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

온보드 충전기(OBC)는 외부 전력 제공 시스템(infrastructure power grid)을 통해 전기차(EV)의 고전압 DC 배터리 팩을 충전하는 데 결정적인 역할을 한다. OBC는 전기차에 적합한 충전 케이블로 레벨 2 전기차 충전 시스템(EVSE)에 연결하여 충전을 한다(SAE J1772, 2017). 비록 특수 케이블 및 어댑터를 사용해 벽면 콘센트에 연결하는 "긴급 백업" 수단으로써 레벨 1 충전을 사용할 수도 있지만, 이는 제한된 전력으로 훨씬 더 오랜 충전 시간이 소요된다.

OBC는 AC 전력을 DC 전력으로 변환하지만, 입력 전력이 DC인 경우 변환을 거칠 필요가 없다. DC 급속 충전기가 차량에 연결되면 고전압 배터리를 바로 충전하도록 OBC를 우회할 수 있다.

그림 1. OBC 시스템 블록

OBC는 주로 배터리식 전기차(BEV), 플러그인 하이브리드 전기차(PHEV), 연료전지차(FCEV)에 탑재된다. 이 세 가지 전기차 유형은 신 에너지차(NEV)라고도 불리며, 시스템 레벨 충전 기능에 관해 다양한 요구 사항을 제시한다.

표 1. 전기차를 위한 OBC 시스템 요구사항

AC 입력 전력을 DC 출력 전력으로 변환하는 핵심 기능을 통해 고전압 배터리 팩을 충전하기 위한 적절한 전압과 전류를 제공할 수 있다.  기본 레벨수준에서는, 해당 기능은 전력 제공 시스템에서 차량으로의 전력 이동만 허용하기 때문에 단방향으로만 시스템 동작이 가능하다. OBC 장치는 전반적인 배터리 상태 및 충전 상태에 따라 전압과 전류를 변화시킨다.

그림 2. 410V 리튬 이온(Li-ion) 배터리 팩의 충전 프로파일 예시

(출처: 온세미 ‘OBC LLC 컨버터’ 간행물 TND6318-D)

OBC 설계상의 고려 사항은 AC 입력, 목표 출력전력 레벨, 배터리 팩 전압, 냉각방법, 공간 제약과 더불어 설계의 전력 흐름이 단방향인지 양방향인지의 여부이다. 또한, 대부분의 경우 이러한 모듈은 기능상의 안전을 위해 차량의 기능 안전 등급(ASIL) B 또는 C를 지원해야 한다. 설계자는 OBC의 전반적인 하드웨어 기능 블록을 위해 다음 사항을 고려해야 한다.

• 입력 AC 소스에 대한 AC 정류 및 역률 보정(PFC)
• 1차측 DC-DC
• 2차측 정류(수동 또는 능동)
• 2차측 DC-DC 컨트롤(양방향인 경우)
• 전압, 전류 및 온도 진단
• 통신 및 진단을 위한 차량내 네트워킹(IVN)
• 전기차 충전 시스템(EVSE)과의 통신
• AC 소스, 12V 배터리 및 고전압 배터리 사이의 절연(매우 중요한 안전 요구사항)

이 글에서는 위 목록에서 굵게 표시된 사항의 고출력 경로에 대해 자세히 알아본다. AC 정류 및 PFC는 무효전력(reactive power)을 최소화하는 동시에 실제 전력 전송을 극대화하고 AC에서DC로의 변환을 위하여 동작한다. OBC와 같은 고출력 시스템에 PFC가 없으면 전력 전달이 효율적이지 못해 발열이 증가한다. 이 블록은 대부분 AC 입력, 출력 전력, 효율성 및 비용 목표에 기반해 구현되기 때문에 가장 다양한 OBC 설계 유형을 제공한다.

그림 3. 전력 삼각형 (출처: 온세미 ‘PFC 기초’ 간행물 AN-42047)

OBC의 역률(PF)은 동작범위에 걸쳐 PF ≥ 0.9를 통상 동작범위에서는 PF ≥ 0.98를 만족한다. 높은 역률은 입력 전류와 피상 전력을 최소화하면서 충전 능력을 극대화한다. 앞으로는 입력 고조파 함량과 관련된 더 많은 개선사항 및 경부하 조건에 대한 개선에 주력할 것이다. OBC의 PFC 컨트롤러는 다음과 같은 기능을 수행한다.

