1. 서론

최근 자동차 분야의 EMC 설계 기술 쟁점은 친환경 자동차에 관한 내용이 주류를 이루고 있다. 현재 친환경 자동차의 주요 노이즈원은 크게 구동시스템(인버터, 모터 등)과 OBC(On-Board Charger)와 기타 고전압 부품(PTC 히터, Elec-Comp, LDC 등) 등으로 세가지로 분류가 가능하다. 또한 경로 문제로는 고전압 케이블 및 커넥터 차폐 문제가 가장 큰 이슈로 부각되고 있다. 저주파 고전압 현상의 노이즈원으로 인하여 피해를 입고 있는 전장품은 차량내의 무선 시스템과 BMS가 대표적인 사례이다.


글 / 정기범 (이앤알텍)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2014년 1월호

이러한 문제들을 해결하기 위하여 다국적 완성차 및 국내 완성차 업체에서는 많은 인원과 노력을 기울이고 있는 실정이다. 자동차라는 특수성은 안전성과 신뢰성, 패키지 축소 및 가격 경쟁력을 확보하기 위하여 전장부품들에 많은 EMC 성능을 요구하고 있는 실정이다. 현재까지 위 관련 EMC 규격이 없는 실정이며, IEC 및 CISPR 등과 완성차 업체에서 관련 규격을 제정 중에 있다. 지금까지 개발 및 완성된 규격을 중심으로 소개를 하고, 이에 따른 EMC 설계 방향에 관하여 간략히 논하고자 한다.

또한 닛산, BMW, GM 등 다국적 완성차 업체들도 고전압 관련 EMC 성능을 확보하기 위하여 많은 노력을 기울이고 있으며, 관련 친환경 자동차의 EMC 품질은 아직 완성도가 떨어지고 있는 실정이다. 그림 1은 친환경 자동차의 EMC 핵심 부품들을 설명한 것이다. 표 1은 자동차 내부의 무선기기 주파수 및 관련 적용 분야를 설명한 것이다. 표 1의 주파수들은 모든 자동차 전장품들로부터 보호 받을 의무가 있다. 자동차는 이러한 기반에 규격이 제정 및 개정되고 있다.

2. 최신 친환경 자동차 및 OBC 관련 규격 동향

친환경 자동차 관련 고전압 부품 및 OBC에 관한 규격은 CISPR25 4th Draft(전장품) 버전과 CISPR12 (완성차), IEC61851-21-1(CD문서, OBC), ECE R10.05 Draft 및 완성차 업체들에서 개정 중에 있다. 특히 OBC의 경우 차량과 전력망이 함께 공존하는 새로운 개념이기 때문에 IEC61000-6-1, 2, 3, 4의 시험항목이 추가가 되었다. 또한 OBC는 가정용기기의 분류로 속하여 제한치가 Class B급으로 선정이 되는 추세이다. 다국적 완성차 업체들의 경우 내부 규격이 아직 보완이 심한 상태여서 동향 파악에 어려움을 겪고 있다.

친환경 자동차의 경우 소형 전기차의 선행개발과 더불어 많은 업체들이 자동차 시장에 참여를 하고 있는 실정인데, 만약 위 관련 규격동향을 파악하지 못하고 개발이 진행이 된다면 양산에 많은 어려움 및 개발 포기 사례가 발생할 수 있다는 점을 유의하여야 한다. 실례로 전자파 문제로 인한 개발 포기 사례가 지금도 진행중에 있으며, 전자파 문제로 인한 가격 경쟁력 및 양산성 문제가 본질을 차지하고 있다. 또한 관련 기술을 선점하기 위한 완성차 업체의 전자파 기술 경쟁이 가장 심하게 이루어지고 있는 분야가 친환경 자동차 분야이다.

친환경 자동차의 모터 구동시스템에 관한 EMC 측정 구성도는 CISPR 25에서 제시를 하고 있다. 그림 2는 모터가 있는 경우 방사성 방출의 시험 구성도를 보여주고 있다. 중요한 사항은 모터의 부하를 제공하기 위하여 모터 다이나모가 별도로 챔버 외부에 설치가 되어야 한다는 점이다. 부하별 영향도에 따라 노이즈는 변화를 일으키기 때문에 이러한 측정법은 올바른 방법이라고 할 수 있다. 그러나 EMC 대책 기술 측면에서는 매우 어려운 점이 기술적으로 발생할 수밖에 없다.

