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글 / 마크 브라켄(Mark Bracken), 온세미 오토모티브 시스템 엔지니어링 부문 테크니컬 마케팅 엔지니어 

전기 자동차(EV)의 혁신은 자동차 산업을 새로운 시대로 이끌고 있다. 기술과 발전 방식의 고도화 덕분에 앞으로 나올 새로운 자동차는 전기 파워트레인을 옵션 또는 기본으로 탑재하게 될 것이다. 자동차 제조업체들은 탄소 중립과 과감한 전장화 전략을 위한 목표를 세우고 자사 제품군에 전기 자동차를 추가하고 있다. 

전세계의 수많은 정부에서 차량의 이산화탄소 배출량 감소를 위한 규정을 만들고 있으며, 모든 차량 OEM은 파워트레인 전장화에 초점을 두고 있다. 배기가스 제한 법률의 모멘텀과 파리 협정(Paris Agreement)에 대한 약속은 변화를 일으키고 있다. 이러한 약속은 전 세계 평균 기온의 상승을 억제해 산업화 이전 대비 기온 상승을 2도 이하로 유지할 것이다. 이는 총 이산화탄소 배출량을 줄일 경우에만 가능할 것이며, 전기 자동차로의 변화는 그 노력의 일환이다.

이 역사적인 분수령은 많은 영역에 걸쳐 있다. 본 기고문은 전기 자동차에 관한 다양한 솔루션을 다루는 것이 목표이지만 우선 배터리식 전기 자동차(BEV), 즉 무공해 자동차(zero-emission vehicle, ZEV)에 대한 논의로 출발하려 한다. 

미국의 하루 평균 통근거리는 왕복 30마일(48km) 미만이다. 오늘날 배터리식 전기 자동차의 통상 주행거리는 차량의 크기와 시장에서의 위치에 따라 다르며, 고급 모델의 경우 일반 모델보다 더 높은 편이다. 주변 온도도 영향을 미치며, 대부분의 차량이 추운 겨울보다 더운 여름에 더 많이 주행할 수 있다.

사용 사례 가운데에는 소비자가 합리적인 이유로 배터리식 전기 자동차로 바꾸는 경우가 많다. 배터리식 전기 자동차는 평균 약 200마일(32km)을 주행할 수 있으며, 주 1회 충전으로 매일의 통근과 주말의 여가 활동이 가능하다. 가장 큰 매력은 배터리 충전비용이 내연기관(ICE) 차량의 주유비용보다 훨씬 낮다는 것이다. 내연기관 차량이 일평균 약 30 마일의 통근거리를 주행 시 12kg(약 28파운드)의 이산화탄소를 배출하는 반면, 배터리식 전기 자동차는 이산화탄소를 배출하지 않는 환경적 이점이 있다. 

미국 환경보호청에 따르면(EPA, 2021), 한 대의 승용차는 연평균 4.6메트릭톤의 이산화탄소를 배출한다. 전 세계 도로 위의 차량 수를 고려하면 이는 매년 64억 메트릭톤 이상의 이산화탄소 배출을 의미한다. 각국에서는 차량의 이산화탄소 배출을 줄이기 위한 법안을 제정하고 있으며, 파워트레인의 전장화는 모든 차량 OEM의 주요 관심사가 됐다. 구체적으로, EPA의 추정치에 의하면 차량의 연간 이산화탄소 배출량은 발전소 1,000개의 연간 이산화탄소 배출량과 동일하다.

배터리식 전기 자동차는 2026년 생산될 전기 자동차의 약 35%를 차지할 것이다(Strategic Analytics, 2020). 이는 전혀 새로운 파워트레인을 탑재하며 엔진, 기어박스, 차축의 차동 기어까지 대체할 수 있다. 전기 파워트레인은 이러한 시스템을 소량의 트랙션을 제공하는 모터로 대체하며 대부분의 경우 추가적인 기어를 필요로 하지 않는다. 내연기관 파워트레인의 경우 엔진이 고속 회전은 하지 않더라도 여전히 높은 토크를 제공하도록 바퀴에 여러가지 복잡한 기계 시스템을 적용시켜 놓았다. 

