[기고] 차량 제조업체들의 전기차 파워트레인 통합 추진

[테크월드뉴스=서유덕 기자] 전기차는 기존 내연기관 탑재 차량보다 생산비가 평균 1만 2000달러 더 높다. 따라서, 차량 제조업체들은 글로벌 배출가스 규정을 맞추는 데 주력하면서도 내연기관 차량과의 가격 차이도 좁혀 하이브리드·전기차의 전환을 도모해야 한다. 전기차 파워트레인 아키텍처를 발전시키면 전력 밀도를 극대화하고, 효율성을 높이며 안정성을 개선할 뿐만 아니라 시스템 설계 비용을 절반으로 줄여 더 합리적인 가격의 전기차를 만들 수 있다.

전기차에서 가장 비싼 부품인 파워트레인 시스템의 비용을 절감하면서도 효율성과 안정성을 개선하고 주행 거리를 향상시키는 것은 차량 설계 엔지니어들에게 큰 과제다. ‘전기차 파워트레인 통합’은 문제 해결의 핵심 중 하나가 될 수 있다.

고성능 파워트레인 통합 솔루션, 전기차 도입의 핵심

하이브리드·전기차 파워트레인은 전통적으로 차량을 앞으로 추진하는 시스템이 혼합돼 있으며, 배터리와 DC/DC 컨버터, 온보드 충전기, 트랙션 인버터 시스템이 개별 인클로저에 들어있다. 아날로그·임베디드 프로세싱 기술이 발전하면서, 이제 설계자들은 단일 도메인 컨트롤러와 전력단을 사용해 이들 시스템을 통합한다. 이로써 효율성과 안정성을 증대하는 한편 비용을 절감하고 기능 안전 표준도 준수할 수 있게 되었다.

텍사스 인스트루먼트(TI)의 글로벌 오토모티브 파워트레인 시스템 엔지니어링 팀을 이끄는 칼-하인즈 스타인메츠(Karl-Heinz Steinmetz)는 전기차 파워트레인 통합과 관련해 “일반 대중에 맞게 더 합리적인 가격의 전기차를 만드는 한편 기술과 안전 요구 사항을 충족해 시스템에서 최상의 가치를 끌어내는 것이 중요하다”고 말했다.

중국 선전에 본사를 둔 전기차 구성 요소 공급업체 VMAX는 파워트레인 통합의 이점을 TI로부터 배우고 있다. 한용재 VMAX 부사장은 “파워트레인 통합이 전기차 설계의 핵심”이라면서 “TI의 기술과 전문성 덕분에 당사는 고객들이 온보드 충전기, DC/DC 컨버터, 트랙션 인버터 시스템에 요구하는 통합 수준을 달성하고 있다”고 밝혔다.

효율성, 전력 밀도 증대와 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 핵심이다. 차량용 질화갈륨(GaN) 등 여러 기술을 통합한 전기차는 더 높은 효율성으로 작동하고 열 에너지를 유지해 주행 거리를 확장할 수 있다. 이는 냉각 구성 요소가 줄어들고 비용이 낮아진다는 것을 의미한다.

TI GaN 마케팅 팀 소속의 라마난 나타라잔(Ramanan Natarajan)은 “최적화된 고속 게이트 드라이버에서 작동하는 GaN과 같은 재료로 만든 와이드밴드갭 스위치는 60% 더 작은 자기 구성 요소를 구현해 전체 중량과 비용을 절감할 수 있어 업계의 판도를 뒤바꿀 것”이라고 말했다.

통합 파워트레인 아키텍처를 현실화하려면 전력 변환의 정교한 요구를 처리할 수 있는 실시간 마이크로컨트롤러(MCU)도 필요하다. TI의 ‘C2000’ MCU는 지연 시간이 낮아 스위칭 주파수를 최대 1~2㎒까지 높일 수 있다. 이는 인덕터와 커패시터 같은 외부 구성 요소의 크기가 작아진다는 것을 의미한다.

나 콩(Na Kong) TI C2000 MCU 담당 자동차 매니저는 “제어 루프의 실시간 감지와 스위칭 주파수 증대로 트랙션 모터를 20K RPM까지 구동할 수 있게 됐다”면서 “그 결과 자동차 엔지니어들이 불과 10K RPM을 기록하던 이전 설계보다 3분의 1 이상 더 작고 성능도 뛰어난 모터를 제작할 수 있게 됐다”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 수행해 공간을 절약하는 동시에 효율성을 강화한다.

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

안정성 증대와 기능 안전 표준 충족

전기차에서도 전통적인 차량과 같이 시스템 안정성이 중요하다. 통합 파워트레인 아키텍처는 고장날 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 맞춰 설계하고 테스트를 마친 절연 게이트 드라이버와 모듈레이터를 통해 이런 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 된다.

칼-하인즈는 “우리는 기능적 안전성 역량이 전체 설계에 매우 중요하다는 것을 잘 알고 있으며, 이런 고려 사항을 매우 진지하게 생각한다”며 “레퍼런스 디자인을 통해 안전에 중점을 두고 있음을 강조하고 있다”고 말했다. 또한 “티유브이 슈드(TÜV SÜD)에서 독립적으로 평가해 온 레퍼런스 디자인은 고객들이 우수한 비용 통제를 통해 시스템 설계를 맞춤화하는 데 도움이 될 수 있다”고 전했다.

파워트레인 통합을 통해 전기차 시장의 성장 가속화 지원

전기차 시장은 급성장하고 있다. 오늘날 전기차 수는 560만 대로 추정되고, 2025년 글로벌 자동차 판매량 중 전기차의 비중은 30%에 이를 것으로 예상된다. 파워트레인 통합은 이 같은 전기차 보급 흐름에 중요한 역할을 할 것이다. 통합 파워트레인 시스템은 이미 전력 밀도 40~50% 증가, 부피와 중량의 현저한 감소, 안정성을 실제로 보여줬다. 칼-하인즈는 “통합 파워트레인 시스템은 특히 전기차의 능력과 1회 충전당 주행 거리에 큰 영향을 미칠 것”이라고 전했다.

더 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 예시다. 더 작고, 더 효율적이고, 더 신뢰할 수 있고, 더 합리적인 가격의 기술을 만들어 새로운 시장을 개척하고, 모든 분야의 전자 제품에 반도체가 들어갈 수 있도록, 지난 세대의 혁신을 발판으로 새로운 세대의 혁신을 이끈다. 이것이 TI가 수십 년 동안 전문성을 가지고 해온 일이다.

자료제공: 텍사스 인스트루먼트(www.ti.com)