파워트레인을 소형 기계식 인클로저에 통합하면 저렴하고 효율적인 전기차(EV) 만들 있다

우리가 전기차 파워트레인 아키텍처를 발전시키면 고객들은 전력 밀도를 극대화하고 효율성을 높이고 안정성을 개선하고 더 많은 사람들을 위해 더 합리적인 가격의 전기차를 만드는 동시에 시스템 설계 비용을 절반으로 줄일 수 있다,

오늘날의 전기차는 내연기관이 탑재된 기존 차량보다 생산비가 평균 12,000달러가량 더 높다.1 따라서 차량 제조업체들은 전 세계 배출가스 규정을 맞추는 데 주력하면서 소비자가 하이브리드나 완전 전기차로 전환할 수 있도록 가격 차이도 좁혀야 한다.

이는 전기차에서 가장 비싼 부품인 파워트레인 시스템의 비용을 절감하는 한편 효율성과 안정성을 개선하고 주행 거리를 향상시킬 방법을 찾느라 고심하는 차량 설계 엔지니어들에게 큰 과제이다. 결국 EV 파워트레인 통합이 핵심 중 하나일 수 있다.

 기술백서 보기: 고성능 파워트레인 통합 솔루션, EV 도입의 핵심

하이브리드 및 전기차 파워트레인은 전통적으로 차량을 앞으로 추진하는 시스템이 혼합되어 있으며, 배터리와 DC/DC 컨버터, 온보드 충전기, 트랙션 인버터 시스템이 개별 인클로저에 들어 있었다. 아날로그 및 임베디드 프로세싱 기술이 발전하면서 이제 설계자들은 단일 도메인 컨트롤러와 전력단을 사용하여 이들 시스템을 통합할 수 있게 되었다. 이에 따라 효율성과 안정성을 증대하는 한편 비용을 절감하고 기능 안전 표준도 준수할 수 있게 되었다.

TI의 전 세계 오토모티브 파워트레인 시스템 엔지니어링 팀을 이끄는 칼-하인즈 스타인메츠(Karl-Heinz Steinmetz)는 “일반 대중에 맞게 더 합리적인 가격의 전기차를 만드는 한편 기술 및 안전 요구 사항을 충족하여 시스템에서 최상의 가치를 끌어내는 것이 중요하다”고 말했습니다.

중국 선전에 본사를 둔 전기차 구성 요소 공급업체인 VMAX는 파워트레인 통합의 이점을 직접 배우고 있다. 

VMAX의 한용재 부사장은 “파워트레인 통합이 전기차 설계의 핵심”이라면서 “텍사스 인스트루먼트의 기술과 전문성 덕분에 당사는 고객들이 온보드 충전기, DC/DC 컨버터, 트랙션 인버터 시스템에 요구하는 통합 수준을 달성하고 있다”고 밝혔다.

효율성 전력 밀도 증대와 더불어 주행 시간 연장 구현

파워트레인 시스템을 하나의 소형 기계식 인클로저에 통합하면 설계와 조립이 더 간편해질 뿐 아니라 포장재를 불필요하게 많이 사용하지 않아도 되고 중복되는 하드웨어를 없애서 시스템의 중량과 부피를 크게 줄일 수 있다.

칼-하인츠는 “효율성 방정식에서 1kg은 큰 부분”이라면서 “자동차 무게를 줄일 수 있다면 전체 효율성과 1회 충전당 주행 거리도 개선할 수 있다”고 설명했다.

전력 밀도 증대를 통해 효율성을 제고하는 혁신도 핵심입니다. 차량용 질화갈륨(GaN) 기술 등의 여러 기술을 통합한 전기차는 더 높은 효율성으로 작동하고 열 에너지를 유지하여 주행 거리를 확장할 수 있습니다. 이는 냉각 구성 요소가 줄어들고 비용이 낮아진다는 것을 의미한다.

TI의 GaN 마케팅 팀에서 일하는 라마난 나타라잔(Ramanan Natarajan)은 최적화된 고속 게이트 드라이버에서 작동하는 GaN과 같은 재료로 만든 와이드 밴드갭 스위치는 60% 더 작은 자기 구성 요소를 구현하여 전체 중량과 비용을 절감할 수 있기 때문에 업계의 판도를 뒤바꿀 것”이라고 말했다.

