자동차 효율성을 향상시키는 SMT 결합 인덕터의 위력
자동차 효율성을 향상시키는 SMT 결합 인덕터의 위력
(출처: metamorworks / stock.adobe.com)
글로벌 전기 자동차(EV) 판매량은 최근 몇 년 동안 빠르게 증가하여[1] 기하급수적인 성장 곡선을 그리고 있다. 탈탄소화 규제와 지속적인 제품 개발은 전기차 발전에 박차를 가하고 있지만, 아직 비용과 주행거리라는 두 가지 장애물이 완전히 해결되지 않은 상태이다. 다행히도 이 두 가지는 효율성과 묶어서 생각할 수 있다. 전력 변환 효율이 높아질수록 설계 시 차량에서 더 많은 비용을 절감할 수 있으며 한 번 충전으로 더 멀리 주행할 수 있게 된다.
중량이 높을수록 소비되는 전력은 주행거리를 감소시키는 손실로 작용하기 때문에 자동차의 중량은 전기 효율에 가장 직접적인 영향을 미치는 커다란 요인이라고 할 수 있다. 그렇기에 오늘날 엔지니어들은 신제품 개발 시 중량을 줄일 수 있는 획기적인 방법을 찾는데 초점을 두고 있다.
이 글에서는 48V 배터리 시스템 개발을 통해 전기 자동차의 중량을 어떻게 줄이고 전기적 효율을 개선할 수 있는지 알아본다. 또한 ERUC23 결합 인덕터와 같은 새로운 부품이 어떻게 단일 인덕터 대비 75% 부피를 줄이고 효율성을 향상시켜 자동차의 주행거리를 연장하는지에 대해 알아본다.
48V 자동차 시스템으로의 전환
자동차 애플리케이션의 전력 변환 트렌드 중 하나는 12V 시스템에서 48V로의 전환이다. 이 같은 전환을 통해 자동차 시스템은 더 높은 부하에서 더 높은 효율로 더욱 일관된 전력을 공급하여 배터리 충전 사이의 시간을 늘릴 수 있다. 또한 48V 배터리는 에너지 밀도가 높아 더 작은 공간에서 이와 같은 이점을 제공한다. 또한 전압이 높을수록 전류 소모량이 줄어들어 배선 자재의 양이나 복잡성이 줄어들고 효율성이 향상된다. 각 부품마다의 효율성은 자동차의 주행거리나 전반적인 성능과 직접적으로 연관되어 있기 때문에 이와 같은 이점은 전기차에 있어서도 상당한 혜택을 제공한다.
12V 시스템의 공존
48V 시스템은 효율성이라는 명백한 이점을 지녔음에도 불구하고 기존의 12V 애플리케이션 또한 여전히 활용도가 높다. 저전압 레거시 배터리를 사용하면 시스템 변경에 신속하게 대응할 수 있으며, 대부분의 자동차 전자 장치는 여전히 12V 배터리 전원으로 작동한다.
하지만 시스템에서 무거운 12V 배터리를 제거하면 중량 감소를 통해 자동차의 주행거리를 향상시킬 수 있다. 12V 배터리를 효율적으로 사용하기 위한 한 가지 방법은 하이브리드 DC/DC 컨버터를 사용하는 것이다.
전력 변환의 기본 사항 알아보기
전기차 엔진의 전력 변환은 내연기관(ICE) 차량보다 지속 가능성이 높다는 특성이 핵심이다. 내연기관은 화학 에너지(가솔린)를 열로 변환한 다음 이를 전기로 변환하지만, 전기차는 열 변환 단계를 생략한 채 화학 에너지(배터리 내)를 곧장 전기로 전환한다. 열 효율의 약 30%가 전력 변환으로 손실되므로 이 단계를 제거하면 전기 효율이 크게 향상된다.
48V와 12V 시스템 간의 전력 변환은 시스템 효율성을 최적화하는 데도 효과적이다. 기존 전압 소스 간의 전력 균형을 맞추면 에너지 저장용 2차 전지나 V2G와 같은 외부 소스에 대한 의존도가 줄어들며, 엔지니어가 변환 손실을 관리하면 시스템 효율을 높일 수 있다. 이 같은 균형을 달성하려면 다양한 전력 변환 기술이 필요하며, 해결해야 할 과제들이 따른다.
전력 변환 토폴로지
하이브리드 설계가 적용된 차량 내 시스템에는 네 가지 기본 전력 변환 토폴로지가 있다:
- 벅(고전압 → 저전압 강압)
- 부스트(저전압 → 고전압 승압)
- 벅-부스트(듀티 사이클에 따라 승압 또는 강압)
- 하이브리드 컨버터 토폴로지(48V에서 12V로 강압)
하이브리드 DC/DC 컨버터란?
하이브리드 DC/DC 컨버터를 사용하면 12V 부품에 전원을 공급하기 위해 전압을 낮추는 동시에 48V 배터리를 주 전원으로 사용할 수 있으므로 12V 배터리가 필요하지 않다. 이 접근 방식은 단일 전원을 사용하고 고중량의 대형 풋프린트 부품을 제거하여 효율성을 높인다.