• 입력 위상 전류를 입력 위상 전압에 맞춘다.
• AC 입력의 피크 전류를 줄인다.
• AC 입력 전류의 총 고조파 왜곡(THD)을 최소화한다.
• 입력 전류가 사인파 파형에 최대한 근사하도록 한다.

그림 4는 전압과 전류가 모두 사인파(sinusoidal)임을 보여준다. 따라서 무효전력, 발열 및 고조파를 최소화하여 실제 전력의 최대량을 전송할 수 있다.

역률은 다음 식을 통해 계산된다.

그림4: PFC를 사용한 저전력 회로 예시

(출처: 온세미 ‘파워 팩터 보정(PFC) 핸드북’ 간행물 HBD853/D)

일반 애플리케이션에서는 수동 PFC를 사용할 수 있지만 OBC에서는 더 높은 전력 전달, 공간 제약, 열 요구 사항 및 시스템에 부과되는 역률 목표로 인해 능동 PFC가 필수적이다.

그림 5. 일반적인 PFC 토폴로지와 OCB 시스템의 전력 레벨 비교

OCB를 위한 능동 PFC 솔루션 예시는 다음과 같다.

• 기본형 부스트(Traditional boost)
• 2채널 인터리브 기본형 부스트(2 channel Interleaved Traditional boost),
• 브리지리스 부스트(Bridgeless boost)
• 토템폴(Totem pole)
• 비엔나 정류기(Vienna rectifier)
• 3-레그 또는 4-레그 브리지(3phase totem pole)

OBC의 출력 전력이 높아지면 전력 경로에 다이오드 수를 줄이는 PFC 토폴로지를 사용하거나, 역 회복 특성(trr)이 없는 SiC 쇼트키(Schottky) 다이오드를 사용하는 것이 좋다. 설계자들은 SiC MOSFET을 적용하여, PFC가 더 높은 시스템 전압, 더 높은 동작 주파수 및 효율 향상으로 전력 밀도를 높일 수 있다.

표 2. PFC 토폴로지 및 기술 활용 예시

전력 경로에서 다음 블록은 1차측 DC-DC 컨버터이다. 이 회로는 PFC로부터 충전에 적합한 고전압 DC 전압으로 변환한다. 출력 전압 및 전류는 배터리 팩 상태에 따라 달라진다. 단방향 설계에서 DC-DC를 위한 일반적인 방식은 LLC이지만, 위상 천이 풀 브리지(PSFB)도 있다. 양방향 설계의 경우 구현은 CLLC 또는 듀얼 액티브 브리지(DAB)이며 양방향 기능이 점차 확장되면서 이러한 아키텍처를 사용하는 솔루션이 늘어날 것으로 전망된다. SiC MOSFET은 높은 전압과 낮은 스위칭 손실을 허용하기 때문에 이러한 상황에 이상적이다.

표 3. DC-DC 토폴로지 및 기술 활용 예시

2차측에는 다이오드를 활용한 수동 정류 또는 CLLC(양방향)를 위한 풀 브리지 또는 듀얼 액티브 브리지(양방향)가 전원 스위치를 활용한 동기 정류가 사용된다. 수동 정류는 제어가 필요하지 않지만, 입력 전력 단에서 차량으로의 단방향 전력 흐름만 허용한다. 이에 대하여 고효율 및 800V 배터리 팩을 위하여 SiC 다이오드는 최상의 솔루션을 제공한다. 동기 정류로 SJ MOSFET 또는 SiC MOSFET으로 단방향 설계에 사용 가능하지만, 다이오드 솔루션보다 비용이 높은 경우가 많다. 양방향 기능의 경우 설계는 풀 브리지 또는 멀티 레그 하프 브리지 솔루션을 적용한다. 시스템 전력 수준, 전압 및 효율 목표에 따라 SJ MOSFET 또는 SiC MOSFET이 사용된다. SiC MOSFET은 모든 옵션에서 높은 효율성을 제공하고 800V 시스템에 보다 용이하게 적용되며, SJ MOSFET은 비용 최적화된 400V 시스템에 사용된다.

표 4. 2차측 토폴로지 및 기술 활용 예시

OBC의 출력 전력 용량은 주로 차량에 사용되는 배터리 팩 크기와 상관관계를 가진다. OBC는 배터리식 전기차의 대용량 배터리를 대상으로 고출력 전력을 제공하는 반면, 플러그인 하이브리드의 소형 배터리에는 낮은 출력의 전력이 제공된다. 이러한 균형은 시스템의 오버 엔지니어링(over-engineering)을 방지하고 충전 시간 및 비용을 최적화하는 데 도움이 된다.

