전기차 충전소 시장 및 기술 동향

CO2 배출 규제로 인해 전기 자동차(EV)가 빠른 속도로 추진되고 있으며, 신차 내연기관(ICE) 차량의 판매를 금지하는 등 각국이 전동화에 주력하는 등 전 세계적으로 자동차의 전동화가 진행되고 있습니다. 2030년 이후에는 전기차의 확산은 휘발유가 전기로 대체되면서 분산되어 있던 에너지가 충전소의 중요성과 확산을 의미하기도 한다. 전기차 충전소 시장동향과 기술동향, 최적의 반도체 등을 자세히 소개한다.

EV 충전소는 AC 레벨 1 – 주거용 충전기, AC 레벨 2 – 공공 충전기 및 EV의 빠른 충전을 지원하는 DC 고속 충전기의 3가지 유형으로 분류될 수 있습니다. 전 세계적으로 EV 보급이 가속화됨에 따라 충전소의 광범위한 사용이 필수적이며 Yole Group의 예측(그림 1)에서는 DC 충전기 시장이 연평균 복합 성장률(CAGR 2020-26) 15.6%로 성장할 것으로 예측합니다.

다음 그림 2는 EV용 DC 충전소의 회로 예를 보여줍니다. EV 채택은 2030년까지 1억 4천만~2억 대에 이를 것으로 예상됩니다. 이는 총 저장 용량이 7TWH인 바퀴에 최소 1억 4천만 개의 작은 에너지 저장 장치를 갖게 된다는 의미입니다. 이로 인해 EV 자체에 양방향 충전기 채택이 증가할 것입니다. 일반적으로 V2H(Vehicle to Home)와 V2G(Vehicle to Grid) 기술의 두 가지 유형을 볼 수 있습니다. EV 채택이 증가함에 따라 V2G는 에너지 수요의 균형을 맞추기 위해 차량 배터리에서 상당한 양의 전기를 공급하는 것을 목표로 합니다. 또한 이 기술은 하루 중 시간과 유틸리티 비용을 기준으로 에너지 사용을 최적화할 수 있습니다. 예를 들어, 에너지 사용량이 가장 많은 시간대에는 EV를 사용하여 전력망에 전력을 반환할 수 있으며, 사용량이 적은 시간에는 더 저렴한 비용으로 충전할 수 있습니다. 그림 3은 양방향 EV 충전기의 일반적인 구현을 보여줍니다.

다음 그림 4는 각 DC 충전 방식과 EV 구동 배터리 전압에 대한 시장 동향을 보여줍니다. EV 보급을 위해서는 충전 시간 단축이 필수적이며, 더 높은 전력, 더 높은 전압을 지원하는 충전 방식으로의 전환이 진행되고 있습니다. 또한 내부 전원 공급 장치를 모듈화하고 부하에 따라 전력을 배분함으로써 여러 대의 EV를 동시에 충전할 수 있어 충전 혼잡도 해소될 것으로 기대된다.

다음으로 DC 충전소에 사용되는 반도체에 대해 말씀드리겠습니다. DC 충전의 추세가 더 높은 전력과 더 높은 전압으로 향하고 있음을 분명히 알 수 있습니다. 따라서 사용되는 전력 반도체는 전력 손실이 더 낮은 것이 바람직합니다. 이는 시스템 효율이 동일하더라도 더 높은 전력 공급에서 총 전력 손실이 매우 높을 수 있기 때문입니다. 예를 들어, 98% 효율의 50kW DC 충전은 1KW의 전력 손실을 가지며 동일한 효율의 400KW DC 충전기는 8KW의 전력 손실을 갖습니다. 따라서 냉각 시스템이 매우 커집니다. 이로 인해 엔지니어는 전력 손실을 줄이기 위해 차세대 전력 장치를 고려하게 되었습니다. 최근에는 실리콘(Si) IGBT(절연 게이트 바이폴라 트랜지스터)뿐만 아니라 실리콘 카바이드(SiC) MOSFET(금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터)에 대한 기대도 높아지고 있습니다. MOSFET 기반 설계를 통해 동기식 정류, 더 높은 스위칭 주파수, 저렴한 냉각 시스템, 더 작은 수동 부품이 가능합니다.

표 1은 DC 충전소의 반도체 동향을 보여준다. 앞서 언급한 바와 같이 전력반도체는 손실을 줄이면서 고전력, 고전압을 지원해야 합니다. 마이크로 컨트롤러 및 전원 관리 IC의 경우 BOM(Bill of Materials)을 줄이기 위해 안전 및 보호 기능, 높은 보안, FOTA(Firmware Over-the-Air) 무선 통신 업데이트, 주변 기능을 통합하는 것이 바람직합니다. 게이트 드라이버 IC는 고전압 지원으로 BOM을 줄이고 전력 손실이 낮은 반도체로 전력 반도체를 스위칭하는 기술이 요구되는 마이크로컨트롤러 및 전력 관리 IC와 유사합니다.