짧은 충전시간, 긴 주행거리로 점점 속도를 내고 있는 전기차

전기차는 비싸고 충전시간이 길며 주행거리가 짧다는 인식이 많이 퍼져 있습니다. 하지만 이러한 시나리오는 곧 과거의 일이 될 것입니다. 충전 인프라의 확충, 급속 충전기 개발, 배터리 효율 향상 등 다양한 혁신이 이루어지고 있기 때문입니다. 반도체 회사들은 새로운 소재와 새로운 기술을 사용해서 미래의 모빌리티를 구현하는데 기여하고 있습니다.

우리 모두 날마다 하는 일이 있습니다. 바로 배터리를 충전하는 것입니다. 하지만 대부분의 경우 자신이 사용하는 기기 안에서 실제로 어떤 일이 일어나고 있는지는 잘 모릅니다. 최신 스마트폰은 매일 충전해야 하며, 전동 칫솔을 밤새 충전기에 꽂아 놓습니다. 또 휴대용 스피커, 스마트 워치, e바이크 등을 충전합니다. 배터리 충전은 일상의 한 부분이 되었으며 최소한의 노력으로 최대의 편의성을 얻습니다. 충전 케이블을 연결하고 기다리기만 하면 됩니다. 원칙적으로 전기차를 충전하는 것도 마찬가지입니다. 하지만 많은 사람들이 전기차 충전을 생각하면 두려워하고 꺼려합니다. 왜 그럴까요?

스마트폰 충전이나 전동 칫솔 충전이나 전기차 충전이나, 기술적 관점에서 프로세스는 같습니다. 모두 다 전기 에너지를 화학적 형태에 저장합니다. 하지만 좀더 자세히 들여다보면 큰 차이점이 있습니다. 휴대폰은 한 번에 두 가지 일을 할 수 있는데, 충전하면서 사용할 수도 있습니다. 전기차는 이런 호사가 허용되지 않습니다. 이것은 딱히 기술적인 요소는 아니지만 중요합니다. 전동 칫솔을 밤새 충전해서 다음 날 아침 단 몇 분만 사용하지만 대수롭지 않게 생각합니다. 하지만 많은 사람들이 전기차에 있어서만은 이것을 받아들이지 않습니다. 대부분의 경우 하루에 23시간 동안은 자동차를 세워 두기만 하면서도 말이지요.

운전자들은 언제든지 필요에 따라서 장거리를 운전하는 데 익숙해져 있습니다. 그런데 전기차는 장거리 운행이 어렵다는 것이 일반적인 인식입니다. 하지만 이제는 바뀌고 있습니다. 기술이 발전하면서 전기차로도 이러한 자유를 누릴 수 있게 되었습니다. 이전에는 상상할 수 없었던 성능의 배터리가 개발되고 있습니다. 또한 급속 충전소에서는 장거리를 주행하기 위해서 필요한 에너지를 단 몇 분 만에 충전할 수 있습니다.

납축전지를 탑재한 승용차가 기껏해야 100킬로미터밖에 달릴 수 없었던 시절은 희미한 기억이 되었습니다. 마찬가지로 몇 시간씩 충전을 해야 하는 시절도 거의 끝나가고 있습니다. 1995년에 폭스바겐의 Golf 3 City Stomer는 납축전지를 사용해서 최대 55킬로미터를 달릴 수 있었습니다. 나중에 배터리 용량을 높여서 주행거리가 65킬로미터로 늘어났습니다. 이 차의 충전기는 전력 출력이 제한적인 보통의 가정용 전기 콘센트를 사용하도록 설계되었습니다. 빈 배터리를 충전하기 위해서는 6~8시간이 걸렸습니다. 100킬로미터를 여행하려면 밤새 충전을 해야 했습니다.

오늘날 전기차는 훨씬 큰 용량의 배터리를 사용합니다. 하지만 이야기는 여기서 끝나지 않습니다. 매일 같이 새로운 발견들이 이루어지고 있기 때문입니다.

하지만 핵심 질문은 그대로입니다. 어떻게 하면 전기차 배터리를 더 효율적이고 강력하게 만들 수 있을까요?

