BEV 스마트 인프라를 위한 DC 충전 솔루션

지구 온난화와 기후 변화에 대응하기 위해 많은 국가들이 2050년까지 탄소 중립을 달성하는 목표를 설정했습니다. 이 목표를 달성하기 위해서는 에너지 집약적 산업인 교통 부문에서 배출량을 줄이는 것이 필수적입니다. 전기차(EV)로의 전환은 이 노력에서 중요한 역할을 합니다. 이 기사에서는 전기차(EV) 산업의 개발 동향과 Murata가 제공하는 배터리 전기차(BEV) 스마트 인프라용 DC 충전 솔루션에 대해 소개합니다.

2050년까지 탄소 배출량 순 제로 목표를 달성하기 위해, 많은 국가와 지역은 2035년까지 새로운 내연기관(ICE) 차량 판매를 종료하는 정책 목표를 설정했습니다. 이러한 정책 변화는 자동차 산업 전체가 운송 배출량을 줄이기 위한 노력을 강화하게 만들고 있습니다. 또한, 국제에너지기구(IEA)에 따르면, 2050년까지 도로 위의 거의 모든 승용차와 상용차가 전기차 또는 연료전지차일 것으로 예상됩니다.

또한, 자동차 산업은 탈탄소화와 지속 가능성을 위한 명확한 경로를 제공하는 것을 목표로 하는 Science-Based Targets 이니셔티브에 참여하려고 하고 있습니다. 이러한 이니셔티브는 개별 회사뿐만 아니라 전체 산업 내에서 공통적인 배출 감축 목표를 설정하는 데 도움을 줍니다.

사회적 요구와 주요 장비 제조업체(OEM) 주도의 산업 이니셔티브에 힘입어 새로운 인프라 개발도 발전하고 있습니다. 배터리 전기차(BEVs)와 무배출 차량(ZEVs)의 채택이 증가함에 따라 이러한 차량을 지원하기 위한 DC 충전기의 수요가 증가하고 있습니다. 이러한 추세는 계속될 것으로 예상되며, 다양한 충전 솔루션과 인프라 개발이 요구됩니다.

고출력 DC 급속 충전 기술은 전기차(EV)의 광범위한 채택을 지원하는 데 중요한 역할을 합니다. 현재 일부 DC 급속 충전기는 350kW 이상을 제공할 수 있어 많은 BEV가 약 30~45분 만에 80%까지 충전할 수 있습니다. 이 급속 충전 기능은 특히 장거리 여행 시 높은 편리성을 제공하며 "주행 거리 불안" - 주행 거리에 대한 우려 - 을 줄여 소비자가 EV를 선택하기 쉽게 만듭니다. 또한, 2030년까지 생산되는 BEV 중 약 50%가 200kW 급속 충전 용량을 갖출 것으로 예상됩니다. 이러한 발전은 고출력 충전 인프라에 대한 수요 증가를 촉진하고, 시장에서의 EV 채택률을 전반적으로 향상시킬 것으로 예상됩니다.

또한 일부 프리미엄 모델은 300 kW를 초과하는 최고 충전이 가능하여 고객의 고성능 기대치를 충족하면서 효율적이고 빠른 충전을 제공합니다. 이러한 기술적 트렌드는 고출력 DC 급속 충전기의 광범위한 EV 시장에 대한 중요한 영향과 진화를 강조합니다.

충전소 설계 측면에서, 중앙 전력 변환 장치를 충전 기둥에서 분리하는 방향으로 트렌드가 변화하고 있습니다. 이러한 접근 방식은 전력 변환 장치를 충전 유닛과 분리하여 전력 분배 유연성을 향상시키고 전체 설치 공간을 감소시킵니다.

