전기 자동차 및 전기 이륜차의 개발 동향 및 솔루션

자동차 분야에서 전동화의 발전은 매우 빠르게 진행되고 있으며, 이러한 추세는 네 바퀴 차량뿐만 아니라 탄소 배출을 줄이기 위해 이륜 오토바이에도 적극적으로 전동화로 전환되고 있습니다. 이러한 추세는 특히 남아시아 및 동남아시아에서 두드러집니다. 이 글에서는 전기 자동차와 전기 이륜차의 현재 상태와 동향, 그리고 Arrow Electronics, NXP 및 STMicroelectronics에서 도입한 관련 솔루션을 소개합니다.

전기 자동차의 개발은 유럽과 미국과 같은 많은 선진국에서 빠르게 진행되고 있습니다. 중국에서는 정부와 기업 모두로부터 상당한 투자를 받고 있습니다. 2025년까지 중국에서 신에너지 차량의 보급률이 50%에 도달할 것으로 추정됩니다. 2035년까지 신에너지 차량의 보급률을 50% 이상 달성하려는 원래 목표는 계획보다 10년 앞당겨 실현될 수 있습니다.

하지만 남아시아 및 동남아시아의 많은 개발도상국에서는 상징적인 툭툭이 오랫동안 주요 교통수단으로 사용되어 왔습니다. 이륜 및 삼륜 차량은 도심 내에서 단거리 이동을 위한 저렴하고 유연한 교통수단으로 널리 사용되고 있습니다. 이제 이 지역에서도 전동화 트렌드가 이륜 및 삼륜 차량으로 확장되고 있습니다.

보고서에 따르면, 2024년 2월 인도에서 전기 이륜차의 등록이 크게 증가하여 전년도 같은 기간 대비 24% 상승했습니다. 2024년 2월 전기 이륜차의 침투율은 5.7%로, 1월의 5.6%에서 소폭 상승하며 전기 이륜차 시장의 지속적인 성장세를 보여주고 있습니다. 시장 분석에 따르면, 2030년까지 이륜차의 80%가 전기화될 수 있을 것으로 보입니다. 이는 주로 전기 이륜차가 휘발유 차량에 비해 소유 비용을 20-70% 절감할 것으로 예상되며, 제조 분야의 진입 장벽이 낮아져 많은 기업이 이 시장에 투자를 유치했기 때문입니다.

또한 태국 오토바이 산업에서 오토바이에 대한 수요는 여전히 강세를 보이고 있으며, 지난 10년 동안 세 번째로 좋은 성과를 이루며 2023년 연속적인 시장 성장을 달성하였습니다. 전체 오토바이 판매량은 187만 대(+4.4%)에 달했으며, 전기 오토바이 부문도 저가 및 중간 가격대에서 견고한 성장을 보였습니다(+117.2%).

예측에 따르면, 아시아의 전기 이륜차 및 전기 삼륜차 시장은 향후 몇 년 동안 각각 연평균성장률(CAGR) 30% 이상 및 11% 이상의 성장을 경험할 것으로 보입니다. 이 전기 혁명은 아시아에만 영향을 미치는 것이 아니라, 전 세계 도시 교통에 새로운 변화를 가져올 것으로 예상됩니다.

전기 자동차(사륜 전기 차량)의 시장 동향에서 트랙션 인버터는 가장 가치 있는 특징으로 간주됩니다. 배터리 팩 전압이 400V에서 800V 또는 그 이상으로 변화함에 따라 설계가 발전하고 있으며, 효율성과 성능이 시장 개발을 이끄는 주요 요인입니다.

전기 자동차의 기술 동향에는 리튬 이온 배터리, 고체 배터리 및 에너지 효율성을 향상시키기 위한 기타 새로운 배터리 기술의 개발이 포함됩니다. 자율 주행 기술은 전기 자동차 분야에서 활발히 개발되고 있으며, 스마트 커넥티비티 기술의 통합은 전기 자동차가 다른 차량, 인프라 및 사용자 스마트 기기와 상호작용하고 정보와 데이터를 공유할 수 있게 하여 전기 자동차의 지능 수준을 더욱 향상시킵니다.

