견인 배터리로 전기 오프 하이웨이 차량의 저전력 네트워크를 구동하는 방법

주요 자동차 제조업체들이 출시하는 전기 차량(EV)에 전 세계가 매료되고 있습니다. 어느 정도는 잘 만든 광고 덕분이기도 하지만, 자동차가 현대 공학의 인상적인 사례이기 때문이기도 합니다. 전 세계적으로 수많은 전기차들이 보이지 않는 곳에서 묵묵히 자신의 본분을 다하고 있습니다.

오프 하이웨이 차량(OHV)은 창고, 공장, 공항, 부두 등 상품, 수하물, 사람을 운송해야 하는 다양한 장소에서 활발히 사용되며 세계 경제를 지탱하고 있습니다. 어두운 창고의 구석에서 먼지투성이로 작동하는 전기 지게차는 고속도로를 질주하는 매끈하고 날렵한 EV만큼 화려하지는 않지만, 그에 못지않게 중요한 역할을 수행합니다(그림 1). 또한 OHV의 설계 과제는 도로 주행 차량을 개발할 때의 과제만큼이나 까다롭습니다.

그림 1: 지게차와 같은 전기 OHV는 몇 가지 어려운 설계 과제를 안고 있습니다. (이미지 출처: Komatsu)

여러 옵션의 필요성

도로 주행 EV 부문의 주요 트렌드는 400V 견인 배터리에서 800V 시스템으로 전환하는 것입니다. 전압이 높을수록 견인 모터에 동일한 전력 출력을 내기 위해 필요한 전류가 줄어들므로 이는 엔지니어링 측면에서 합리적인 결정입니다. 또한, 소비 전력이 감소되어 더 가벼운 케이블과 더 작은 모터를 사용하면서도 성능을 유지할 수 있습니다. 더 높은 전압 분리 요구 사항과 같은 몇 가지 트레이드 오프가 있지만 전반적으로는 800V로 전환하는 것이 좋습니다.

800V 전력은 사람 4명이 고속도로에서 수백 킬로미터를 이동하는 데는 적합하지만, 하루에 몇 시간씩 창고를 돌아다니는 전기 지게차나 여행객의 짐을 운반하는 수하물 카트에는 거의 필요하지 않습니다. 소형차에서 공칭 800V 배터리를 구성하는 200개의 리튬 이온(Li-ion) 전지를 위한 공간을 확보하는 것은 다소 어려운 일이므로 전기 OHV 설계자에게는 희소식입니다.

대신 전기 OHV는 더 작은 견인 배터리를 사용합니다. OHV의 일반적인 견인 전압은 응용 분야에 따라 24V, 36V, 48V 80V, 96V, 120V입니다. 차량마다 견인 전압은 다를 수 있지만 대부분의 OHV는 공통적으로 12V 저전압 네트워크를 사용하여 조명, 앞 유리 와이퍼, 혼, 환기 팬과 같은 장치를 구동합니다.

12V 배터리 제거

도로 주행 EV는 일반적으로 기존의 12V 납축 배터리를 사용해 저전압 네트워크를 구동하지만, 48V 배터리도 인기를 얻고 있습니다. 48V 배터리를 사용하면 고전압 견인 측면을 저전압 네트워크에서 물리적으로 분리할 수 있으므로 합리적입니다. 또한 저전압 배터리는 회생 제동을 통해 충전되므로 전기 스티어링이나 열선 시트와 같은 보조 기능은 견인 배터리의 전력을 직접 소비할 필요가 없어 주행 가능 거리에 영향을 미치지 않습니다.

OHV에 12V 배터리를 추가하는 것은 가능하지만 대부분의 경우 최선의 선택은 아닙니다. 배터리는 공간을 차지하고 무게, 비용, 복잡성을 높이며, 결정적으로 OHV 응용 분야에서는 회생 제동이 미미한 경우가 많습니다. 대부분의 경우 설계자는 저전압 네트워크를 구동하기 위해 OHV의 견인 배터리에서 직접 전력을 끌어오는 방식을 선택합니다. 또한 OHV는 도로 주행 EV에 비해 전압 범위는 문제가 되지 않기 때문에 견인 배터리의 전력 소모도 크게 걱정하지 않아도 됩니다.

