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인팩(INFAC)이 바이코(Vicor)의 고전력 800V-48V 절연형 레귤레이션 DC-DC 컨버터를 800V 전기차 배터리 팩 내부에 통합하는 전력 시스템 설계를 선보였다. 기존처럼 DC-DC 컨버터를 배터리 팩 외부에 별도 배치하는 대신 배터리에서 직접 전압을 낮춰 차량 전체에 안전초저전압(SELV)을 공급하는 구조다. 고전압 전력의 분배 구간을 줄이고 48V 기반 전력 네트워크를 구축함으로써 고전압 하네스와 커넥터, 냉각 시스템 등 주변 부품을 줄이는 것이 핵심이다.

전기차의 전력 아키텍처가 고전압 배터리와 저전압 전장 시스템이 공존하는 형태로 발전하면서 DC-DC 변환기의 역할도 커지고 있다. 특히 차량 내 전장 시스템이 확대되면서 고전압 전력을 차량 곳곳에 분배한 뒤 각각의 영역에서 필요한 전압으로 변환하는 기존 방식은 배선과 전력 변환 장치, 열 관리 시스템 증가라는 부담을 안고 있다.

인팩은 이 같은 구조적 한계를 배터리 팩 내부에서 해결하는 방식을 제시했다. 800V 배터리에서 차량 각 영역으로 고전압을 전달하는 대신 배터리 팩 내부에서 48V로 변환한 후 차량의 차체와 섀시 전자장치, 각종 보조 시스템에 전력을 공급하는 방식이다. 모터와 인버터처럼 수백 kW급 전력이 필요한 구동계와 달리 이들 전장 시스템의 전력 요구량은 대체로 3.5~12kW 수준인 만큼 48V 전력 공급망을 적용하기에 적합하다는 판단이다.

고전압 변환을 배터리 내부에서 수행

기존 고전압 DC-DC 컨버터는 일반적으로 400V 또는 800V 배터리 어셈블리 시스템(BAS) 외부에 설치된다. 이에 따라 컨버터 자체의 전기적 절연과 안전 설계뿐 아니라 별도의 열 관리 시스템이 필요하다. 고전압 전력을 배터리 팩 외부로 전달하기 위해서는 고전압 케이블과 커넥터, 브래킷, 인클로저 등도 추가된다.

특히 고전압 전원 시스템과 DC-DC 변환 시스템을 물리적으로 분리하면 전력 분배와 열 관리 기능이 중복될 가능성이 있다. 배터리 팩과 DC-DC 컨버터에 각각 액체 냉각 시스템이 필요해질 경우 부품 수와 중량, 패키징 공간이 함께 증가한다.

인팩은 배터리 팩에 이미 배터리 셀의 열을 관리하기 위한 액체 냉각 네트워크가 구축돼 있다는 점에 주목했다. DC-DC 컨버터를 배터리 팩 내부에 통합하고 기존 냉각 시스템을 활용하면 별도의 컨버터 냉각 회로를 추가할 필요가 없기 때문이다. 이를 통해 전력 변환 시스템과 배터리 열 관리 시스템을 하나의 구조로 통합할 수 있다.

▲ DC-DC 컨버터가 탑재된 인팩의 배터리 팩

이러한 접근은 기존의 이른바 실버 박스 중심 설계에서 벗어나 배터리 팩을 차량의 중앙 전력 허브로 활용하는 개념으로 이어진다. 배터리 팩이 에너지 저장 기능뿐 아니라 고전압 전력의 변환과 조절, 분배까지 담당하게 되는 것이다. 핵심적인 기술적 과제는 배터리 팩 내부에 들어갈 수 있을 정도로 전력 변환 시스템을 소형화하면서도 고전압 절연과 열 관리, 안전성, 패키징 신뢰성을 동시에 확보하는 것이다. 인팩의 설계에는 이를 위해 바이코의 고밀도 BCM6135 DC-DC 컨버터와 PRM3735 레귤레이터가 적용됐다.

BCM6135와 PRM3735는 고전압 입력을 48V로 변환하고 출력 전압을 조절해 48V 존 아키텍처에 필요한 고출력 완전 절연형 레귤레이션 버스를 구성한다. 전력 변환 기능을 모듈화하고 높은 전력 밀도를 확보함으로써 배터리 셀 공간을 크게 침해하지 않으면서 배터리 팩 내부에 DC-DC 기능을 통합할 수 있도록 했다.

인팩 시스템의 크기는 215×45×82mm이며 부피는 793cm³, 중량은 약 1.5kg이다. 단순히 컨버터의 전기적 성능뿐 아니라 제한된 배터리 팩 내부 공간에서 전력 밀도와 열 성능, 기계적 패키징을 동시에 확보해야 한다는 점에서 전력 모듈 기술의 중요성이 부각되는 부분이다.

전력 밀도와 48V 아키텍처가 만드는 시스템 효율

배터리 통합형 DC-DC 구조는 전력 변환 위치를 바꾸는 것 이상의 시스템 효과를 제공한다. 배터리의 기존 액체 냉각 네트워크를 활용함으로써 중복 냉각 회로와 열 인터페이스를 줄일 수 있고, 고전압 케이블의 길이와 두께를 낮춰 하네스 설계와 차량 레이아웃을 단순화할 수 있다.

브래킷과 인클로저, 냉각 부품 등 주변 부품의 감소는 BOM 비용과 시스템 중량 절감으로 이어질 수 있다. 또한 전력 연결부와 냉각 경로를 줄이면 누출이나 전기적 고장 가능성을 낮추고 외부 인터페이스 감소를 통해 제조 공정의 복잡성도 완화할 수 있다.

이 구조에서 중요한 것은 48V를 단순한 저전압 전원으로 보는 것이 아니라 차량 전장 시스템을 연결하는 존 아키텍처의 전력 버스로 활용한다는 점이다. 배터리에서 고전압을 차량 전체에 분배하는 대신 전력 변환을 배터리 팩에 집중하고 이후 48V 전력을 각 존으로 분배하면 고전압 영역을 배터리 팩과 구동계 중심으로 제한할 수 있다.

바이코의 고밀도 모듈형 전력 아키텍처는 이 과정에서 요구되는 전력 밀도와 절연, 효율, 확장성을 제공하는 핵심 요소다. 전기차 전장 시스템의 전력 수요가 증가하고 48V 존 아키텍처 도입이 확대될수록 제한된 공간에서 더 많은 전력을 처리할 수 있는 전력 변환 기술의 중요성도 커질 전망이다.

결국 인팩의 설계는 DC-DC 컨버터를 단순한 전압 변환 장치에서 배터리 팩과 차량 전력망을 연결하는 핵심 전력 플랫폼으로 확장한 사례로 볼 수 있다. 고밀도 전력 모듈과 배터리 열 관리 시스템을 통합함으로써 배터리 팩을 차세대 전기차의 중앙 전력 변환 및 분배 허브로 활용하는 새로운 전력 아키텍처를 제시했다는 점에서 의미가 있다.