엔카

최근 800V 고전압 배터리를 탑재한 전기자동차가 많이 출시되고 있습니다.
▶ 포르쉐 : 타이칸 ▶루시드 : Air ▶현대자동차 : 아이오닉5, 아이오닉6 ▶기아 : EV6 ▶ 제네시스 : GV60, G80 전기차, GV70 전기차 ▶ GM : 트럭 플랫폼 등이 있습니다. 그에 반해 테슬라의 전기차, 현대자동차의 코나 전기차, 기아의 니로 전기차는 400V 고전압 배터리를 적용하고 있습니다. 이번 포스팅에서는 자동차 회사에서 왜 800V 시스템을 적용하려고 하는지 알아보도록 하겠습니다.

전력의 정의는 전압과 전류의 곱입니다. 그리고 단위는 [W]를 사용합니다.

식. 1

전기차 완속충전과 급속충전의 전력을 살펴보면 다음과 같습니다.

충전스탠드에서 전기차로의 전력을 높인다는 것은 충전속도를 높이는 것을 의미합니다. 급속충전의 경우 완속충전에 비해 전압과 전류가 모두 높은 것을 확인할 수 있습니다. 테슬라 모델 3 또는 현대자동차의 코나 전기차는 400V 배터리가 적용되어 있고, 급속충전 시 80%까지 충전하는데 30분 정도 소요됩니다. 사용자 입장에서는 아직까지는 충전시간이 길게 느껴집니다.

그렇다면 전력을 더 높여야 하는데, 전력을 높이기 위해서는 전압 또는 전류를 높일 수 있습니다.

(i) 전류를 높이게 된다면 식 2에 의해 부품에서 발열에 대한 문제가 발생하게 됩니다. 특히 전류의 제곱에 비례한다는 점이 문제가 있습니다.

식. 2

대표적으로 충전 스탠드에서 차량까지 이어지는 와이어 하네스, 차량 내부의 와이어 하네스, 그리고 릴레이, 버스바 등과 같은 각종 부품들이 전부 전류 용량이 커져야 합니다. 이는 부품 사이즈와 중량이 커지게 되고 원가도 증가하게 됩니다. 예를 들어 충전 스탠드에서 차량까지 이어지는 와이어 하네스가 더 무거워지게 되면, 사용자가 전기차 충전을 하기 위해 충전 커넥터를 들었을 때 상당히 무겁게 느껴지고 불편함으로 이어질 수 있습니다. 또한, 차량 내의 부품 중량이 증가하게 되면 주행 효율이 떨어지기 때문에 전비가 나빠지게 됩니다.

(ii) 전압을 높이게 되면 고전압에 따른 절연 설계, 보호 설계에 신경을 많이 써야 합니다. 또한 고전압 부품의 스트레스 증가로 내구를 신경 써야 하고, 노이즈에 대한 대책도 고려를 많이 해야 합니다. 그리고 가장 큰 문제인 400V 급속과 800V 급속이 모두 가능하게 시스템을 구성해야 합니다.

전기차 회사 중 일부는 앞으로 충전속도를 향상시키기 위한 방향으로 전류를 높이는 것보다 전압을 높이는 것이 더 효과적이고 확장성이 있다고 판단하여 800V 전기차 시스템이 탄생하게 되었습니다.

800V 급속충전 장치는 350A 전류를 사용하여 최대 350kW까지 출력이 가능합니다.

예를 들어 아이오닉5의 배터리 용량은 72.6kWh입니다. 배터리 용량은 전력 X 시간으로 에너지 단위인 kWh를 사용합니다. 그리고 아이오닉5의 800V 급속충전 시간은 SOC 10~80%까지 18분입니다. 하지만 아이오닉5의 배터리 정보와 충전스탠드 출력 정보를 통해 식 3과 같이 충전 예상시간을 계산해 보면 9분 정도입니다.

식. 3

그 이유는 충전스탠드의 평균 출력이 350kW가 아니라 최대 출력이 350kW이기 때문입니다. 350kW 충전스탠드는 항상 350kW 출력을 발생시키는 것이 아니라 배터리 온도, 배터리 SOC 등을 고려합니다. 물론 충전 효율도 고려해야 합니다. 다시 현대자동차에서 명시한 SOC 10~80%까지 18분이라는 정보를 통해 800V 급속충전 스탠드의 평균 출력을 계산하면 식 4와 같이 평균 출력이 170kW라는 것을 알 수 있습니다.

