자동차 전동화 개발에서 직면한 과제와 해결책

다양한 산업 및 소비자 환경에서 제품, 시스템 및 프로세스의 전기화는 전통적인 유압 및 공압 방식을 대체하는 첨단 전자 기술에 의해 가속화되고 있습니다. 이러한 변화 중 특히 운송 산업에서의 전기화 과정이 두드러지며, 첨단 기능 및 순수 전기 동력 시스템이 장착된 차량의 수가 사상 최고치를 기록하며 증가하고 있습니다. 이 기사에서는 자동차 전기화 개발의 현재 상태와 동향, 그리고 Molex에서 제공하는 솔루션을 소개합니다.

자동차 전동화로 가는 길은 오랜 기간 사용되어 왔던 내연기관(ICE)을 대체하는 순수 전기 파워트레인의 급속한 부상뿐만 아니라 기존 차량의 전기 부품이 상당히 증가하는 것을 포함합니다. 이전에 기계적인 구조에 의존했던 많은 주요 시스템이 현재 브레이크 보조 및 전자식 파워 어시스트 스티어링(EPAS) 시스템과 같은 안전성과 신뢰성을 향상시키는 전자 장치를 활용합니다. 현재 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS)을 지원하는 솔루션은 완전 자율주행이라는 궁극적인 목표를 향해 빠르게 발전하고 있습니다.

최근 몇 년간 전 세계적으로 전기차(EV) 및 하이브리드 전기차(HEV)의 수가 꾸준히 증가하고 있으며, 2025년까지 신규 차량 판매의 20%를 차지할 것으로 예상됩니다. 유망한 전망에도 불구하고, 자동차 전기화는 여전히 여러 장애물에 직면하고 있습니다. 연평균 성장률이 10.6%인 2,363억 달러로 추정되는 시장을 선점하기 위해 자동차 제조업체들은 여전히 많은 도전과제를 겪고 있으며, 이는 차량의 일반적인 전기 아키텍처에 상당한 도전을 제기하는 전자 시스템과 모듈의 확산과 같은 문제들을 포함합니다.

소비자 요구를 충족하기 위해 고급 차량의 설계는 100개 이상의 전자제어장치(ECU)로 구성될 수 있습니다. 차량 내 ECU 수의 증가는 중요한 명령을 전달하고 차량의 특정 기능을 제어하기 위해 이러한 시스템을 연결하고 패키징하며 관리하는 데 있어 도전을 제기합니다. 차량을 여러 구역으로 나누면 각 구역에 기능을 할당하고 필요에 따라 구역 간 정보를 전송할 수 있습니다. 구역 기반 아키텍처는 전체 배선량을 최적화하고 줄일 뿐만 아니라 ECU를 통합합니다.

또한, 자동차 (내연기관 차량과 전기차 모두 포함) 내 전자기기의 확산으로 인해 열 관리가 중요한 과제가 되고 있습니다. 컴퓨터나 모바일 기기와 같은 전자기기가 과열될 경우, 작동이 중단되며, 이는 고속도로를 주행 중인 차량에 치명적인 문제가 될 수 있습니다.

소형화와 전자 장비의 증가로 인해 더 높은 부품 밀도가 필요해지고 있습니다. 소형화된 시스템에서 표면적이 줄어들 경우, 동일하거나 더 많은 열을 더 작은 공간에서 방출해야 하며, 이로 인해 과열 위험이 발생할 수 있으며 이를 관리해야 합니다. 전자 기기가 밀폐된 ECU 내부에 위치하고 차량의 극한 환경 지역(예: 보닛 아래)에 위치할 경우, 과열 위험이 증가할 수 있습니다. 부적절하게 설계된 시스템은 차세대 연결 시스템의 높은 회로 밀도와 작은 패키지 크기 요건과 결합되어 열 관리 문제를 초래할 수 있습니다. 커넥터의 열 문제는 안전, 신뢰성 및 수명에 영향을 미칠 수 있으며, 프로젝트 설계 단계에서 이를 신중히 해결해야 합니다.

전기화 및 에너지 관리 기술의 발전은 전력 부문에서 과학적 르네상스를 촉진하고 있으며, 배터리 기술은 이제 전기차 구동부터 가장 필요할 때 사용할 에너지를 저장하는 데 이르기까지 다양한 응용 분야를 지원하고 있습니다. 정부는 전기차 충전 인프라, 그리드 현대화, 농촌 연결성 및 외딴 지역 개발에 투자하고 있습니다.