배터리식 전기 자동차는 모터를 구동하는 제어 전자 장치를 사용해 더욱 탁월한 정교함을 제공한다. 토크는 낮은 회전에서도 사용 가능하며, 모터는 매우 빠른 속도로 회전할 수 있고 추가적인 기어박스가 필요 없는 경우가 많다. 배터리식 전기 자동차는 내연기관을 전기 파워트레인으로, 화석 연료를 리튬 이온 배터리 팩으로 교체하며, 배전망에서 배터리 팩을 충전하는 방식으로 연료를 공급한다.

그림 1. 2026년 전기 자동차의 전장화 현황(수소전기 자동차(FCEV)는 1%를 차지하며, 표에서 생략됨) 

물론, 이러한 전기 모터의 유연성을 확보하기 위해서는 몇 가지 조건이 필요한데한 가지 예를 들면 전력 시스템 내에서 전력을 분배하는 방식의 변경이 필요하다. 배터리식 전기 자동차의 배터리 전압은 높은 편으로, 400V~800V DC이다. 고전압 배터리 팩을 충전하고 트랙션 드라이브에 전원을 공급하려면 고출력 전력 솔루션이 필요하다.

배터리 팩 충전에는 온보드 충전기(OBC) 혹은 오프보드 DC 급속 충전기를 사용해야 한다. OBC는 단상 또는 3상 소스로부터의 AC 입력을 고전압 DC 출력으로 변환해 배터리를 충전해야 한다. 또한 AC 그리드에서 유입되는 무효 전력을 최소화하기 위해 역률 보정(PFC)을 사용해야 한다. 배터리식 전기 자동차의 배터리 팩을 충전하는 또 다른 방법은 DC 급속 충전기를 사용하는 것이다. DC 급속 충전기는 상용 에너지 인프라의 일부로, 차량에 탑재되지 않은 개별 장치이다. DC 급속 충전기는 OBC보다 훨씬 높은 전력을 제공하며 OBC를 우회해 배터리를 직접 충전한다. 그러나 DC 급속 충전기 역시 역률 보정을 사용하면서 AC 입력 소스를 고전압 DC 출력으로 변환하는 기본 기능은 동일하게 가지고 있다.

배터리식 전기 자동차의 트랙션 모터는 일반적으로 AC 유도이며, 고전압 DC 배터리 소스는 이를 직접 구동할 수 없다. 외부 부스트를 요구하거나 부스트 기능이 통합된 트랙션 인버터 모듈은 고전압 DC 소스를 통해 전기 모터에 3상 또는 6상 사인파 구동 파형을 제공해야 한다. 이러한 구동 파형은 트랙션 모터의 토크와 속도를 증가시키도록 제어된다. 트랙션 인버터 전자 장치의 또 다른 주요 기능은 주행 또는 제동 중의 에너지 회수이다. 이동 중 운전자가 추가적으로 가속하지 않을 경우 트랙션 모터가 발전기 역할을 한다. 차량의 모멘텀이 트랙션 모터를 회전시키고, 트랙션 인버터 전자 장치가 동력 흐름을 반대로 하여 고전압 배터리 팩으로 에너지를 공급한다.

차량 전장화는 새로운 것이 아니지만, 그 어느 때보다도 차량 제조업체들의 주목을 받고 있다. 이 분야는 빠르게 변화하고 있으며 항상 새로운 기술이 개발되고 있다. 아직 해결해야 할 과제가 있지만 효율, 충전 시간, 배터리 화학, 충전 인프라 및 리튬 자원 추출 기술이 모두 개선되고 있다. 배터리식 전기 자동차의 재충전 가능한 배터리를 비롯한 에너지 저장 기술은 주요 연구 분야이다. 배터리 설계와 비용 구조의 발전은 배터리식 전기 자동차의 평균 판매가를 낮출 수 있으며, 설계의 개선은 배터리 용량을 향상시킬 것이다.

