유연하고 확장 가능한 온보드 충전기

전기차의 DC-DC 고속충전은 더 많은 충전소가 필요한 것이 아니라 온보드 컨버터로 해결하는 것이 최선의 방법이다. 바이코(Vicor)는 모듈식 접근방식의 ‘가상 배터리’를 통해 전기차의 DC 고속충전 문제를 해결한다. 

글 | 닉 플래허티(Nick Flaherty), Vicor
원문 | E-Mobility Engineering




대부분의 기존 DC 고속충전기는 400 V 팩으로 동작하며, 800 V 버전에서는 동작하지 않는다. 2020년 기준, 전 세계적으로 공개된 이용 가능한 DC 고속충전기는 약 40만 개가 있는 것으로 조사됐지만, 800 V 차량을 지원하는 것은 2%에 불과했다. 예를 들어, 유럽에 있는 4만 개의 충전소 중 400개만이 800 V를 지원한다.

바이코의 자동차 부문 해리스 무헤디노비치(Haris Muhedinovic) 수석 필드 애플리케이션 엔지니어는 "소형의 효율적인 양방향 전력 모듈을 이용한 온보드 충전을 통해 이러한 비호환성 문제를 해결할 수 있다"고 밝혔다.

250 ~ 920 V의 넓은 전압 용량을 지원하는 새로운 DC 고속충전소를 설치하는 것도 하나의 솔루션이 될 수 있지만, 이는 상당한 시간과 비용을 투자해야 한다. 또 다른 접근방식은 400 V 충전기를 800 V를 지원할 수 있도록 업그레이드하는 것이다. 
하지만 이 또한 해결해야 할 문제들을 안고 있다. 이런 충전기는 항상 150 kW 이상으로의 속도로 충전할 수 있는 것은 아니며, 충전시간 또한 기대한 800 V 수준에 미치지 못한다. 

이와 달리 모듈식 DC-DC 가상 배터리로 온보드 충전 방식을 추가하면, 유연성과 99%의 효율성을 모두 충족시킬 수 있다. 
해리스는 “충전 인프라에 대한 자본투자 없이 훨씬 더 신속하게 적용이 가능하다”고 설명했다.

800 V 배터리와 400 V 충전기 간 비호환성 문제는 배터리 가상화를 통해 해결할 수 있다. 이런 기술을 이용하면, 충전기는 온보드 충전기의 한쪽에는 400 V 배터리를, 또 다른 쪽에 연결된 800 V 배터리를 모두 인식할 수 있다. 이런 접근방식을 통해 배터리 전압을 충전기에서 허용 가능한 전압 범위에 맞게 조정할 수 있다. 

바이코의 NBM 양방향 모듈은 전력밀도가 550 kW/litre 및 130 kW/kg에 달하며, 수십 킬로와트의 전력을 지원한다.

NBM 모듈은 제로 전압 및 전류 스위칭을 사용한 공진형 사인 진폭 컨버터(Sine Amplitude Converter, SAC) 토폴로지를 이용해 전력 손실을 50%까지 줄일 수 있다. 고정비율 변환으로 전력변환 체인 전반에 걸쳐 최대 99%의 효율을 유지하면서도 별도의 모듈을 이용하는 아키텍처를 간소화할 수 있다. 

이는 마그네틱 크기를 줄이기 위해 줄이는 실리콘 트랜지스터에 더 높은 주파수를 사용하기 때문에 가능하게 되었으며, 이런 공진형 아키텍처는 효율을 최적화시키기 위해 모듈 내 구성요소들의 인덕턴스와 저항을 고려하게 된다. 

NBM 모듈의 한 측에 배터리를 연결하면, 즉시 다른 측의 배터리를 가상화해 전압 또는 전류를 상수 계수로 나누거나 곱함으로써 250 ~ 460 V 및 500  ~ 920 V에 이르는 충전기의 전압 범위에 따라 확장이 가능하다. 이를 통해 적합한 충전 포인트 수를 늘림으로써 모든 DC 충전기와도 호환 가능한 전기차를 구현할 수 있다. 

또한, 이 모듈은 트랙션 배터리와 연결되어 낮은 RPM 주행 시 더 높은 효율을 제공할 수 있기 때문에 파워트레인 효율을 극대화하는 데도 사용할 수 있다. 예를 들어, 낮은 RPM을 필요로 하는 도심 주행 시 800 V 트랙션 인버터의 효율은 15% 이상 떨어지게 된다. 

이런 보조적 방식으로 모듈을 사용하면, 배터리 전압의 절반을 인버터에 공급하고, 스위칭 손실을 절반으로 줄임으로써 주행거리를 늘릴 수 있다. 이는 최대 효율을 유지하기 위해 DC-DC 컨버터를 부분적으로 사용해 전력분배 네트워크를 최적화할 수 있는 통합, 모듈식 전력 접근방식의 또 다른 이점을 보여 준다.

모듈식 패키징 기술은 전기차 파워트레인의 조립 및 제조를 간소화하는 것은 물론, 전력의 유연성 및 확장성을 제공할 수 있다. 설계자는 동일한 모듈을 사용하여 추가 품질 및 인증 절차 없이 50 ~ 150 kW에 이르는 확장 가능한 충전 전력으로 패키지를 구성할 수 있다. 

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