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전기차를 위한 DC 충전 기술

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자료제공/온세미

다소 느린 시작에도 불구하고, 자동차 시장이 전기차(EV)를 받아들이는 속도는 기술의 발전과 함께 꾸준히 증가하고 있다. 지금까지 전기차의 채택이 제한되어 온 한 가지 주요요인은 충전시설, 특히 주행 중 이용 가능한 급속 충전 시설의 상대적인 부족이었다. 이에 관해 '닭이 먼저냐 달걀이 먼저냐' 식의 상황이 빚어지고 있다. 전기차 충전시설 확충을 통해 ‘주행거리 불안(range anxiety)’이 극복되지 않는 한 전기차 판매가 저조할 수밖에 없는 반면, 기업들은 도로 위에 더 많은 전기차가 다니지 않는 한 충전 인프라 투자를 꺼릴 수밖에 없는 실정이다.

오늘날 휘발유 차량에 연료를 주입하는 유일한 방법은 고속도로, 도시 및 시내에 위치한 수천 개의 주유소 중 한 곳을 찾아가는 것이다. 전기차의 경우 상황은 달라질 수 있다. 많은 주유소에서 전기차 충전 시설을 통합해 제공할 수도 있으나, 이밖에 직장, 건물, 도로변의 휴게소, 주택가 도로, 심지어 운전자 본인의 거주지를 비롯해 주차 가능한 거의 모든 곳에 충전 시설이 설치될 수 있기 때문이다.

전기차의 종류는 다양하며, 그 중 하이브리드(PHEV, Full HEV, MHEV)와 같은 종류는 내연기관(ICE)의 대체 동력원으로 탑재 가능성을 보여준다. 완전 배터리식 전기차는 전기 모터만 탑재하며, BEV라고 불린다. 한편 연료전지 기반 차량인 FCEV도 있다. 보통 하이브리드 차량은 ICE를 통해 자체 충전이 가능하지만, PHEV와 같은 일부 유형은 플러그를 꽂아 충전 가능하다.

모든 유형의 전기차에 대한 판매량은 향후 몇 년간 성장할 것으로 전망되며, 그 중 완전 배터리식 전기차와 마일드 하이브리드 전기차가 가장 강력한 성장세를 보이고 있다. 

[그림 1] 유형별 예상 전기차 판매량 (출처: IHS, 옴디아(Omdia) 2020)

전기차의 성장에는 그에 상응하는 충전 인프라의 성장 또한 요구된다. 현재 충전 시설의 대부분은 중국에 있으며, 특히 급속 충전기의 경우 중국에 80% 이상이 설치돼 있다.

[그림 2] 2019년 국가별 이용 가능한 사설 및 공공 충전시설 (출처: 국제 에너지 기구(IEA) 2020)

연구기관 리서치 앤 마켓(Research and Markets)에 따르면 2020년부터 2027년까지 충전시설 설치에 대한 연평균 성장률(CAGR)은 31.8% 및 관련 비용은 CAGR은 39.8%로, 동 기간 동안 가격 상승이 나타날 수 있음을 보여준다.

DC 충전 표준 및 프로토콜

공개적으로 사용 가능한 충전기로 전기차를 충전하려면 먼저 표준화가 마련돼야 하고, 공동의 프로토콜이 합의돼야 한다. 이는 유럽과 같이 국가간 차량 이동이 많은 지역에서 특히 중요하다.

오늘날 세계적으로 마련된 세 가지 주요 프로토콜은 다양한 국제 표준을 기반으로 한다. 차데모(ChadeMO, charge de move)는 2010년 일본에서 시작되었으며 닛산(Nissan), 미쓰비시(Mitsubishi), 도요타(Toyota), 히타치(Hitachi), 혼다(Honda)를 비롯한 일본 주요 기업과 여러 유럽 제조사의 지원을 받는다. 차데모는 IEC6185 및 IEC62196과 같은 국제 표준에 따라 커넥터 규격을 정한다. 이와 함께 충전기 규격도 정하고 있으며, 현재 최대 400kW/1000V의 충전기가 규정되었으나, 보고에 따르면 중국전력기업연합회(China Electricity Council)와의 파트너십을 통해 최대 900kW의 충전기까지도 고려의 대상이 되고 있다.