제한치의 경우 기본적으로 차량내의 무선 수신기를 보호하기 위하여 방사성 방출 제한치는 변동이 없으며 전도성 방출의 경우 조금더 완화된 제한치를 제안하고 있다. 여기서, 완화된 제한치는 적용하려면 케이블 차폐 및 고전압이 저전압으로 커플링되는 양이 적을 경우 완화된 제한치를 적용하도록 하고 있다. 그 기준으로 커플링 팩터라는 것을 적용하고 있는데, 그림 3이 이것을 설명하고 있다.

그림 3의 A1~A5까지의 팩터 값보다 작을 때 그림 4의 완화된 전도성 방출제한치를 적용할 수 있다.

방사성 방출 제한치는 앞에서 언급하였듯이 차량내 무선 수신기 주파수를 보호할 목적으로 제한치의 변동이 없다. 따라서 기존 12V 전장품의 제한치를 만족하기 위한 EMC 설계를 위하여 그림 5와 같이 고전압 케이블 및 커넥터와 소켓의 차폐성이 중요한 설계 요소가 된다는 것은 당연한 것일 수 있다. CISPR25에서는 이러한 요구조건을 만족시키기 위하여 고전압 케이블의 차폐효과 평가 방법을 IEC62153-4-6와 같이 표면전달 임피던스 측정을 통한 Line-Injection 방법을 제안하고 있다. 그림 5는 이러한 차폐성능을 평가하기 위한 측정 방법이다.

자세한 고전압 관련 친환경 자동차 규격은 CISPR25 4th Draft 버전을 참고하기 바라며, 실차 규격 또한 OBC가 등장하면서 새롭게 추가가 된 항목들이 발생하였다. 그림 6은 이러한 새로운 방향의 경향에 맞추어 추가된 CISPR12 또는 ECE R10.05 버전에 추가가 되고 있다. 2012년 말이나 내년 초에 새로운 차량 시험 규격이 확정될 예정이다. 그러나 유럽 법규에서는 OBC가 장착된 EV 또는 HEV의 경우 법규항목으로 개정이 되었다.

측정 구성 방법은 ECE R10.05 및 CISPR12에서 제시하고 있다. 그림 7은 이러한 측정 방법을 설명하고 있다. IEC61851-21-1(CD) 및 A사의 OBC 규격은 단품 상태에서 총 17개 항목의 시험을 실시하도록 규정하고 있다. 물론 국내 완성차 업체 및 다국적 완성차 업체에서도 관련 OBC 규격 표준을 제정하기 위한 작업을 진행 중에 있다.

여기서 중요한 사항은 OBC가 Power-Grid 및 자동차에 함께 적용되는 제품이기 때문에 17개 항목이외에 자동차 단품 규격(CISPR25)도 만족을 해야 한다는 것이다. 이것은 완성차 업체에서 법규 및 자체 규정을 만족시키기 위해서는 선행적으로 단품 규격도 만족을 시킬 수 있도록 제한할 것이라는 사실이다. 그러므로 OBC 관련 EMC 설계 기술 및 규격 만족은 당분가 매우 어려운 기술적 장벽이 될 것이다.

또한 OBC의 경우 자동차에 적용된 적이 없는 AC성 전원 노이즈의 유입이라는 새로운 패러다임에 놓이게 된다는 사실이다. 또한 A사는 ICNRP(국제비전리방사선보호위원회) 규격도 만족할 수 있도록 표준을 제정하고 있다. 주파수 측정 범위는 5Hz~400kHz이며 장비에서 나오는 자기장을 측정하도록 하고 있다. 더 자세한 OBC 관련 단품 및 실차 규격은 CISPR12(CD) 문서와 ECE R10.05 문서를 참조하기 바란다.

3. 친환경 자동차의 모터 구동시스템 및 고전압 부품에 관한 EMC 설계 방향

앞서 언급하였듯이 고전압 부품 관련 규격의 표준화 및 단체표준이 제정 되고 있는 상황과 실차의 노이즈문제는 매우 중요한 상관요소를 가지고 있다. 규격이 제정되고 있는 방향은 근본적으로 노이즈 발생원에 대한 정확한 측정과 평가를 통하여 자동차의 기능적 안전성을 도모하기 위함이다. 여기서 기능적 안전성이라 함은 노이즈로 인한 부품의 오동작 및 안전성 장비 즉, 사람의 생명과 연관된 직접적인 부품의 보호와 시스
템의 보호에 방해가 되는 노이즈 발생을 최소화하여 신뢰성을 확보하고자 하는 것이다. EV/HEV/FCEV 등의 구동시스템은 디젤 혹은 가솔린 자동차의 엔진과 같은 역할을 수행하고 있다. 따라서 노이즈 면역성 증가 및 방사량을 최소화하는 것은 시스템의 안전성을 위해 매우 중요한 일이다.