이 르네상스에서는 두 가지 주요하고 밀접하게 관련된 주제가 나타났습니다: 전기화와 에너지 관리. 전기화와 관련하여, 기존 연료원을 사용하는 기술이 재생 가능한 에너지원으로 구동되는 동등한 시스템으로 보완되거나 대체되고 있습니다. 한편, 에너지 관리는 에너지의 저장, 모니터링, 분배를 의미합니다.

먼저 스마트 그리드 기술을 통해 그리드 현대화를 이루어, 기존 전력 발전소를 중심으로 구축된 낡은 인프라를 현대적인 전력 네트워크 또는 스마트 그리드로 탈바꿈합니다. 이러한 그리드는 재생 가능 에너지원으로 보완되며, 다양한 센서를 포함하여 사용 패턴을 면밀히 모니터링하고 시스템 결함을 보다 심각한 문제로 발전하기 전에 식별하는 중요한 필요 조건을 충족합니다.

스마트 그리드는 기존 에너지와 재생 가능 에너지의 장점을 균형 있게 조화시킵니다. 태양광과 풍력과 같은 재생 가능 에너지 자원은 주기적인 다운타임이 존재하기 때문에, 전력망 내에 배터리 에너지 저장 시스템(BESS)을 통합하면 남은 에너지를 나중에 사용하기 위해 저장할 수 있습니다. 전체 소비량 또한 주기적인 피크 및 비피크 사용 기간이라는 리듬을 가지고 있으므로, 스마트 그리드는 에너지가 가장 필요한 시점과 장소, 그리고 어떤 원천(기존 에너지, 재생 가능 에너지, 저장된 에너지)이든 에너지를 할당할 수 있습니다.

1950년대부터 12V 전원 모델은 자동차 산업에서 표준이 되어 자동차 설계 및 구성 요소에 기본 표준이 되었습니다. 시간이 지나 기능과 전동화가 발전했음에도 불구하고, 이 표준은 자동차 제조업체들이 비용을 절감하고 간단한 전기 아키텍처를 유지할 수 있도록 해주었습니다.

12V 표준은 장점이 있지만, 현대 소비자들이 더 높은 성능과 우수한 차량 내 경험을 점점 더 요구함에 따라 그 역시 진화해야 합니다. 소프트웨어 정의 차량의 출현, 마일드 하이브리드 아키텍처로의 전환, 점점 더 엄격해지는 배출 규제와 함께, 48V 설계는 소비자 요구와 규제 요구 사항을 충족하기 위해 점차 필수적인 요소가 되고 있습니다.

48V 표준으로의 전환은 일부 과제를 수반하지만, 전기 혁신자들은 이제 이 새로운 표준을 기반으로 한 더 효율적인 시스템을 위한 길을 열어가고 있습니다. 더 강력한 전력 표준으로의 전환은 단기간에 이루어질 수 없지만, 몇 가지 주요한 전기 및 소비자 요인이 자동차 제조업체가 48V를 경량 하이브리드 및 순수 전기차의 표준으로 채택하는 데 영향을 미칠 것입니다. 이러한 주요 요인에는 전 세계 정부의 배출량 감소 관련 법률과 탄소 발자국에 대한 소비자의 증가하는 인식이 포함되며, 이는 하이브리드, 플러그인 하이브리드(PHEV), 확장형 전기차에 대한 강한 선호로 이어지고 있습니다.

또한, 전기 터보차저 시스템은 모터를 사용하여 터빈을 회전시키고 엔진으로 유입되는 공기 흐름을 향상시켜 엔진 성능을 개선합니다. 12V 또는 24V 시스템으로 구동되는 전통적인 터보차저 시스템과 비교했을 때, 이러한 전기 터보차저 시스템은 더 많은 전력을 필요로 합니다. 보다 효율적이고 강력한 전기 터보차저 시스템이 표준이 됨에 따라, 48V 전원 공급 장치의 중요성이 커질 것입니다.

48V 표준의 엔지니어링 혜택에는 패키지 크기 감소, 생산 비용 절감, 더 나은 기능 제공, 배출량 감소, 연비 개선 등이 포함됩니다. 소비자에게는 48V 표준이 차량 성능을 향상시키고 차량 비용을 낮추며 조작성을 개선하여 48V 표준의 개발이 점점 더 중요해지고 있습니다.

그러나 12V 설계는 자동차 생산에서 깊이 자리 잡고 있어, 48V 표준으로의 전환은 예상보다 더 오래 걸릴 것으로 보입니다. 전환 속도는 48V 시스템의 기술 요구 사항을 충족하기 위해 필요한 부품 설계 변경, 시스템 자체의 생산 방법에 대한 고려사항, 기존 인프라와의 호환성을 포함하여 어느 정도 영향을 받습니다.