기본적으로 배터리의 두 가지 파라미터가 배터리 팩이 엔진에 공급할 수 있는 전력량과 배터리팩을 충전할 수 있는 전력을 결정합니다. 하나는 배터리 셀의 용량입니다. 이것은 암페어-시(Ah) 단위로서, 화학적 형태로 저장할 수 있는 최대 전하입니다. 또 하나는 배터리의 전력 밀도입니다. 이것은 특정한 전력 수준을 제공하기 위해서 배터리가 얼마나 크고 무거워야 하는지를 결정합니다. 전력 밀도는 사용된 소재에 따라서 결정됩니다. 최초의 납축전지는 19세기 중반에 등장했습니다. 오늘날의 리튬이온 배터리는 같은 크기의 납축전지에 비해서 최대 7배의 전하를 저장할 수 있습니다.

배터리를 충전할 때는 배터리 크기와 충전 전류의 관계가 중요합니다. 예를 들어서 2016년부터 출시되고 있는 BMW i3은 배터리 용량이 95Ah입니다. 100Ah 배터리라고 치고 100A의 전류로 연속적으로 충전하면 완전히 충전하기 위해서 이론적으로 1시간이 걸릴 것입니다.

100Ah 용량인 배터리를 통상적인 400V 전압으로 1시간만에 최대로 충전하기 위해서는 약 40kW의 충전 전력이 필요할 것입니다. 그러므로 최대 50kW까지 이르는 현재의 DV 충전 장비는 이미 이보다 더 높은 용량을 제공합니다.

그렇다면 이것이 이미 “급속 충전”일까요? 그렇지 않습니다. 약 200킬로미터를 주행할 수 있는 전류 양을 1시간에 충전할 수 있는 것일 뿐입니다.

급속 충전을 위해서는 배터리를 최대 350kW의 전력으로 충전할 수 있어야 합니다. 이 수준을 처리할 수 있게 되면 60kWh 배터리 (전기차 배터리의 평균 전압 400V~800V x 100Ah = 60kWh)를 단 몇 분만에 최대로 충전할 수 있습니다. 현재로서는 이와 같은 높은 충전 전력을 지원하는 양산 차량이 나와 있지 않습니다. 다만 좀 더 낮은 kW 숫자로 이와 같은 새로운 충전 기술을 사용할 수 있는 모델들이 등장하고 있습니다.

급속 충전소를 전세계적으로 구축하여야 합니다. 이것만 해도 이미 어려운 일입니다. 하지만 급속 충전소들을 인프라에 종합적으로 통합하기에 앞서, 몇가지 기술적인 문제들을 해결해야 합니다. 이것은 특히 높은 출력 전력에 관련된 것입니다. Combined Charging Standard(CCS)는 500V 이상의 출력 전압을 가능하게 합니다. 원칙적으로 이러한 전압은 훈련된 전문가들이 처리하도록 규정되어 있습니다. 따라서 전문가가 아닌 일반인들의 취급이 허용되는, 높은 스트레스를 견딜 수 있고 안전 규정을 충족하는 통일된 플러그를 개발하여야만 합니다.

또 다른 과제는, 전력망으로부터 공급되는 에너지를 자동차 배터리와 호환 가능하도록 하는 것입니다. 왜 이것이 과제일까요? 배터리는 DC 전압입니다. 전력망으로부터 공급되는 전압은 AC 전압이기 때문에 배터리 충전에 적합하지 않습니다. 따라서 전력 컨버터를 사용해서 전압을 정류해야 합니다. 그래야만 전력망으로부터 공급되는 전압을 자동차 배터리와 호환 가능하도록 만들 수 있습니다. AC 전압을 DC 전압으로 변환합니다.

전력망으로부터의 AC 전압을 자동차 배터리에 적합한 DC 전압으로 변환해야 합니다. 이 과정에서 사용되는 컴포넌트에서 전력 손실이 발생합니다. 다시 말하면 에너지가 열의 형태로 방출됩니다. 심한 경우에는 이 열이 장치를 손상시킬 수도 있습니다. 계획대로 높은 전력대를 사용하게 된다면, 전기차로 전기를 공급하는 동안에 이미 상당한 손실과 뜨거운 열이 발생하게 됩니다. 집중적으로 냉각시키지 않는다면 문제가 발생합니다. 케이블이 보기 흉하게 두꺼워져야 하거나 절연재가 녹습니다.

