벨트 스타터 제너레이터와 통합 스타터 제너레이터의 이해
2022년 01월 20일
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내연기관(ICE)은 한 세기 이상 세계 자동차 산업의 추진력이었다. 차량 전장화의 혁신은 자동차를 기술적으로 더욱 향상된 운송 솔루션으로 변형시키고 있다. 그러나 모든 전기 자동차(EV)가 동등하게 설계된 것은 아니고 여러 가지 변형이 하이브리드 파워트레인과 순수 전기 파워트레인 사이에 명백하게 존재하고 있다.


벨트 스타터 제너레이터(BSG)와 통합 스타터 제너레이터(ISG)는 전기차 개발 연대기에서 나오게 된 수많은 솔루션 중 하나일 뿐이다. BSG/ISG와 내연기관을 결합하면 마일드 하이브리드 전기차(MHEV)가 탄생하며, 이 하이브리드 파워 솔루션은 전자 모듈과 전기 모터를 위한 새로운 기회를 창출하였다.  BSG/ISG 유닛은 스타터 및 교류 발전기 모듈(Alternator)을 대체하는 동시에 내연기관의 기능을 향상시킨다. 이 아키텍처에는 기존의 12V 배터리와 48V 리튬 이온 배터리 두 개를 이용한다.  48V 리튬 이온 배터리는 BSG/ISG의 전기 모터에 전원을 공급하는 인버터와 같은 더 높은 전력 부하를 공급한다. 12V 배터리는 마일드 하이브리드 전기차(MHEV)에 남아 차량의 기존 전자 컨트롤 모듈에 전력을 공급하고 필요한 경우 48V 시스템에 대체 저전압 전자 장치 전원을 공급한다. 마일드 하이브리드는 자동차 OEM에게 배터리 전기 자동차(BEV)에서 볼 수 있는 전통적인 연소 엔진 추진 방식과 완전 전기 추진 방식 사이의 중간 단계를 제공한다.


더욱 강화된 이산화탄소(CO2) 배출 법규는 자동차 제품군에서 차량의 CO2 배출량을 전반적으로 줄여야 한다는 것을 의미하게 되었다.  마일드 하이브리드는 상대적으로 구현 장벽이 낮은데, OEM이 기존 차량 플랫폼에 대해서 일부 수정을 하는 것만으로 쉽게 제품군에 추가할 수 있다. 마일드 하이브리드는 내연기관에 사용되는 연료량을 줄이는 기능을 통해 차량의 평균 CO2 배출량을 낮춘다. BSG/ISG 장치는 스타트-스탑(Start-Stop) 기능, 타력 주행 또는 제동 시 에너지 회수, 내연기관 작동 시 에너지 생성, 시스템 구현방식에 따라 전기 구동 또는 부스트 기능을 지원한다. 에너지 회수 또는 에너지 생성 모드에서는 BSG/ISG가 제너레이터로 작동하며 48V 배터리 팩으로 역방향 전력을 공급한다. DCDC 모듈은 48V를 12V로 변환해 기존 12V 배터리를 충전한다.


많은 경우 자동차 소유자가 기존의 내연기관 차량과 성능이나 기능 면에서 어떠한 차이도 인지하지 못하기 때문에 마일드 하이브리드는 전기차를 구현하려고 할 때 “쉬운 진입구”가 된다.  마일드 하이브리드는 배터리식 전기차의 일부 유형과 달리 전기 그리드를 통한 어떤 형태의 충전도 요구하지 않으며, 빠르게 재급유되어 장거리 주행 시 운전자에게 주행거리 불안(range anxiety)을 유발하지 않는다. 사실 운전자나 승객이 마일드 하이브리드의 기능적 차이를 알아차릴 수 있는 유일한 순간은 특정한 운전 시나리오에서 내연기관이 종료될 때이다.  엔진 온도, 마지막 엔진 셧오프(shutoff) 시간, 배터리 전압 수준 및 충전 상태, 전기 부하 및 도달 가능한 최소 차량 속도는 내연기관 및 BSG/ISG의 사용을 결정하기 위해 알고리즘으로 모니터링되는 특정 조건 중 일부이다. 이러한 알고리즘 결정의 복잡성은 본 글에서 다루지 않는다.


