온보드차저

테슬라(Tesla)

온보드차저(OBC; On Board Charger)는 전기자동차를 완속 충전하거나 휴대용 충전기로 가정용 플러그에 꽂아서 충전할 경우, 차량에 입력된 교류 전원(AC)을 직류 전원(DC)으로 변환하는 장치이다. 교류를 직류로 전환한다는 점에서 인버터(inverter)와 비슷해 보이지만, 온보드차저는 충전을 위한 장치이며 인버터는 차량 가속과 감속과 관련된 장치라는 점에서 그 역할이 다르다.

개요

온보드차저는 전기자동차를 완속 충전하거나 차량에 입력된 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 장치이다. 따라서 온보드차저를 사용할 시 월 커넥터 또는 이동식 커넥터를 충전 포트에 연결하면 교류 전류가 차량에 공급된다. 이때 배터리는 에너지를 직류 전류로 저장한다. 차량에 내장되는 온보드 충전기는 교류 전력을 직류 에너지로 전환하여 배터리에 저장하는 구조를 갖고 있다. 세계 최대의 전기자동차 개발 회사 테슬라(Tesla)는 월 커넥터를 가정용 고성능 충전 장치로 사용할 것을 권장하는데 월 커넥터의 경우 대부분의 전원에 맞춰 설정할 수 있는 특징을 갖고 있기 때문에 비교적 빠른 차량의 충전이 가능하다. 따라서 가정용으로 사용하기에 가장 편리하며 적합하다. 또 다른 온보드차저인 이동식 커넥터는 주행 시 보조 충전기로 차량의 트렁크에 보관할 것을 권장하고 있으며 이동식 커넥터 케이블은 220V 콘센트에 연결해서 보조 충전 수단으로 사용할 수 있다. 이러한 쓰임새로 테슬라의 준대형 세단 형태의 전기자동차인 모델S와 준대형 스포츠 액티비티 쿠페(SAC) 전기자동차인 모델X 등에 탑재되어 있다.

특징

온보드차저는 차량의 모터를 구동시켜주는 고전압 배터리로 충전할 수 있는 충전장치로 전기자동차에 반드시 필요한 장치이다. 전기차의 충전은 완속 충전과 급속 충전으로 나누어져 있다. 우선 완속 충전은 20V 교류 전원을 이용하여 온보드차저를 통해 직류 전원으로 변환하여 배터리를 충전하는 방식이다. 일반적으로 완충하는데 소요되는 시간이 4~5시간 정도이다. 그에 반해 급속 충전은 온보드자처를 거치지 않고 직류 고전압을 이용하여 바로 고전압 배터리를 충전하는 방식이다. 이때 급속 충전은 직류를 이용한다는 점에서 차이점이 두드러진다. 그리고 이는 일반적으로 완충하는데 소요되는 시간이 25분내외로 완속 충전에 비해 굉장히 빠른 편이다. 전기차에 탑재된 온보드차저는 완속 충전 시 외부 교류 전원을 승압하고 직류전원으로 변환하여 배터리를 충전시킨다.

구조

온보드차저는 크게 피에프씨(PFC), 풀 브리지 컨버터(Full bridge converter), 풀 브리지 렉티피어(Full bridge rectifier) 3가지의 부분으로 이루어져있다. 먼저 피에프씨는 220V 교류 전원이 브릿지 다이오드를 통해 전파 정류되며, 정류된 전압은 부스트 컨버터 회로를 통해 역률을 높이고 전압을 승압시키는 역할을 한다. 또한 가정에서 사용하는 교류 전력을 직류 전력으로 바꾸는 과정에서 생기는 전력손실을 줄일 수 있다. 피에프씨는 패시브 방식과 액티브 방식으로 나뉘는데, 액티브 방식이 더 좋은 효율을 갖는다. 피에프씨를 사용할 때 기대할 수 있는 효과로는 전자파를 줄일 수 있고 불필요한 전력의 소비를 줄일 수 있으며 불필요한 전류가 열로 전환되어 생기는 온도 상승을 억제할 수 있다. 또한 이때 낮아진 온도로 인해 팬의 속도가 줄어들어 소음 유발을 감소시킬 수 있다. 다음으로 풀 브리지 컨버터는 풀 브리지 회로를 통해 고주파의 교류 전원으로 변환시킨다. 고주파의 교류 전압은 트랜스포머를 통해 높은 전압으로의 변압이 가능하며 변압기를 사용함으로써 220V 교류 전원과 고전압 배터리를 물리적으로 절연시킬 수 있다. 그 이유 때문에 풀 브리지 컨버터는 하프 브리지 컨버터 보다 큰 출력을 가진 시스템에 주로 사용된다. 마지막으로 풀 브리지 렉티피어는 고전압의 교류 시 풀브릿지 회로를 통해 정류되며 정류된 파형은 LC 필터 회로를 통해 DC 전압으로 변환되어 배터리에 충전된다.

