급성장하는 HEV/EV 시장에서 오토모티브 HVAC 설계를 최적화하는 방법
글/오사마 아흐마드(Osamah Ahmad), TI C2000 실시간 MCU 제품 마케팅 매니저
케빈 스터더(Kevin Stauder), TI 산업 및 가정용 시스템 엔지니어
전 세계적으로 하이브리드 전기차(HEV)와 전기차(EV)가 지속적으로 성장하고 있는 지금, 오토모티브 개발자들은 그 어느 때보다 치열한 선두 다툼을 벌이면서 혁신을 가속화하고 있다.
이전에는 HEV/EV 파워트레인 시스템의 차별화가 핵심 영역이었으나, 이제 업계 선두 주자들은 HEV/EV 열 관리 또는 HVAC(난방, 환기 및 공조) 시스템의 차별화 또한 신경 써야한다. 열 관리 시스템은 HEV/EV에서 파워트레인 시스템에 이어 두 번째로 많은 전력을 소비하기 때문에 주행 거리에 직접적인 영향을 미친다.
지난 수십 년간 내연 기관(ICE, internal combustion engine)이 차량과 HVAC 시스템을 구동해 왔다. HEV/EV에서는 내연 기관의 크기, 또는 심지어 내연 기관의 부재로 인해 HVAC 시스템에서 역할을 하는 추가적인 구성 요소 2가지를 추가해야 한다.
• 엔진 대신 AC 컴프레서를 회전시키는 역할을 하는 브러시리스 DC(BLDC)
• 엔진 대신 냉각수를 가열하는 PTC(positive tem-perature coefficient, 양극 온도 계수) 히터 또는 열 펌프: 열 펌프의 경우 배터리 열 관리를 통해 배터리에서 캐빈으로 열을 이동시킨다. 열 펌프를 결합시킴으로써 결과적으로 무게가 가벼워지고, 주행 시간이 늘어나며, 비용을 절감할 수 있다.
이 기고문에서는 이러한 전자 HVAC 애플리케이션과 관련한 설계 과제를 살펴보고, 실시간 제어 성능, 확장성 및 비용이 어떻게 이러한 과제에 대응하는 데 도움이 되는지 알아볼 예정이다.
[그림 1] HEV 및 EV의 난방 및 냉방 시스템
신뢰할 수 있는 실시간 제어 성능
높은 시동 토크, 고효율, 낮은 소음 및 낮은 EMI(전자기 간섭)는 업계 선두 e-컴프레서(공기 압축기) 시스템의 주요 특징이다.
HVAC 성능에서 가장 중요한 요소와 그러한 요소를 고려해야 하는 이유는 다음과 같다.
• 높은 시동 토크: e-컴프레서 같이 높은 관성을 가진 시스템에는 최대한 신속하게 원하는 속도로 컴프레서 모터를 가동시키기 위해 높은 시동 토크를 필요로 하며, 최종적으로 HVAC 시스템에 대한 실제 사용자 경험을 증가시킨다.
• 고효율: HEV/EV 파워트레인 시스템을 제외했을 때, e-컴프레서 시스템은 EV/HEV에서 약 5kW로 가장 많은 전력을 소비한다. 따라서 고효율을 통해 조금이라도 전력을 절감할 수 있다면 주행 거리 연장으로 이어질 것이기 때문에 HEV/EV 개발자와 소비자들은 이 부분에 관심을 갖고 있다.
• 낮은 소음 및 낮은 EMI: ICE 차량에서는 이미 엔진 소리가 들리기 때문에 HVAC 시스템에서 나는 소음이 비교적 미미하게 느껴진다. 하지만 전기차와 하이브리드 차량과 같이 엔진이 없는 조용한 차량에서 이러한 소음은 보다 잘 들린다. 또한 전기차와 하이브리드 차량은 e-컴프레서에 필요한 BLDC 모터와 전자 디바이스에서 방출되는 EMI에도 취약하다. 전기차와 하이브리드 차량에서 e-컴프레서 구성 요소는 기존 시스템이나 소비자의 주행 경험에 지장을 줄 수 있는 어떠한 소음도 발생해선 안 된다.
• e-컴프레서 제품의 품질이 시스템의 실시간 제어 성능에 의해 직접적인 영향을 받기는 하지만 기존의 PTC 히터는 그것 없이도 아무런 문제없이 완전한 기능을 수행할 수 있으며, 설계자들은 이러한 제품의 차별화를 위해 주로 비용 요소에 의존하고 있다. PTC 히터는 단일 저항을 사용해 시스템 내에서 흐르는 전류를 측정 및 제어하는 역할을 하며, 이는 결과적으로 차량 내 온도를 제어한다.