BSG/ISG를 통합하기 위한 차량 내 여러 위치가 존재한다. P0 – P4는 현재 지정된 위치이며, 각각 시스템에 대한 다양한 수준의 기능 및 설계 과제를 제공한다.


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그림 1: 차량 파워트레인 내 BSG/ISG 위치



BSG/ISG의 전력 출력, 파워트레인과의 결합 방법 및 관련 기능이 모든 위치에서 동일하진 않다. 앞서 언급한 바와 같이, 장치의 기능에는 스타트-스톱, 저속 전기 구동, 내연기관으로의 전기 부스트 및 에너지 회수 등이 포함될 수 있다 내연기관이 꺼져 있을 때 타력 주행 또는 제동 중 에너지 회수가 발생할 수 있으며, 48V 리튬 이온 배터리에 전원을 공급하기 위해 내연기관이 동작 중일 때 에너지 생성(제너레이터 기능)이 발생한다. 각 위치를 간략히 살펴보면 엔진 오프 시 P0 또는 P1 위치에서는 에너지 회수가 불가능함을 알 수 있다. 그러나 P2 – P4 위치에서는 드라이브라인의 기계적 움직임이 전기 모터를 가동해 제너레이터 기능을 제공하기 때문에 타력 주행 또는 제동 중 내연기관이 꺼져 있을 때 에너지를 회수할 수 있다. 아래 표는 차량의 P0 - P4 위치에 따른 기능적 차이를 정리하였다.



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표 1: BSG/ISG의 위치에 따른 기능적 차이 분석



BSG/ISG 장치의 최대 출력 전력은 5kW부터 최대 25kW이상이며, 이 정격은 설치 위치와 결합 방식 등에 의해서 영향을 받는다. 벨트 드라이브 시스템은 벨트 미끄러짐(slippage)과 최대 토크로 인해 출력이 제한되는 반면 기어 메시를 사용하거나 크랭크축에 직접 연결되는 다이렉트 드라이브 시스템은 더 높은 출력을 낼 수 있다. P0 – P4의 설치 위치는 피크 전력 뿐만 아니라 시스템 레벨 효율에도 영향을 준다.


P0의 피크 전력은 벨트 연결에 의해 제한된다. 에너지를 회수 또는 생성하려면 e-머신을 회전시킬 내연기관이 작동해야 한다. e-머신의 회전은 내연기관의 회전과 직결된다. 따라서 타력 주행이나 제동으로 내연기관의 분당 회전수(RPM)가 낮아지면 BSG가 48V 배터리를 위해 생성하는 전력도 낮아진다. 이 제한된 에너지 회수 기능은 엔진 셧다운 알고리즘이 적극적이지 않아 다른 방법만큼 연료를 절약할 수 없게 됨을 의미한다.


P1은 엔진 크랭크축과 직접 연결되며 벨트와 관련된 미끄러짐이 발생하지 않는다. 또한 P0에 비해 높은 피크 출력과 토크를 얻을 수 있다. P1의 나머지 기능은 P0과 동일하다.


P2는 파워트레인에 벨트 또는 기어 메시 연결을 할 수 있으며 내연기관과 변속기 입력 사이에 위치한다. 클러치 시스템은 내연기관을 드라이브라인에 결합하거나 해제할 수 있으며, 이 위치에서 BSG/ISG와 함께 더 높은 토크 출력을 제공하고 속도/토크 비율을 개선할 수 있다. 또한 클러치는 내연기관이 꺼져 있는 동안 BSG/ISG가 저속으로 순수 전기 구동력을 제공하도록 한다. e-머신이 드라이브라인에 연결되어 있고 내연기관이 껴져있는 상태에서도 계속 회전하므로 에너지 회수 기능은 진정한 재생 기능이다. 향상된 에너지 회수 기능을 통해 보다 적극적인 엔진 셧다운 알고리즘을 사용할 수 있으며 P0 또는 P1 대비 연료를 절약한다.