배터리식 전기차는 배터리 팩의 킬로와트시(kWh) 정격에 관한 수많은 선택지를 가진다. 차량의 물리적 크기, 비용 목표 및 주행거리와 같은 성능의 예상 값들이 배터리 용량에 영향을 준다. 경형 승용차는 전 세계적으로 약 30kWh부터 105kWh까지의 배터리 용량을 제공한다(전기차 데이터베이스(Electric Vehicle Database), 2021). 트럭 및 대형 스포츠 유틸리티차량(SUV)으로 분류되는 승용차는 일반적으로 약 110kWh부터150 kWh 까지의 배터리 팩 용량을 제공한다. (전기차 데이터베이스, 2021 및 포드자동차, 2021). 또한, 두 개의 새로운 분류를 통해 200kWh에 달하는 배터리 용량(전기차 데이터베이스, 2021년)을 제공할 것으로 예상된다(엔지니어링 익스플레인드(Engineering Explained), 2020). 배터리 팩은 더 많은 주행거리를 제공하거나 새로운 자동차 부문을 지원하기 위해 kWh 정격을 높이고 있으며, 업계에서는 보다 빠른 충전 속도를 위해 800V를 더욱 폭넓게 채택하고 있다.

플러그인 하이브리드와 연료전지차는 5kWh부터 25kWh의 범위의 배터리 팩을 적용한다. 플러그인 하이브리드는 배터리 팩 외에도 부가적인 전력 공급원이 가능하기 때문에 일반적인 배터리식 전기차보다 훨씬 낮은 배터리 용량을 탑재한다. 플러그인 하이브리드는 내연기관(ICE)을 사용하고 연료전지차는 수소연료전지를 사용한다. 배터리 팩 전력이 일정 수준 이하로 떨어지거나 다른 곳에 사용돼야 할 경우, 내연기관 또는 연료전지가 전력을 공급하여 배터리를 충전할 제너레이터를 구동한다. 짧은 거리에서 이들 유형은 전기만으로도 구동 가능하지만, 배터리식 전기차와 같이 광범위한 전기를 이용한 주행거리를 제공하지 못한다. 이들 유형은 순수하게 전기만 사용하는 주행거리를 증가시키기 위해 15kWh 이상의 배터리 용량으로 전환되고 있다.

배터리식 전기차는 플러그 인 하이브리드 전기차보다 배터리 용량이 훨씬 커서 차량 충전 시간 뿐만 아니라 OBC 설계와 선택에도 영향을 미친다. 두 개의 서로 다른 배터리식 전기차와 플러그인 하이브리드 전기차가 동일한 버전의 OBC로 충전되고 동일한 기능을 제공하는 전기차 충전 시스템에 연결되는 상황을 가정해보자. 만약 전자의 배터리 용량이 후자의 4배라면, 전자는 대략 충전하는 데 4배 더 많은 시간이 걸릴 것이다. 이 단순한 가정은 충전 알고리즘의 수많은 복잡성을 배제했지만, 논의하기에는 충분한 상황이다. 만일 두 차량의 배터리 팩이 모두 방전되면 배터리식 전기차를 충전하는 데 시간이 더 오래 걸린다. 하지만, 충전 시간은 최종 사용자 만족도에 영향을 미치기 때문에 OEM과 고객 모두에게 중요한 고려 사항이다. 충전 시간 개선에 도움이 되는 옵션으로는 OBC의 출력 증가, OBC 효율성 증가, 배터리 팩 및 관련 OBC의 시스템 전압 증가 등이 있다. 이 모두는 충전 시간을 줄여 최종 사용자 경험을 개선하는 데 도움을 준다.

OBC는 아키텍처와 전력 수준의 급격한 변화를 경험하고 있다. 전기차에 대한 수요가 점차 증가함에 따라, 매우 유연한 OBC 설계의 필요성이 그 어느 때보다 더 중요하다.

주요 시스템 고려 사항

• 전기차 배터리 팩의 전력 밀도가 증가하고 있다.
• 소비자들은 더 빠른 충전 시간을 요구한다.
• OBC는 더 높은 전력 수준으로 전환되고 있다.
• OBC는 400V및 800V 배터리 시스템 채택 범위를 확대해야 한다.
• 최종 사용자 기능을 개선하기 위해 선택적인 양방향 기능을 제공하여 전력망에서 차량 및 차량에서 전력 망으로 전력 공급을 가능하게 하는 변화가 일어나고 있다.
• 차량 소유주는 정전이 발생할 경우 전기차를 사용하여 가정에 전력을 공급하거나 전기 회사에 전력을 다시 공급함으로써, 혜택을 누릴 수 있다.

