ESS로 구현하는 전기차 고속 충전 인프라 ②

[테크월드=선연수 기자] 

▷ 'ESS로 구현하는 전기차 고속 충전 인프라 ①'과 이어지는 기사입니다.

ESS를 활용한 전력 설계

앞서 구상해온 전력 공급망에서 빠진 한 조각이 바로 ESS(에너지 저장 장치)다. 오늘날 주유소에서 사용되는 지하 연료 탱크 역할을 하는 ESS는 재생 가능한 소스에서 생산된 에너지를 저장했다가 그리드나 충전 설비로 공급하거나, 그리드로 다시 보낼 수 있는 대형 배터리라고 할 수 있다. ESS의 첫 번째 주요 특징은 양방향이기에 그리드의 저전압 단에서 동작한다는 것이다. 새로운 설비는 재생 에너지, EV 충전 설비, ESS 배터리를 연결하는 1500V DC의 DC 버스 전압을 목표로 한다. ESS의 크기가 피크 전력과 에너지 용량 간 균형이 특정 설비에 최적화되도록 결정해야 한다. 이 비율은 태양광, 풍력 등 기타 에너지원에서 나오는 로컬 전력 발전의 크기, 충전 설비의 수, 서브그리드에 연결된 다른 부하, 그리고 전력 변환 시스템의 효율에 따라 크게 달라진다[그림 3].

이 계산에서 에너지 저장 시스템은 500kWh ~ 2.5MWh 사이의 용량과 최대 2MW의 피크 전력 성능을 가져야 한다. 충전소의 핵심 구성요소인 소스, 부하, 에너지 버퍼를 정의했으니, 다음으로는 충전소에서 에너지 경로를 생성하는 4가지 전력 변환 시스템에 대해 분석해 보자.

이 4가지 전력 변환 시스템은 모두 1000~1500V DC 정격의 주 DC 버스에 있다. 필요한 전력이 높을수록 DC 버스 전압도 높다. 1500V DC는 현재와 향후 20년간 유효할 산업 표준을 나타낸다. 더 높은 전압으로 갈 수도 있지만 안전 규정, 전력 부품, 시스템 설계가 복잡해지기 때문에 실용적인 기술로의 효율성은 떨어진다. 그렇다고 해서 10년 안에 전력 스위치, 보호 시스템과 같은 새로운 기술, 2000V DC 이상의 수준으로 이동하는 것이 불가능하다는 것은 아니다.

PV 인버터를 살펴보면, PV 패널에서 DC 버스로 가는 전력 경로를 위한 DC-DC 컨버터 기능과, PV 패널에서 AC 버스로 간 다음 그리드로 들어가는 전력 경로를 위한 DC-AC 인버터, 총 두 가지 기능을 갖추고 있다. 여기서 가장 중요한 것은 DC-DC 변환 단으로, AC-DC 단을 DC 버스에서 AC 그리드로 가는 주 양방향 PFC 인버터로 통합할 수 있기 때문이다. 첨단 전력 전자장치 설계를 고려하면 실리콘 카바이드(SiC) 전력 MOSFET을 중심으로 설계된 컨버터로 최고 효율을 달성할 수 있다. 실리콘 IGBT와 비교해 5%(최대 부하)에서 20%(부분 부하)의 범위로 효율이 증가하는 것을 볼 수 있다. 앞의 사례에서 500kW 정격의 PV 인버터의 경우, 효율이 5% 더 높으면 25kW 손실 감소나 증가된 전력 출력을 의미하며, 이는 5가구의 소비, 또는 온수를 생산하거나 여름철 충전소 건물을 냉각하는 대형 히트펌프 한 대에 해당하는 전력이다.

DC 충전 설비와 ESS 충전기에 대해서도 비슷한 방식으로 계산할 수 있다. 100kW 이상의 정격을 갖는 대형 모놀리식 전력 컨버터를 사용하거나, 25~50kW 정격의 소형 컨버터 여러 개를 병렬로 사용하는 2가지 방법을 사용할 수 있다. 최근 시장에서는 소형 컨버터를 다중으로 연결하는 방법이 주로 사용되고 있고, 이는 규모의 경제 효과와 설계의 단순화로 인해 비용이 적게 들기 때문이다. 물론 이 경우 스마트 에너지 관리 시스템을 채택해야 한다.

이런 DC-DC 컨버터를 사용할 경우, 실리콘 IGBT에서 SiC MOSFET으로 전환할 때 비용이 약간 증가하지만(현재는 가격이 25% 더 높지만, 향후 5년 사이에 5%까지 떨어질 것으로 예측), 공간과 무게 절감 효과와 함께 효율을 상당히 개선할 수 있다. 최대 부하에서 5%를 적용한다면, 효율성을 고려해 비용 부분을 상쇄할 수 있는 것이다.

