자동차 전기화 추세

기존의 기계식 구동 시스템을 전기 부품 및 시스템으로 대체하는 전기화를 통해 자동차 산업이 진화하면서, 내연 기관부터 마일드 하이브리드, 완전 전기식 아키텍처에 이르기까지 오늘날의 차량 설계가 근본적으로 바뀌고 있습니다.

기차의 전기화는 수년간 점진적으로 이루어져 왔습니다. (이미지 출처: Getty Images)

카뷰레터와 단순한 배기 시스템에서 정밀 연료 분사 장치, 배기 시스템, 견인 및 제동 제어 시스템으로 발전한 것처럼, 전기화 분야에서도 전기 모터용 새로운 아키텍처, 배터리 팩 부품, 고급 전력 전자 장치 등 유사한 발전이 이루어졌습니다. 이러한 발전이 융합되면서 엔지니어들은 최상의 효율성, 신뢰성, 안전성을 위해 차량을 어떻게 설계하고 구동할지 다시 생각해 보게 되었습니다.

전자 산업을 선도하는 두 기업의 전문가들인 Molex의 비즈니스 개발 책임자 Matt McWhinney 및 Kirk Ulery와 DigiKey의 기술 마케팅 관리자 Shawn Luke가 이러한 전기화 추세의 현황과 자동차 산업의 미래를 위한 핵심 고려 사항을 조명합니다.

차량 모델 생태계의 현황

EV와 하이브리드 차량에 대한 높은 관심과 수요가 계속 증가하고 있지만, 최근 수개월간 시장 상황과 공공 정책 등 다양한 요인으로 인해 신규 EV 판매는 둔화 양상을 보이고 있습니다. 업계 전문가들은 비용 부담과 미국 내 제한적인 충전 인프라를 두 가지 주요 원인으로 지적하고 있습니다.

Ulery는 “북미 지역에서는 전기화가 순탄치 않아 시행착오를 겪고 있습니다.”라고 언급합니다. “한 번에 100마일 이상을 주행한다면, 충전 인프라 문제를 해결해야 한다는 사실을 알 수 있죠.”

반면에 하이브리드 차량은 EV 판매를 앞지르고 있습니다. Edmunds 데이터에 따르면, 미국에서 하이브리드 구매량은 2023년에 가장 크게 증가했으며, 2022년의 75만 대를 넘어 2023년에는 100만 대를 돌파했습니다.

새롭게 떠오르는 다른 분야는 배터리 구동 전기 모터를 사용하여 가솔린이나 디젤 연료 사용을 보완하는 마일드 하이브리드입니다. 대부분의 마일드 하이브리드는 기존 내연 기관 차량의 전기 시스템보다 높은 48V 전기 시스템으로 구동됩니다. 48V 시스템은 엔진에 의존하지 않는 부품에 전력을 공급해 운영 효율성을 높입니다.

자동차 설계 분야의 빠른 혁신에도 불구하고, 가솔린 구동 차량이 여전히 도로의 대부분을 차지합니다. Edmunds의 연구에 따르면, 오늘날 미국에서 판매되는 신차의 82%가 가솔린을 사용합니다. 하지만 전통적인 차량부터 최첨단 기술이 적용된 전기차 모델까지 전기화 추세는 이미 본격적으로 진행되고 있습니다.

엔진룸의 전기화

Ulery는 “우리는 전기화의 급속한 확산을 일관되게 목격하고 있습니다. 다양한 이유로 인해, 특히 효율성을 높이기 위해 모든 차량의 기계 시스템이 전기화되고 있습니다.”라고 말합니다.

한 예로 차량이 정지하면 엔진이 꺼지고, 브레이크에서 발을 떼거나 가속 페달을 밟으면 자동으로 재시동되는 정지-시동 기술이 있습니다. 이 기능은 일부 부품에 추가적인 부담을 줄 수 있지만, 연비 개선과 온실가스 배출 감소를 목표로 합니다.

엔진룸 전기화의 다른 예로는 라디에이터 팬, 파워 스티어링, HVAC 시스템, 냉각 펌프 등이 있습니다. 이러한 모든 시스템은 과거 내연 기관(ICE)에서 벨트로 구동되었습니다. 전기 워터 펌프는 더 효율적인 성능을 위해 기계식 라디에이터 펌프를 대체하고 있으며, 전기식 냉각을 통한 정밀 제어로 이러한 부품의 수명을 연장할 수 있습니다. 확장된 배터리 관리 시스템이 있다면, 차량 전체에 냉각수를 순환시켜 배터리 팩, 전기 모터 및 전력 전자 장치의 온도를 조절하기도 합니다.

파워 스티어링 펌프와 같은 전동식 모듈로 전환하면 시스템이 더 이상 엔진에 의존하지 않게 되어 기생 부하를 줄이고 가용 마력을 높입니다. 따라서 자동차 제조업체는 일부 차량에 더 작은 엔진을 장착하면서도 동등한 주행 성능을 유지하고 효율성 향상과 배출가스 저감을 동시에 실현할 수 있습니다.

