기사
호환 가능한 전기자동차
인프라로 나아가기 위한
준비
바이코의 EMEA 자동차 부문 필드 애플리케이션 수석 엔지니어인 해리스 무헤디노비치 (Haris Muhedinovic) 는 온보드 변환을 통해 400V/800V 전기자동차의 고속 충전 비호환성 문제를 해결하고, 모든 충전소에서 전기자동차 충전을 지원할 수 있다고 설명한다.
글/ 해리스 무헤디노비치 (Haris Muhedinovic) , 필드 애플리케이션 수석 엔지니어
오늘날 전기자동차의 1차측 배터리 전압이 400V에서 800V까지 증가하고 있지만, 공공 인프라는 아직 800V DC 고속 충전에 적합하지 않아 충전에 대한 불안이 높아지고 있다. 충전소 업그레이드는 지속 가능한 단기적 솔루션이 아니다. 보다 신속하고 총체적인 접근방식은 400V 및 800V 호환성을 지원하는 온보드 변환 솔루션이다. 이러한 접근방식은 상당한 자본투자 없이도 채택이 가능하며, 훨씬 더 용이하게 실행할 수 있다.
DC 고속 충전의 비호환성
비호환성 문제는 일반적으로 시간과 접근성이 제한된 장거리 주행에 사용되는 DC 충전에 해당된다. 일상적인 충전을 위한 AC 충전은 기존의 전력망 인프라 기반 AC 충전이 상당히 편리하기 때문에 문제가 되지 않는다. 이러한 유형의 충전은 충전속도가 크게 중요하지 않은 집(야간)이나 직장(주간)에서 충전할 수 있어 전기자동차를 소유한 사람들이 쉽게 이용할 수 있다. AC 충전은 일상적인 이동이나 단거리 주행에 이상적이며, 최대 300km 의 당일 여행에 가장 저렴하고 실용적인 솔루션이다.
그러나 사람들이 장거리를 이동하는 경우, 고속도로 휴게소와 같은 공공 장소에서 빠른 충전이 필요하다. 이 경우 DC 고속 충전소를 이용할 수 있다. 이러한 충전소는 50kW 이상의 전력을 필요로 하며, 최대 전력은 150kW 또는 350kW 에 이른다. DC 충전은 AC 충전보다 사용빈도가 낮지만, 주행거리에 대한 불안을 줄이기 위해서는 이러한 유형의 견고한 네트워크를 구축하는 것이 매우 중요하다. 2020 년 기준, 공용으로 사용할 수 있는 고속 충전기를 갖춘 DC 충전 네트워크는 약 40 만개에 이르고 있으며, 이 중 800V 차량을 지원하는 것은 거의 없다. 예를 들어, 유럽에 있는 총 4만 개의 충전소 중 400개 만이 800V 차량을 지원하고 있다.
이미 OEM 업체들은 새로운 800V 차량을 출시하기 시작했지만 이에 적합한 공공 충전 인프라가 부족해 400V 및 800V 충전소 간의 불균형은 상당한 문제를 야기하고 있다.
DC 고속 충전 솔루션 모색
일반적으로 DC 고속 충전 문제를 해결하기 위해서는 두 가지 접근방식이 있다. 하나는 충전소 개선에 초점을 맞추는 것이고, 다른 하나는 차량 변경에 초점을 맞추는 것이다.
충전소의 DC 고속 충전 네트워크를 확장하면 이러한 문제를 완화시킬 수 있지만, 이는 가장 신속하고 비용 효율적인 방식은 아니다. DC 고속 충전 네트워크를 확장하는 방법은 다음과 같은 두 가지가 있다:
- 800V 충전소 추가: 넓은 전압범위 (250 ~ 920V) 를 지원하는 새로운 DC 고속 충전소를 설치하는 것도 하나의 해결책이지만, 이는 많은 시간과 비용의 투자가 필요하다. 오늘날 유럽과 미국에는 800V 충전을 제공하는 약 1,000 개의 충전소가 있고, 이는 이용 가능한 DC 충전소의 약 2% 에 불과하다. 증가하는 800V 전기자동차에 대응하기 위해서는 이러한 네트워크를 수백 개 이상의 충전소로 확장해야 한다. 하지만 많은 수의 새로운 충전소를 설치하는 것은 수년의 시간과 상당한 비용이 소모될 것이다.
- 400V 충전소 활용: 또 다른 접근방식은 400V 충전소를 활용하여 800V 를 지원하도록 업그레이드하는 것이다. 그러나 높은 정격의 초고전력 (>150kW) 충전이 항상 가능한 것은 아니다.(온도, 배터리 성능 저하 등) 충전 시간 또한 800V 에서 기대하는 것보다 더 오래 걸릴 수 있다.
모듈식 DC-DC 가상 배터리를 이용한 온보드 충전은 유연성은 물론, 99% 의 효율을 제공할 수 있다. 온보드 변환 솔루션은 충전 네트워크를 확장하는 방식과 달리 보다 총체적인 접근방식으로 400V 또는 800V 호환성을 지원할 수 있다. 이러한 접근방식을 통해 충전 인프라에 대한 자본투자 없이 신속하게 채택이 가능하다.
800V 배터리와 400V 충전기 간의 비호환성은 ‘배터리 가상화’를 통해 해결할 수 있다. 충전기는 배터리 가상화를 통해 온보드 충전기 한쪽에 800V 배터리가 연결되어 있어도, 다른 한쪽에 있는 400V 배터리를 ‘인식’할 수 있다. (그림 1)
그림 1: 800V 배터리와 400V 충전기 간의 비호환성은 ‘배터리 가상화’를 통해 해결할 수 있다. 충전기는 배터리 가상화를 통해 온보드 충전기 한쪽에 800V 배터리가 연결되어 있어도, 다른 한쪽에 있는 400V 배터리를 ‘인식’ 할 수 있다.