Molex에서 도입한 MX150 중전압 커넥터는 자동차 산업에서 증가하는 48볼트 전기 시스템 수요를 충족하기 위해 설계되었습니다. 중전압 솔루션의 도입으로 고객은 중전압 제품을 통해 자동차 전기 시스템을 자신 있게 업그레이드할 수 있습니다. 이러한 커넥터는 검증된 MX150 설계를 기반으로 하며, 운송 산업의 중전압 연결 요구를 충족시키기 위한 신뢰할 수 있고 현장에서 검증된 솔루션을 제공합니다.

MX150 밀폐형 커넥터 시스템은 극한의 온도, 다양한 수준의 진동, 그리고 습기와 화학물질에 노출되는 등 까다로운 환경에서도 매우 신뢰할 수 있는 성능을 제공하는 것으로 입증되어 다양한 애플리케이션에 적합합니다. MX150 밀폐형 커넥터 시스템은 커넥터 위치 보장(CPA) 옵션을 제공하여 커넥터 간의 의도치 않은 연결 해제를 방지하며, 크림프된 터미널 리드가 커넥터에 올바르게 고정되도록 사전에 조립된 터미널 위치 보장(TPA) 하우징을 제공하고, 장력 방지 고무 캡을 사용하여 매트 씰을 보호하고 올바른 터미널 정렬을 보장합니다. MX150은 IEC 60664-1 표준을 준수하며, USCAR-2, USCAR-21, GMW3191 인증을 포함한 엄격한 자동차 산업 요구 사항을 충족하도록 인증되었습니다.

MX150은 엄격한 안전 요건을 충족하기 위해 단일 열 및 이중 열 V0 버전을 제공하며, MX150 (1.50mm) 단자를 위한 매트 실 기술 사용을 지원하여 별도의 케이블 실이 필요하지 않도록 함으로써 포장 크기를 줄여줍니다. 통합된 3.50mm 피치 하우징은 컴팩트한 커넥터를 제공하여 조립 비용을 줄이는 데 도움을 줍니다. 60V 중간 전압 기능을 갖추고 있어 48V 배선으로 업그레이드가 가능하며, 검증된 MX150 폼팩터 사양을 사용하여 더 가벼운 48V 배선으로 업그레이드를 간소화할 수 있습니다.

MX150은 업그레이드된 48V 배선과 함께 사용되어 조명, 전동 창문 또는 와이퍼 모터 업그레이드와 같은 애플리케이션에 적용될 수 있으며, 기존 12V 자동차 배선을 커넥터 유형 변경 없이 48V로 업그레이드할 수 있습니다. 신뢰받는 MX150 커넥터와 동일한 포장 크기와 하우징 설계를 사용함으로써, 기존 MX150 커넥터에서의 직접 업그레이드가 가능하여 48V 배선으로 업그레이드할 때 엔지니어링 비용을 줄일 수 있습니다.

MX150은 다기능 저전압 옵션과 견고한 밀폐형 커넥터 설계를 결합하여 48V에서 최대 60V까지의 다양한 중간 전압 애플리케이션을 지원하는 시장에서 유일한 자동차 커넥터입니다. 12V 배선에서 48V 배선으로 전환하면서, MX150 중간 전압 커넥터는 제조업체가 입증되고 견고한 MX150 폼 팩터를 활용하여 엔지니어링 및 설계 비용을 절감할 수 있도록 합니다. 이는 48V 높은 전압 배선 아키텍처로의 전환을 가능하게 하며, 더 작은 배선 크기를 사용하여 구리 사용량과 무게를 줄이면서 추가적인 엔지니어링 시간과 관련 비용을 최소화할 수 있습니다.

자동차 산업은 전기차의 급속한 발전뿐만 아니라 전통적인 차량에도 기능 및 안전성을 향상시키기 위해 다양한 전자 시스템을 점점 더 많이 통합함으로써 전동화가 주도하는 혁신적인 변화를 겪고 있습니다. 이러한 변화는 자동차 산업에 중대한 도전 과제와 기회를 제공합니다. Molex는 기존의 전통적인 방법에서 모든 중간 단계에 걸쳐 고객들이 전환할 수 있도록 돕고 궁극적으로 업계를 선도하는 다양한 유연한 제품을 제공합니다. 이러한 솔루션은 구조 분할, 열 관리, 소음 감소 등을 비롯한 여러 도전 과제를 해결합니다. 또한 Molex는 48볼트 전기 시스템의 요구를 충족하기 위해 MX150 중간 전압 커넥터를 도입하여 자동차 제조업체가 더 가볍고, 더 높은 성능이며, 더 유연하고, 더 효율적인 솔루션을 설계 및 배포할 수 있도록 지원합니다.