그러나 기존의 12V 시스템에서 진행해 온 EMC 기술 및 설계 방법을 그대로 적용할 수 없는 것이 또한 현실이다. 왜냐하면 고전압 부품의 핵심인 IGBT나 FET 소자의 경우 설계가 완료된 상태에서는 수정이 불가능하기 때문이다. 만약 설계 변경이 이루어진다면 비용 및 시장 진입시간의 지연이 이루어질 수 밖에 없다.

따라서 설계 단계에서부터 실차 및 단품에 대한 EMC 성능을 만족시킬 수 있는 강건 설계가 필수적으로 이루어져야만 한다. 국내의 경우 초기 HEV/EV 개발시 이러한 점을 간과하여 많은 시행착오를 겪었다. 특히 고전압 부품의 경우 규격 및 시험방법이 확립되지 않아 평가에 많은 어려움이 있었으며 관련 고전압 부품 설계 즉, 전력전자 엔지니어의 부족으로 많은 어려움이 있었다. 또한 관련 EMC 전문가의 부족이 심각한 상태
였다.

저자는 이러한 관점에서 향후 국내 친환경 자동차의 발전 및 경쟁력 확보를 위하여 반드시 선행되어야할 기술은 전력전자 엔지니어의 양성과 관련 EMC 전문가의 양성이 매우 중요하며, 전력소자의 국내 내재화 기술이 선행이 되어야만 한다고 판단된다. 그러기 위해서는 반도체 FAB(Fabrication Facility) 공정을 보유한 기업이 등장하여야 한다고 본다. 모터 구동시스템의 경우 핵심 부품은 IGBT(Insulated Gate Bipolar
Transistor)이며, 전량 외국에서 수입을 하고 있는 실정이다. 또한 LDC(Low-Side D/D Converter)의 핵심부품은 FET(Field Effect Transistor)이다. 아쉽게도 국내에 이러한 제품을 설계할 능력을 가진 업체 전무한 상태이다. 또한 구동 모터의 설계기술이 발전을 해야 한다.

여기서 자세한 내용을 다 열거할 수 없지만 모터 설계가 노이즈적으로 매우 중요한 역할을 하며, 중요한노이즈 전달 경로의 역할을 하기 때문에 설계기술의 발달이 요구된다. IGBT 및 FET 공정설계 파라미터의 제어능력은 노이즈(EMC) 및 신뢰성과 안전성, 제품 수명에 매우 중요한 요소이기 때문이다. 차량 구동 모터의 경우 2가지 정도의 모터를 사용하고 있다. PM(Permanent-Magnet) Motor와 유도전동기(Induction Motor : Y-Type, △-Type)이다.

각 모터의 장단점은 향후 다시 논의하기로 하고 본 고에서는 이러한 모터가 구조적으로 노이즈를 재생산하고 중요한 노이즈 경로의 역할을 한다는 점만을 다루도록 하겠다. 먼저 구동 모터의 노이즈 메커니즘은 그림 8에서 설명하고 있다.

그림 8에서 노이즈에 관한 문제보다 먼저 샤프트 및 축의 부식 및 소손이나 모터 베어링의 소손이 심각한 문제를 야기시킨다. 이러한 원인은 결국 원치않는 전류의 흐름에 기인한다. EMC적으로는 이러한 노이즈 전류를 제어하기는 매우 힘든 상황이다. 따라서 관련 모터 전문가와 함께 EMC 문제를 해결하기 위한 노력이 필요한 실정이다.

그림 9와 같이 이러한 노이즈 유입 및 발생은 특히 AM대역의 노이즈가 유입되는 경로를 제공할 수 도 있다. 만약 이것인 현실화 된다면 매우 어려운 EMC 설계기술이 수반
이 되어야 한다. 물론 해결할 수 있는 방법은 여러 가지가 있겠지만 설계 단계에 이러한 대책을 하지 않으며 결코 쉽게 문제를 해결할 수 없을 것이다.