이러한 접근방식을 통해 배터리 전압을 시작으로 충전소에서 허용되는 전압 범위에 따라 이를 조정할 수 있다.
바이코의 고밀도, 고전력 모듈을 사용하면, 크기와 무게 및 설계 복잡성을 추가하지 않으면서도 배터리 가상화를 위한 DC-DC 컨버터 온보드 충전 솔루션을 구현할 수 있다.
바이코의 NBM™ 양방향 모듈은 개별 부품 솔루션보다 최소 50% 더 작고, 가벼운 전력 컨버터를 사용하여 550kW/liter 및 130kW/kg 에 이르는 전력밀도로 수십 kW의 전력을 변환할 수 있다. 바이코의 독보적인 SAC™ (Sine Amplitude Converter) 토폴로지는 1 차측과 2 차측에서 소프트 스위칭을 사용하여 99% 의 효율을 달성할 수 있다. 이를 통해 EMC 설계를 간소화하고, 유연한 쿨링 시스템 관리가 가능하다. (그림 2)
그림 2: 바이코의 NBM 양방향 모듈은 개별 부품 솔루션보다 최소 50% 더 작고, 가벼운 전력 컨버터를 사용하여 550kW/liter 및 130kW/kg 에 이르는 전력밀도로 수십 kW 의 전력을 변환할 수 있다.
NBM 모듈의 한쪽에 배터리를 연결하면, 다른 쪽의 배터리는 즉시 가상화 되어 전압 또는 전류 상수인자로 나누거나 곱해진다. 따라서 NBM 모듈을 통해 충전소의 전압 범위 (250V 에서 460V, 500V, 920V 까지) 를 확장하여 이용 가능한 전체 충전 지점 수를 늘리고, 모든 DC 충전소와 호환되는 전기자동차를 구현할 수 있다.
결함 없는 완벽한 파워트레인 설계와 고대역폭 컨트롤러를 통해 배터리 가상화를 지원할 수 있다. 바이코의 패키징 기술을 통해 어셈블리 및 제조를 간소화하고, 유연하고 확장 가능한 전력을 구현할 수 있다. 또한 OEM 업체들은 동일한 모듈을 사용하여 추가 등급 및 품질 인증 없이 50kW ~ 150kW 에 이르는 충전 전력 패키지를 구성할 수 있다.
전력 모듈을 사용해야 하는 또 다른 이유
NBM 은 충전을 위한 배터리 가상화 기능을 제공할 뿐만 아니라 낮은 RPM 주행에서 높은 효율을 달성할 수 있도록 트랙션 배터리와 통합할 수 있다. 예를 들어, 도심 주행에서는 낮은 RPM 이 필요하기 때문에 800V 트랙션 인버터의 효율은 15% 이상 크게 떨어지게 된다. NBM 은 배터리 전압의 절반을 인버터에 공급하는 보조적 방식을 사용하여 스위칭 손실을 절반으로 줄이고, 주행거리를 연장하는 데 활용할 수 있다. 이는 최고 효율을 유지할 수 있도록 DC-DC 컨버터를 부분적으로 활용하여 전력 분배 네트워크를 최적화할 수 있는 통합 모듈식 전력 접근방식의 또 다른 이점이다.
온보드 부스트 변환을 사용하여 주행거리에 대한 불안 해소
전기자동차 성장을 지원하기 위해 충전소 인프라 확장은 필수지만, 확장만으로 400V/800V 호환성 문제가 해결되는 것은 아니다. 주행거리에 대한 불안을 줄일 수 있는 가장 효과적인 솔루션은 모든 DC 고속 충전기와 호환이 가능한 온보드 충전기를 설계하는 것이다.
고성능 전력 모듈을 이용한 바이코의 온보드 솔루션은 최소한의 투자와 최상의 이익으로 800V/400V 차량과 DC 충전 네트워크 간의 완벽한 호환성을 지원한다. 바이코 솔루션의 크기와 무게는 평균적으로 대부분 개별 부품 솔루션의 절반에 불과하며, 매우 높은 효율성과 확장성을 제공한다. 또한 550kW/liter 및 130kW/kg에 이르는 전력 밀도로 수십 kW의 전력을 변환할 수 있다. 바이코의 전력 모듈은 높은 전력 밀도와 유연성 및 고효율을 통해 400V/800V 전기자동차 충전 호환성 문제를 해결할 수 있는 이상적인 온보드 솔루션이다.
이 글은 Electronic Specifier 에 원문이 게재 되었다.
해리스 무헤디노비치(Haris Muhedinovic)는
OEM 및 선도 업체들과 협력하여 가장 까다
로운 자동차 애플리케이션에서 최고 성능의
전력 솔루션을 설계 및 개발할 수 있도록
지원하고 있다. 전력 전자 및 전장 시스템
분야에 주력하고 있는 해리스는 업계의 새로운
기술 및 동향에 대한 심도 깊은 지식을 통해
가장 까다로운 사양을 충족할 수 있는 전력
솔루션을 구현하고 있다. 해리스는 사라예보
대학(University of Sarajevo)에서 석사 학위를
받았으며, 전력 전자 설계 및 애플리케이션
엔지니어링 분야에서 7년의 경험을 보유하고
있다.
해리스 무헤디노비치, 필드 애플리케이션 수석 엔지니어