게다가 경량 소재를 사용하면 전기차의 전체 중량을 감소시켜 에너지 활용 효율성을 향상시킬 수 있습니다. 따라서 미래의 추세는 탄소 섬유 및 알루미늄 합금과 같은 더 많은 경량 소재를 연구하고 적용하는 것입니다. 효과적인 에너지 관리 시스템을 개발함으로써 전기차 에너지의 사용을 극대화하고, 주행 거리를 연장하며, 소프트웨어와 하드웨어 기술 혁신을 통해 에너지 관리 시스템을 최적화할 수 있습니다. 이러한 기술 트렌드는 통합적으로 전기차의 발전을 촉진하며 에너지 절약, 지능화 및 안전성 측면에서 지속적인 진보를 이루게 합니다.

반면, 전기 오토바이(전기 이륜차) 시장에서는 트랙션 인버터와 고속 및 장거리 주행과 같은 요소들이 시장 내 전기 이륜차 순위를 결정하는 핵심 요인입니다. 남아시아 국가의 정부들은 특히 탄소 배출을 줄이기 위해 전기 이륜차 개발에 주력하고 있습니다.

전기 자동차와 유사하게, 전기 이륜차에서도 배터리 기술이 중요합니다. 미래 트렌드로는 더 높은 용량, 더 가벼운 무게, 더 빠른 충전 속도, 그리고 더 긴 수명을 가진 배터리의 개발이 포함됩니다. 전기 이륜차는 자동차에 비해 무게와 차량 구조에 대한 더 엄격한 요구사항을 가지고 있으므로 경량 설계가 중요한 개발 방향입니다. 이를 위해 경량 소재의 사용과 차량 구조의 최적화를 통해 전체 무게를 줄이고 에너지 이용 효율을 향상시키는 방안이 포함됩니다.

스마트 기술은 스마트 연결성, 자율 주행 보조 시스템, 차량 원격 제어 등 전기 이륜차에도 폭넓게 적용될 것입니다. 스마트 기술의 추가 개발은 주행 안전성과 편의성을 향상시킬 것입니다. 또한, 충전 인프라의 구축 및 대중화는 중요한 개발 방향입니다. 전기 이륜차의 에너지 효율을 개선하고 전기 모터 시스템, 제어 시스템을 최적화하며 에너지 활용 효율을 향상시켜 주행 거리를 늘리는 것은 핵심적인 측면입니다.

전기 이륜차를 위한 안전 기술도 지속적으로 발전하고 있습니다. 미래의 트렌드로는 ABS(Anti-lock Braking System), 전자 안정 제어 시스템, 충돌 경고 시스템 등 더 발전된 시스템의 도입이 포함됩니다. 이러한 기술적 트렌드들은 전기 이륜차의 발전을 이끌며, 에너지 절약, 지능화 및 안전성에서 지속적인 진전을 이루어 소비자들로부터 점점 더 많은 호응을 얻고 있습니다.

전기차 시장은 현재 급속한 발전을 겪고 있으며, 이에 따라 전기차 성능 향상을 위한 수요가 증가하고 있습니다. 디자이너와 자동차 제조업체들은 효율성과 최종 사용자 경험의 향상을 우선시하면서 제품 출시 속도를 가속화해야 합니다. 또한, 전기차용 트랙션 인버터를 포함한 다양한 애플리케이션을 개발하기 위한 적합한 솔루션을 모색해야 하며, 이는 분명히 도전 과제를 제시합니다.

NXP에서 선보인 S32K39 MCU는 S32K 시리즈의 새로운 멤버로서 자동차 및 이륜차 애플리케이션에서 전기화에 매우 적합합니다. 이 제품은 배터리 관리, 효율적인 모터 구동, 고속 충전 및 전체 전기 그리드에서의 부하 균형과 같은 기능을 지원할 수 있습니다.