• 모터 여러 대가 단일 시스템에 결합되어 있기 때문에 열 펌프는 실제로 강력한 실시간 제어 성능에 의존하게 된다. 시스템 및 MCU(마이크로컨트롤러) 아키텍처는 일체형 열 펌프 시스템에 대한 효율적이고 비용 효과적인 제어를 지원하는 데 있어 중요한 역할을 한다.
그림 2의 블록 다이어그램을 보면 TI의 C2000 실시간 MCU의 아키텍터와 주변 기기가 어떻게 다중 모터 제어를 통해 열 펌프 시스템을 지원하는지 알 수 있다.
[그림 2] 열 펌프 시스템을 제어하는 C2000 실시간 MCU
확장성
계속해서 진화하고 있는 전 세계적인 트렌드와 오토모티브 OEM에서 원하는 요구 사항을 감안했을 때, 호환 플랫폼을 활용하여 여러 다양한 애플리케이션 요구 사항에 걸쳐 확장하는 능력이 가장 중요하다. 오토모티브 HVAC 컴프레서와 PTC 히터, 열 펌프 설계에 대한 플랫폼 기반 접근법은 개발 시간과 개발 비용을 획기적으로 절감할 수 있다. 구체적으로 MCU의 경우, 패키지 유형, 핀 개수, 플래시 메모리, 온도, 기능적 안전성(ASIL[자동차 안전 무결성 수준] B 등급), 사이버 보안, 통신 인터페이스 및 비용 측면의 폭넓은 옵션은 오토모티브 HVAC 설계자들에게 있어 확장성 있는 플랫폼 지원에서 핵심적 역할을 한다.
비용
시스템 BOM, 개발 리소스 및 마켓 출시에 소요되는 시간은 모두 오토모티브 HVAC 개발자에게 있어 막대한 비용적 요소이다. MCU를 포함하는 비용 효율적인 구성 요소, 확장성 있는 플랫폼 활용 능력 및 레퍼런스 설계는 이러한 우려 사항을 해결하는 데 도움을 준다.
TI의 고전압 EV/HEV e-컴프레서 모터 제어 레퍼런스 설계는 C2000 TMS320F2800157-Q1 실시간 MCU에 의해 제어되는 EV/HEV e-컴프레서 애플리케이션용으로 구축된 고전압 5kW 레퍼런스 설계다. 이 레퍼런스 설계에서는 성능, 확장성 및 비용 면에서 HEV/EV e-컴프레서 설계 중 부딪치게 되는 몇 가지 과제에 대한 해결책을 제시한다.
마무리
하이브리드 차량과 전기차의 보급은 앞으로 계속해서 늘어날 전망이며, 그에 따라 HVAC 제어를 위한 전자적 솔루션 사용도 함께 늘어날 것이다. 이러한 차량 내 오토모티브 HVAC 서브시스템에는 안정적인 실시간 제어, 확장성 및 비용과 같은 설계 해결 과제를 가져오는 구성 요소가 필요하다. 이제 C2000 실시간 MCU와 레퍼런스 솔루션을 통해 ICE에서 하이브리드 차량과 전기차 HVAC 시스템으로의 매끄러운 전환이 가능해진다.
전기차 시스템 혁신을 이끄는 GaN 기술
조회수 295회 /
자동차 인포테인먼트 클러스터 시스템 구동
조회수 200회 / Timothy Hegarty
절연 기술 개발과 고전압 설계 문제의 해결
조회수 434회 / Krunal Maniar
AEC-Q100 MSPM0 MCU를 사용하여 오토모티브 차체 전자 장치 설계 최적화
조회수 290회 / Henok Taffere
정밀 ADC로 전기차 충전기 계측
조회수 438회 / Jiyah Starks
절연형 DC/DC 바이어스 전원 솔루션
조회수 576회 / Taxas Instruments
옵토커플러를 업그레이드하자
조회수 596회 / 김태호
급성장하는 HEV/EV 시장에서 오토모티브 HVAC 설계를 최적화하는 방법
조회수 906회 / Osamah Ahmad 외 1인
전원 공급 장치의 EMI 절감을 위한 시간 및 비용 효율적 혁신
조회수 1163회 / Yogesh Ramadass 외 2인
PDF 다운로드
회원 정보 수정