헬로티 서재창 기자 |

완전한 전기차 구현을 위한 변화가 지속되면서, 자동차 산업은 48V 시스템 기반의 마일드 하이브리드 전기차(MHEV) 아키텍처가 제공하는 잠재력을 적극적으로 수용하고 있다.

 

자동차 업계는 향후 5년 동안 도로 위의 마일드 하이브리드 전기차 수가 매년 30%씩 증가할 것으로 예상하며, 주요 자동차 제조사 중 다수는 이미 마일드 하이브리드 전기차를 판매하거나 가까운 미래에 출시를 앞두고 있다.

 

2025년 이후에는 마일드 하이브리드 전기차가 전체 차량의 약 10%를 차지할 것으로 전망된다. 그림 1과 같이 마일드 하이브리드 전기차는 전체 환경차의 일부 시장을 형성하고, 기존 12V 내연기관 자동차(ICE)와 배터리식 전기차(BEV) 사이의 간격을 채운다. 

 

 

마일드 하이브리드 전기차와 같은 저전압 기술은 폭넓은 이점을 제공한다. 내연기관을 보완할 뿐 아니라 48V 버스를 추가해 전기 펌프와 같은 엔진 베이의 다양한 기능을 전장화할 수 있다.

 

48V는 저전압 시스템으로 분류되므로 배선 요구 사항이 줄어드는 이점이 있다. 이러한 이점과 더불어, 합리적인 비용으로 기존 ICE가 배출하는 오염물질을 줄여 관련 법률의 강화에 대응 가능한 점 또한 마일드 하이브리드 전기차에 대한 관심이 높아지는 이유다. 

 

이것만으로도 장기적인 완전 전기차로의 전환과 함께 마일드 하이브리드 전기차 기술을 지속적으로 채택할 요인이 된다. 마일드 하이브리드 전기차의 또 다른 이점은 해당 시스템이 외부 전력원에 의존하지 않는 점이다.

 

마일드 하이브리드 전기차는 완전 내장형 자체 충전 시스템이며 내연기관이 과부하 상태일 때 추가 전력을 제공한다. 이는 연비(km/L)를 증가시키기에 충분하며, 온실 가스 배출을 절감한다. 마일드 하이브리드 전기차를 추가할 경우 배기가스를 최대 10%까지 절감할 수 있다.

 

마일드 하이브리드 보조장치의 구현

 

앞서 설명한 바와 같이, 마일드 하이브리드 전기차는 전기 모터를 사용해 모든 구동력을 제공하기 보다는 내연기관을 보조한다는 점에서 완전 전기차와의 차이를 보여준다. 그러나 이는 내연기관이 항상 작동 상태여야 함을 의미하지 않는다.

 

예시를 살펴보면 전기 모터는 토폴로지에 따라 저속 조건에서 제한된 시간 동안 필요한 모든 구동력을 제공한다. 차량이 감속 또는 제동 중일 때 모터는 회생제동 모드로 전환해 48V 배터리를 충전하는 발전기 역할을 한다. 관련 기술의 향상과 사용되는 모터 출력이 15kW 이상에서 30kW까지 증가함에 따라, 마일드 하이브리드 전기차는 전체 전력 공급의 많은 부분을 차지하게 될 것으로 전망된다.

 

제조사들은 종래의 내연기관 드라이브 트레인에 마일드 하이브리드 전기차 기술을 추가함에 있어 다양한 선택을 할 수 있다. 대부분의 제조사는 기어박스의 엔진 측에서 벨트 드라이브를 사용해 전기 모터를 크랭크 샤프트에 연결하는 방식을 선호한다.

 

이는 전기 모터가 드라이브 샤프트 속도와 반대로 엔진의 크랭크 샤프트와 동일한 속도로 회전함을 의미한다. 또한, 내연기관이 분리되는 것과 같은 방식으로 모터가 클러치를 통해 드라이브 샤프트로부터 분리될 수 있음을 의미한다.

 

 

이러한 아키텍처는 벨트 구동식 스타터 제너레이터(BSG)로 불리며, 그림 2에 표시된 것처럼 일반적으로 P0으로 지칭된다. 이는 모터가 크랭크축에 벨트로 연결되어 있으며 12V 버스 및 기존 스타터 모터 대신 스타트/스탑 시스템에서 엔진을 시동하는 데 사용될 수 있음을 의미한다.

 

이 경우 엔진 재시동이 훨씬 빠르기에 더 높은 토크가 더 나은 사용자 환경을 제공한다는 이점이 있다. 또한, 48V 모터는 48V 배터리 충전에 사용되는 발전기 역할까지 수행한다.

 

대부분의 시스템에서 48V 버스는 기존 12V 시스템에 보조적인 기능을 제공한다. 이는 곧 대부분의 차량에 여전히 12V 배터리가 장착돼 있음을 의미한다. 그러나 48V 시스템은 일반적으로 DC-DC 컨버터를 통해 12V 시스템을 보완하며, 따라서 DC-DC 컨버터는 중요하게 고려돼야 할 추가 요소다. 

 

마일드 하이브리드 전기차 시스템의 구성 요소 제공

 

마일드 하이브리드 전기차에서 전기 시스템은 두 전압 버스에 의해 작동한다. 12V 버스는 저전력 시스템에 지속적으로 전력을 공급하는 반면, 48V 버스는 드라이브 트레인에 연결된 모터뿐만 아니라 파워 스티어링, 에어컨 및 어댑티브 서스펜션 등에 사용되는 고출력 전기 모터에 전력을 공급하기 위해 사용된다.