S32K39 MCU 시리즈는 전기차의 트랙션 인버터를 제어하기 위한 요구사항을 충족하도록 설계되었습니다. 이 시리즈는 강력한 성능, 광범위한 통합, 신뢰할 수 있는 연결 기능, 첨단 보안 및 기능적 안전 기능 등 여러 가지 장점을 제공합니다. 따라서 전기차, 배터리 성능 및 주행 경험의 정상적인 운영에 중요한 역할을 하는 트랙션 인버터를 정확히 제어할 수 있습니다.

S32K39 MCU 시리즈는 넓은 적용 가능성을 가지며, 트랙션 인버터 제어를 넘어 배터리 관리 시스템(BMS), 온보드 충전기(OBC), DC/DC 변환 등 다양한 전기차 응용 분야에 사용할 수 있습니다. 이 MCU들은 전통적인 자동차 MCU를 뛰어넘는 정보 보안 및 기능 안전 기능을 제공하며, 하드웨어 분리, 시간 민감 네트워킹(TSN), 고급 암호화 기술 등을 지원하여 영역 기반 차량 E/E 아키텍처 및 소프트웨어 정의 차량에 호환됩니다.

S32K39 MCU는 독특한 기능을 자랑하며, 두 개의 트랙션 인버터를 처리할 수 있는 성능을 갖추고 있습니다. 이 MCU는 네 개의 잠금 단계 페어로 배열된 320MHz Arm® Cortex®-M7 코어, 두 개의 스플릿 락 코어, 두 개의 모터 제어 공동처리 유닛 및 디지털 신호 프로세서(DSP)를 갖추고 있습니다. IGBT뿐만 아니라 SiC 및 GaN 전력 스위치와 함께 작동하는 두 개의 200kHz 제어 루프를 지원하여 효율성을 개선하고 높은 스위칭 주파수를 실현할 수 있습니다. 이를 통해 모터의 크기, 무게 및 비용을 줄이고 주행 거리를 확대할 수 있습니다. 또한, 최대 6MB의 내장 플래시 메모리와 800KB의 SRAM을 탑재하고 있습니다. 이 MCU는 ISO/SAE 21434 인증을 받은 사이버 보안 및 ISO 26262 기능 안전 표준을 준수하는 개발 프로세스를 특징으로 합니다.

NXP FS26 안전 시스템 베이시스 칩(SBC) 및 NXP GD3162 고전압 절연 게이트 드라이버와 결합하면, S32K39 MCU는 ASIL D 애플리케이션용 이중 트랙션 인버터 솔루션으로 활용될 수 있습니다. FS26 SBC는 시스템에 전력을 공급하고 격리된 보안 모니터링을 보장하며, GD3162 게이트 드라이버는 다양한 주행 조건에 맞게 조정 가능한 게이트 동작 강도와 PWM 데드타임 강제를 제공하여 스위칭 손실을 줄이고 효율성을 향상시킵니다. 또한, 응답성 높은 오류 보호 메커니즘이 포함되어 있으며, NXP는 엔지니어링 샘플, 평가 보드, 그리고 광범위한 소프트웨어 지원 및 도구를 제공합니다.

FS26 시리즈 자동차 안전 시스템 베이시스 칩은 S32K3 시리즈와 같은 엔트리 및 중간 범위 안전 마이크로컨트롤러를 지원하는 다양한 전원 공급 옵션을 제공합니다. FS26 장치는 또한 파워트레인, 섀시, 기능 안전 및 저가형 게이트웨이 애플리케이션을 포함한 자동차 전동화 애플리케이션을 대상으로 하는 기타 마이크로컨트롤러를 지원합니다.

FS26은 마이크로컨트롤러, 센서, 주변 IC 및 통신 인터페이스에 전력을 공급하기 위해 여러 스위칭 모드 레귤레이터와 LDO 전압 레귤레이터를 특징으로 합니다. 이는 시스템을 위한 고정밀 전압 기준과 두 개의 독립적인 전압 추적 레귤레이터를 위한 기준 전압을 제공합니다. 추가적으로, 아날로그 멀티플렉서, GPIO, 선택 가능한 I/O 웨이크업 이벤트, 긴 지속 시간 타이머 또는 SPI 통신과 같은 시스템 제어 및 진단을 위한 다양한 기능을 제공합니다.