다중 지점 DC 충전기는 충전기 간에 사용 가능한 출력 전력을 분배하여 단일 충전기로 두 대 이상의 차량을 동시에 충전할 수 있습니다. 최근 많은 제조업체가 두 개 이상의 DC 출력을 제공하는 DC 충전기를 출시하기 시작했습니다. 이러한 추세는 렌터카, 택시 및 버스와 같은 상업적 응용 프로그램에서의 수요 증가로 인해 인기 급상승 중입니다. 두 대의 차량을 동시에 충전하는 기술(전력 분배 기술)은 고수요를 충족시키기 위해 효율적인 전력 분배를 가능하게 합니다. 더욱이, 이러한 기술적 발전은 높은 정밀도와 높은 속도의 무선 통신 기술이 필요할 것으로 예상됩니다.

지속 가능한 탈탄소 사회를 구축하고 전체 산업이 긴급하고 책임 있는 대응을 하도록 장려하기 위해 Murata는 "탈탄소 사회 창출"을 주요 과제로 지정하고 사업 운영에서 온실가스(GHG) 배출량 감축 목표를 설정했습니다.

또한 Murata는 전체 가치 사슬에서 탈탄소화를 가속화하고 있으며, 2050년까지 공급망 전체에서 탄소 중립을 달성하고 2035년까지 RE100을 달성하는 것을 목표로 하고 있습니다. Murata는 글로벌 기후 변화 완화 노력에 적극적으로 기여하기 위해 이해관계자와 협력하고 있습니다. 특히 매출의 25%를 차지하는 모빌리티 부문에서 BEV를 중심으로 한 무배출 차량의 프로모션이 중요하다고 판단됩니다. Murata는 빠른 충전 시스템을 핵심 영역으로 삼아 기술 혁신과 가치 창출을 추진하며 탈탄소화된 비즈니스 모델로의 전환을 지원하고 있습니다.

Murata는 자사 비즈니스 프로세스에서 중요성을 바탕으로 사회 문제를 적극적으로 해결하며, 소형화 기술과 환경 친화적인 제품 개발에 중점을 두고 있습니다. 특히, 다층 세라믹 커패시터(MLCC) 개발은 고객 제품의 편리성을 향상시키고 경량화 및 소형화 기술을 통해 지속 가능한 자원 사용을 촉진하는 것으로 인정받고 있습니다. 또한, Murata는 친환경 포장 및 재활용 시스템을 도입하여 환경 영향을 줄이기 위해 다각적인 조치를 시행하고 있습니다.

DC 충전기가 고속 충전 수요를 충족하기 위해 더 높은 출력 전력을 필요로 함에 따라, 고속 충전 회로용 MLCC는 필수적입니다. Murata는 고출력 전력을 처리할 수 있는 다양한 MLCC를 제공하며, 특히 AC-DC 및 DC-DC 회로에서 뛰어난 강점을 가지고 있습니다.

EV DC 충전기 전력 장치 시장은 실리콘 카바이드(SiC)와 질화 갈륨(GaN) 기술로의 전환으로 인해 상당한 변화를 겪고 있습니다. 2023년, 개별 부품 및 모듈을 포함한 EV DC 충전기 장치 시장은 3억 3천만 달러로 평가되었으며, 연평균 성장률(CAGR) 17.8%로 2029년까지 8억 1천만 달러에 이를 것으로 예상됩니다.

특히 SiC 기술은 빠르게 주목을 받고 있으며, EV DC 충전 인프라를 향후 몇 년 동안 SiC 웨이퍼 수요를 이끄는 주요 응용 분야로 자리 잡고 있습니다. SiC MOSFET 디바이스 시장은 2023년부터 2029년까지 연평균 성장률(CAGR) 40.3%로 성장할 것으로 예상되며, 시장 규모는 2억 9천 5백만 달러에 이를 것으로 보입니다. 이러한 성장은 초고속 충전기 부문(350 kW 이상)에서 높은 출력과 효율적인 에너지 변환이 중요한 요소로 작용하며 수요가 증가하는 데에 기인합니다. 게다가 많은 제조사들이 30–40 kW 모듈을 활용한 모듈형 설계를 발전시키고 있으며, 이는 대규모 초고속 충전소에도 배치되고 있습니다.