“전기화는 혁신적인 차량 설계의 새로운 지평을 열었습니다.”라고 Luke는 평가합니다. “전통적인 내연 기관의 ‘벨트 구동 아키텍처’에 대한 제약에서 벗어남으로써, 자동차 제조업체는 배터리와 충전 포트를 유연하게 배치하여, 승객 또는 화물 공간을 확장할 수 있게 되었습니다.”

종합적으로, 전기화 추세는 전통적인 기계식 시스템을 더욱 효율적인 정밀 전기 제어 시스템으로 대체하고 있습니다. 소프트웨어 제어 기술의 발전과 결합되어, 현대의 차량들은 보다 깨끗하고 에너지 효율적이며 승용차와 상용 차량 운전자 모두에게 성능과 지속 가능성을 제공하고 있습니다.

차량 배터리 기술의 발전

지난 10년 동안 차량 제조업체는 12V에서 24V(특히 상용 차량에 주로 사용) 등 더 높은 전압으로 전환했으며, 현재는 48V 배터리로 전환하여 전력 성능 향상, 차량 중량 경감, 가속 성능 개선 및 연료 절감을 실현하고 있습니다.

EV를 48V로 충전하려면 더 안전하고 신뢰할 수 있는 충전 스테이션 전력 성능이 필요합니다. (이미지 출처: Getty Images)

미국과 유럽에서는 법률을 통해 신규 제작 차량의 배출가스 저감을 위한 제도적 기반을 마련해 왔습니다. 규제와 시장 요인이 복합적으로 작용하여 통합 스타터 생성기를 비롯한 마일드 하이브리드 아키텍처로의 전환 가속화를 뒷받침하고 있습니다. 48V 시스템은 마일드 하이브리드에서 성장세를 보이고 있을 뿐만 아니라 더 많은 ICE 플랫폼에서도 적용될 것으로 예상됩니다.

48V 아키텍처로의 전환은 단순히 시스템 전압을 높이는 것 이상의 의미를 갖습니다. 전기적 기반의 변화도 수반됩니다. 풍부한 기능을 갖춘 고성능 차량에서는 고밀도 모델과 동등한 전기 효율을 제공하면서도 더 가볍고 작은 부품이 사용됩니다.

Ulery는 “12V와 48V 시스템의 공통점은 전통적인 기계식 기능을 서펜타인 벨트에서 일련의 전기 모터로 전환하고 있다는 점입니다.”라고 설명합니다. 그는 기계적 에너지를 파워 스티어링에 사용하는 중대형 픽업 트럭의 예를 들었습니다. 많은 차량에서 이 기능이 전기화되고 있습니다. “파워 스티어링에 필요한 에너지의 양으로 인해 엔진의 마력이 감소하므로, 이를 별도의 전기 시스템으로 이전함으로써 운전자는 구동계를 통해 더 많은 동력을 확보할 수 있습니다.”

자동차 산업의 고전압 시스템으로의 전환은 설계 및 제조 공정에 미치는 영향이 크기 때문에 점진적으로 진행되고 있습니다. 각 제조업체의 전환은 제품군, 기술적 성숙도, 고객 요구 사항에 따라 서로 다른 일정으로 진행됩니다. 또한, 모든 제조업체는 다음을 비롯하여 사용할 기술과 관련된 표준 및 설계 사례를 준수해야 합니다.

• ISO 21780은 48V 공칭 전압으로 작동하는 전기 시스템이 탑재된 도로 차량의 전기 및 전자 부품에 대한 요구 사항 및 테스트를 규정합니다.
• VDA 권고안 320은 ZVEI 독일 전기전자 제조업체 협회에 의해 발행 및 관리됩니다. 이 권고안은 48V 전원 공급 장치를 개발하기 위해 자동차의 전기 및 전자 부품에 적용되는 다양한 사양 및 테스트 요구 사항을 포괄합니다.

48V 아키텍처의 성공을 위해 스마트 배터리 관리 표준을 준수해야 합니다. 자동차 제조업체는 적절한 설계 공정에 따라 비효율적인 전력 저장, 비용 증가, 운전자에 대한 잠재적 안전 위험을 방지할 수 있습니다.

안전을 최우선으로 생각하는 상호 연결 기본 원칙

차량에서 점점 더 정교해지는 전기 기능을 지원하기 위해 어느 때보다 더 많은 전력이 필요함에 따라, 신뢰할 수 있는 48V 시스템용 커넥터 설계에서는 차량의 성능 및 안전 표준을 준수하기 위해 여러 기본 요소에 의존합니다.

McWhinney는 “전자 장치와 인프라, 즉 차량 지원을 위해 상호 연결되는 시스템을 확보하는 것이 안전의 필수 요건입니다.”라고 말합니다.