초기의 CCS(Combined Charging System) 충전방식은 폭스바겐(Volkswagen), 아우디(Audi), BMW, 다임러(Daimler), 포드(Ford), 제너럴 모터스(GM), 볼보(Volvo)를 비롯해 유럽 및 미주에 위치한 자동차 제조사들에 의해 시작됐지만, 현재 아시아 일부 제조사들도 이에 참여하고 있다. CCS는 적용 가능한 IEC, SAE 및 ISO 표준으로부터 AC 및 DC 표준을 차용해왔으며, 350kW까지 충전기 표준을 규정하고 있다. 현재 33,000개 이상의 충전 시설이 배치되어 있으며, 그 중 절반 이상이 50kW를 적용한다.

마지막 세번째 표준 규격은 테슬라 차량 전용 규격인 급속 DC 충전 테슬라 수퍼차저(Supercharger)이다. 현재 테슬라의 전용 커넥터를 사용하고 최대 250kW의 전력을 공급하는 2만개 이상의 충전 시설이 설치돼 있다. 네트워크 확장을 위해 테슬라는 현재 일부 차량에 CCS 충전 시설을 사용할 수 있는 어댑터를 제공하고 있으며, 유럽에서는 일부 테슬라 차량에 CCS 호환 포트가 탑재돼 있다.

모든 표준에서 충전 시간은 배터리 용량, 충전 상태, 충전시설에서 사용 가능한 전력 및 해당 차량이 지원하는 최대 충전 속도의 함수이다. 예를 들어, 평균 차량의 경우 100kWh로 충전 시 주행거리 266km 수준까지 약 29분이 소요된다. 이는 휘발유 차량에 연료를 주입하는 데 걸리는 3~5분보다 훨씬 긴 시간이며, 이 때문에 관련 단체들은 더 높은 충전속도를 요구하고 있다.

온보드 방식과 오프보드 방식

충전에는 온보드(on-board)와 오프보드(off-board) 두 종류가 있다. 각 정의는 DC로의 변환이 실행되는 위치와 관련된다. 온보드 충전기는 벽면의 콘센트 또는 충전 시설에서 AC를 끌어와 차량에 공급하고, 차량의 온보드 충전기는 이를 배터리 충전을 위한 DC로 변환한다. 반대로, 오프보드 충전기는 자체적으로 DC 변환을 한 다음 이를 자동차에 공급해 곧바로 배터리를 충전한다.

[그림 3] 온보드 방식 또는 오프보드 방식으로 차량을 충전할 수 있다. (출처: Yole Development)

고속 DC 충전 및 관련 전원 토폴로지

고속 DC 충전기의 메인 파워트레인은 역률 보정(PFC) 스테이지 및 DC/DC 변환 스테이지를 포함한다. NPC, T-NPC 및 6-스위치(switch)를 비롯해 단방향 충전에 적합한 몇 가지 PFC 부스트(boost) 토폴로지가 사용 가능하다.

[그림 4] 전기차의 고속 DC 충전을 위한 일반적인 3상 PFC(역률 보정) 부스트 토폴로지. 각각 T-NPC(왼쪽 위), 6-스위치(오른쪽 위) 및 I-NPC(아래)

전기 요금이 비싼 시기에 자동차 배터리에 저장된 전력을 사용해 가정에 전력을 공급하는 것이 고려됨에 따라 양방향 작동 기능은 점점 중요해지고 있다. 소개된 모든 토폴로지는 양방향 작동 모드를 지원하지만, 일부 다이오드는 스위치로 교체가 필요하다.

40mΩ 미만의 내부 온저항 RDS(on)이 낮은 SiC(실리콘 카바이드) MOSFET은 특히 대응되는 실리콘 제품보다 효율이 높기 때문에 더 높은 전력 범위에서 선호되는 솔루션이다. 이상적으로는 이러한 통합 솔루션이 더 나은 성능을 제공하고 설계를 단순화할 뿐만 아니라 시스템 크기를 줄이고 안정성을 향상시키기 때문에 전력 통합 모듈(PIM)에 구현된다. T-NPC 유형도 1200V 다이오드 또는 양방향 작동을 위한 스위치가 필요한 반면 NPC는 650V SiC MOSFET 또는 IGBT와 같은 스위치를 사용한다.

