SAMSUNG ELECTRO-MECHANICS

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요약

세계 자동차 시장은 전기차로의 대전환기를 지나고 있습니다. 그동안 내연기관 자동차는 배출가스 규제에 대응하기 위해 Powertrain을 개선해 왔습니다. 배출가스 규제, 편의 장치 증가, 자율주행의 발전은 자동차의 전장화(Electrification)를 이끌었습니다. 전장화로 필요한 전장장치가 많아지면서 자동차가 필요로 하는 전력량은 증가하였고, 늘어난 전력량에 대응하기 위해 효율적인 전력 시스템이 필요해졌습니다. 효율적인 전력 시스템은 배터리 전압의 상승과도 관련이 있습니다. 고전압을 사용하는 전기차의 기술과 삼성전기의 전장용 고전압 MLCC

자동차의 전장화와 배터리 전압 변화

자동차 배터리는 전장화에 따라 전압이 상승하고 있습니다. 1950년대 중반 이전까지는 자동차 전압이 6V였습니다. 자동차 엔진 용량이 커지면서 큰 파워의 Starter Motor가 필요했습니다. 이후 전장장치가 추가되며 12V 배터리 전압이 표준이 되었습니다. 초창기의 자동차는 Crank를 돌리고 라디오를 켜는 정도의 작은 전기만 필요했습니다. 하지만 자동차의 안전장비 추가, 편의 사항 개선 등으로 시간이 지나면서 전장장치들이 많이 늘어났습니다. 필요한 전력이 높아지면서 12V 시스템에서 전압을 더 올리기 위한 논의는 계속됐습니다.
 
1990년대에는 42V 시스템이 제안되었고, 2011년에는 독일 자동차 제조사들이 48V 전압을 표준으로 정립하였습니다. 이후 하이브리드 자동차 및 전기차는 고전압을 사용하기 시작했습니다. 전력(Watt)은 전압(V)*전류(A)로, 전력을 상승시킬 때는 전압을 올리는 것이 더 일반적입니다. 전류가 상승하면 케이블의 두께가 두꺼워져야 하고, 커넥터 또한 변경이 필요하기 때문입니다. 즉, 전류를 올리면 하드웨어적 비용이 상승하기 때문에 전압을 올리는 방향이 더 효율적입니다.
 
배터리 전압의 상승, 48V Mild Hybrid 시스템
2010년대에 48V 전압 시스템이 등장한 가장 큰 배경은 배출가스 규제입니다. 내연기관을 생산하는 자동차 제조사들은 Powertrain 개선을 통해서 배출가스 기준 목표를 달성하고, 연비를 상승시켜야 했습니다. 마일드 하이브리드(MHEV)는 간단히 말하면 저렴한 하이브리드 시스템입니다. 자동차 제조사들이 MHEV를 선호하는 이유는 생산이 쉽기 때문입니다. MHEV 시스템은 기존 내연기관 Powertrain에 48V 시스템 추가만 하면 생산이 가능하며, Full-hybrid 보다 저렴한 비용으로 배출가스 감소를 달성할 수 있습니다. 전압 값을 48V로 정한 이유는 각 나라에서 인체에 위험하지 않은 안전한 전압(SELV:Safety Extra Low Voltage)으로 60V를 규정하고 있기 때문입니다. 실제로 지난 100년 동안 48V는 전화기에 적용된 안전함이 증명된 전압이기도

고전압을 사용하는 전기차 Application

전기차 Powertrain 기본 구성은 에너지를 저장하는 고전압 배터리, 인버터, 전기모터로 이루어집니다. 전기차 Powertrain은 고전압을 사용하는데, 전기차의 연비와 관련된 부분이 고효율의 전력변환입니다. 전기차에는 LDC(Low-Voltage DC/DC Converter), OBC(On Board Charger), Inverter 등 다양한 전력변환 장치들이 있습니다. 다양한 DC/DC Converter Topology 들을 적용하여 각 장치들 간의 통합도 가능하며, 실제로 OBC와 LDC의 통합도 이루어지고 있습니다. 시스템 통합이 이루어지면 사용되는 부품 수를 줄이고 공간을 줄이는 이점이 있습니다.

고전압에서 높은 신뢰성을 보여주는 고전압 MLCC 구조

고전압 MLCC는 일반 MLCC 대비 전압이 높은 환경에서 신뢰성이 확보되어야 합니다. MLCC에 높은 전압이 인가되었을 때 강한 전기장(Electric field)이 MLCC 주변에 형성이 되며, 특히 MLCC의 양쪽 단자에 큰 전기장이 집중됩니다. 이는 Ionized air를 발생시키며, Ionized air에서 개시 전압(Inception voltage)을 넘으면 전기 Arc가 발생해 MLCC 내부 회로의 short 발생 위험이 있습니다. 이러한 현상을 방지하는 구조가 Shield Pattern입니다.

Floating 설계는 MLCC Crack 발생 시 위험을 낮추는 구조이지만 고전압에도 유용합니다. Floating 구조는 MLCC 내부에서 전압이 절반으로 분배됩니다. 예를 들어 MLCC 양단에 1000V의 전압이 인가되었을 때, Floating 설계를 이용하면 MLCC 유전체 내부의 전압을 1000V의 절반인 500V로 줄일 수 있습니다. MLCC는 온도와 전압이 수명을 결정하기 때문에, 이렇게 MLCC 유전체에 인가되는 전기장(Electric field)이 약해지면 신뢰성 측면에서 이점이 있습니다.

고전압 환경에서도 신뢰성을 보장하는 삼성전기 고전압 Automotive MLCC를 소개합니다. Line up 자료는 삼성전기 홈페이지에서 확인할 수 있습니다. 샘플 요청 등 추가 문의가 있으신 경우 여기를 클릭해 고객문의를 남겨주시기 바랍니다.

Samsung	Size (mm)	Cap (Voltage)	Temp.	Data Sheet
CL31C471JIH3PNE	1206inch (3216mm)	470pF (1000V)	C0G (-55 ~ +125℃)
CL31B222KIFXPNE	1206inch (3216mm)	2.2nF (1000V)	X7R (-55 ~ +125℃)
CL31C472JHH1PNE	1206inch (3216mm)	4.7nF (630V)	C0G (-55 ~ +125℃)
CL31B103KHFXPNE	1206inch (3216mm)	10nF (630V)	X7R (-55 ~ +125℃)