하이브리드 변환의 과제
하지만 하이브리드 컨버터에는 몇 가지 과제가 따른다. 부품 수는 줄어든 대신 회로 복잡성이 증가하여 12V 배터리 제거로 인한 비용 개선 효과가 부분적으로 상쇄된다. 또한 이 같은 전압 변환은 리플이라고 하는 주기적인 DC 전압 변화의 위험을 초래하며, 이는 효율성 저하를 초래한다. 하이브리드 DC/DC 컨버터의 이점을 실현하려면 엔지니어는 전기차의 작은 설계 범위에서 이 같은 설계 과제를 해결해야 한다. 설계 공간이 협소하면 외부 연결 공간이 많지 않기 때문에 시스템 구성 요소의 통합 및 결합 기능에 대한 요구 사항이 높아진다.
TDK ERUC23 SMT 플랫 와이어 결합 인덕터를 사용한 하이브리드 변환 과제 해결
TDK ERUC23 SMT 플랫 와이어 결합 인덕터 는 하이브리드 변환 과제를 직접 해결할 수 있도록 설계를 크게 개선했다(그림 1). TDK의 플랫 와이어 ERU 인덕터를 확장한 ERUC23은 유도 결합 의 이점을 통해 두 개의 권선을 하나의 부품으로 통합한다. 이 혁신적인 구조는 저손실 페라이트 코어 소재, 최적화된 결합 코일 구조, 플랫 와이어 권선, 자체 리드 설계를 통합했다. 이 같은 특징은 높은 포화 전류, 리플 전류 감소로 인한 효율성 향상, 낮은 DC 저항, RoHS 및 AEC-Q200 표준과의 호환성을 보장하므로 48V ~ 12V 하이브리드 컨버터를 비롯한 2상 벅, 부스트 및 벅-부스트 컨버터와 같은 다양한 애플리케이션의 소형 결합 인덕터에 이상적이다.
그림 1: ERUC23 SMT 플랫 와이어 결합 인덕터. (출처: 마우저 일렉트로닉스)
ERUC23과 단일 인덕터 비교
기존 인덕터는 전력 변환 과정에서 효율 손실이 발생한다. ERUC23은 단일 인덕터의 패키징 공간을 약 24,000 mm3 에서 약 5,300mm3로, 78%에 가깝게 축소했다. 치수 및 제품 세부 정보는 아래 그림 2 와 같다:
그림 2: ERUC23과 SER2915 단일 인덕터 비교 (출처: TDK)
ERUC23은 코어 손실을 줄여 성능과 전력 밀도를 향상시킨다. 또한 i7A 시리즈 컨버터와 함께 사용하면 전류 출력이 33A에서 60A로 거의 두 배로 늘어난다.
단일 인덕터에 비해 EUR23C가 누리는 또 다른 이점으로는 DC 전압 변동으로 인한 리플 전류 감소가 있다. 아래 그림 3은 결합 대비 비결합 리플 전류 감소 비율과 결합 계수를 보여준다. 감소 비율이 낮을수록 전류가 균일해진다. 결합 계수는 상호 인덕턴스와 누설 인덕턴스를 비교한다(결합 계수가 높을수록 리플이 적음).
그림 3: 결합 인덕터와 비결합 인덕터가 리플 감소에 미치는 영향(출처: TDK)
이 그래프에서 아래쪽과 오른쪽으로 이동하면 리플이 감소한다. 리플 전류 감소 효과는 50% 듀티 사이클에서 가장 잘 나타난다. ERUC23은 3보다 약간 낮은 결합 계수를 나타내며 높은 리플 감소 성능을 보여준다.
하이브리드 DC/DC용 ERUC23
ERUC23은 더 작은 패키지에서 리플과 코어 손실을 줄여서 라인 손실을 줄이고 전기 효율을 높이기 때문에, 전기 자동차의 하이브리드 DC/DC에 이상적이다. 2상 벅, 부스트, 벅-부스트 및 하이브리드 DC-DC 변환 애플리케이션을 위한 토폴로지 유연성과 적용성은 전압 변동을 최소화하고 열 손실로 인한 재료 피로를 제거하여 부품 수명을 연장시킨다.
맺음말
TDK ERUC23 SMT 플랫 와이어 결합 인덕터는 자동차 전력 변환 분야에서 큰 진전을 이루었다. 이 인덕터 제품은 공간, 중량, 효율성이라는 중요한 문제를 다루며 하이브리드 DC/DC 컨버터의 과제를 정면으로 해결한다. ERUC23은 보다 효율적이고 안정적이며 성능 지향적인 전기차를 제작하는 데 있어 높은 경쟁력을 제공할 수 있다. 이와 같은 혁신적인 부품의 채택은 최신 전기차의 엔지니어링, 설계, 효율성 및 비용 문제를 극복하고 글로벌 자동차 시장에서 점유율을 더욱 높일 수 있는 중요한 단계일 것이다.
출처
McKerracher, Colin, Aleksandra O’Donovan, Dr. Nikolas Soulopoulos, and Andrew Grant. Pause background video Electric Vehicle Outlook 2023, n.d. https://about.bnef.com/electric-vehicle-outlook/.
저자
아담 킴멜(Adam Kimmel)은 실무 엔지니어, R&D 관리자 및 엔지니어링 콘텐츠 작가로 약 20년 근무했다. 그는 자동차, 산업, 제조, 기술 및 전자 제품 등의 수직 시장에서 백서, 웹사이트, 사례 연구 및 블로그를 위한 게시글을 기고한다. 아담은 화학 및 기계 공학 학위를 보유하고 있으며,엔지니어링 및 기술 콘텐츠 작성 전문 회사인 ASK Consulting Solutions, LLC의 설립자이자 대표이다.