48V DC-DC 조정기를 병렬로 사용하여 자율 차량의 전력 증가

능동 서스펜션, 스티어링, 실내 온도 조절 장치, 전동 시트 및 파워 윈도우, 고급 인포테인먼트를 비롯한 전기 시스템의 수가 증가함에 따라 충족할 수 없는 전력 수요에 의해 자동차의 공급 레일이 12V에서 48V로 전환되고 있습니다. 48V 전력은 많은 에너지를 효율적으로 공급하면서, 12V 기반의 시스템에 대한 엄격한 안전 및 성능 표준을 충족하는 데 필요할 수 있는 비용이 많이 드는 부품 및 무거운 배선을 제거하는 가장 좋은 지점입니다.

또한, 내연 기관(ICE) 차량이 전기 차량(EV)으로 대체됨에 따라 48V 시스템의 도입이 가속화되고 있습니다. EV는 바퀴를 회전시키기 위해 400V 또는 심지어 800V 시스템을 사용하지만, 제조업체(예: Tesla의 CyberTruck)는 차량의 나머지 전기 시스템에 대한 표준으로 48V를 통합하는 완전히 새로운 차량을 설계하는 기회를 잡았습니다(그림 1).

그림 1: 미래의 차량은 운전자 조종석과 같은 시스템에 48V를 점점 더 많이 사용할 것입니다. (이미지 출처: Vicor)

전력 증가 및 저항 손실 감소

그런데 이미 완성되고 인증된 12V 기술에서 전환하는 이유는 무엇일까요? 어쨌든, 12V 기술은 수십 년 동안 훌륭히 역할을 수행했고, 여전히 검증된 제품을 갖춘 거대한 부품 공급망을 보유하고 있습니다. 이에 대해 간단히 답하자면 과거의 일반 차량은 실내 조명, 라디오 및 담배 라이터(과거에는 자동차에 담배 라이터가 내장되어 있었습니다)를 위한 전기가 필요했고, 전자 스티어링, GPS 및 열선 시트는 자동차 설계자들의 희망 사항이었다는 것입니다. 표준 12V 이상의 추가 전력은 필요하지 않았습니다. 게다가, 납축 배터리는 전지당 약 2V를 제공하므로 표준 6전지 배터리는 매우 기본적이고 저렴한 전압 조정을 통해 필요한 12V를 공급했습니다.

그러나 과거의 자동차 설계자들의 판타지가 오늘날 실현되었으며 CV, 소프트하이브리드, 하이브리드 EV(HEV) 또는 EV를 비롯한 모든 유형의 차량에서 추가적인 전력을 요구합니다. 간단한 방정식 전력(P)(와트) = 볼트 x 전류(암페어, A)를 통해, 볼트나 전류(또는 둘 모두를 약간)를 높이면 더 많은 전력을 얻을 수 있음을 알 수 있습니다. 또한, 다른 방정식 P = A² x 저항(옴, Ω)을 통해 단순히 전류를 증가시켜 전력 이득을 달성할 경우 저항 손실이 크게 증가하고 많은 열 관리 문제가 추가됨을 알 수 있습니다.

동일한 전류에서 더 많은 전력을 얻으려면 전압을 올리는 것이 좋습니다. 예를 들어, 12V 공급 장치에서 75W가 필요하다고 간주하겠습니다. 이를 달성하려면 75/12 = 6.25A의 전류가 필요합니다. 그러나 공급 전압을 48V로 올릴 경우 75/48 = 1.6A의 전류에서 동일한 전력을 제공할 수 있습니다. 전류가 75% 감소한다는 것은 자동차 설계자가 더 가벼운 배선을 사용하여 무게를 절약하고 비용을 낮출 수 있음을 의미합니다(그림 2).

그림 2: 주요 시스템에 대해 48V 전력으로 전환하면 자동차 설계자가 배선 하네스의 무게 및 비용을 줄일 수 있습니다. (이미지 출처: Vicor)

자동차 분야를 넘어서는 48V 전력

48V 버스의 이점을 활용할 수 있는 차륜 시스템은 자동차뿐만이 아닙니다. 예를 들어, 창고 로봇, 휠체어, 포크리프트, 라스트마일 자율 배송 차량은 48V 전력을 이용합니다(그림 3). 자동차 예와 달리, 이러한 차량은 주로 48V 공급 장치를 사용하여 견인 전동기에 전력을 공급합니다. 온열 시트 또는 창고 로봇의 인포테이먼트의 경우에는 그다지 필요하지 않습니다.

