필요한 와이어 하네스로 인해 더욱 가중되고 있다. 미국 교통안전위원회(NTSB: National Transportation Safety Board)에 따르면, 전기차는 이미 내연기관(ICE) 차량보다 약 33% 더 무거운 것으로 나타났다. 무게가 증가하면, 주행거리가 감소하는 것은 물론, 사고로 인한 사망 가능성도 훨씬 높아진다. 전미경제연구소(NBER: National Bureau of Economic Research)는 차량의 무게가 1,000파운드 증가하면, 사고로 인한 사망 위험률이 약 47% 정도 높아질 것으로 예측했다. 전기차는 무게가 훨씬 더 높기 때문에 더 심각할 수 있다. 예를 들어, 포드(Ford)의 F-150 라이트닝(F-150 Lightning)은 내연기관 모델보다 2,000 ~ 3,000파운드가량 더 무겁다.
그렉 그린은 “현재 업계 상황을 보면, 이미 여러 고객들이 제어 부문에 존 아키텍처를 도입하고 있으며, 이로 인해 전력분배 또한 존 아키텍처로 전환하는 것을 고려하기 시작했다. 업계 상위 6대 OEM 중 일부는 로컬 12V 시스템과 함께 코어 48V 시스템을 결합하는 방안을 모색하고 있다. 향후에는 기존의 12V 시스템을 대체할 수 있는 48V 버전이 도입되겠지만, 이를 한 번에 모두 교체할 수는 없다. 그렇다고 해서 기다릴 수도 없다. 따라서 48V 버전에 대한 충분한 수요가 발생할 때까지, 비용과 신뢰성을 고려해 기존 12V 장치를 유지하면서 48V 차량을 생산하는 방향으로 검토되고 있다.”고 설명했다.
전력 분배 시스템을 존 아키텍처로 전환하면, 대부분의 ECU와 이를 연결하는데 필요한 배선을 제거할 수 있다. 존 아키텍처는 차량의 특정 영역에서 해당 애플리케이션을 모두 제어할 수 있는 보다 적은 수의 강력한 ECU를 사용하게 된다. 따라서 ECU를 연결하는데 필요한 배선을 크게 줄일 수 있다. 또한 전압이 높을수록 전류가 작아지기 때문에 더 얇고 가벼운 배선을 사용할 수 있다. 바이코의 연구에 따르면, 이러한 방식으로 배선 무게를 최대 85%까지 줄일 수 있는 것으로 나타났다. 기존의 12V 구성요소는 48V 배터리로 지원하거나, 또는 전압을 12V로 하향 변환할 수 있는 전력밀도 및 과도전류가 높은 부품으로 구성된 48V 가상 배터리를 통해 지원할 수 있다. 가상 배터리를 이용하면, 제조사들은 훨씬 작은 배터리를 백업용으로 사용할 수 있다. 또한 48V 및 하이브리드 시스템은 기존의 완전 12V 시스템보다 훨씬 낮은 열을 발생시키기 때문에 무게가 최대 3분의 1에 불과한 더 작은 냉각 시스템을 이용할 수 있다.
바이코는 이미 이와 유사한 시스템을 지원하고 있다. 그렉 그린은 “바이코는 이미 그리드 전력을 48V로 낮춘 다음, 더 낮은 레벨의 전압을 서버 팜 및 기타 애플리케이션에 제공하는 시스템을 제공하고 있다. 바이코의 핵심 기술 중 하나인 ZVS(Zero-voltage Switching)는 빠른 슬루율을 통해 8MA/s의 속도로 0A에서 75A까지 변환이 가능하다. 이는 실제로 배터리에서 전자가 흐르는 속도보다 더 빠른 수치이다. 따라서 차량에 48V 배터리를 사용하는 것보다, BEV의 800V 메인 배터리에서 48V 전자 플로우를 더 빠르게 생성할 수 있으며, 이를 통해 약 29파운드의 48V 배터리를 제거함으로써 상당한 비용 및 무게 절감 효과를 얻을 수 있다. 대부분의 차량에 백업용으로 탑재되는 12V 배터리 또한 규제 및 기능안전 요건에 필요한 최소한의 크기로 줄일 수 있다.”고 설명했다.
과거에는 48V로의 전환 시도가 여러 번의 실패를 경험했지만, 이번에는 실현 가능성이 높아지고 있다. 전기차 도입과 중앙집중식 아키텍처 전환이 가속화되면서, 제조사들은 차량의 무게를 줄이거나, 또는 더 많은 배터리를 추가하더라도 무게는 그대로 유지하여 주행거리를 연장할 수 있는 완벽한 기회를 얻을 수 있게 되었다.
