하이브리드 전기차와 전기차(HEV/EV) 시장이 점점 커지면서 효율적이고 똑똑한 모터 위치 제어의 필요성이 더욱 더 중요해지고 있다. 오늘날의 제조업체들은 그 어느 때보다도 전기 모터의 기능(예를 들면 토크 제어) 강화와 시스템의 상태 진단을 바탕으로 한 높은 레벨의 시스템 가시성 유지에도 주력하고 있다. 이러한 목적을 달성하기 위해서는 모터 위치 제어에 통합된 솔루션들, 특히 모터 효율과 토크 제어를 다루는 솔루션들이 필수적이다.

전 세계적으로 에너지 효율적인 운송수단에 대한 수요가 증가하면서, HEV/EV가 그 중심에 서게 될 것으로 보인다. 전기차 및 하이브리드차 시장의 잠재력과 성장을 이해하기 위해서는 이들이 어떤 타입의 차량인지부터 알아야 한다. ‘2007년부터 2021년까지 하이브리드 전기차 시스템의 수요 전망’이라는 보고서의 전략 분석[1]은 HEV/EV 상위 개념 하에 각각의 차량을 다음과 같은 네 개의 카테고리 중 하나로 분류한다.

① 마일드 하이브리드

② 풀 하이브리드

③ 플러그인 하이브리드

④ 퓨어 전기

이러한 각각의 분류는 차량 전기 모터의 전력량과 그 모터가 시스템 내에서 정확히 무엇을 담당하고 있는지 고려한 것이다. 예를 들어, 이 보고서의 전략 분석에서는 마일드 하이브리드를 ‘20kW 미만의 전기 모터 한 개’를 갖고 있고, ‘브레이크 회복 및 토크 어시스트를 제공하는 데 사용되며’, ‘내부 연소 엔진’을 갖고 있는 차량으로 분류한다. 마일드 하이브리드와 퓨어 EV 사이의 트레이드오프를 이해한다면, 이 분야에서 모터 위치 센서에 관한 시장을 보다 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 표 1에는 전략 분석 보고서에 규정된 시스템 카테고리들이 나와 있고, 여기서는 이 내용을 활용한다.

▲ 표 1. 전략 분석에 사용된 전기차 카테고리들

논의하고자 하는 차량의 유형들에 대해 이해했다면, HEV/EV 분야에 투자하고 있는 자동차 제조사들의 잠재적 시장에 대한 이해도를 높이기 위해 조금 더 자세히 시장을 분석해 보자. 표 1에서 알 수 있듯이, 각 차량은 어디든 한 개부터 네 개까지의 모터를 보유하게 된다(네 개의 모터는 자동차 바퀴마다 고유의 모터를 갖는다고 가정한 것이다). 각각의 모터에는 이러한 모터들을 안전하고 효율적으로 구동 및 제어할 수 있는 적절한 시스템이 필요하며, 이 시스템은 필요 수준의 토크와 모터 제어를 가능하게 할 가시성과 임상도를 필요로 한다.

모터와 그 시스템이 필요로 하는 정보를 바탕으로, 표 2(출처: 전략 분석 보고서)는 2015년부터 2021년까지 시장에 출시되는 각 차량 유형의 단위들에 대해 추정할 수 있는 그림을 제공한다.

▲ 표 2. 전략 분석에 사용된 각 차량 유형의 단위들

표 2는 HEV/EV 시장의 꾸준한 성장세와 전기 솔루션용 자동차 시장에 대한 관심을 나타내고 있다. 수요가 증가하면, 제조업체들은 차량 성능을 개선할 수 있는 방법을 모색함과 동시에 내장 진단 기능, 보호, 모니터링과 같이 스스로 진단할 수 있는 시스템의 용이성까지 늘리게 될 것이다.

이 새로운 시장의 미래에 대해 이해하기 위해서는, 자동차 제조사들이 집중하고 있는 주요 구동 요소 두 가지를 먼저 이해해야 한다. 첫째, 차량들은 전기 모터 드라이브(인버터)에 대해 정밀하고 정확하게 모터를 제어할 수 있어야 한다. 둘째, 디바이스 레벨에서 이 시스템의 통합성은 HEV/EV 시장에 더 작고 똑똑하며 비용 효과적인 솔루션을 내놓아야 한다.

정밀하고 정확한 모터 제어

전기차든 아니든, 모든 차량에 있어서 차량을 추진하는 데 필요한 전력 트레인의 중심에는 모터가 있다. 특히 전기차는 이들 모터의 각도와 속도 데이터를 비롯한 위치 정보를 필요로 한다. 이러한 정보들이 있어야 모터 제어 시스템이 효율적으로 정밀하게 움직일 수 있다.

인버터가 수집한 이 데이터는 모터 위상 각각에서 흐르는 전류를 제어, 감시하는 데 능동적으로 사용된다. 그리고 모터 전류를 제어하고 조절하는 프로세스는 모터의 토크를 생성하는 데 사용된다.

전기차의 토크 제어는 고객과 자동차 제조사에게 모두 똑같이 중요하다. 토크가 필수적인 주요 분야들은 다음과 같다.

•‌ 모터를 시동하고 경사로를 오를 때, 낮은 속도에서 높은 토크가 필요하다.

•‌ 토크 제어는 크루즈 속도가 사용된 더 높은 속도에서 높은 출력이 가능하다.

•‌ 가속 상황에 대한 빠른 토크 반응에는 정밀한 모터 제어가 필요하다.

•‌ 정밀한 모터 토크 제어를 통해 회생 브레이크에서 높은 효율이 가능하다.