전기자동차

뛰어난 경제성과 청정한 성능, 매끈한 주행감 등 고유의 특징을 갖고있는 전기자동차는 일반 내연기관 자동차와 많은 부분에서 차이를 갖는다. 구동 원리는 물론 자동차를 사용하고 관리하는 방법까지 다양한 영역에서 그 차이점이 두드러진다. 우선 전기자동차는 배터리에 저장된 전력으로 모터를 회전하여 주행한다. 화석 연료를 연소 시켜 구동 에너지를 얻는 내연기관차와 가장 큰 차이점이다. 따라서 전기자동차에는 기존 자동차에서 가장 중요한 요소였던 엔진과 변속기가 없는 대신 전기 동력과 관련된 부품이 자리를 잡고 있다. 구동모터, 감속기, 배터리, 온보드차저, 통합전력제어장치(Electric Power Control Unit, EPCU) 등이 바로 그것이다. 이들은 모두 배터리의 전력으로 모터를 구동하기 위한 부품이다.

구동모터

구동모터는 전기 에너지를 운동 에너지로 전환하여 바퀴를 굴리는 역할을 한다. 모터를 구동 장치로 사용하며 주행 중에 발생하는 소음과 진동을 큰 폭으로 줄일수 있다. 따라서 전기자동차의 가장 큰 장점인 조용하고 안락한 승차감을 갖는다. 또한 전기차의 파워트레인은 엔진보다 크기가 작아 공간활용성을 높이는데 유리하여 남는 공간을 실내 공간이나 짐 공간 확장에 활용할 수 있다. 그뿐만 아니라 구동모터는 발전기로도 사용이 가능하다. 내리막길 등 탄력 주행 시 발생하는 운동 에너지를 전기 에너지로 전환해 배터리에 저장할 수 있다. 또한 주행 중 속도를 줄일 때도 마찬가지다. 이는 회생제동 시스템이라고 불리며 현대자동차그룹의 일부 전기차에는 회생제동을 단계별로 조절할 수 있는 장치가 마련되어 있다. 스티어링 휠의 패들시프트를 통해 감속과 회생제동 수준을 단계별로 조작할 수 있고 이를 통해 효율적으로 개선할 수 있다.

감속기

감속기는 모터의 특성에 맞춰 동력을 바퀴에 더 효율적으로 전달하기 위해 고안된 일종의 변속기다. 하지만 주로 변속기가 아닌 감속기라고 불린다. 그 이유로는 모터의 분당 회전수(RPM)가 내연기관 엔진보다 훨씬 높기 때문이다. 회전수를 상황에 맞게 바꾸는 변속이 아니라 회전수를 하향 조정해야 하며 감속기는 모터의 회전수를 필요한 수준으로 낮춰 전기차가 더 높은 회전력을 얻을 수 있도록 한다.

배터리

배터리는 전기 에너지를 저장하는 부품으로 내연기관차의 연료탱크에 해당한다. 전기차의 주행거리는 보통 배터리 용량에 따라 좌우되는데 배터리의 용량이 클수록 주행거리도 늘어난다. 따라서 단순히 배터리 용량을 더 키우면 되지 않겠나 생각할 수도 있지만 배터리 용량을 키우는 일은 그리 간단하지 않다. 배터리가 차지하는 부피와 무게 때문인데 큰 배터리를 얹으면 실내 공간 및 짐 공간이 줄어들고 에너지의 효율이 떨어질 수 밖에 없다. 이는 더 나아가 운동성능에도 부정적인 영향을 끼친다. 따라서 전기차의 주행거리를 효율적으로 늘리기 위해서는 배터리의 에너지 밀도를 높여야 하며 크기가 작고 가벼우면서 전기 에너지를 최대한 효율적으로 저장해야 하는 것이 우선이 된다. 최근 출시된 전기차는 배터리 기술 발전에 따라 에너지 밀도가 크게 높아진 덕분에 1회 충전 주행거리도 초기 전기차보다 크게 늘어났다. 기아자동차㈜의 쏘울 부스터 EV의 경우 64kWh 용량의 리튬이온 배터리를 탑재해 최대 386km를 달릴 수 있으며 배터리 수명도 크게 개선됐다. 전기차의 리튬이온 배터리는 충전 패턴에 따라 수명이 달라지는데 일상적인 사용 조건이라면 폐차할 때까지 배터리 내구성에 대한 걱정 없이 운행할 수 있다. 주행가능 거리가 길수록 충전 횟수가 줄어들어 그 중요성이 대두된다.

