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MCU로 전동화 설계의 잠재력을 발휘하는 방법

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글/션 머피(Sean Murphy), TI Sitara MCU 고성능 마이크로컨트롤러 제품 마케팅 엔지니어

얼마 전까지만 해도 전기차(EV)의 광범위한 도입은 공상과학 소설에 불과했다. 한때 너무 비싸거나 실용성이 낮다는 평가를 받았지만, 탄소 배출량 제로를 달성하고 대체 에너지원을 탐구하고자 하는 OEM 제조사들의 노력에 힘입어 전기차 시장은 많은 변화를 겪고 있다. 많은 자동차 제조업체들이 앞으로 10년에서 15년 내에 전체 차량의 전기차화를 약속하는 등 전력투구하고 있으며, TI 역시 오늘날 전기차 혁명의 중심에 있다.

이러한 대내외적 상황에도 불구하고 TI는 변곡점에 서 있다. 운전자들이 마일당 에너지 비용 감소와 전기차가 제공할 수 있는 ‘펀 드라이빙’ 경험을 원함에 따라 전기차는 주류로 인정받기 위한 중요한 과정을 거쳤다. 하지만 현재 전기차는 내연 기관 차량에 비해 더 비싸다. 또한 이전부터 문제였던 충전인프라 부족, 충전당 짧은 주행 거리, 배터리 완충에 걸리는 긴 충전 시간을 고려할 때 주행거리 불안을 둘러싼 운전자의 심리적 장벽도 있다.

모든 전기차의 중심에는 그림 1과 같이 트랙션 인버터, 온보드 충전기, 고전압 DC/DC 컨버터와 같은 파워 일렉트로닉스 시스템이 있다. 이러한 시스템의 성능은 전기차의 주행 성능, 비용, 주행 거리, 충전 시간에 직접적인 영향을 미치기 때문에 향후 전기차의 도입 가속화와 성공을 정의하는 데 도움이 될 것이다. 이 시스템에 대한 성능 개선 요구는 실시간 제어와 고급 컴퓨팅 측면에서 마이크로컨트롤러(MCU)에 대한 성능 개선 요구로 바로 연결된다.

TI가 새로 선보이는 고성능 Sitara AM263 MCU는 Sitara MCU 제품군에 가장 최근 추가된 것으로, 고객이 전기차 이면의 처리 기술을 발전시키는 데 도움이 될 수 있다. Sitara AM263 MCU는 C2000 MCU에서 시작된 실시간 제어 서브시스템과 Sitara 멀티코어 Arm® 아키텍처를 결합하여 모터 및 디지털 전력 제어 적용분야에 필요한 동적 성능 요구사항을 충족하는 Sitara MCU 포트폴리오의 첫 번째 디바이스다.

AM263 MCU 제품군은 실시간 제어와 3,000개 이상의 Dhrystone DMIPS(million-instructions-per-second) 컴퓨팅 성능을 결합하여 모터와 기계식 인클로저의 크기와 무게는 물론 시스템 비용을 줄이고 주행 거리를 늘리고 전기차 가격 안정화에 도움을 줄 수 있다.

AM263 MCU 제품군은 자연히 C2000 실시간 MCU의 이점을 활용, 확장하여 전기차 파워트레인 적용분야에 다음과 같은 다양한 옵션을 제공한다. 

• 트랙션 인버터의 경우, AM263 MCU는 모터 속도를 30,000rpm 이상으로 증가시켜 모터 크기를 많게는 36%까지 줄이고 주행 거리를 15%까지 늘릴 수 있다.

• MCU가 1MH 이상의 높은 스위칭 주파수에서 실행되므로 탄화규소(SiC)와 질화갈륨(GaN) 같은 와이드밴드갭(WBG) 기술의 사용 가능성을 열어주어 전력 밀도와 효율을 높이고 주행 거리를 늘릴 수 있다.

• 코어와 주변기기가 늘어나면 여러 기능을 통합할 수 있고 시스템과 기계식 인클로저 모두 전계효과 트랜지스터(FET) 수를 줄여 인클로저와 자기장치의 비용과 무게가 크게 감소한다.

• AM263 제품군은 시스템 BOM 비용을 절감할 수 있도록 최대 ASIL(Automotive Safety Integrity Level) D 레벨, EVITA(E-Safety Vehicle Intrusion Protected Applications) 하드웨어 보안 모듈 풀 버전, AUTOSAR(Automotive Open System Architecture) 지원, 통신 주변기기를 가능하게 하는 기능 안전 사양을 탑재하고 있다.

전기차와 재생에너지를 사용하려면 그림 2와 같이 대규모 충전 인프라와 에너지 저장 시스템이 필요하다. 이 시스템이 주유소만큼 보편화되고 빨라지려면 효율이 높아져야 하고 더 많은 전력이 필요하다. 이 시스템의 기본 개념은 전력 변환이다. 전력 변환은 충전소에서 그리드(전력망)와 차량 간, 차량과 그리드 간의 에너지 전달을 가능하게 한다. 그리고 에너지 저장 시스템의 전력 변환은 수요가 낮을 때는 배터리에 에너지를 저장하고 수요가 높거나 재생 에너지원이 생성되지 않을 때는 그리드에 전달한다. AM263 제품군에 통합된 실시간 제어 서브시스템은 전력 변환 산업의 미래를 선도하는 데 필요한 정밀성을 제공한다. 

예를 들어 AM263 MCU 제품군을 사용하면 다음을 달성할 수 있다.

• 충전 시간 단축. 더 높은 수준의 스위칭 주파수, 더 높은 인버터 효율(99%), 더 적은 전력 손실을 달성하는 AM263x는 더 빠르고 더 높은 전력 변환을 실현하는 데 도움이 된다.

• 전력망 호환을 위한 출력 전력 품질 향상. 고급 아날로그 제어 주변기기를 통해 태양광 인버터에서 지연 시간을 줄이고 총 고조파 왜곡(THD)을 낮추고 출력 전력 품질을 높일 수 있도록 정밀성을 강화할 수 있다.

• 시스템 크기 및 비용 감소. 다중 Arm® 코어는 복잡한 제어 토폴로지를 가능하게 하고 기능을 통합하여 시스템 크기와 BOM 비용을 줄여준다.

우리 주변 세상은 변화하고 있다. 친환경 차량과 재생 에너지원에 대한 환경 및 규제 강화 등의 대내외적 요건으로 전기차 생산이 가속화되고 있지만 전기차의 광범위한 도입을 위해서는 경제성, 효율성, 성능 향상이 전제되어야 한다. TI의 AM2634-Q1 및 AM2634 디바이스를 포함한 Sitara AM263 MCU는 이러한 차세대 아키텍처의 요구를 충족하는 데 도움이 된다. 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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