시동 발전기(Starter-generator) 시스템은 48V 마일드 하이브리드(MHEV) 자동차 아키텍처의 핵심이자 제2의 자동차 혁명의 중심에 있다. 이 새로운 시스템은 높은 에너지 회생 능력과 48V 리튬이온 배터리 기술 발전을 결합해 연소 엔진에서 발생하는 이산화탄소 배출을 감소시킨다. 또한 48V 시스템을 채택함으로써 자동차의 전원공급 용량을 증가시키고 새로운 자동차 기능을 더 작고 가볍게 더 낮은 비용으로 구현할 수 있다.
시동 발전기 시스템:
- 연소 엔진에 높은 시동 토크를 제공한다.
- 자동차 순항 중 또는 제동 시 에너지를 재생한다(발전기 모드).
- 내연 엔진에 토크 지원을 제공하거나 저속에서 자동차의 주 구동장치 역할을 한다(모터 모드).
1세대 시동 발전기 시스템은 기존 12V 교류 발전기 시스템을 확장하는 데 초점을 맞추었다. 이중 가장 일반적인 것은 P0 구성으로, 피크 전력 레벨이 15kW 미만이고 모터의 150Nm 범위에서 피크 시동 토크를 수행할 수 있는 벨트 구동식 시동 발전기 시스템을 포함한다. 기존 12V 시스템의 전압 및 전력 레벨을 증가시키는 외에도 전력 전달이 벨트 연결을 통해 발생하며, 이는 피니언 기어(pinon-gear) 기반 시스템과 대비된다. P0 시스템의 모터 선택은 12V 아키텍처로부터 동기식 클로 폴(claw-pole) 모터 및 비동기식 유도 모터에서 축적된 수십 년의 경험과 검증된 현장 신뢰성의 영향을 받았다.
클로 폴 모터는 기본적으로 3상 브러시 모터이다. 고정자는 3상 AC 전류로 전기적으로 여기되는 권선으로 구성되며, 회전자는 DC 전류로 여기되어 자화극을 생성한다. 슬립 링이나 브러시는 회전자에 전력을 전달한다. 이러한 시스템의 전자부품에는 고정자 권선의 AC 전류를 생성하는 3상 하프 브리지 인버터와 회전자 권선의 DC 여기를 구동하기 위한 표준 풀 H-브리지가 포함된다. TI의 UCC20225-Q1 게이트 드라이버와 같은 듀얼 출력 드라이버는 강력한 높은 전압과 구동 성능을 갖춰 이러한 토폴로지에 매우 적합하다. 5개의 UCC20225-Q1 게이트 드라이버가 이와 같은 종류의 시스템에서 3개 고정자 코일과 2개 회전자 여기 코일을 효율적으로 구동한다(그림 1 참조).
그림 1: 5개의 UCC20225-Q1 게이트 드라이버가 하프 브리지 구성으로 구동하는 5상 클로 폴 모터
P0 시스템은 기존 구동 트레인에 최적의 비용과 손쉬운 통합을 제공하지만, 벨트를 통한 전력 전달의 한계와 구동 트레인 마찰로 인한 손실로 이산화탄소 배출 감소는 10%가 되지 않는다. 다음 수준은 통합된 시동 발전기 또는 P2/P3/P4 아키텍처로, 구동 트레인에 더 긴밀한 기계 통합을 제공하고 벨트를 제거했다. 이러한 구성은 전력 레벨을 20KW 범위로 높여 이산화탄소 저감 한계를 약 15%로 향상시킨다.
구동 트레인에 기계적 장치의 통합은 모터에 대한 요구를 변화시킨다. 이제 모터는 엔진과 트랜스미션 사이의 크랭크샤프트 통합을 위한 역할을 맡아야 한다. 모터는 또한 더 높은 전력 밀도와 토크를 가져야 할 뿐 아니라 트랜스미션 내부나 가까이 장착될 때 동적 부하, 온도, 환경 조건에서 동작할 수 있어야 한다. 클로 폴과 AC 유도 모터는 이러한 구성에 적합하지 않기 때문에 업계는 빠르게 브러시리스 영구 자석(PMSM) 모터로 옮겨가고 있다. PMSM 모터는 높은 전력 밀도와 더 조밀한 패키징을 제공한다. 또한 브러시가 제거돼 트랜스미션에 통합하는 경우 트랜스미션 오일로 냉각할 수 있다.
브러시리스 PMSM 모터에 사용되는 전자부품은 클로 폴 또는 AC 유도 모터에 들어가는 고정자 전자부품과 유사하다. 영구 자석이 사용되므로 DC 여기 드라이버가 필요 없으며, 시스템은 그림 2에서 보듯이 3상 인버터로 동작할 수 있다.
그림 2: 3개의 UCC20225-Q1 게이트 드라이버가 하프 브리지 구성으로 구동하는 3상 PMSM 모터
PMSM 모터를 채택할 경우 시스템 설계자는 풀어야 할 고유의 과제가 있다. 발전기 모드에서 모든 모터(DC-여기 또는 PM)는 인버터 브리지에 높은 전압을 생성할 수 있다. 이는 발전기 모드에서 의도된 기능이지만, 시스템 고장 시 바람직하지 않은 영향으로 나타난다. 발전기는 고장에도 높은 rpm으로 계속 회전하기 때문에 전압이 극도로 높은 수준까지 올라갈 수 있다. 리튬이온 배터리는 배터리 동작이 전압 및 온도 안전 제한을 벗어나지 않도록 방지하는 안전 목표를 가지고 있다. 시스템은 이러한 목표를 위해 ISO26262-2:20118 표준, 자동차 안전 무결성 레벨 D 성능을 만족하도록 요구받는다.
DC-여기 모터의 경우 한 가지 해결책은 여기 풀 브리지에 공급되는 전력을 차단함으로써 회전자의 전원을 단절하고 자성을 소거하는 것이다. 일부 경우 자성 소거가 충분히 빠르고 에너지를 억제할 수 있다면 이 방법이 가능하지만, PMSM 모터에서 탈자화는 선택 사항이 아니다. 이에 따라 업계는 이러한 영향을 억제하는 대체 방법을 적극적으로 찾고 있다.
전기차/하이브리드 전기차 혁신이 지속됨에 따라 48V 모터-발전기 시스템을 위한 안전 목표는 다음의 세 가지 핵심 주제를 중심으로 계속 발전할 것이다.
- DC 링크(48V)의 과전압 방지
- 구동 트레인의 의도되지 않은 모터 지원
- 구동 트레인에 대한 모터 지원 손실
추가 자료
- 산업 표준 기능 안전 요구사항을 만족하는 TI 모터 드라이버
- 백서 “자동차 애플리케이션을 위한 기능 안전 개발 촉진하는 아날로그 부품”
- TI의 자동차 48V 1kW 모터 드라이브 레퍼런스 디자인
아누지 나레인(Anuj Narain) / 마케팅&애플리케이션(자동차 기능적 안전성 제품)의 수석 관리자
