기술기고문

48V/12V 듀얼 배터리 자동차 시스템 설계를 간소화하는 새로운 전원 솔루션

2021-04-13
글: 토니 암스트롱(Tony Armstrong) 제품 마케팅 디렉터 / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)

머리말
자동차 분야에서 48V/12V 듀얼 배터리 시스템의 시대가 열리고 있다. 지난 수 년 간 세계의 주요 자동차 회사들이 자신들의 시스템을 입증하기 위해 애써 왔으며 조만간 실제 구현에 나설 것으로 전망된다. 이것은 운전자가 전혀 필요치 않은 진정한 완전 자율주행차로 가기 위한 길고도 험난한 여정에서 꼭 필요하고도 중요한 과도기가 될 것이다. 그렇다고 12V 배터리가 사라지지는 않을 것이다. 그러기에는 자동차에 너무나 많은 레거시 시스템들이 설치되어 있고 설치 기반도 방대하기 때문이다. 이러한 이유로 자율주행차에는 12V 배터리와 48V 배터리가 모두 사용될 것이다.

자동차의 내부 시스템은 48V 리튬이온 배터리나 12V 납축전지(SLA) 둘 중 하나를 사용해서 작동할 것이다. 이들 배터리는 화학 기술이 서로 다르기 때문에 각각 별개의 충전 회로가 필요할 뿐 아니라, 자동차 내의 다른 시스템들이나 배터리 자체를 손상시키지 않으면서 두 개의 배터리들 사이에 전하를 옮길 수 있는 메커니즘을 필요로 한다. 또한, 두 가지 배터리를 사용하면 작동 중에 어느 한 쪽에 고장이 발생했을 때 리던던시를 확보할 수 있다.

이렇게 하면 자동차 내의 다양한 전기 서브시스템들로 인해 설계는 당연히 복잡해지지만, 몇 가지 이점도 얻을 수 있다. 자동차 제조사들에 따르면, 48V 기반 전기 시스템은 내연기관 자동차의 연비를 10 ~ 15% 향상시켜, 그만큼 이산화탄소 배출을 줄인다. 뿐만 아니라 48V/12V 듀얼 시스템을 사용하는 미래형 자동차의 경우, 엔진 부하와 독립적으로 작동하는 전기 부스터 기술을 통합함으로써 가속 성능을 높일 수 있다. 이러한 컴프레서는 이미 개발 마무리 단계에 와 있으며, 흡기 시스템과 인터쿨러 사이에 설치하고 48V 레일을 사용해서 터보를 회전시킬 수 있다.

전 세계적으로 자동차 연비에 대한 규정은 점점 더 엄격해지고 있으며, 커넥티비티를 활용한 자율주행 기능이 신형 모델을 중심으로 빠르게 확산하고 있다. 이러한 추세로 인해 12V 자동차 전기 시스템은 가용 전력에 있어서 한계에 다다르고 있으며, 그와 동시에 차량용 전자 시스템의 비중이 크게 증가하고 있다. 이러한 변화들로 인해서 그리고 그와 관련하여 필요한 전력 요구량이 높아짐에 따라서, 새로운 차원의 엔지니어링 기회들이 생겨나고 있다. 분명한 것은, 12V 납축전지 자동차 시스템은 3kW로 전력이 제한적이므로 보완이 필요하다는 것이다.

자동차 관련 새로운 표준들 역시 이들 시스템에 영향을 미친다. ‘LV 148’이라 알려진 새로운 자동차용 표준은 자동차용 기존 12V 시스템을 이차측 48V 버스와 결합하고 있다. 48V 레일은 통합 스타터 제너레이터(ISG) 또는 벨트 스타트 제너레이터, 48V 리튬이온 배터리와 함께, 48V 및 12V 배터리로부터 수십 킬로와트의 가용 에너지를 제공할 수 있는 양방향 DC-DC 컨버터를 포함한다. DC-DC 컨버터 기술은 기존의 내연기관 자동차뿐 아니라 하이브리드 전기차(HEV)마일드 하이브리드 자동차(MHEV)에도 사용할 수 있다. 자동차 제조사들이 갈수록 엄격해지는 이산화탄소 배출 요건을 충족하고자 애쓰고 있기 때문이다.


