하이브리드 차량은 연료 효율 측면에서 상당히 매력적이지만 비용과 무게 부담이 가중된다는 단점이 있다. 최근 상당한 관심을 얻고 있는 48V 차량 시스템 아키텍처는 완전한 하이브리드 차량으로 나아가는 과정의 일부로 볼 수 있다. 이는 보통 '마일드 하이브리드(Mild Hybrid)'로 불리지만, 저전력 수준으로 설계된 경우 '마이크로 하이브리드(Micro Hybrid)'로 분류되기도 한다.

이들은 상대적으로 컴팩트한 48V 배터리와 고성능 전기기계, 최소 1개 이상의 48V 전기 서브시스템을 사용한다. 48V 시스템은 비용이 저렴해 많은 자동차 OEM들 사이에서 선호되고 있으며, 머지않아 대다수 자동차 제조업체 제품 포트폴리오에도 추가될 것으로 예상된다.

지난 글에 이어 이번 글에서는 48V 시스템 구성을 위한 서브시스템과 배터리관리시스템(BMS)에 대해 알아본다.

48V 서브시스템
48V-12V 전력 컨버터는 이중 전압 시스템(dual-voltage system)에 추가로 들어가야 하는 부품이다. 12V 교류발전기 없이 12V 시스템에 전원을 공급해야 하는 경우 이 컨버터가 필요하다. 양방향 활용과 높은 효율이 요구되므로 특수 설계 방식이 필요하다.

이러한 컨버터의 일반적인 전력 범위는 1kW~3kW이며, 이렇듯 큰 전력 범위에서 높은 효율을 유지하기 위해서는 다단 벅-부스트 컨버터(multi-stage buck-boost converter)가 가장 보편적인 토폴로지이다.

벅 토폴로지는 전력이 고전압에서 저전압으로 흐르게 하며, 부스트 토폴로지도 유사하게 그 반대 방향의 전력 흐름을 허용한다. 다단 설계를 통해 여러 개별 컨버터 서브 회로(sub-circuits)를 공유할 수 있으며, 고출력 설계와 결합할 수 있다.

컨버터 출력 부하가 최대 동작하는 동안에는 모든 서브 회로가 작동한다. 컨버터 출력 부하가 낮을 때에는 대다수 서브 회로가 스위치 오프되어 전력 손실을 낮추고 효율을 높인다.

구성 가능한 48V 부하는 매우 다양하다. 12V 시스템으로는 더 높은 수준의 전력 부하를 구현할 수 없었다. 그 중 가장 높은 수준에 해당하는 것이 전자식 제어 과급기(supercharger)이다. 과급기는 몇 초 안에 매우 빠른 속도로 가속해야하기 때문에 많은 양의 과도 전력을 필요로 한다.

일반적인 과급기 구동 장치는 3상 전력 인버터로 구동되는 낮은 관성의 3상 전동기로 구성되어 있다. 평균 전력이 낮아도 최고 전력 수준은 8kW까지 올라갈 수 있다. 이러한 넓은 전력 프로파일은 48V 시스템과 완벽히 들어맞는다.

다른 여러 차량 서브시스템도 단일 및 3상 구성 모두에서 48V 아키텍처와 이상적으로 들어맞는다. 그림 3은 잠재적인 48V 부하 목록을 나타낸다.

그림 3. 마일드 하이브리드 48V 서브시스템

48V 배터리 시스템은 리튬 이온 배터리로 구성되어 있어 납축전지보다 더욱 세심한 주의와 처리를 요한다. 그렇기 때문에 48V 차량에는 배터리관리시스템(Battery Management System, BMS)을 통한 제어가 필요하다.

BMS는 배터리가 안전하게 충전될 수 있도록 셀 전압과 셀 온도를 모니터링한다. 48V 시스템의 배터리 복원 능력이 여기에 복잡성을 더한다. 차량 배터리가 충전이 필요한 수준이면 복원을 명령할 수 있지만, 과충전 및 과열 방지를 위해 BMS 제어에 주의를 기울이는 것이 중요하다.

48V 회로 또한 퓨즈나 접촉에 대해 보다 복잡한 사항을 요구한다. 48V 시스템에서 사용되는 경우 12V 블레이드형 퓨즈가 아크(arc) 발생을 적절하게 방지하는지는 분명치 않다. 또 48V 시스템에 필요한 릴레이 접점 거리가 12V 시스템보다 크기 때문에 퓨즈와 릴레이를 다시 설계할 필요가 있다.

이러한 구성요소의 요건은 모두 반도체 소자를 사용해 쉽게 해결할 수 있기 때문에, 전자 솔루션으로 이러한 문제를 해결할 수 있는 가능성이 매우 높다.

12V 차량에 48V 시스템을 추가하면 오늘날 자동차에 필요한 연비 향상을 이뤄낼 수 있다. 이는 새롭고 혁신적인 전력 전자 회로를 더욱 필요로 할 것이다. 앞으로 다양한 48V 아키텍처가 나올 것이나, 어떤 제품이 가장 우수한지는 자동차 고객사가 비용 대비 기능 및 이점을 가늠해봐야 할 수 있을 것이다.

글 : 존 그라보스키(John Grabowski) / 시스템 설계 엔지니어 / 온세미컨덕터

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