배터리 용량을 늘리면 주행 거리가 개선되지만, 배터리의 저장 기능을 완전히 실현하려면 더 나은 시스템 효율을 먼저 달성해야 한다. 배터리식 전기 자동차의 파워트레인 효율을 위해서는 두 가지 항목을 분명하게 고려해야 한다. 전기 파워트레인은 최대 배터리 용량을 사용해야 하며, 배터리를 빠르게 충전할 수 있어야 하고, 열손실은 최소화해야 한다.

배터리식 전기 자동차의 파워트레인에 필요한 전력 전자 장치는 전반적인 시스템 효율을 관리해야 한다. 최적의 효율을 달성하지 못하면 시스템은 배터리 또는 그리드에서 공급되는 귀중한 에너지를 열에너지의 형태로 잃게 된다. 이를 해결하는데 매우 중요한 기술이 한가지 있다. 

SiC(실리콘카바이드)는 트랙션 인버터, DCDC 컨버터, OBC 및 DC 급속 충전기에 사용되는 표준 실리콘 전력 반도체를 대체 및 강화하고 있다. 온세미는 고출력 SiC MOSFET, SiC 다이오드, 하이브리드 IGBT 및 자동차 전력 모듈(APM) 포트폴리오를 통해 해당 분야를 선도하고 있다. SiC 솔루션은 전반적인 시스템 효율성을 향상시키면서 더 높은 전력 밀도와 항복전압, 향상된 신뢰성을 제공한다. 온세미 제품군 중 차량 전장화를 위한 또다른 기술로는 초접합(Super-Junction) MOSFET, IGBT 및 저전압 전력 조절 솔루션, 아날로그 신호 체인(센싱) 및 차량 내 네트워킹(IVN)이 있다.

자동차 업계는 빠르게 변화하고 있으며, 전기 자동차에 대한 강력한 모멘텀을 가진다. 이러한 상황은 경차와 상용차를 아우르는 모든 종류의 차량을 포함한다. 일부는 소비자 시장보다 대량 수송과 물류 분야의 전장화가 먼저 이루어질 것이라고 주장하며, 이는 일리가 있다. 대량 수송을 통해 더 많은 사람들의 비용을 절감할 수 있으며, 라스트마일 딜리버리(Last Mile Delivery)의 다양한 요구사항을 충족하는 데는 전기 파워트레인이 매우 적합하기 때문이다.

온세미의 SiC 솔루션으로 대표되는 최신 기술들은 이러한 추세를 가속화해 더욱 큰 모멘텀을 제공할 것이다. 주행거리, 충전 시간, 환경에 대한 영향, 소유 비용 및 소비자 만족도 향상은 전장화의 미래를 이끌 것이다. 법제화를 통한 글로벌 이니셔티브는 자동차 제조업체들이 전기 자동차로의 전환을 완성할 신차 개발에 더욱 박차를 가하게 할 것이다. 다양한 사례를 통해 이미 변화는 일어나고 있다. 2021년부터 2026년까지 전기 자동차 및 하이브리드 전기 자동차의 복합 연간 성장률(CAGR(VOL)) 추정치는 20.1%이며, 배터리식 전기 자동차의 경우 29.7%가 될 것이다(Strategic Analytics, 2020).

그림 2. 향후 5년간 전기 자동차 및 하이브리드 전기 자동차의 성장

온세미는 이러한 전기 파워트레인 혁명을 위한 핵심 기술을 제공하는 가치 사슬에서 중요한 역할을 하고 있다. 온세미의 솔루션은 고객이 전력 밀도, 효율성, 신뢰성을 극대화하는 동시에 다양한 전력 계층에 대응하는 하이엔드 시스템을 설계하도록 지원한다.

참고자료

• U.S. Environmental Protection Agency. (2021, April 28). Greenhouse Gases Equivalencies Calculator - Calculations and References. EPA. https://www.epa.gov/energy/greenhouse-gases-equivalencies-calculator-calculations-and-references

• Strategic Analytics. (2020, October). Automotive Sensor Demand 2018-2027.