마지막으로, PFC 인버터에서 1MW의 5%는 50kW이므로, IGBT 대비 더 높은 효율을 갖는 SiC로 전체 전력을 250kW까지 절감할 수 있다. 이는 추가적인 충전 설비, 에너지 소비 초과 산정과 실제 부하 수요 간의 균형을 맞춰주는 효과를 보여준다.

SiC 도입 외 해결 사항

이런 결과를 만들기 위해서는 SiC MOSFET이 필요하지만, 이것만으로 문제가 해결되지는 않는다. SiC MOSFET의 구동 방식은 시스템 설계 비용(MOSFET, 코일, 인덕터)과 최적의 효율을 낼 수 있는 스위칭 주파수에 도달하기 위한 핵심적인 부분이다. 설계자는 50~250kHz 범위의 스위칭 주파수를 목표로 하고 있으며, 게이트 드라이버의 주된 요구사항은 더 짧은 전파 지연과 강화된 단락 회로 보호와 관련된 것이며, 이는 더욱 까다로워지고 있다.

아나로그디바이스(이하 ADI)의 ADuM4136은 iCoupler 기술이 적용된 절연 게이트 드라이버다. 절연 기술은 150kV/μs의 공통 모드 과도응답 내성(CMTI, Common Mode Transient Immunity)을 제공해 수백 kHz의 스위칭 주파수 범위에서 SiC MOSFET을 구동할 수 있다. 이를 통해 불포화 보호와 같이 신속한 결함 관리와 함께, 설계자가 최대 1200V까지 단일이나 병렬 SiC MOSFET을 적절히 구동할 수 있도록 한다.

절연 게이트 드라이버는 전력 공급을 필요로 한다. ADI 애플리케이션 노트 AN-2016에서는 ADuM4136 게이트 드라이버와 LT3999 푸시-풀(Push-pull) 컨트롤러를 결합해 SiC MOSFET을 잘 관리할 수 있는 저잡음/고효율 빌딩 블록 구성법을 알려준다. LT3999는 ADuM4136의 양방향 절연 전원(Bipolar isolated power) 제어에 사용된다. LT3999 절연 전원은 초저 EMI 잡음 설계와 함께 최대 1MHz에서 스위칭할 수 있어 초소형의 비용 효율적인 솔루션을 구현할 수 있다[그림 4].

데드 타임과 지연 시간을 포함한 전체 지연 시간은 턴온 시 226ns, 턴오프 시 90ns이고, 드라이버 지연 시간은 턴온 시 66ns, 턴오프 시 68ns다. 반면, 데드 타임은 턴온 시 160ns, 턴오프 시 22ns다. 전력 컨버터가 목표로 하는 매우 높은 전력 밀도는 효율을 낮추지 않고도 달성할 수 있다.

BMS를 위한 솔루션

전력 변환 경로에 있어 전력 컨버터가 기본적인 부분이라면, ESS에서 최적화된 총소유비용을 보장하는 핵심 요소는 배터리 관리·모니터링 시스템(BMS, Battery Management System)이다. 가격 분석에 의하면, 메가와트 규모의 ESS에서는 총 비용의 절반 이상을 배터리 랙이 차지하며, 현재 kWh당 200달러 정도인 이 비용은 2025년에는 kWh당 100달러로 떨어질 것으로 예측된다. 신뢰성 높고 정밀한 BMS 솔루션을 사용한다면 배터리 수명을 30% 연장할 수 있고, 충전소 비용을 대폭 절감하고 운영을 간소화할 수 있다. 유지보수가 줄어드는 것은 사용자에겐 가동 시간이 더 길어짐을 의미하고, 이는 수리 부담과 위험 요소를 줄여 안전 수준을 더 높일 수 있음을 의미한다.

이를 위해서는 충전소를 중심으로 에너지 흐름을 제어하는 에너지 관리 시스템이 에너지 저장 배터리의 SOC와 SOH(State Of Health)를 매우 정확하게 파악해야 한다. 정밀하고 신뢰성 있는 SOC와 SOH 계산은 배터리 수명을 최대 10년에서 20년까지 연장하며, 통상적으로 BMS 관련 전자장치 비용을 추가로 지출하지 않아도 수명을 30%까지 향상시킬 수 있다. 즉, 배터리 수명을 연장함으로서 운용·소유 비용을 최소 30% 절감할 수 있는 것이다.

여기에 정확도 높은 SOC 정보가 더해지면, 배터리에 저장된 모든 에너지를 사용할 수 있게 되며, 최선의 충전 방법을 통해 과충·방전을 피할 수 있다. 과충전과 과방전은 배터리를 매우 짧은 동안 소진시켜 회로의 단락이나 화재와 같은 위험한 상황을 초래할 수 있다. 예측적인 유지보수와 에너지·전력 흐름을 적절히 관리하기 위해 배터리 SOC와 SOH를 알아야 하며, 이는 그리드 안정화, 전기차 충전 과정, 차량을 저장 장치로 볼 수 있는 V2G(Vehicle-to-grid) 연결에 포함된 알고리즘을 예측·조정할 수 있음을 뜻한다.