전기 모터의 토크를 제어하고 파악하면 차량은 사용자를 위해 자동차 바퀴에 보다 부드러운 출력을 제공할 수 있다. 모터의 정확한 위치를 파악하는 것이 적절한 토크 제어의 핵심이다. 모터 샤프트의 정확한 위치를 알고 그 모터 데이터에 기초해 결정을 내릴 수 있는 지능 시스템이 갖춰진다면, 전기차의 제어 시스템은 운전자가 이용할 수 있는 토크를 정밀하고 정확하게 계산해 낼 수 있다. 제어가 정확할수록, 일련의 상황들에 대한 사용자의 대처도 좋아질 것이기 때문이다.

전기차 및 하이브리드차에 사용된 모터 제어 시스템에 대한 간략한 정보가 그림 1에 나타나 있다. 이 시스템이 어떻게 작동하는지 알기 위해서는, 운전자가 운전 중 변속을 결정한 상황에 대해 생각해 본다. 운전자가 가속(또는 감속)하면, 엔진/모터 제어 장치(인버터)가 자동차 배터리의 출력을 뽑아내면서 모터를 추진한다. 위치 센서(대부분 리졸버)가 모터에서 각도 정보를 읽은 후 이것을 어떤 형식으로 변환하면, 인버터 시스템의 마이크로컨트롤러는 이를 바탕으로 행동에 나설 수 있다. 이 데이터가 마이크로컨트롤러로 전송되면, 모터 제어 시스템은 모터 토크의 양을 늘리거나 줄일 수 있다. 이러한 가속 및 감속은 똑같이 처리되고, 사용자의 원래 입력 정보에 따라 적절한 양의 토크가 시스템에 전달된다.

▲ 그림 1. 엔진 제어 장치와 위치 센서가 적합한 곳

통합성

HEV/EV 드라이브 시스템에서 모터 제어의 중요성을 이해했다면, 이제는 현재 시장에서 차량 토크 제어 시스템을 강화하는 다양한 접근 방식들에 대해 알 수 있을 것이다.

모터 제어 시스템의 중심에는 인버터 보드가 있다. 인버터 보드는 전기 모터에서 수집한 정보를 읽고 이에 맞춰 동작하는 데 필요한 마이크로컨트롤러, 모터 드라이브, 센서 인터페이스를 갖고 있다. 차량 후드 아래, 모터와 근접한 곳에서 시스템의 전자장치를 찾을 수 있다. 그런데 이 보드의 위치는 하이브리드 및 전기 차량 제조사들에게 몇 가지 난제를 안겨 준다.

차량 후드 아래의 공간은 매우 협소하기 때문에 폼팩터와 풋프린트가 작은 솔루션이 필수적이다. 전자 컴포넌트 공급자들은 더 작은 솔루션을 만들기 위해, 더 많은 기능과 디바이스들을 하나의 패키지에 통합할 수 있는 방법에 몰두하고 있다.

현재 시장에는 하나의 칩에서 시스템의 일부를 가능하게 하는 컴포넌트들(예를 들면 시그널 체인, 통신, 전력)이 모두 통합된 자동차 디바이스들이 나오고 있다. 그리고 이러한 칩들을 조합해 모터 제어에 필요한 보드의 컴포넌트 수를 줄인다.

하나의 패키지에 더 많은 기능과 디바이스를 구현한다면, 하이브리드차 및 전기차 제조사들은 인버터 시스템에 필요한 전체 보드 크기를 줄이고, 필요 없어진 추가 컴포넌트에 대한 비용도 절감할 수 있다. 컴포넌트 레벨에서 더 작아지고 비용 효과적인 솔루션은 소비자의 비용 부담을 없애고 제조업체들로 하여금 최첨단 솔루션을 내놓을 수 있게 한다.

통합이 시장 트렌드가 되면서, 처리해야 할 요소에 시스템의 전반적인 지능과 접속성도 포함됐다. 차량 내부의 모듈들이 점점 복잡해지면서 제대로 기능하는지 확인할 수 있는 시스템 진단과 건전성 체크가 항시 필요해졌다.

HEV/EV 모터 제어 시스템의 경우에는 이러한 유형의 체크가 모터, 드라이브 회로, 심지어 위치 센서의 건전성까지 알려진 변수가 되고, 이를 바탕으로 시스템이 동작하게 된다. 모터 시스템 내부에 이러한 가시성 수준을 갖춘다면, 오류나 문제가 발생해도 드라이브는 더 똑똑하고 빠르게 평가될 것이다. 똑똑한 모터 제어는 시스템의 상태를 보고하고 조치를 취할 수 있는데, 이는 HEV/EV 시장에서 성공하는 데 필수적인 요소라고 할 수 있다.

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HEV/EV 시장에서 무엇보다 중요한 것은 자동차 시스템 공급자들과 자동차 제조사들에게 더 작고 똑똑하며 비용 효과적인 솔루션을 제공하는 것이고, 시장이 빠르게 성장함에 따라 전기차 성장의 핵심은 모터 제어의 고집적 솔루션이라고 할 수 있다. 궁극적으로 소비자에게 경쟁력 있는 가격을 제공할 수 있는 고성능 시스템이 이 시장의 미래를 이끌게 될 것이다.

이와 같은 HEV/EV 솔루션의 예로는 TI의 PGA411-Q1 리졸버 센서 인터페이스와 C2000TM 마이크로컨트롤러를 들 수 있다. 

아만다 와이즈 (Amanda Weise), 텍사스 인스트루먼트(Texas Instruments)