어떤 일이 계속될 수 없다면 계속되지 않을 것입니다. 12V 배터리를 통해 자동차의 막대한 전기 수요를 공급하는 것이 이러한 현실의 한 예입니다.
토폴로지 변경은 배터리 소스에 영향을 미칩니다
12V 문제로 인해 많은 최신 ICE 차량과 거의 모든 EV/HEV에도 48V 배터리가 사용됩니다. 이 배터리는 더 낮은 전류 부하를 위해 12V 소스를 유지하면서 더 높은 전압으로 보다 효율적으로 전력을 공급하는 부하를 제공합니다.
48V DC/DC 컨버터는 일반적으로 정교한 배터리 관리(BMS)의 지시에 따라 필요에 따라 한 배터리에서 다른 배터리로 전기 에너지가 양방향으로 흐르도록 설계되어 에너지원과 부하 수요의 균형을 최적으로 유지합니다(그림 1).
배터리 관리는 상위 레벨 블록 다이어그램에서 보면 단순해 보이지만 매우 복잡한 시스템이 되었습니다(그림 2).
하지만 늘어난 것은 기본 배터리 전압만이 아니다. 시스템 요구로 인해 설계자는 배터리 전압과 전력을 분배하고 전자 장치의 저전압 레일로 변환하는 동시에 액세서리 모터, 오디오 증폭기와 같은 고전력 부하에 더 높은 전압을 제공하는 방법에 대한 기본 토폴로지를 다시 실행해야 했습니다. 수십, 수백 와트 등.
최신 EV의 배터리 에너지 용량은 Mini Cooper SE와 같은 소형 EV의 경우 약 30kWh부터 GMC Hummer EV 트럭과 같은 크고 강력한 EV의 경우 200kWh 이상까지 다양합니다. 그림 3 실제 진화와 그것이 어디로 가는지 보여줍니다.
자동차가 바퀴가 달린 "전자 장치 및 컴퓨터"가 되면서(왼쪽 이미지) 설계자는 중앙 노드가 있는 분산 토폴로지를 사용했습니다. 이 아키텍처를 사용하면 새로운 전자 제어 장치(ECU)를 추가하기만 하면 새로운 기능을 추가할 수 있습니다. 수년에 걸쳐 이러한 추가는 50~100개(또는 그 이상)의 ECU와 최대 4km(2.5마일)의 와이어링 하니스, 그 이상으로 확장되었습니다.
이 접근 방식은 간단하고 직접적입니다. 그러나 분산 아키텍처는 배선의 엄청난 양, 배전의 전기적 비효율성, 신뢰성 고려 사항(사이버 보안 포함), 비용 및 안전 고려 사항으로 인해 더 이상 적합하지 않습니다. 또한 추가된 각 기능에는 DC 전원 외에 네트워크 연결이 필요합니다.
분산 아키텍처가 압도되면서 설계자는 부분적으로 분산된 전력 분배 네트워크(가운데 이미지)를 갖춘 "도메인" 아키텍처로 전환하고 있습니다. 이 접근 방식에서는 ADAS, 인포테인먼트, 텔레매틱스 등의 기능이 논리적으로 그룹화되어 각 기능에 자체 프로세서가 있습니다. 이러한 도메인 접근 방식은 논리적으로 타당하지만 실제로는 배선 및 연결 양이 증가하여 차량 중량, 전력 손실 및 비용이 증가할 수 있습니다. 다소 반직관적으로, 이 아키텍처는 궁극적으로 차량 전기 및 전력 분배 시스템을 구성하는 가장 효율적인 방법입니다.
몇 년 후에는 완전히 중앙 집중화된 "영역" 아키텍처로의 전환이 있을 것입니다. 이 아키텍처를 사용하면 시스템이 효율적으로 구성될 수 있는 영역으로 논리적, 물리적으로 그룹화됩니다. 각 구역에서는 강력한 단일 프로세서가 모든 기능을 관리하며, 구역은 고도로 지역화된 장치 배열 대신 단일 배전 장치로 전원을 공급받습니다. 또한 영역(이더넷 및 기타)에 대한 단일 네트워크 연결이 있습니다.
ECU를 액추에이터 및 센서에 더 가깝게 이동하면 배선과 연결이 덜 필요하며 분명하거나 불분명한 이점이 있습니다. 최적화된 장치 배치를 통해 케이블 길이가 크게 단축되었으며, 기능 통합을 통해 일부 케이블이 제거되었습니다. 더 무겁고 둥근 연선 케이블 대신 더 낮은 전류와 더 높은 전압을 위한 더 얇고 유연한 케이블을 사용할 수 있습니다. 이는 BOM 비용을 절감하고 케이블 배선을 단순화하며 생산 시 로봇 처리, 조립 및 설치에 더 도움이 됩니다(간과하기 쉬운 이점).
영역적 의미에는 고전압 시스템의 보다 쉬운 구현이 포함됩니다. 수십 년 동안 12V 전원 시스템이 표준이었지만 구역 아키텍처에서는 더 높은 전력 소비 및 이중화 요구 사항을 지원하기 위해 48V가 필요합니다. 많은 자동차에 이미 12V 및 48V 배터리 팩이 탑재되어 있기 때문에 이는 급격한 변화는 아닙니다. 48V 전력망은 더 낮은 전력 손실을 제공하고 더 가벼운 배선 장치를 가능하게 합니다(그림 4).
다음 섹션에서는 구역 아키텍처의 의미와 고급 DC/DC 컨버터가 12V 배터리는 물론 48V 배터리까지 제거할 수 있는 방법을 살펴보겠습니다.
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외부 참조
Cadence Design Systems, “영역 아키텍처란 무엇입니까? 그리고 왜 자동차 공급망을 뒤흔드는 걸까요?”
Vicor Corp., “48V 시스템: 자동차 제조업체가 12V에 작별을 고할 때 알아야 할 사항”
Vicor Corp., “전기 자동차: 48V는 새로운 12V입니다”
Vicor Corp., “Tesla Cybertruck은 12V 전기 부품을 제거할 것입니다”
TE Connectivity, “차세대 자동차 E/E 아키텍처의 연결성”
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