주요 PFC 고려 사항​

• SiC 기반 토템 폴 PFC는 시스템 효율성을 개선하고 더 높은 전압을 처리하는 동시에 비엔나 아키텍처와 함께 토템 폴 토폴로지가 단상 및 3상 솔루션 모두에서 확산될 수 있도록 지원한다.
• SiC 다이오드와 함께 SiC MOSFET 또는 SiC MOSFET 기반의 비엔나 정류기 PFC는 시스템 효율성을 향상시킨다.

주요 일차측/이차측 고려 사항

• 일차측 DC-DC의 SiC MOSFET은 효율을 개선한다.
• 이차측 SiC 다이오드는 단방향 설계를 위해 동급 최고의 효율성을 제공한다.
• 이차측 SiC MOSFET은 CLLC와 DAB 토폴로지에서 양방향 기능을 쉽게 구현할 수 있도록 돕는다.

향후에는 충전 시간을 더욱 절감하기 위해 kWh 전력 밀도가 작은 배터리 팩이 탑재된 차량에도 출력 전력이 향상된 OBC 모듈이 적용될 것이다. 또 다른 전망으로는 플러그인 하이브리드가 수 분 만에 완전히 충전되도록 DC 급속 충전을 지원할 수도 있다. 배터리식 전기차와 같은 대형 배터리 팩의 경우 급속 충전기와 고전압을 계속 지원하면서 11kW와 22kW OBC로 전환되는 움직임을 보일 것이다.

마지막으로 1차 공급업체는 HV-LV DC-DC(High to Low voltage DC-DC) 모듈 기능을 OBC에 통합하고 있다. 이 통합 모듈 설계는 복합 충전기 장치(CCU)라고 불리며, 고전압 전원망과 12V 전원망 사이의 시스템 레벨 효율성을 향상시키면서 투인원(2 in 1) 형태의 모듈을 제공한다.

배터리식, 플러그인 하이브리드 및 연료전지차의 OBC 사용을 지원하는 전기차 아키텍처는 2021년 총 전기차의 약 46%를 차지하고 2026년에는 57%를 차지할 것으로 전망된다. OBC의 예상 5년 평균 성장률(CAGR5YR)은 25.6%이며 2026년 총량 추정치는 2,140만 대이다. (스트래티지 애널리틱스, 2020)

그림 6. OBC를 사용하는 차량 규모의 성장

인버터에 사용되는 전력 장치의 경우 최대 전력밀도, 고효율, 공급망 안정성, 장기 신뢰성에 대한 요건이 매우 중요하다. 온세미는 3.3kW에서 22kW 사이의 차량용 OBC 파워 스테이지 및 최대 800V의 배터리 전압을 지원하는 확장형 기술을 제공한다. 온세미의 포트폴리오는 SiC MOSFET, 코 패키지드(co-packaged) SiC 다이오드가 포함된 하이브리드 IGBT, SJ MOSFET, 자동차 전력 모듈(APM), SiC 다이오드, 게이트 드라이버, 안정화 전원 장치 및 차량내 네트워킹(IVN) 솔루션을 포함한다. 온세미와의 협업으로 고객은 폭넓은 전기차 애플리케이션을 지원하는 유연한 OBC 및 인프라 충전 솔루션을 설계할 수 있다.

참고문헌
1. SAE J1772. (2017, October). SAE Electric Vehicle and Plug in Hybrid Electric Vehicle Conductive Charge Coupler.
2. Electric Vehicle Database. (2021, v4.2). Useable battery capacity of full electric vehicles.    https://ev-database.org/cheatsheet/useable-battery-capacity-electric-car
3. Ford Motor Company. (2021, May). Ford Introduces All-Electric F-150 Lightning Pro, Built for Work with Next-Generation Technology, Seamless Overnight Charging. https://media.ford.com/content/fordmedia/fna/us/en/news/2021/05/24/all-electric-f-150-lightning-pro.html
4. Engineering Explained. (2020, October). Hummer EV First Look!  https://www.youtube.com/watch?v=LkM0L4_W_pM
5. Strategy Analytics. (2020, October). Automotive Sensor Demand 2018-2027.