그림 1: 차세대 자동차는 12V와 48V 배터리를 모두 사용할 것이다.

48V/12V 배터리 시스템을 위한 새로운 전원 솔루션
이 새로운 표준에서는 시동, 조명, 인포테인먼트, 오디오 시스템 등에는 이전과 같이 12V 버스를 계속해서 사용하고, 48V 버스는 능동형 섀시 시스템, 에어 컨디셔닝 컴프레서, 조절가능형 서스펜션, 전기 수퍼차저, 터보, 회생 제동 등에 사용된다.

자동차에 추가적인 48V 전력망을 구현하는 여파가 적지는 않을 것이다. 전자 제어 유닛(ECU)은 동작 온도 범위를 더 높여야 할 것이다. 그러기 위해서는 DC-DC 컨버터 공급사들 역시 이러한 고전력용으로 적합한 IC 제품을 내놓아야 한다.

아나로그디바이스의 Power by Linear™(이하 ‘PbL’) 그룹은 이러한 에너지를 매우 높은 효율로 전달하고, 이를 통해 에너지를 절약하는 동시에 열 설계 작업을 최소화하는 DC-DC 컨버터 제품을 개발했다.

12V와 48V 배터리 사이에는 양방향 스텝다운 및 스텝업 DC-DC 컨버터가 반드시 필요하다. 이러한 컨버터를 사용하면 두 가지 배터리를 모두 충전하면서, 필요할 경우 두 배터리가 동시에 동일한 부하에 전류를 공급하게 할 수 있다. 기존에 출시된 초기의 48V/12V 듀얼 배터리 DC-DC 컨버터 제품들은 전압의 승압과 강압에 각각 다른 전력 부품을 사용한다.

하지만 ADI의 PbL 그룹이 최근에 출시한 LT8228은 양방향 DC-DC 컨트롤러로서, 스텝업 변환과 스텝다운 변환에 동일한 전력 부품을 사용할 수 있다.


그림 2: LT8228을 사용한 양방향 배터리 백업 시스템

그림 2에서 보듯이, LT8228은 100V 양방향 정전류 또는 정전압 동기식 벅 및 부스트 컨트롤러로서, 별도의 보정 네트워크를 사용한다. 전력의 흐름 방향은 LT8228이 자율적으로 결정하거나, 또는 외부에서 제어할 수 있다. 입력 및 출력 보호 MOSFET들이 음(-)의 전압에 대해서 보호하고, 쇄도 전류를 제어하며, 스위칭 MOSFET 단락 같은 장애 발생 조건에서는 단자들 사이에 절연 기능을 제공한다. 스텝다운 모드일 때는 V1 단자의 보호 MOSFET들이 역전류를 방지한다. 스텝업 모드일 때는 동일한 MOSFET들이 출력 쇄도 전류를 제어하고 조절가능형 타이머 회로 차단기를 사용해서 스스로를 보호한다.

LT8228은 양방향 입력 및 출력 전류 제한 기능과 개별 전류 모니터링 기능도 제공한다. 마스터가 필요 없는 장애 방지 전류 공유 기능은 전류 공유 정확도를 유지하면서 LT8228을 병렬로 더하거나 뺄 수 있다. 또한 결함 핀과 보고 핀을 통해서 내/외부 결함 진단 및 보고를 할 수 있다. LT8228은 38핀 TSSOP 패키지로 제공된다.

LT8228은 100V 양방향 피크 전류 모드 동기식 컨트롤러이다. 벅 모드일 때는 입력 전압 V1으로부터 스텝다운 출력 전압 V2를 제공하고, 부스트 모드일 때는 입력 전압 V2로부터 스텝업 출력 전압 V1을 제공한다. 입력 전압과 출력 전압은 최고 100V까지 설정이 가능하다. 동작 모드는 DRXN 핀을 통해서 외부에서 제어하거나, 또는 자동으로 선택할 수 있다. 또한 LT8228은 V1 및 V2 단자들을 위한 보호 MOSFET을 갖고 있다. 이들 보호 MOSFET은 음의 전압에 대해서 보호하고, 내부 또는 외부 장애 발생 시 입력과 출력 단자들 사이를 차단하며, 역전류를 방지하고, 쇄도 전류를 제어한다. 배터리 백업 시스템 같은 애플리케이션에서는 이 양방향 기능을 활용해서 더 높은 전원이나 더 낮은 전원 둘 중 하나를 사용해서 배터리를 충전할 수 있다. 전원공급이 이루어지지 않을 경우, 배터리가 전원공급장치로 전력을 거꾸로 승압 또는 강압할 수 있다.

