[기고] 25㎾ 실리콘 카바이드 기반 고속 직류 충전기 개발_1부: 전기차 애플리케이션

[테크월드뉴스=이재민 기자] 고속 직류(DC) 충전 시장이 빠르게 성장하고 있다. 전기차 채택 가속화에 힘입어 급속 충전 인프라 관련 수요도 증가하고 있다. 향후 5년간 성장 예상치는 20%에서 30%의 연평균 성장률(CAGR)에 이른다. 전기·전자 업계에서 애플리케이션, 제품 또는 설계 엔지니어로 종사한다면 조만간 이와 같이 새로운 충전 시스템을 설계해볼 수 있을 것이다.

이런 과제에 처음 직면하게 되면 ‘어디서 어떻게 시작해야 하는가?’ 또는 ‘설계 시 고려해야 할 주요 요소는 무엇이며, 해결책은 무엇인가?’ 등의 기본적인 질문을 만나게 될 것이다. 온세미 EMEA 권역(유럽 및 미주 지역) 시스템 엔지니어링 팀은 설계자들이 직면한 이런 과제를 해결할 수 있도록 도와줄 수 있는 실리콘 카바이드(SiC) 전원 통합 모듈(PIM) 기반 25㎾ 고속 직류 충전기를 설계 및 개발했다.

고출력 배터리 충전기를 개발하려면 다양한 기술이 필요하다. 슬로바키아 피에스타니에 있는 온세미 전력시스템 팀은 충전기 설계에 대한 프로젝트 관리와 더불어 하드웨어 개발과 관련된 모든 활동을 수행한다. 캐롤 렌덱(Karol Rendek) 전력 시스템 애플리케이션 매니저와 스테판 코스테렉(Stefan Kosterec) 수석 전력 시스템 애플리케이션 엔지니어가 팀을 이끌고 있으며, 이들 모두 고전력 변환 애플리케이션에 정통한 베테랑 전력 전자 설계 엔지니어다.

펌웨어 및 소프트웨어 개발은 다니엘 프루나(Daniel Pruna) 팀장, 디오니시스 보글리시스(Dionisis Voglitsis)와 라칫 쿠마(Rachit Kumar) 애플리케이션 엔지니어로 구성된 뮌헨의 모터 및 전력변환 제어 팀이 진행한다. 이 팀은 전력 컨버터와 모터 드라이브의 제어 및 알고리즘 개발에 대한 수년간의 경험을 축적했다.

본 기고에서는 직류 충전기 개발의 각 설치 과정과 관련된 다양한 주제를 다룰 것이다. 주요 과제, 절충 및 타협 요소를 집중 조명함과 더불어 해당 시스템을 기초부터 설계, 구축, 검증하는 방법을 보여주고자 한다. 물론 설계 과정이 일직선상에 있지 않기 때문에, 앞으로 나아가기 위한 최선의 방법은 가동과 실행, 반복을 가속화하는 것이다. 1부에서는 고속 전기차 충전기의 구조에 대해 설명하고, 주요 전기 사양을 정의한다.

온세미의 고속 직류 충전기

E-모빌리티 생태계에서 직류 충전기는 느린 속도의 교류(AC) 충전기와 대조되는 ‘고속’ 및 ‘초고속’ 충전을 제공한다. 즉 전기차 충전기는 배터리로 전력을 공급하기 위해 그리드의 교류 전력을 적합한 직류 전력으로 변환한다. 직류 충전 시 전력변환은 전기차 외부(오프보드)에서 이뤄진 다음 50㎾ 이하부터 350㎾ 이상에 달하는 전력 수준으로 차량에 전달된다. 더 높은 전력 수준을 위한 기술 또한 현재 개발 중이다.

고전력 직류 충전기는 일반적으로 모듈러(modular) 방식으로 제작되며, 이를 통해 15~75㎾ 이상의 전원 블록이 단일 캐비닛에 함께 쌓인다[그림 1]. 일반적으로 직류 충전기의 출력 전압은 150V부터 1000V이상을 아우르며, 400V 및 800V 표준의 전기차 배터리를 모두 지원한다. 충전기는 높은 전압 또는 낮은 전압 각각에 모두 최적화될 수 있다.

전원 블록의 구조는 다음과 같다. 전면 단자부에 전원 계수 보정(PFC)이 있는 교류-직류 부스트 컨버터가 있으며, 그 다음으로는 DC-DC 변환 스테이지가 그리드와 부하(전기차의 배터리) 사이에 절연을 제공하고 출력에서 전압과 전류를 조절한다[그림 1]. 이런 시스템은 특히 저전력에서 양방향일 수 있으므로 위상과 설계에서 이에 대한 고려가 있어야 한다.