그림 3: 견인 전동기의 48V 전력 덕분에 라스트마일 자율 배송 차량은 목적지에 더 빠르게 더 효율적으로 도착할 수 있습니다. (이미지 출처: Vicor)

이러한 제품 범주에 대해 여러 전지로 구성된 48V 리튬이온(Li-on) 배터리가 12V 납축 배터리를 대체하고 있습니다. 엔지니어는 이러한 배터리가 공칭 48V를 제공하지만 방전 시에는 전압이 떨어진다는 것을 알고 있습니다. 즉, 배터리의 에너지가 떨어질 경우 전압을 안정적으로 유지하려면 효율적인 조정이 필요합니다.

Vicor는 이러한 유형의 응용 분야에 적합한 옵션인 분리형(최대 3000V DC(V_DC)), 조정 DC-DC 컨버터 라인을 제공합니다. 예를 들어, 14V ~ 72V 입력에서 DCM2322T72S53A0T60 컨버터는 100W의 전력 출력에 대해 최대 2.1A에서 48V 조정 출력을 제공합니다. 이 컨버터는 90.1%의 효율에 도달하는 고주파, 제로 전압 스위칭(ZVS) 토폴로지를 갖추고 있어 냉각 상태를 유지하고 배터리 수명을 연장하면서 401W/in³의 높은 전력 밀도를 제공합니다.

전력 부스트

DCM2322T72S53A0T60은 효율적인 조정기이지만, 특정 작동 모드에 대해 응용 제품이 100W 이상을 요구할 수도 있습니다(예: 전동 휠체어가 언덕을 올라가는 경우). 한 가지 옵션은 전력 출력이 더 높은 48V DC-DC 조정기를 지정하는 것입니다. 예를 들어, DCM2322TA5N53A2M60은 48V 기준(43V ~ 154V 공급 장치)에서 최대 120W를 제공합니다. 단일의 고전력 조정기를 사용할 경우의 상충점은 일반적으로 피크 효율이 일부 손실되고 열 관리가 더욱 어려워진다는 것입니다.

또한, DCM2322T72S53A0T60은 여러 개의 모듈로 손쉽게 배치하여 전력 출력을 증가시킬 수 있습니다. 최대 8개 장치로 구성된 어레이는 최대 80W의 용량이 인증되었습니다. 다행인 것은 어레이의 최대 출력이 개별 모듈의 최대 전력의 합이라는 점입니다. 어레이 토폴로지에 의해 어떠한 부하 경감도 발생하지 않습니다. 더 좋은 점은 필요한 경우 어레이의 각 모듈이 서로 다른 입력 전압 공급 장치에서 작동할 수 있으며 동시에 48V에서 최대 100W를 제공할 수 있다는 것입니다.

어레이 모드로 DCM2322 모듈을 사용할 경우 한가지 설계 상충점은 병렬 작동을 용이하게 하기 위해 감결합 네트워크가 필요하다는 것입니다. 실제로, 각 DCM2322에는 출력이 공통 버스에 공급되기 전에 출력 커패시터가 필요함을 의미합니다. 각 DCM2322에는 또한 별도의 입력 필터가 필요하며, 이는 모든 모듈이 동일한 입력 전압 소스를 공유하는 경우에도 마찬가지입니다. 필터의 역할은 각 모듈에서 반사된 리플 전류를 제한할 뿐만 아니라, 여러 전동 장치 입력 단계가 직접 상호 작동할 수 있는 경우 발생할 수 있는 비트 주파수 전류의 생성을 억제하는 데 도움을 주는 것입니다.

그림 4: DCM2322 DC-DC 조정 전압 컨버터는 최대 800와트를 제공하도록 배열될 수 있습니다. 회로도는 효율적이고 조용한 작동에 필요한 입력 필터와 감결합 네트워크를 보여줍니다. (이미지 출처: Vicor)

결론

12V 전력을 48V로 전환하면 창고 로봇, 전동 휠체어, 자율 라스트마일 배송 차량과 같은 응용 분야에 주요한 시스템 이점이 제공됩니다. 이러한 이점에는 더 가볍고 저렴한 배선 하네스를 사용할 수 있도록 전류를 낮게 유지하는 것이 포함됩니다.

그러나 이러한 최종 제품의 정교함이 증가함에 따라 전력 수요도 증가합니다. Vicor의 여러 고전력 밀도, 조정 DC-DC 전압 컨버터를 병렬로 사용하여 이에 따라 전력 시스템을 확장할 수 있습니다. 이런 방식으로 48V 시스템에서 최대 800W 이상을 공급할 수 있습니다.