한편, GaN 기술은 높은 스위칭 속도와 효율성으로 주목을 받고 있으며, 특정 저전력 DC 충전기와 전문화된 애플리케이션에서 유망한 기술로 간주되고 있습니다. 그러나 GaN 기술은 여전히 초기 단계에 있으며, 비용 절감 및 신뢰성 향상과 같은 과제를 해결해야 널리 채택될 수 있을 것입니다. 그럼에도 불구하고, 향후 연구개발(R&D)을 통해 이 분야의 추가 성장이 기대됩니다.

현재 EV DC 충전기에 사용되는 파워 반도체는 더 빠르고 높은 출력 전력에 대한 수요에 의해 Si MOSFET/Si IGBT에서 SiC MOSFET/GaN으로 전환되고 있습니다. 이러한 변화는 SiC와 GaN의 우수한 전력 변환 효율로 인해 이루어지며, 이는 에너지 손실을 줄이고, 충전 시간을 단축하며, 비용을 절감합니다. 이 재료는 또한 고온 환경에서도 작동할 수 있어 냉각 요구사항을 줄이고 소형화 및 비용 절감을 가능하게 합니다. 추가로, 이 소재들은 더 빠른 전력 변환을 지원하여 고속 충전 시스템의 성능을 향상시키며, 고속 스위칭 기능을 통해 보다 컴팩트하고 경량화된 설계를 가능하게 하여 공간 절약 솔루션에 기여합니다. 부품은 또한 더 높은 전압, 더 작은 크기, 더 나은 열 저항으로 진화하고 있습니다.

반도체 사양이 Si MOSFET/Si IGBT에서 SiC MOSFET/GaN으로 전환됨에 따라, MLCC가 이전에 사용되지 않았던 영역에 적용되고 있습니다. Murata의 MLCC 라인업은 고전압, 소형화, 및 열 저항성에 기여합니다. 기존 설계(Si MOSFET/Si IGBT)와 마찬가지로, Murata의 강점은 AC-DC 및 DC-DC 회로에 그대로 유지됩니다.

일반적인 DC-DC 컨버터 아키텍처에는 전풀 브릿지 컨버터, 하프 브릿지 컨버터, 공진 컨버터의 세 가지 유형이 포함됩니다. Murata의 솔루션은 이러한 회로 설계를 대상으로 하며, 고전압을 지원하는 제품 라인업을 제공하며 지속적으로 확장되고 있습니다. 여기에는 스너퍼 커패시터(Class 2)로 GRM 시리즈(최대 1,250V 정격), GR3 시리즈(고리플 전류 허용), KRM 시리즈(GRM과 메탈 터미네이션), KR3 시리즈(GR3와 메탈 터미네이션), RDE 시리즈(리드와 에폭시 코팅)가 포함되며, GRM 시리즈(최대 1kV 정격으로 C0G 및 U2J 특성) 및 KRM 시리즈(최대 1kV 정격으로 C0G 및 U2J 특성)와 같은 스너퍼 및 공진 커패시터도 포함됩니다. 예를 들어, 크기 제한이 있는 DC 충전기 모듈에서 컴팩트함을 달성하기 위해 MLCC를 필름 커패시터 대신 공진 커패시터로 사용하는 경우가 있습니다(LLC 회로에서는 공진 커패시터가 권장됩니다).

고속 충전 스테이션 운영의 신속한 원격 모니터링을 가능하게 하기 위해 충전기에 연결성 모듈을 장착하는 것이 필수적이 되었습니다. 가장 일반적으로 사용되는 기술은 Wi-Fi™와 Bluetooth®로, 장치가 인터넷에 직접 연결할 수 있게 하여 IoT 제품을 위한 가장 유연한 무선 솔루션을 제공합니다. 이러한 기술은 빠른 시장 출시, 높은 성능과 신뢰성, 지역 및 글로벌 FAE 지원, 장기 사용 보장, RF 및 인증 지원과 같은 이점을 제공합니다.