온세미는 현재 양방향 기능을 갖춘 25㎾ 직류 충전기를 개발하고 있다. 시스템은 높은 전압에 최적화된 400V 및 800V 배터리를 탑재한 전기차를 충전하게끔 광범위한 출력 전압 범위를 제공해야 한다. 입력 전압은 EU 400-Vac 및 미국 480-Vac 3상 그리드의 정격이다. 전력 공급부는 500V 및 1000V 사이의 전압 범위에서 25㎾를 공급해야 한다. 500V 이하에서는 출력 전류가 50A로 제한되며, 이는 CCS 또는 차데모(CHAdeMO)와 같은 직류 충전 표준 프로필에 따라 전력을 감소시키기 위함이다[그림 2].

통신 포트의 경우 보드는 외부 인터페이스(전원 블록, 충전기 시스템 컨트롤러, 차량, 서비스 및 유지보수 등)를 위해 절연 CAN, USB 및 UART를 지원할 예정이다. 전반적인 설계는 전기차 충전을 위한 IEC-61851-1 및 IEC-61851-23 표준의 지침을 따를 것이다. 아래 [표 1]에는 시스템 요구 사항이 요약돼 있다.

▲ [표 1] 25㎾ 고속 직류 충전기 관련 요구사항

개발 과정

온세미는 전력변환 하드웨어 개발 과정의 로직을 따른다. 온세미의 작업은 실제 직류 충전기 전력 단계를 정의하는 것에서 시작한다. 이는 표에 요약돼 있는 애플리케이션 요구사항에 기반하며, 해당 요구사항은 시장의 요구에 부합함과 동시에 IEC-68515의 지침을 따른다. 이런 요구사항은 팀이 어떤 목표로 나아가야 하는지 이해할 수 있도록 한다.

첫 번째 타당성 조사는 초기 요건과 가정을 검증하는 데 도움이 된다. 본 프로젝트의 범위 내에서 이런 요소들은 하드웨어, 소프트웨어, 열 관리 및 기계적 설계, 프로토타입 제품 및 검증을 포함하는 시스템 설계의 일부로 통합된다. 모든 필수 시스템 변수와 솔루션에 대한 대부분의 불가피한 손실 및 절충이 타당성 조사 중에 발생한다.

이런 작업과 하위 설계는 특정 부품의 출력과 가정이 다른 부품으로 피드백 되는 등 여러 번의 반복을 거쳐 수행된다. 앞으로 설계를 위한 중요한 결과물을 제공하는 2가지 주요 설계 활동은 ▲SPICE 모델을 통한 전력 시뮬레이션 ▲MATLAB과 Simulink를 통한 제어 시뮬레이션이다.

전력 시뮬레이션은 작동 전압 및 전류, 손실, 냉각 요건, 전력 및 수동 구성 요소의 선택에 대한 가정을 확인하는 데 매우 중요하다. 구현 계획이 준비된 후에는 전력 파라미터를 포함한 제어 시뮬레이션을 수행해 전력 설계를 통한 제어 루프가 효과적으로 실행될 수 있는지 확인한다.

전력 및 제어 시뮬레이션으로 설계를 확인한 후에는 설계도 제작, PCB 배치 및 프로토타입 생산을 시작할 수 있다. 보드가 사용 가능하게 되면 하드웨어 도입, 기능 테스트 및 시스템 특성화가 진행된다.

여기까지의 설명은 본 기고 시리즈에서 다뤄질 설계 과정의 간략한 요약에 해당한다. 25㎾ 전기차 직류 충전기를 기초부터 개발하는 것은 생각보다 많은 일을 수반하며, 그 과정에서 발생하는 도전과 문제를 해결할 때 비로소 가장 가치 있는 교훈에 도달하게 될 것이다.

2부에서는 일부 설계와 검증 단계를 자세히 살펴보며 ▲솔루션 개요 ▲3상 PFC 정류 스테이지 ▲듀얼 액티브 풀브릿지 DC-DC 변환 스테이지 ▲제어 알고리즘, 변조 체계 및 피드백 ▲SiC 전력 모듈용 게이트 드라이버 시스템 ▲800V 버스를 위한 보조 전원 장치 ▲열관리 등의 주제를 다룰 예정이다.

글 : 리올 필로(Oriol Filló), 캐롤 렌덱(Karol Rendek), 스테판 코스테렉(Stefan Kosterec), 다니엘 프루나(Daniel Pruna), 디오니시스 보글리시스(Dionisis Voglitsis), 라칫 쿠마(Rachit Kumar) 및 알리 후세인(Ali Husain)
자료제공 : 온세미(www.onsemi.com)