[Tech Report] MCU 성능, 전기차 접근성 개선에 직결

[텍사스 인스트루먼트=션 머피(Sean Murphy)] 전기차(EV)의 상용화는 얼마 전까지만 해도 망상에 불과했다. 과거에는 EV가 너무 가격이 높거나 실용성이 낮다는 평가를 받았지만, 탄소 배출량 제로와 대체 에너지원의 중요성이 올라가면서 전기차 시장은 많은 변화를 겪고 있다. 많은 자동차 제조업체들은 앞으로 10년에서 15년 내에 모든 차량의 EV화를 선언하는 등 EV로의 전환에 박차를 가하고 있다. 

이러한 대내외적 상황에 TI는 변곡점에 서 있다. 운전자들의 주행 에너지 비용 감소와 EV가 제공할 수 있는 펀 드라이빙 경험을 원함에 따라 전기차는 주류 완성차로 인정받기 위해 중요한 과정을 거쳤다. 하지만 아직까지도 EV는 내연기관차량에 비해 가격이 높은 상황이다. 또한 이전부터 문제였던 충전 인프라 부족과 충전당 짧은 주행 거리, 배터리 완전 충전에 걸리는 긴 충전 시간을 고려할 때 주행거리 불안을 둘러싼 운전자의 심리적 장벽도 존재한다.

모든 EV의 중심에는 트랙션 인버터, 온보드 충전기, 고전압 DC/DC 컨버터 등의 파워 일렉트로닉스 시스템이 있다. 이러한 시스템의 성능은 EV의 주행 성능, 비용, 주행거리, 충전 시간 등에 직접적인 영향을 미치기 때문에 향후 EV의 도입 가속화와 성공을 정의하는데 중요한 역할을 한다. 이 시스템에 대한 성능 개선 필요성은 실시간 제어와 고급 컴퓨팅 측면에서 마이크로컨트롤러(MCU)에 대한 성능 개선 필요성으로 연결된다.

TI의 Sitara AM263 MCU는 Sitara MCU 제품군에 가장 최근 추가된 것으로,  Sitara AM263 MCU는 C2000 MCU에서 시작된 실시간 제어 서브시스템과 Sitara 멀티코어 Arm 아키텍처를 결합하여 모터 및 디지털 전력 제어 적용분야에 필요한 동적 성능 요구사항을 충족하는 Sitara MCU 포트폴리오의 첫 번째 디바이스다.

AM263 MCU 제품군은 실시간 제어와 3000개 이상의 Dhrystone DMIPS(million-instructions-per-second) 컴퓨팅 성능을 결합해 모터와 기계식 인클로저의 크기와 무게는 물론 시스템 비용을 줄이고 주행 거리를 늘리고 전기차 가격 안정화에 도움을 줄 수 있다. 

AM263 MCU 제품군은 자연히 C2000 실시간 MCU의 이점을 활용, 확장하여 전기차 파워트레인 적용분야에 다음과 같은 다양한 옵션을 제공한다.

트랙션 인버터의 경우, AM263 MCU는 모터 속도를 3만rpm 이상으로 증가시켜 모터 크기를 많게는 36%까지 줄이고 주행 거리를 15%까지 늘릴 수 있다.

MCU가 1MH 이상의 높은 스위칭 주파수에서 실행되므로 탄화규소(SiC)와 질화갈륨(GaN) 같은 와이드밴드갭(WBG) 기술의 사용 가능성을 열어주어 전력 밀도와 효율을 높이고 주행 거리를 늘릴 수 있다.

코어와 주변기기가 늘어나면 여러 기능을 통합할 수 있고 시스템과 기계식 인클로저 모두 전계효과 트랜지스터(FET) 수를 줄여 인클로저와 자기장치의 비용과 무게가 크게 감소한다.

AM263 제품군은 시스템 BOM 비용을 절감할 수 있도록 최대 ASIL(Automotive Safety Integrity Level) D 레벨, EVITA(E-Safety Vehicle Intrusion Protected Applications) 하드웨어 보안 모듈 풀 버전, AUTOSAR(Automotive Open System Architecture) 지원, 통신 주변기기를 가능하게 하는 기능 안전 사양을 탑재하고 있다.

전기차와 재생에너지를 사용하려면 대규모 충전 인프라와 에너지 저장 시스템이 필요하다. 이 시스템이 주유소만큼 보편화되고 빨라지려면 전력 효율 개선과 전력량의 확보가 필수적이다. 이 시스템의 기본 개념은 전력 변환이다. 전력 변환은 충전소에서 그리드(전력망)와 차량 간, 차량과 그리드 간의 에너지 전달을 가능하게 한다.

그리고 에너지 저장 시스템의 전력 변환은 수요가 낮을 때는 배터리에 에너지를 저장하고 수요가 높거나 재생 에너지원이 생성되지 않을 때는 그리드에 전달한다. AM263 제품군에 통합된 실시간 제어 서브시스템은 전력 변환 산업의 미래를 선도하는 데 필요한 정밀성을 제공한다. 

AM263 MCU를 통해 충전 시간 단축, 더 높은 수준의 스위칭 주파수, 더 높은 인버터 효율(99%), 더 적은 전력 손실을 달성하는 AM263x는 더 빠르고 더 높은 전력 변환을 실현할 수 있다.

전력망 호환을 위한 출력 전력 품질 향상. 고급 아날로그 제어 주변기기를 통해 태양광 인버터에서 지연 시간을 줄이고 총 고조파 왜곡(THD)을 낮추고 출력 전력 품질을 높일 수 있도록 정밀성을 강화할 수 있다.

시스템 크기 및 비용 감소. 다중 Arm 코어는 복잡한 제어 토폴로지를 가능하게 하고 기능을 통합하여 시스템 크기와 BOM 비용을 줄여준다.

세상은 빠르게 변화하고 있다. 친환경 차량과 재생 에너지원에 대한 환경 및 규제 강화 등의 대내외적 요건으로 전기차 생산이 가속화되고 있지만 전기차의 광범위한 도입을 위해서는 경제성, 효율성, 성능 향상이 전제되어야 한다.