OHV의 견인 배터리 전압이 낮다는 것은 견인과 저전력 회로 간 분리 규정이 덜 엄격하다는 뜻이기도 합니다.

견고한 DC-DC 모듈이 적합한 솔루션

견인 배터리로 저전압 네트워크를 구동하려면 전압을 12V로 낮출 수 있도록 DC-DC 컨버터가 필요합니다. 컨버터는 견인 배터리의 소모를 최소화하고 열 관리 문제를 완화할 수 있도록 효율적이어야 하며, 소형 OHV의 공간에 맞도록 충분히 콤팩트하고, 까다로운 조건에서도 안정적으로 작동할 수 있도록 충분히 견고해야 합니다.

RECOM의 기성 RMOD 계열 전력 모듈이 적합합니다(그림 2). 이 모듈은 차량의 견인 배터리에서 저전압을 생성하도록 설계되었으며 400W 및 600W 출력 버전으로 제공됩니다. 이 모듈은 IP69K 등급 방수/방진 기능을 갖추었으며, 온도 순환, 충격 및 내구성, 습도/열 순환, 진동, 기계적 충격 및 염수 분무 내성에 관한 EN60068 인증을 받았습니다. 또한 2.5kV DC로 분리되어 있고 IEC/EN/UL/CSA 62368-1 인증을 받았습니다.

그림 2: RECOM의 RMOD DC-DC 모듈은 견인 배터리로 저전압 네트워크를 구동하는 견고한 솔루션입니다. (이미지 출처: RECOM)

400W 라인의 RMOD400-28-13SW 모듈은 16.8V ~ 56V의 DC 입력 전압을 수용하고 13V에서 30.8A를 출력할 수 있습니다. 크기는 8인치 x 4.53인치 x 2.4인치이며 효율은 85%입니다. 그림 3은 다양한 전압에서 RMOD400-28-13SW 모듈의 효율성 곡선을 보여줍니다. 24V 출력 버전(RMOD400-60-24SW)도 제공됩니다.

그림 3: 다양한 입력 전압에서 RMOD400-28-13SW DC-DC 모듈의 효율성 곡선을 보여줍니다. (이미지 출처: RECOM)

600W RMOD600-80-13SEW는 DC 입력 전압 범위가 33.6V ~ 125V이며 13V에서 46.2A를 출력합니다. 이 모듈은 400W 버전과 크기와 효율성이 동일합니다. 그림 4에서는 모듈의 소비 전력과 부하를 비교하여 보여줍니다. 이 모듈은 높은 출력 부하에서 온도를 조절할 수 있도록 적절한 열 관리가 필요합니다.

그림 4: RMOD600-80-13SEW DC-DC 모듈의 소비 전력 곡선을 보여줍니다. (이미지 출처: RECOM)

방열

방수 및 방진 하우징 구조 덕분에 이 장치는 OHV의 섀시에 연결하여 매우 열악한 조건에서도 안정적으로 작동할 수 있습니다. 모듈을 열 패드에 실장한 다음 방열판 역할을 할 수 있는 섀시 부재에 실장해야 합니다. 냉각 성능이 바닥판 온도를 70°C 미만으로 유지하기에 충분한 경우 이 모듈을 밀폐된 응용 분야에서 최대 부하로 사용할 수 있습니다.

정격 출력 전압이 동일한 경우 여러 모듈을 병렬로 작동할 수 있습니다. 하지만 유효 전류 분배 기능이 없으므로 설계자는 병렬로 연결된 장치가 총 부하 전류에 기여하는 전류는 각각 다를 수 있다는 것을 알고 있어야 합니다(그림 5).

그림 5: 정격 출력 전압이 동일한 경우 RECOM RMOD DC-DC 컨버터를 병렬로 작동할 수 있습니다. (이미지 출처: RECOM)

결론

OHV 설계자는 차량의 보조 시스템에 사용되는 저전압 네트워크를 견인 배터리로 구동하여 추가적인 저전압 배터리를 사용하지 않을 수 있습니다. RECOM의 RMOD DC-DC 모듈은 이 목적을 위해 특별히 고안된 플러그 앤 플레이 솔루션을 제공합니다. 또한 다양한 견인 배터리 전압 입력을 수용하는 동시에 보조 시스템을 위한 조정된 저리플 13V 출력을 제공합니다.