Murata의 무선 연결 모듈은 Wi-Fi4, Wi-Fi5 및 Wi-Fi6/Bluetooth를 지원하며, FCC/ISED와 일본에서 인증을 받았고 CE 테스트 보고서를 제공합니다. 이 모듈은 Linux 또는 RTOS 플랫폼에 통합될 수 있으며, 실시간 충전 상태 모니터링, 소프트웨어 업데이트, 스마트폰 앱 통합 및 원격 문제 해결을 위한 DC 충전 애플리케이션에 사용됩니다.

Wi-Fi™의 범위와 전송 거리를 확장하기 위해 Wi-Fi HaLow™ 기술이 개발되었습니다. Wi-Fi HaLow™는 "IEEE 802.11ah"로 표준화된 Wi-Fi/IP 기반의 장거리 무선 통신 표준으로, 1킬로미터 이상의 넓은 영역에서 통신이 가능합니다. 4 MHz 대역폭(SISO)을 사용하여 Wi-Fi HaLow™는 이론적으로 수 Mbps의 데이터 전송 속도를 달성하며, 비디오 및 오디오 스트리밍에 적합합니다.

Wi-Fi HaLow는 IoT 및 스마트 기기에 최적화되어 있으며, 장거리 통신과 배터리 작동에 적합한 저전력 소비를 특징으로 합니다. 900 MHz 대역에서 동작하며, 수백 미터에 이르는 통신 범위를 제공하여 기존 Wi-Fi의 2.4 GHz 또는 5 GHz 대역을 크게 초과하며, 통신사 서비스가 필요하지 않아 비용을 줄일 수 있습니다. 기존 LPWA와 비교하여 Wi-Fi HaLow는 더 높은 처리량을 제공하며, 최대 몇 Mbps(4 MHz 대역폭, SISO) 속도로 대용량 데이터 전송을 지원합니다. 또한 전통적인 Wi-Fi와 같이 IP 네트워크에 직접 연결할 수 있는 기본 IP 지원을 제공하며, WPA3와 같은 최신 보안 프로토콜도 지원합니다. 활용 분야로는 IoT 기기, 스마트 빌딩, 스마트 농업, 스마트 공장 등이 포함됩니다.

Murata는 두 가지 Wi-Fi HaLow 모듈을 개발했습니다: 전 세계 SKU용 저전송 전력 버전인 Type 2HL과 일본을 제외한 NA 및 APAC에서 허용되는 고전송 전력 버전인 Type 2HK로, 여러 장치 전력 절약 모드와 최신 Wi-Fi 보안 메커니즘 지원을 포함하면서 비면허 대역인 1GHz 이하 주파수에서 작동합니다. 기존 Wi-Fi의 범위가 충분하지 않은 대형 주차장에서 충전기를 설치하는 등 DC 충전 애플리케이션에서 Wi-Fi HaLow는 대안 역할을 할 수 있습니다.

배터리 전기차의 빠른 채택으로 인해 스마트 인프라 건설은 고품질 산업 발전을 촉진하는 데 중요한 요소가 되었습니다. 높은 효율, 빠른 응답성 및 지능성을 갖춘 DC 충전 솔루션은 점점 더 미래 교통 에너지 시스템의 필수적인 부분이 되고 있습니다. 스마트 인프라를 위한 DC 충전 시스템은 충전 경험과 운영 효율성을 향상시킬 뿐만 아니라, 에너지 관리 및 스마트 스케줄링 기술과 깊이 통합되어 도시가 녹색, 저탄소, 지속 가능한 발전을 이루는 것을 지원합니다. Murata의 MLCC와 Wi-Fi HaLow 연결 제품 라인은 DC 충전 솔루션에서 중요한 역할을 하여 전기 이동성의 지능적이고 디지털화된 전환을 더욱 발전시킬 것입니다.