DC/DC 변환 단계에는 두 가지 기본 토폴로지가 사용된다. 풀 브리지 공진 LLC 및 ZVS(Zero Voltage Switching)를 갖춘 풀 브리지이다. LLC는 1차측에서 ZVS(Zero Voltage Switching)를 활성화하고 종종 2차측에서 ZCS(Zero Current Switching)를 허용하므로 공진 주파수에 가깝게 작동할 때 효율이 매우 높아진다. 동작 주파수가 제한된다면 LLC 컨버터는 매우 효율적인 솔루션이 될 수 있지만, 병렬 동작은 전류 공유(sharing) 및 동기화 관련 어려움으로 인해 까다로울 수 있다.

위상 변이 풀 브리지 토폴로지도 일반적으로 사용되며 LLC 방식보다 제어 아키텍처가 덜 복잡하다는 이점이 있다. ZVS를 사용하면 광범위한 출력 전압에서 효율이 높기 때문에 400V 및 800V 배터리 전압을 모두 지원하는 데 이상적이다.

LLC와 위상 변이 풀 브리지 사이에는 눈에 띄는 차이점이 있지만, 모두 비슷한 수의 구성 요소를 가지며 유사한 전력 밀도를 달성한다. 두 접근 방식 모두 동기식 2차 정류에 적합하기 때문에 양방향 작동에도 적합하다.

온세미는 SiC 다이오드 및 MOSFET, SiC 전력 모듈 및 관련 게이트 드라이버를 포함하여 고효율 전기차 충전 애플리케이션에 적합한 다양한 제품을 제공한다.

SiC 쇼트키(Schottky) 다이오드는 부분적으로 우수한 열 성능으로 인해 실리콘보다 우수한 스위칭 및 향상된 신뢰성을 제공한다. 650V, 1200V 및 1700V 버전으로 제공되는 온세미 SiC 다이오드는 역회복 전류가 없으며, 온도 독립적인 스위칭 특성이 있다.

SiC MOSFET은 10배 더 높은 유전 파괴 전계 강도, 2배 더 높은 전자 포화 속도, 3배 더 높은 에너지 밴드 갭 및 3배 더 높은 열 전도성으로 빠르고 견고하며 650V, 900V 및 1200V 버전으로 제공된다.

SiC 다이오드 및 MOSFET의 시스템 이점으로는 전력 손실 절감, 전력 밀도 향상, 동작 주파수 향상, 높은 온도에서의 동작 및 EMI 감소 등이 있으며, 이로써 달성 가능한 최고의 효율을 제공한다.

SiC 부스트 전원 모듈은 SiC 다이오드와 SiC MOSFET로 구성되어 DC/DC 컨버터 스테이지에서 사용된다. 완전히 통합된 방식을 통해 기생 요소를 줄이고 열 성능을 향상시킬 뿐만 아니라 설계를 단순화하고 보드 공간을 줄인다.

이러한 솔루션과 함께 온세미는 시스템 효율성과 신뢰성을 향상시키는 WBG 스위치용 절연 게이트 드라이버도 제공한다.

요약

급속 충전기의 광범위한 충전 네트워크를 제공하는 것은 향후 몇 년 동안 전기차 판매 증가를 위한 중요한 성공 요인 중 하나로 간주된다. 각각 다른 산업 그룹에서 나온 몇 가지 표준이 존재하며 눈에 띄는 차이점이 있지만 더 큰 전력과 향상된 효율성이 필요하다는 공통점이 있다.

SiC 로 만들어진 전력 소자는 전기차를 성공적이고 보편화 할 급속 충전을 제공하는 열쇠를 쥐고 있으며 온세미는 포괄적인 SiC 다이오드, MOSFET, 전원 모듈 및 관련 게이트 드라이버를 통해 해당 분야의 선도 기업의 입지를 다지고 있다. 

leekh@seminet.co.kr
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