전체 측정 오차가 2.2mV 미만인 멀티 셀(최대 18개 셀) 배터리 모니터 IC를 사용하면, 정확한 모니터링을 구현할 수 있다. 최대 18개에 달하는 모든 셀을 290μs 내에 측정할 수 있으며, 노이즈를 줄이고 싶다면 더 낮은 데이터 레이트(Date rate)를 선택하는 방법이 있다. 여러 개의 스택 모니터 디바이스를 직렬 구조로 연결해 고전압 배터리 팩 내 모든 셀을 동시에 모니터링 할 수도 있다. 각 스택 모니터는 절연 SPI(isoSPI)를 탑재해 고속, RF 내성, 장거리 통신을 제공한다.

여러 개의 디바이스들이 데이지 체인 방식으로 연결되고 모든 디바이스들은 1개의 호스트 프로세서에 연결된다. 데이지 체인은 양방향으로 동작할 수 있어 통신 경로에 오류가 발생할 경우 통신 무결성을 보장한다. IC는 배터리 스택이나 절연 전원에서 직접 전력을 공급받을 수 있다. IC는 각 셀에 대한 수동 밸런싱을 포함하며, 각 셀마다 개별 PWM 듀티 사이클 제어가 적용된다. 그 밖에 내장형 5V 레귤레이터, 9개의 범용 I/O 라인, 슬립 모드에에서 6μA의 낮은 전류 소모 등 다양한 기능이 포함돼 있다.

BMS 애플리케이션의 단기적, 장기적인 정확도에 대한 요구로, IC는 밴드갭 레퍼런스 대신 버리드 제너(Buried-Zener) 방식의 레퍼런스를 사용한다. 이 레퍼런스는 장기적 안정성이 우수하고, 안정적이고 낮은 드리프트(20ppm/√kh), 낮은 온도 계수(3ppm/℃), 낮은 히스테리시스(20ppm)의 특성을 나타낸다. 정확도와 안정성은 모든 배터리의 셀 측정에 기초가 되며, 오차는 수집된 데이터 신뢰성, 알고리즘 일관성, 시스템 성능에 계속 영향을 주기에 중요하게 다뤄진다.

정확도가 뛰어난 레퍼런스는 탁월한 성능을 보장하는 데 필수적이나, 이것만으로는 충분하지 않다. AC-DC 컨버터 아키텍처와 동작은 시스템의 고전류/전압 인버터의 펄스 폭 변조(PWM) 과도 현상으로 인해 전기적 잡음이 존재하는 환경에서 요구되는 규격을 만족해야 한다. 배터리의 SOC와 SOH의 정확한 추정도 관련 전압, 전류, 온도의 측정값을 필요로 한다.

시스템에서 발생하는 노이즈를 차단하기 위해 시그마-델타 방식의 ADC를 사용하며, 여기에 더해 잡음이 많은 환경에 대처하기 위한 6개의 필터 옵션을 제공한다. 이는 사용자가 선택할 수 있다. 시그마-델타 방식은 애버리징, 필터링 기능과 함께 변환당 많은 샘플을 사용하는 특성을 가져, EMI나 그 밖의 다른 과도 현상 잡음으로 인한 영향을 줄여준다. ADI는 배터리 스택 모니터를 위해 LTC681x, LTC680x 제품군을 제공하고 있다.

결론

미래의 DC 고속 충전 인프라의 과제를 해결하기 위한 핵심은 전력 변환 시스템과 에너지 저장 시스템, 즉 ESS에 있다. 앞서 글을 통해 SiC MOSFET으로 설계된 전력 변환 단을 위해, ADuM4136 절연 게이트 드라이버와 LT3999 전원 컨트롤러를 결합하는 것, 그리고 에너지 저장 배터리를 위해 LTC6813 배터리 모니터링 디바이스를 사용하는 2가지 사례를 살펴봤다. 이 시스템들은 전류 측정부터 결함 방지 디바이스까지, 가스 감지부터 기능 안전까지 보다 자세히 다뤄야 할 부분들이 많다. 이 시스템들은 모두 중요한 부분으로, 막대한 이득을 가져다 주는 것이기도 하다.

ADI는 신뢰할 수 있는 확고한 데이터를 생성하는 모든 물리적 현상을 감지, 측정, 연결, 해석하고 안전하게 지키고 구동하기 위해, 모든 서브시스템에 적극적으로 참여하고 있다. 이 데이터들은 하이엔드 알고리즘에 사용돼, 대부분의 에너지는 재생 에너지 소스에서 부하로, 이 경우 전기차로 변환되도록 보장할 것이다.

글: 스테파노 갈리나로(Stefano Gallinaro) 재생 에너지 사업부 전략 마케팅 매니저

자료제공: 아나로그디바이스

- 이 글은 테크월드가 발행하는 월간 <EPNC 電子部品> 2020년 4월 호에 게재된 기사입니다.