48V 시스템은 12V보다 높은 전압에서 작동하므로, 안전하고 신뢰할 수 있는 성능을 위해 커넥터와 전기 시스템을 내구성이 뛰어난 재료로 제작하고 적절하게 절연 처리해야 합니다. 전압이 48V를 초과할 경우 이는 더욱 중요해집니다.

커넥터 고장은 차량 시스템의 오작동이나 안전 위험을 초래할 수 있습니다. 연결 끊김을 방지하기 위해 커넥터에는 잠금 메커니즘과 스트레인 완화 기능이 포함되어야 하며, 정기 검사와 유지보수 점검이 필요합니다.

“전기 시스템의 안전성과 모니터링 관리가 그 어느 때보다도 중요한 시점입니다.”라고 McWhinney는 말합니다.

고전압 응용 분야에서는 신호 품질을 유지하는 것이 매우 중요합니다. 신호 무결성이 저하되면 오작동을 일으킬 수 있으므로, 커넥터는 차폐 케이블, 적절한 접지, 전략적인 배치를 통해 신호 손실 및 간섭을 최소화해야 합니다. 이러한 고려 사항을 해결하려면 혁신과 전문성이 필요하며, 여기서 고급 커넥터 솔루션이 중요한 역할을 할 수 있습니다.

“정말 기본적인 것처럼 인식되지만, 특히 안전 측면에서 볼 때 자동차 설계에서 상호 연결이 갖는 중요성이 과소 평가되고 있습니다.”라고 Luke는 부연합니다.

변화하는 부품 환경과 인증에 대응

안전 요구 사항 준수는 최우선 과제이지만, McWhinney는 차량 전기 시스템 요구 사항의 지속적인 변화가 추가적인 과제라고 지적하며, 이로 인해 제조업체들이 커넥터 및 기타 부품을 지속적으로 수정해야 하는 상황이라고 설명합니다.

제조업체는 성능 요구 사항을 추적하고 자동차 산업에서의 안전한 사용을 위해 승인된 부품을 신중히 검토 및 인증하기 위해 미국 자동차 연구 위원회(USCAR)를 항상 참고할 수 있습니다.

USCAR/LV214 또는 이와 유사한 규격에 부합하는 부품은 일반적으로 도로 환경의 열악한 조건에도 성능 저하 없이 견딜 수 있는 우수한 품질의 내구성이 뛰어나고 신뢰할 수 있는 부품입니다. 예를 들어 Molex의 MX150 커넥터 계열은 극한 환경에 노출되는 차량을 위해 설계된 부품을 제공하며, 극한의 온도, 진동 및 습기에 대한 내구성을 갖추고 있습니다.

사이버트럭의 Molex 커넥터 사진입니다. (이미지 출처: Molex)

Luke는 “차량 설계 부문에서 혁신의 기회가 증가함에 따라, 많은 차량 제조업체들이 전기화 방안을 모색하고 있습니다. 초고속 혁신 주기로 인해 이 분야에는 표준화된 플랫폼이 거의 존재하지 않습니다. 하지만 다양성의 증가는 소비자에게 더 많은 선택권을 제공하며, 기술이 발전하고 생산량이 증가함에 따라 차량의 원가도 감소할 것으로 전망됩니다.”라고 분석합니다.

상용 차량의 고려 사항

승용차에 대해 많은 논의가 있었지만, 이 기사에서 논의된 모든 내용은 상용 차량(CV) 분야에서 훨씬 더 오래전부터 진행되어 왔습니다. 상용 차량은 디젤 엔진과 일부 전기 시스템을 구동하기 위해 12V 시스템에서 24V 시스템으로 빠르게 전환되었으며, 이를 통해 과거에는 더 작은 스타터를 적용할 수 있었습니다. 특히 버스, 건설 및 농업 차량, 중대형 트럭 등에서 CV 분야의 전기 HVAC 시스템은 오래전부터 사용되어 왔습니다.

상용 차량은 일반적으로 소유주/운영자의 수익 창출을 지원하기 위해 신뢰성 있게 작동해야 합니다. CV의 신뢰할 수 있는 작동 요구 사항은 일반적으로 승용차보다 엄격하므로 추가적인 밀봉 및 내구성이 필요합니다.

승용차 또는 상용 차량 설계를 불문하고, 오늘날의 엔지니어들은 소비자 및 상업적 요구를 충족하면서 고도로 효율적이며 내구성과 안전성이 뛰어난 복잡하고 전력 소비가 많은 다양한 시스템과 기능들을 고려해야 합니다. 다행히, 기술 제조업체들은 이러한 혁신 과제를 해결하기 위한 기술 개발에 도전할 준비가 되어 있습니다.

자동차 엔지니어들이 교통의 미래를 혁신하는 동안, Molex와 같은 제조업체와 DigiKey와 같은 유통업체는 이 혁신의 물결에 동참하여 고품질 부품, 서비스 및 전문 지식을 제공함으로써 이 변화를 가능하게 만들고 있습니다.