식.4

다시 800V 급속충전 이야기로 돌아와서 이번에는 충전 시스템에 대해 살펴보겠습니다.

전기차는 완속충전할 때 교류 전기를 배터리의 직류 전기로 변환해야 하기 때문에 AC/DC 컨버터인 OBC가 들어갑니다. 그리고 급속충전할 때는 직류 전기를 그대로 배터리에 연결하면 됩니다.

하지만 전기차가 800V 시스템이 되어 버리면 이야기가 복잡해집니다. 완속충전할 때는 마찬가지로 교류 전기를 배터리의 직류 전기로 변환해야 하기 때문에 OBC가 똑같이 적용됩니다. 그리고 800V DC 급속충전기는 800V 배터리에 그대로 연결하면 됩니다. 하지만 그전에 인프라로 설치되어 있던 400V 급속충전 스탠드는 800V 배터리에 연결하기가 쉽지 않습니다. 즉, DC-DC 승압 장치가 별도로 필요한데, 여기서 전기차 회사들 간에 시스템 구성의 차이가 발생합니다.

1. 포르쉐 타이칸

가장 쉽게 생각할 수 있는 시스템 구성 방식은 400/800V 승압해주는 부스트 컨버터를 장착하는 것입니다. 하지만 중량과 원가가 상당히 상승하기 때문에 부담스러운 방식입니다. 부스트 컨버터는 작은 부품이 아니라 10kg 이상의 대형 부품이며 수십만 원 이상의 원가가 상승하는 부품입니다. 이 방식은 포르쉐 타이칸의 800V 시스템에 적용되어 있는 것으로 알려져 있습니다.

부스트 컨버터를 사용한 800V 시스템

2. GM 전기 트럭 플랫폼

배터리의 연결 구조를 변경시키는 방식입니다. 이 방식은 GM의 전기 트럭 플랫폼에 적용될 것으로 예상하고 있습니다. 배터리를 두 부분으로 분리하여 병렬로 연결하면 400V 시스템이 되고, 직렬로 연결하면 800V 시스템이 되는 구조입니다.

배터리의 연결 조합에 따른 400/800V 변환

3. 루시드 에어

루시드 에어는 Wunderbox라는 전력변환장치를 통해 220V AC 완속충전과 400V DC 급속충전이 모두 가능하게 설계하였습니다.

OBC를 이용한 400/800V 변환

통상적으로 완속충전장치는 그림 7과 같이 PFC(파란색 박스)와 DC-DC 컨버터(붉은색 박스) 부분으로 구성되어 있습니다.

루시드 에어의

루시드 에어는 400V 급속충전을 진행할 때 PFC 회로와 DC-DC 컨버터 회로를 병렬로 연결하여 50kW 수준의 급속충전이 가능하게 설계하였습니다.

4. 현대자동차 E-GMP 플랫폼

그림. 9 E-GMP 플랫폼의 멀티 충전 시스템

현대자동차, 기아, 제네시스에서 사용하는 멀티 충전 시스템은 모터와 인버터를 사용하여 승압하는 시스템입니다. 자세한 원리는 아래 포스팅을 참고하시면 됩니다.

현대자동차 E-GMP 플랫폼의 멀티 급속 충전 원리

일반적으로 전기차는 배터리와 모터만 있으면 쉽게 제작할 수 있다고 생각할 수 있지만, 급속 충전 시스템 하나만 가지고도 자동차 회사마다 전부 다른 기술과 다른 시스템으로 승부하고 있습니다. 그만큼 전기차도 회사에 따라 토폴로지가 다르고 특색과 차별성을 가지기 시작했다고 볼 수 있습니다. 800V 급속충전 시스템이 아직 해결해야할 과제들이 많지만 빠른 전기차 충전을 위해 자동차 회사들에서 다양한 아이디어와 솔루션을 제시하고 있습니다. 또한, 800V 보다 더 높은 1500V 시스템에 대한 전망도 나오고 있는만큼 빠른 충전속도를 위한 노력이 계속 되고 있습니다.