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마일드 하이브리드 전기차(MHEV) 시스템을 위한 반도체 솔루션 ①

환경과 대기질에 대한 관심이 증가하면서 차량 CO2 가스 배출 감소에 대한 필요성이 제기됐다. 가장 좋은 해결책은 평균 차량 연료 소비율을 낮추는 것이지만, 순수 내연기관(ICE) 차량과는 다른 하이브리드 엔진으로 구동되는 차량을 사용하는 새로운 방식으로 연료 사용률을 낮출 수 있다. 

도로를 달리는 모든 차량에 장착된 파워트레인 시스템은 주로 토크-속도(torque-speed) 범위로 표현되는 매우 넓은 범위의 파워와 속도 여건에서 동작할 수 있어야 한다. 시스템 설계자들은 하이브리드 파워트레인(powertrain)을 이용해 각기 다른 토크-속도 범위를 가진 지점에 있는 두 동력원을 최적화할 수 있다. 

전기 동력원은 매우 큰 토크량을 제공할 수 있어 차량 가속에 유용하지만, 사용시간이 제한적이다. 사용시간은 전기 기계의 배터리와 토크 출력에 달렸다. 높은 토크를 생산하는 동력원을 사용할 수 있다면 ICE 크기를 대폭 축소할 수 있어 연료 효율을 높일 수 있다. 

[ITBizNews DB]

하지만 하이브리드 동력원을 추가하는 것은 엔지니어링 작업상 결코 쉽지 않으며, 여러 차량 시스템에 영향을 미치는 설계를 포함한 접근법이 필요하다.

과거에는 ICE 파워트레인에 직접 연결된 고전압(~350V) 배터리와 고성능 전기 기계를 추가해 전기화(electrification)를 할 수 있었다. 이러한 풀 하이브리드 차량(HEV)은 연비 좋은 차량의 상징이었으며 연비 향상 측면에서 보면 대단히 매력적이지만, 비용이 많이 들고 중량이 늘어난다는 단점이 있다. 

최근에는 48V 차량 시스템 아키텍처가 상당한 관심을 받고 있다. 이들 시스템은 풀 HEV로 나아가는 과정의 일부분으로 볼 수 있으며, 보통 ‘마일드’ 하이브리드 전기차(MHEV)라고 칭한다. 

MHEV는 비교적 컴팩트한 48V 배터리와 고성능 전기 기계, 다중 48V 전기 서브 시스템을 사용해 구성한다. 48V 시스템은 비용이 저렴해 자동차 OEM들이 적극적으로 채택하는 추세이며, 곧 대부분의 자동차 제조사들의 포트폴리오에 포함될 것으로 보인다. 

MHEV 이중 전압 아키텍처 
현재 다양한 48V 아키텍처가 있으며 종류 또한 계속 늘어나고 있다. 대부분의 시스템에는 배터리, 스타터-제너레이터(starter-generator), 전압 컨버터를 비롯해 보통 최소 하나의 48V 부하가 들어간다. 

그림 1. 일반적인 48V 마일드 하이브리드 시스템 전기 토폴로지

48V 차량에는 여전히 12V 배터리와 여러 12V 부하가 들어가기 때문에 당분간 이들 시스템은 이중 전압 아키텍처로 존재할 가능성이 높다(그림 1 참조). 

48V 이중 전압 아키텍처를 사용하면 여러 새로운 전기차 구성이 가능하다. 기본적으로 더 높은 전력 수준을 지원하는 48V 시스템을 활용해 전력 성능이 더 높은 새로운 서브 시스템을 구현할 수 있다. 

48V 시스템이 도입되면서 12V 토폴로지 내에서 48V E-컴프레서와 48V E-롤 안정화 시스템을 통합할 수 있다. 뿐만 아니라 더 높은 전력을 사용할 수 있어 향상된 효율을 활용해 전력 성능이 높은 12V 부하를 48V 버스로 이전시킬 수 있다.

처음에는 12V 교류 발전기(alternator) 없이 이중 전압 시스템에서 12V 쪽이 그대로 유지된다. 48V 교류 발전기로만 전력이 생성되므로 이 시스템은 48V로 생성된 전력을 12V 배터리로 전환하는 컨버터를 필요로 한다. 

컨버터는 작고 가볍고 효율이 높아야 한다. 양방향으로 설계돼 추운 날 차 시동을 걸어야 하는 상황처럼 높은 전류가 필요한 경우 두 배터리 모두를 사용할 수 있다. 양방향 변압기는 양쪽 배터리에서 나온 전력을 변환해 각각 서로 다른 쪽으로 전송한다. 

48V 쪽에서는 스타터-제너레이터가 기본 구성요소이다. 차량의 모든 전력을 생성하고 시동을 책임진다. 또한, 스타터-제너레이터는 차량 제동 중에 재생 에너지를 회수한다. 이 모드에서 스타터-제너레이터는 차량을 감속시키고 배터리용 전기 전하를 복원하는 파워트레인에 역방향 토크(negative torque)를 제공하는 제너레이터 역할을 한다. 

스타터-제너레이터는 매우 구체적인 차량 구현 목표에 맞는 다양한 구성 및 전력 수준으로 이뤄진 여러 종류가 있다. 

48V MHEV DC-DC 컨버터
양방향 전력 컨버터는 두 배터리 시스템 사이에서 충전시스템을 공유해야 하며, 보통 1kW에서 3kW 범위의 전력 범위를 갖고 있다. 이렇게 넓은 전력 범위 상에서 고효율을 유지하기 위해 가장 보편적으로 사용되는 토폴로지는 멀티-스테이지 벅 부스트 컨버터(multi-stage buck boost converter)다. 

벅 토폴로지는 전력을 전압이 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 흐르게 한다. 부스트 토폴로지는 반대 방향으로 전력 흐름을 만들게 된다. 

그림 2. 멀티-스테이지 DC-DC 컨버터의 단일 스테이지

멀티-스테이지 설계는 여러 개별 컨버터 회로를 통해 단일 고전력 컨버터와 같은 기능을 수행 할 수 있으며, 경부하 조건에서는 일부 스테이지의 동작을 멈추게 할 수 있다. 멀티-스테이지의 생략(shedding) 기능은 온/오프 전환으로 개별 특정 스테이지를 작동시킬 수 있는 출력 MOSFET을 사용해 구성된다. 그림 2는 일반적인 컨버터 설계를 보여준다.

 

글 : 존 그라보스키(John Grabowski) / EV/HEV 시스템 애플리케이션 매니저 / 온세미컨덕터

 

최태우 기자  taewoo@itbiznews.com

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