통합 파워트레인 아키텍처를 현실화하려면 전력 변환의 정교한 요구를 처리할 수 있는 실시간 마이크로컨트롤러(MCU)도 필요하다. TI의 C2000Tm MCU는 지연 시간이 매우 낮아서 스위칭 주파수를 최대 1~2MHz까지 높일 수 있다. 이는 인덕터와 커패시터 같은 외부 구성 요소의 크기가 작아진다는 것을 의미한다.

TI C2000Tm MCU 담당 자동차 매니저 나 콩(Na Kong)은 “제어 루프의 실시간 감지 및 스위칭 주파수 증대로 트랙션 모터를 20K RPM까지 구동할 수 있게 되었다”면서 “그 결과 자동차 엔지니어들이 불과 10K RPM을 기록하던 이전 설계보다 3분의 1 이상 더 작고 성능도 뛰어난 모터를 제작할 수 있게 되었다”고 설명했다.

단일 실시간 MCU가 포함된 통합 파워트레인 아키텍처를 통해 시스템은 여러 MCU의 작업을 분산형 시스템에서 효율적으로 처리할 수 있다. 고도로 통합된 설계에서 실시간 MCU는 디지털 전원과 모터 제어를 모두 수행하여 귀중한 공간을 절약하는 동시에 효율성을 강화할 수 있다.

칼-하인즈는 “자동차 제조업체들이 통합 아키텍처로 전환한다는 것은 리소스와 칩을 시스템에 통합하겠다는 결정”이라고 말했다.

안정성 증대 기능 안전 표준 충족

전기차에서도 전통적인 차량과 같이 시스템 안정성이 중요합니다. 통합 파워트레인 아키텍처는 고장 날 수 있는 부품의 수가 더 적으므로 보다 안정적이다. 통합 시스템에 내재하는 장점을 넘어서 전기차의 고전압 배터리 환경에서 안정성을 보장하려면 견고한 보호와 최상의 열 성능도 필요하다.

절연 기술은 혹독한 자동차 환경에 맞추어 설계하고 테스트를 마친 절연 게이트 드라이버와 모듈레이터를 통해 이러한 문제를 해결하는 데 도움을 주고 있다. 통합 진단 또한 안전 방정식의 중요한 부분으로, 파워트레인 시스템이 도로 차량의 가장 높은 기능 안전 수준이자 전기차 제조업체의 핵심 과제인 ASIL D규격을 충족하는 데 도움이 될 수 있다.

칼-하인즈는 “우리는 기능적 안전성 역량이 전체 설계에 매우 중요하다는 것을 잘 알고 있으며, 이러한 고려 사항을 매우 진지하게 생각한다. 레퍼런스 디자인을 통해 안전에 중점을 두고 있음을 강조하고 있다. TÜV SÜD에서 독립적으로 평가해 온 레퍼런스 디자인은 고객들이 우수한 비용 통제를 통해 시스템 설계를 맞춤화 하는 데 도움이 될 수 있다”고 말했다.

파워트레인 통합을 통해 전기차 시장의 성장 가속화 지원

전기차 시장은 급성장을 경험하고 있다. 오늘날 560만대에 이르는 전기차는 2025년에 전 세계 전체 자동차 판매의 30%까지 오를 것으로 예상된다.2 파워트레인 통합은 그 가속 흐름에 중요한 역할을 할 것이다. 통합 파워트레인 시스템은 이미 전력 밀도 40~50% 증가, 부피와 중량의 현저한 감소, 안정성을 실제로 보여주었다.

“이는 전기차의 능력과 1회 충전당 주행 거리에 큰 영향을 미칠 것”이라고 칼-하인즈는 전했다.

나은 세상을 만들고자 하는 열정 실천

고객이 통합 파워트레인 시스템을 설계할 수 있도록 돕는 것은 TI 혁신가들이 어떻게 반도체를 통해 더 합리적인 가격의 전자 제품을 만들어 더 나은 세상을 만들고자 하는 열정을 실천하는지 보여주는 한 가지 예시이다. 더 작고, 더 효율적이고, 더 신뢰할 수 있고, 더 합리적인 가격의 기술을 만들어 새로운 시장을 개척하고 모든 분야의 전자 제품에 반도체가 들어갈 수 있도록 언제나 지난 세대의 혁신을 발판으로 새로운 세대의 혁신을 이끈다. 이것이 TI가 수십 년 동안 전문성을 가지고 해온 일이다.

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