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Read in English 전기차 충전 인프라의 출력이 높아지면서 충전기의 성능을 결정하는 전력변환 모듈에도 변화가 나타나고 있다. 단순히 충전 출력을 높이는 것뿐만 아니라 제한된 충전기 내부 공간에서 전력밀도와 효율을 확보하고, 높은 부하에서도 안정적으로 출력을 유지하는 것이 중요한 설계 조건으로 부상하고 있다.
이러한 변화는 800V급 고전압 전기차와 중·대형 상용 전기차의 확산과 맞물려 있다. 승용 전기차 중심의 충전 환경에서 트럭 등 상용차로 전동화 범위가 확대되면서 충전 시간 단축을 위한 고출력 인프라에 대한 요구도 커지고 있기 때문이다.
특히 메가와트급 충전시스템(MCS) 등으로 충전 출력이 높아질수록 전력을 실제 차량에 공급하는 과정에서 발생하는 손실과 발열을 어떻게 관리할 것인지가 시스템 설계의 주요 과제가 된다. 이에 따라 충전 모듈 역시 출력뿐 아니라 효율, 전력밀도, 고온 환경에서의 출력 유지 등을 함께 고려하는 방향으로 개발되고 있다.
전력전자 기업 KEHUA(커화)는 이러한 충전 인프라 변화에 대응해 신세대 40kW 충전 모듈과 80kW VPFC 모듈을 선보였다.
충전기 고출력화에 내부 공간 활용도 중요
충전 모듈의 전력밀도는 충전기 전체 시스템 구성과 연결된다.
충전기 출력을 높이기 위해 모듈을 계속 추가하면 장비 크기가 커질 수 있고 설치 공간과 시스템 구성에도 영향을 미친다. 동일하거나 제한된 공간에서 처리할 수 있는 전력을 높이는 것이 중요해지는 이유다.
커화가 공개한 40kW 충전 모듈은 최대 효율 97.5%, 평균 효율 97% 수준으로 설계됐으며 기존 제품과 비교해 부피를 약 7.5% 줄였다.
회사는 대기 상태에서 소비되는 전력을 줄이기 위해 대기전력 0W와 무효전력 0을 지원한다고 설명했다. 실제 충전이 이뤄지지 않는 시간에도 다수의 충전기가 상시 가동되는 충전소의 특성을 고려하면 대기 상태에서의 에너지 관리 역시 운영 과정에서 살펴봐야 할 요소다.
SiC 적용 확대…고온 환경 출력 유지도 관건
고출력 충전에서는 전력반도체 기술도 중요한 변수다.
80kW VPFC 모듈에는 실리콘카바이드(SiC)가 적용됐다. SiC 전력반도체는 고출력 전력변환 장치의 효율과 열관리 측면에서 활용 범위가 확대되고 있으며, 충전 인프라 역시 주요 적용 분야 가운데 하나다.
커화에 따르면 해당 모듈은 -40℃에서 75℃까지의 환경에서 작동하도록 설계됐으며 55℃에서도 정격 출력을 유지한다. EMC Class B와 IEC 61851-23:2023 기준도 충족한다.
고속도로 충전소처럼 충전 수요가 집중되거나 상용차가 반복적으로 충전하는 환경에서는 장시간 높은 부하가 이어질 가능성이 있다. 이 때문에 순간적인 최대 출력뿐 아니라 온도 변화와 연속 운전 조건에서 어느 수준의 출력을 유지할 수 있는지도 충전시스템을 구성할 때 고려해야 한다.
승용차에서 상용차로…충전 인프라도 적용 환경 세분화
충전 인프라의 적용 범위가 넓어지면서 하나의 충전 방식으로 모든 차량을 대응하기도 어려워지고 있다.
승용 전기차와 상용 전기트럭은 배터리 용량과 운행 패턴, 충전에 허용할 수 있는 시간이 서로 다르다. 물류 차량처럼 일정한 운행 스케줄을 유지해야 하는 경우 충전시간은 차량 가동률과도 직접 연결될 수 있다.
이에 따라 충전기 제조사들도 충전 모듈부터 충전 스테이션, 고출력 충전시스템과 MCS까지 차량과 운행환경에 따라 서로 다른 전력변환 구조를 적용하는 방향으로 제품군을 확대하고 있다.
커화 역시 충전 모듈과 충전 스테이션, 고출력 및 MCS 시스템으로 관련 제품을 구성하고 있다. 이번 40kW·80kW 모듈도 승용 전기차뿐 아니라 고속도로 충전 인프라와 상용차 등으로 고출력 충전 수요가 확대되는 상황을 고려한 제품이다.
“출력 숫자만으로 충전 인프라 평가하기 어려워져”
KEHUA 서강국(Cooper Xu) 한국지사장은 본지 서면 질의를 통해 전기차 충전시장이 고출력화되면서 충전시스템을 평가하는 기준도 세분화되고 있다고 설명했다.
서강국 지사장은 “800V급 전기차와 상용 전기차 등 충전 대상이 다양해지면서 단순히 최대 출력을 높이는 것만으로는 실제 충전 환경의 요구를 모두 충족하기 어려워지고 있다”며 “고출력 환경에서는 전력변환 효율과 발열, 설치 공간, 다양한 온도 조건에서의 출력 유지 등을 함께 고려해야 한다”고 말했다.
이어 “상용차와 고출력 충전 분야에서는 차량 운행시간과 충전시간이 밀접하게 연결돼 있어 충전설비의 안정적인 연속 운전도 중요하다”며 “커화는 40kW와 80kW 모듈을 비롯해 향후 다양한 충전 환경에 대응할 수 있는 전력변환 기술을 확대할 계획”이라고 밝혔다.
전기차 시장이 승용차 중심에서 상용차와 물류차량 등으로 넓어지고 충전 전압과 출력도 높아지면서 충전 인프라의 기술 경쟁 역시 변화할 것으로 예상된다. 앞으로는 충전기의 최대 출력뿐 아니라 단위 공간당 출력과 전력변환 효율, 열관리, 연속 운전 성능을 어떻게 조합하는지가 고출력 충전시스템 설계의 주요 요소가 될 것으로 보인다.