FS26은 ISO 26262 표준을 준수하며, ASIL B 및 ASIL D 안전 무결성 수준을 포괄합니다. 여러 가지 페일-세이프 출력이 있으며, 최신 요청 시 잠재적 장애 모니터링과 함께 안전 중심 시스템 분할의 필수적인 부분입니다.

ST에서 선보인 SPC560 패밀리는 32비트 시스템 온 칩 (SoC) 자동차 마이크로컨트롤러 시리즈로, 통합형 자동차 애플리케이션 컨트롤러에서의 최신 발전을 나타냅니다. 이 제품군은 섀시 애플리케이션, 특히 전기 유압식 파워 스티어링(EHPS)과 전동식 파워 스티어링(EPS) 시스템 및 안전 에어백 애플리케이션의 요구를 충족시키기 위해 설계된 자동차 중심 제품 라인업에 속합니다.

STDRIVE601은 BCD6s 오프라인 기술을 사용하여 제조된 고전압 장치입니다. 이 장치는 단일 칩 솔루션으로 세 개의 하프 브리지 게이트 드라이버를 포함하며, 3상 애플리케이션에서 N채널 전력 MOSFET 또는 IGBT에 적합합니다. 모든 장치 출력은 각각 350 mA 및 200 mA의 전류를 흡수하고 공급할 수 있으며, 상호 잠금 및 데드 타임 기능을 통해 교차 전도 방지를 보장합니다.

이 장치는 각 출력에 대해 전용 입력 핀과 셧다운 핀을 갖추고 있습니다. 로직 입력은 CMOS/TTL과 호환 가능하며, 3.3 V와 같은 낮은 전압에서도 작동하여 컨트롤러 장치와 쉽게 인터페이스할 수 있습니다. 로우 사이드와 하이 사이드 섹션 간의 일치된 지연은 주기 왜곡을 방지하고 고주파 운영을 가능하게 합니다.

STDRIVE601에 내장된 고급 Smart Shutdown (SmartSD) 기능을 갖춘 비교기는 장치에 통합되어 있습니다. 이 기능은 과전류 및 과열과 같은 장애 이벤트를 신속하고 효과적으로 방지합니다. 저측과 각 고측 구동 섹션 모두에 대한 전용 UVLO 보호 기능이 전력 스위치가 낮은 효율 또는 위험한 조건에서 작동하지 않도록 합니다. STDRIVE601은 부트스트랩 다이오드를 통합하고 있으며, 이 IC의 모든 내장 기능은 응용 PCB 설계를 더 간단하고 더 작고 더 단순하게 만들어 전체 자재비를 절감합니다. 이 장치는 SO-28 패키지로 제공되며, 이를 통해 3상 모터 드라이브 및 인버터와 같은 응용 분야에 적합합니다.

소프트웨어 구현: 필드 지향 제어(FOC) 또는 벡터 제어는 두 개의 직교 성분을 사용하여 3상 BLDC 모터 드라이브의 고정자의 가변 주파수 제어를 위한 기술입니다. 하나는 고정자가 생성하는 자기 플럭스를 정의하고, 다른 하나는 로터 위치에 의해 결정된 모터의 속도에 따라 결정된 토크에 해당합니다.

전기 자동차를 포함하여 자동차와 이륜 차량은 주행 거리와 사용 편의성을 개선하기 위해 용량이 크고 충전 속도가 빠르며 수명이 긴 배터리 기술을 지속적으로 추구하고 있습니다. 이들은 또한 에너지 효율성과 탄소 배출 감소에서 지속적인 기술 혁신을 강조하며 더 높은 수준의 지능과 안전성으로 진화하고 있습니다. 이러한 발전은 중요한 시장 개발 가능성을 제공합니다. 이 글에서 논의된 전기화 솔루션은 제조업체가 관련 제품 개발 속도를 높이는 데 도움을 줄 수 있습니다. 추가 정보는 Arrow Electronics에 직접 문의하시기 바랍니다.