 

비록 차량에 48V 버스 전압을 사용하는 것이 완전히 새로운 개념은 아니지만, 배터리식 전기차보다 낮은 비용으로 이산화탄소를 줄일 수 있다는 점에서 주목받고 있다. 

 

전기 시스템은 일반적으로 앞에서 언급한 것처럼 두 버스를 연결하기 위해 DC-DC 컨버터를 적용한다. 사용되는 모터가 AC 유도 모터인 경우, 그림 3과 같이 인버터까지 적용된다. 마일드 하이브리드 전기차 시스템은 플러그인 방식이 아니므로 온보드 충전기 회로는 불필요하나, 해당 영역에서 48V 시스템에 기반한 풀 하이브리드까지도 생각해 볼 수 있는 개발이 진행되고 있다. 

 

 

자동차 및 전력 솔루션에 주력하는 온세미는 48V 마일드 하이브리드 전기차 애플리케이션 구현에 필요한 요구사항을 모두 제공한다. 연료 효율의 개선은 DC-DC 변환에 사용된 부품의 전기적 성능, 크기 및 무게를 비롯해 시스템 설계의 모든 측면과 연관된다.

 

80V 이상 등급의 소형 패키지 MOSFET으로 구성된 광범위한 포트폴리오를 통해 자동차 제조사들이 필요로 하는 더 작은 크기와 더 낮은 시스템 비용 및 높은 열 성능을 모두 갖춘 솔루션을 제공한다. 

 

전력 효율은 시스템의 도통 손실에 영향을 미치는 스위칭 트랜지스터의 온저항과 직접 연관된 애플리케이션에서 중요한 필수 요건이다. 다른 주요 이점으로는 트랜지스터의 스위칭 속도가 있으며, 이는 전반적인 전력 손실에도 영향을 준다.

 

이와 관련한 기술을 보유한 온세미는 게이트 드라이브 솔루션으로 성능을 더욱 강화했다. 온세미는 다양한 기술을 통합해 최적화된 전력 토폴로지를 구축한다. 온세미의 전문성은 자사의 차량용 전력 모듈(APM)에서도 입증되며, 이는 풀 브리지 및 하프 브리지 구성 또는 통합 3상 인버터 회로에서도 사용 가능하다.

 

APM은 직접 접합 구리(DBC) 기판 재료를 활용한 트랜스퍼 몰딩 패키지를 특징으로 하며, 차량 환경에 내재된 진동 및 기계적 스트레스를 견디는 낮은 열정항과 함께 높은 신뢰성을 제공한다. 해당 모듈들은 자동차 애플리케이션용으로 설계됐기에 마일드 하이브리드 전기차 시스템의 구성 요소를 간단하게 구현한다. 

 

온세미의 APM이 제공하는 또 다른 이점은 작은 크기로도 높은 수준의 전력 밀도를 제공하는 점이다. 이는 전체 시스템의 무게를 감소시켜 엔진에 가해지는 부담을 줄여주며, 배기가스 저감에도 도움이 된다. 온세미는 파워 트랜지스터와 모듈 외에도 연산 증폭기, 고속 디지털 절연기, e퓨즈 및 차량 내 네트워크 트랜스시버 등의 필수적인 보조 부품을 제공한다.

 

결론

마일드 하이브리드 전기차의 구현을 결정하는 것은 자동차 제조업체에게 비교적 단순한 문제여야 한다. 마일드 하이브리드 전기차는 토폴로지에 따라 비용을 30%만 추가해도 풀 하이브리드 시스템의 약 70%에 달하는 이점을 제공할 수 있다.

 

또한 이러한 시스템은 내연기관 외에 부가적으로 작동하도록 설계되므로, 소비자들은 전기차의 주행거리 불안과 같은 우려를 할 필요가 없다. 소비자의 관점에서 보면 마일드 하이브리드 전기차로의 전환은 배기가스 배출량이 줄고 연비가 대폭 개선되는 긍정적인 이점 외에 큰 영향이 없다. 

 

미주, 아시아, 유럽 전역의 많은 국가들이 배기가스 배출량을 줄이기 위한 규제를 점차 강화하면서 자동차 제조사들은 배기가스 배출량을 저감 및 연비 향상이라는 과제를 안게 됐다. 이에 마일드 하이브리드 전기차 기술의 발전은 해답이 된다. 48V 마일드 하이브리드 전기차 시스템은 많은 제조사가 접근 가능한 진입단계 기술이며, 점차 많은 제조업체가 가까운 시일 내 해당 기술을 채택할 것으로 전망된다. 

 

온세미는 자동차 애플리케이션에 최적화된 폭넓은 전력 솔루션 포트폴리오를 제공하며, 전력 효율 솔루션 개발에 관한 업계의 요구사항을 충족시킬 수 있다. 전력 효율에 주력하는 온세미는 마일드 하이브리드 전기차 기술까지 영역을 확장했으며, 마일드 하이브리드 전기차 구현에 필요한 다양한 솔루션을 자동차 업계에 제공한 기록을 바탕으로 그 전문성을 입증하고 있다.