해결 방법으로는 Insulated Coupling과 Insulated Bearing을 사용하는 방법과 그림 10의 ESIM(Electrostatically Shielded Induction Motor)이 있을 수 있다. 구동 모터 설계에 대한 내용은 이것으로 마치고 구동 시스템의 인버터에 관한 내용으로 전체 차량의 노이즈의 대부분을 차지하는 가장 큰 노이즈원에 대하여 논하기로 한다.

시스템 통합 설계 즉, 설계 단계에 EMC 적용 기술을 구축하여 설계를 함으로써 차량의 고전압 노이즈를 최소로 유지하기 위한 최소한의 조건이다. 먼저 하우징 및 패키지 적으로 고전압 노이즈가 저전압으로 커플링 되는 요소를 최소화 하여야 한다. 그리고 각 제어 PCB 및 Power PCB의 설계가 이루어져야 한다. 각 소자의 특성을 이해하고, 회로적으로 노이즈 커플링을 최소할 수 있는 기법 즉, SI/PI/EMI/EMS 능력을 가질 수 있도록 회로 및 PCB 설계가 이루어져야 한다.

이것으로 단품의 성능을 확보한다고 해서 차량 시스템에서 노이즈 발생이 최소로의 유지가 가능하지 않다. 왜냐하면, 각 단품이 EMC적으로 강건 설계가 되어있다고 해서 문
제가 해결되는 것이 아니며, 고전압 부품을 연결하는 경로의 문제가 차량 시스템적으로 더 중요한 요소를 차지하기 때문이다.

즉, EMC의 3요소 Source-Path-Victim이 서로 조화롭게 설계가 되었을 때 시스템적으로 가장 우수한 EMC 강건 설계가 가능하기 때문이다. 이러한 관점에서 시스템 차원의 노이즈 문제의 확률을 필자가 경험한 것을 바탕으로 설명한 것이 그림 11이다. 고전압 부품의 단품과 시스템 차원에 서로의 상관요소를 살펴보면 그림 12와 같을 것이다. 저자의 경험으로 차량의 시스템 차원에서 단품의 성능이 아무리 우수하다 하더라도 시스템적인 고려를 하지 않으면 전체 차량의 EMC 성능은 떨어지게 된다. 그 차이점은 그림 12에서 열거한 항목이 주된 이유가 될 수 있을 것이다. 그림 13은 이러한 노이즈 및 EMC 성능을 확보하기 위한 흐름도를 설명한 것이다.

ISO26262 관점에서 차량의 시스템 EMC를 적용하기 위한 즉, 차량의 EMC 측면의 기능적 안전성을 확보하기 위한 흐름도를 그림 14에서 설명한 것이다. 향후 관련 위험 로그 및 위험 분석, E-FMEA(EMC 고장모드 분석) 기법 등을 이용하여 좀 더 체계적인 EMC 관리가 필요할 것이라고 판단이 된다. 그림 14는 이러한 기법을 이용한 FCEV의 EMC 관리체계를 설명한 것이다. 향후 관련하여 좀더 설명할 기회가 있으면 다음에 다루도록 하겠다.

4. 결론

본 고에서는 최근 친환경 자동차 EMC 동향을 살펴보았다. 특히 고전압 관련 규격 및 표준이 많은 변화를 겪고 있으며, 각 국가에서 기술 선점을 위하여 많은 노력을 기울이고 있다. 물론 국내의 완성차 업체들도 최근 관련 기술의 발달 및 향후 국제 시장 선점을 위하여 기술력이 향상되고 있는 실정이다. 향후 소형 전기차의 출연과 많은 업체들이 이 분야에 진출할 예정이며 EMC 설계 기술이 바탕이 되지 않으면 제품의 출시 및품질을 확보할 수 없다는 사실을 인지하기 바라며, 설계 기술의 확보가 가장 시급한 실정이다. 본 저자의 경험이 많은 관련 종사자들에게 조금이나마 도움이 되길 바란다. 또한 EMC 설계기술은 복합기술이기 때문에 EMC만 알아서는 문제를 해결할 수 없다. EMC는 시스템 엔지니어링 기술이며 회로 설계자, 패키지 설계자, 소프트웨어 설계자, 기구 설계자, 신뢰성 시험평가 분야, 품질관리자, 프로젝트 관리자,고객과 연결된 모든 분야의 Manager 역할을 함께 수행할 수밖에 없다. 단순 제품의 설계 차원을 넘는 매우 어려운 분야임에는 틀림이 없다. 이러한 문제인식을 가지고 설계를 할 때 비로서 경쟁력 있는 제품 및 시스템의 안전성이 확보가 됨을 인지하여 주시기 바란다.