P3은 변속기의 출력축에 있는 기어 메시 연결을 나타낸다. P0-P2 위치와 비교하면 내연기관 및 변속기의 전력 손실은 최소값에 달한다. P2와 마찬가지로 클러치는 내연기관을 드라이브라인으로부터 분리되어 있으므로, 내연기관이 꺼져있는 상태에서 타력 주행 또는 제동 시 재생 에너지뿐만 아니라 저속에서 전기 구동이 가능하다.


P4는 리어액슬 또는 디퍼런셜 기어의 기어 메시 연결을 나타내며, P3의 모든 기능을 갖추고 있다. P3뿐만 아니라 이 위치에서도 최대 에너지 회수가 가능하다. 전륜 구동(FWD) 차량의 경우 이 위치에 ISG를 설치하면 적절한 크기의 리튬 이온 배터리로 4륜 구동(AWD) 기능을 사용할 수 있다.


P0 – P4의 어느 위치에도 하나 이상의 e-머신이 구현될 수 있다. 차량 제조업체는 다양한 조합을 활용해 기존 차량 플랫폼을 마일드 하이브리드로 변환하기 전 추가 기능을 구현하거나 재사용을 늘릴 수 있다. 재사용을 극대화하면 마일드 하이브리드 토폴로지로 전환할 때 비용에 미치는 영향을 줄여 OEM과 고객 모두에게 이익이 된다.


최종 사용자는 정차 시 내연기관이 꺼지거나 타력 주행 또는 제동 시 내연기관이 꺼지는 등 마일드 하이브리드의 미묘한 차이를 느낄 수 있다. 차량의 P2 - P4 위치에 BSG/ISG 장치가 있는 경우 내연기관이 바로 재시동되지 않을 수 있는데, 이는 전기 구동으로 완전 정지 상태에 있는 차량을 움직여야 하기 때문이다. 마일드 하이브리드는 배터리식 전기차와 같은 오염물질 무배출차(ZEV)는 아니지만 OEM이 차량 전장화 기술로 차체를 업그레이드하는 동안 이산화탄소 배출량을 4%내지 10%까지 줄일 수 있다(Yole Développement, 2020). 이와 같이 작은 변화와 거대한 도약이 모이면 더 깨끗한 환경을 향한 누적 효과를 낼 수 있다. 마일드 하이브리드는 배터리식 전기차가 모든 사용 사례로 확대될 때까지 소비자의 성능 기대치를 충족하면서, 동시에 운송수단이 환경에 미치는 영향을 줄이도록 기여할 것이다.


마일드 하이브리드를 "하이브리드"로 만드는 다기능 e-머신들은 연간 생산되는 모든 전기차의 1/3에 기여하고 있으며, 적어도 2026년까지 연간 생산량의 1/3을 유지할 것이다. 이 시스템은 현재 연평균 성장률(CAGR) 19.8%에 달하며, 전기차 전환이 확대되면서 비중이 크게 증가할 것이다(Strategy Analytics, 2020).


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그림 2: 2026년 전기차의 전장화 구분



BSG/ISG 장치의 설계에는 공학적으로 고려해야 할 사항이 많다. 모듈 설계는 피크, 일정한 출력 전력, 위치(P0 – P4), 냉각 방법과 공간 제약 등의 영향을 받는다. 인버터에 사용되는 전자제어장치와 전력전자장치에는 최대 전력밀도, 고효율, 장기 신뢰성에 대한 요구사항이 모두 중요하다.


온세미는 자동차 BSG/ISG 설계를 위한 확장 가능한 기술을 제공한다. 포트폴리오에는 중전압 MOSFET과 자동차 전력 모듈, 게이트 드라이버, 조절 전력, 차량 내 네트워킹(IVN) 솔루션이 포함된다. 온세미와 협력하는 고객은 고성능 솔루션을 구현하고 BSG 및 ISG 애플리케이션을 지원하는 완벽한 전체 전력 계층을 개발할 수 있다.


참고문헌
Yole Développement. (2020). Power Electronics for Electric & Hybrid Electric Vehicles 2020
Strategic Analytics. (2020, October). Automotive Sensor Demand 2018-2027.

글/ 마크 브라켄(Marc Bracken), 온세미 오토모티브 시스템 기술 마케팅 엔지니어 

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