과열을 방지하기 위해서는 수냉식 전기 케이블이 필요합니다. 그러면 비교적 가는 충전 케이블을 사용할 수 있으며, 충전기에서 전기차로 충전 케이블을 다루기도 쉬울 것입니다. 또 한편으로는 전기차를 충전할 때 발생되는 손실을 가능한 많이 줄여야 합니다. 그러려면 전력망의 AC 전압을 자동차 배터리에 적합한 DC 전압으로 변환하는 효율적인 전력 반도체가 필요합니다. 손실을 최대한 낮추어야 합니다. 높다고 여겨지는 97퍼센트 효율이라 하더라도 상당한 손실을 발생시킵니다. 300kW로 충전한다고 했을 때 97퍼센트 효율이면 9kW의 전력이 손실됩니다. 이것은 최대 전력으로 작동하는 8대의 헤어드라이어를 냉장고 안에 넣고 냉장고 내부가 뜨거워지지 않기를 바라는 것이나 마찬가지입니다.

충전기 내부의 제한적인 공간 안에서, 높은 전력은 불가피하게 높은 온도를 발생시킵니다. 열은 주변 전자장치의 동작에 영향을 미칩니다. 에너지 변환 효율이 99퍼센트 혹은 그 이상이라면 충전기를 냉각하기가 더 쉬워집니다. 손실을 되도록 줄이면 열은 발생되지 않기 때문입니다. 인피니언의 최신 전력 반도체는 이런 개발이 가능하도록 핵심적인 역할을 합니다. 이들 제품은 풍력 터빈이나 태양광 발전, 전기 기관차 구동 시스템, 휴대전화 충전 등 다른 애플리케이션에 수십 년 동안 사용되어 온 것들입니다. 인피니언 칩 제품들은 불과 몇 년 전에는 생각할 수도 없었던 효율 수준을 달성하였습니다.

소재 관련해서도 유망한 개발들이 이루어지고 있습니다. 좀더 구체적으로는 실리콘 카바이드(SiC)와 갈륨 나이트라이드(GaN) 같은 소재를 들 수 있습니다. 이들 소재는 더 작고 더 효율적인 반도체를 생산할 수 있도록 합니다. 따라서 전기차 충전기 같이 효율이 중요한 애플리케이션에 효과적으로 사용될 수 있습니다. 인피니언은 이미 매우 효율적인 SiC 모듈을 개발하고 있습니다. 이들 제품은 마찬가지로 높은 효율을 요구하는 태양광 분야에서 수요가 빠르게 늘고 있습니다. 이로부터 쌓은 경험을 바탕으로 e-모빌리티에 필요한 매우 효율적인 제품을 개발하게 되었습니다. 새로운 전기차 충전기에 인피니언의 혁신 기술이 사용되고 있습니다. 이러한 새로운 충전기는 충전 시간을 3시간에서 단 몇 분으로 단축할 수 있습니다.

최신 전기차의 배터리를 100킬로미터를 주행할 수 있도록 충전하기 위해서 채 5분이 걸리지 않는 충전기가 독일에 이미 설치되었습니다. 때마침 급속 충전에 필요로 하는 높은 표준 요건을 충족하는 자동차들도 등장하고 있습니다. 전기차를 운전하고 충전하기가 훨씬 수월하게 되었습니다. 독일 정부도 이 점을 인식하고 20억 유로를 들여서 아우토반 (고속도로)과 지방에 급속 충전 설비를 확충하는 것을 지원하고 있습니다. 충전에 긴 시간이 걸리고 주행 거리가 제한적이던 것은 과거의 일이 될 것입니다.

유럽에서 급속 충전 인프라가 확장할 수 있도록 기여하고 있는 회사로 Ionity를 들 수 있습니다. 이 회사는 독일 자동차 회사들인 Volkswagen (VW, Audi, Porsche), Mercedes, BMW(Mini 포함)와 Ford, 현대가 손을 잡고 설립한 합작 회사로서, 유럽에서 장거리 노선들로 HPC (고전력 충전기)를 구축하는 것을 목표로 합니다. 유러피언 CSS 표준을 적용한 최대 350kW 충전기를 사용해서 400개 충전소를 구축할 계획입니다.

그렇게 되면 BMW ix3 같은 상위 모델로 최대 150kW에 이르는 충전 전력으로 30분만에 최대 80%로 충전할 수 있습니다.

마지막 업데이트: 2021년 7월