과도 응답을 최적화하기 위해서, LT8228은 2개의 오차 증폭기를 갖고 있다. 부스트 모드에서는 EA1, 벅 모드에서는 EA2이며, 각각 별도의 보정 핀 VC1과 VC2를 사용한다. 경부하 동작 같은 조건에서 역 인덕터 전류가 감지되면 불연속 전도 모드로 동작한다. LT8228은 ISET1P, ISET1N, ISET2P, ISET2N의 4개 핀을 사용해서 벅 및 부스트 모드 동작으로 입력과 출력 전류 한계를 설정할 수 있다. 또한 IMON1과 IMON2 핀을 사용해서 입력 및 출력 전류 모니터링을 독립적으로 수행할 수 있다. 전류 한계 설정과 모니터링은 0V ~ 100V의 전체 입/출력 전압 범위에 걸쳐서 할 수 있다.

또한 LT8228은 마스터 없이도, 병렬로 연결된 여러 개의 LT8228에 걸쳐서 결함 방지 출력 전류 공유가 가능하기 때문에 보다 높은 부하 전류를 제공하면서, 열 관리를 더 잘 할 수 있고, 리던던시를 달성할 수 있다. 각각의 LT8228은 평균 출력 전류로 레귤레이트 하므로 마스터 컨트롤러가 필요치 않다. 만약 특정 LT8228에서 장애가 발생하면, 해당 디바이스를 평균 버스에서 제외하므로 장애가 발생하더라도 계속해서 전류 공유를 할 수 있다.

이러한 특징들을 요약하면 다음과 같다:
▶ 피드백 전압 허용 오차: 온도 범위에 걸쳐서 ±0.5%
▶ 설정가능한 양방향 전류 제어 및 모니터링
▶ 방대한 자체 테스트, 진단, 결함 보고 기능
▶ 설정가능한 고정 또는 동기화 스위칭 주파수: 80kHz ~ 600kHz
▶ 설정가능한 소프트 스타트 및 동적 전류 제한
▶ 마스터가 필요 없는 장애 방지 전류 공유

맺음말
LT8228을 사용하면 스텝다운과 스텝업에 동일한 전력 부품을 사용할 수 있으므로 48V/12V 듀얼 배터리 DC-DC 자동차 시스템 설계를 간소화하고 한 차원 향상된 성능과 제어 기능을 달성할 수 있다. 필요에 따라 벅 모드로 48V 버스에서 12V 버스나, 부스트 모드로 12V에서 48V로 동작한다. 시동을 걸거나 추가적인 전력이 필요할 때는 양쪽 배터리가 동시에 동일한 부하로 에너지를 공급하도록 할 수 있다. 따라서 전력 변환 설계 엔지니어는 기능이 풍부한 이 양방향 컨버터를 사용하여 미래형 완전 자율주행차에 요구되는 12V 및 48V 배터리 시스템을 손쉽게 구성할 수 있다.

###

저자 소개
토니 암스트롱(Tony Armstrong)은 아나로그디바이스(Analog Devices) Power by Linear 그룹의 제품 마케팅 디렉터이다. 전력 변환 및 관리 제품과 관련하여 출시부터 단종까지 제품에 대한 모든 사항을 총괄한다. ADI에 합류하기 전에 리니어 테크놀로지(Linear Technology), 실리코닉스(Siliconix), 셈테크(Semtech), 페어차일드 반도체(Fairchild Semiconductors), 인텔(Intel)에서 마케팅, 세일즈, 운영 업무를 두루 맡았다. 영국 맨체스터 대학에서 응용 수학을 전공했다.
태그 :
Automotive, MOSFET, 듀얼배터리