파워트레인을 소형 기계식 인클로저에 통합하면 더 저렴하고 효율적인 전기차(EV)를 만들 수 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 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 및 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 C2000™ 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 C2000™ 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 및 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.

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 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.