통합전력제어장치

통합전력제어장치는 차량 내 전력을 제어하는 장치를 통합하여 효율성을 높여주는 역할을 하며 인버터, LDC(Low voltage DC-DC Converter) , VCU(Vehicle Control Unit)로 구성되어 있다. 먼저 인버터는 배터리의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 모터의 속도를 제어하는 장치이다. 가속과 감속 명령을 담당하므로 전기차의 운전성을 높이는 데 있어서 매우 중요한 역할을 한다. 그리고 LDC는 전기차의 고전압 배터리의 전압을 저전압(12V)으로 변환해 전장 시스템에 전력을 공급하는 장치이다. 고전압 배터리는 높은 전압을 사용하지만 자동차의 전장 시스템은 낮은 전압을 사용하기 때문에 이를 변환하는 장치가 반드시 필요하다. 다음으로 VCU는 통합전력제어장치에서 가장 중요한 부품 중 하나인데 차량 내 전력 제어기를 총괄하는 컨트롤 타워에 해당하기 때문이다. 모터 제어, 회생제동 제어, 공조 부하 제어, 전장 부하 전원공급 제어 등 차량의 전력 제어와 관련된 대부분을 관장한다.

활용

온보드차저는 세계 최대의 전기자동차 개발회사인 테슬라의 준대형 세단 형태의 전기자동차인 모델S와 준대형 스포츠 액티비티 쿠페(SAC) 전기자동차인 모델X 등등에 탑재되어있다. 테슬라의 자동차마다 온보드 충전기 기능이 다르다. 아래 표는 각 차량 형식에 대해 가장 빠른 충전 속도를 제공하는 회로 차단기를 보여준다.

테슬라

모델	온보드차저	권장 회로 차단기(벽면 커넥터 설치 시)
모델S	11.5 kW (48 amp)	60암페어 회로 차단기
모델3	11.5 kW (48 amp)	60암페어 회로 차단기
모델X	11.5 kW (48 amp)	60암페어 회로 차단기
모델Y	11.5 kW (48 amp)	60암페어 회로 차단기
모델3의 표준 범위 플러스	7.7 kW (32 amp)	40암페어 회로 차단기

관련 시장

온보드차저의 주 쓰임새가 전기차의 배터리로 상용화 된만큼 전기자동차 시장의 발전에 따라 배터리 시장이 달렸다고 볼 수 있다. 새로운 기술이나 제품이 시장에 출시되면 소비자의 관심이 주목되어 일시적으로 수요가 증가하게된다. 그러나 대중적으로 보급되기까지 수요가 정체되는 시기가 있는데 이를 캐즘(Chasm) 또는 죽음의 계곡(Death valley)이라 부른다. 안타깝게도 전기자동차는 출시된 지 130년이 지났지만 전기자동차의 높은 판매가로 인해 초기 캐즘의 깊은 수렁에 빠져 있었다. 하지만 2018년 글로벌 자동차 시장에서 전기자동차는 당초 예상을 웃도는 197만대 수준의 판매량(하이브리드 차량을 제외한 플러그인, 순수 전기차 기준)을 기록했다. 그 전년도인 2017년에 예상했던 2018년의 전기차 판매량은 2017년 98만 대 판매량에서 약 40% 증가한 137만 대 수준이었다. 당시에는 40%의 성장도 대단하다고 느껴졌으나 실제로는 두 배 가까이 성장한 셈이다. 이는 2018년 초 미국 CNN이 보도했던 대로 2018년은 미국의 도로가 전기화(Electrification)를 이루게 되는 원년이었던 셈이다. 전기자동차 시장의 이러한 발전과 더불어 배터리 시장도 성장을 거듭하고 있다. 또한 최근 국내 배터리 3사인 ㈜엘지화학, 삼성SDI㈜, SK이노베이션㈜의 수주가 급증하고 있는데 2018년부터 시작된 글로벌 자동차 기업에 신규 수주한 금액만 110조 원에 달한다. 한국의 대표 효자 상품인 반도체의 연간 수출 규모가 약141조 원임을 감안할 때 앞으로는 배터리가 제2의 반도체 산업으로 성장할 것이라는 예상은 점차 실현되고 있는 것으로 기대된다. 비단 한국기업뿐만 아니라 날개 없는 선풍기, 필터 없는 청소기 등으로 유명한 영국의 혁신기업인 다이슨(Dyson)이 2018년 10월 전기차 시장 진입을 선언하며 싱가포르에 생산공장을 짓겠다고 밝혔다. 25억 파운드라는 막대한 자금을 투자해 내년까지 공장을 완공하고 2021년부터 본격적으로 전기차를 생산하겠다는 계획이다. 그간 다이슨이 보여준 혁신역량을 감안할 때 테슬라에 이어 자동차 시장의 게임체인저 역할을 할 가능성이 높아 보인다. 한편 배터리 기업들은 조 단위 투자를 통해 사활을 건 시장선점 경쟁을 예고하고 있다. 국내 배터리 3사인 ㈜엘지화학, 삼성SDI㈜, SK이노베이션㈜을 비롯해 중국의 CATL과 BYD, 일본의 파나소닉과 같은 글로벌 기업들은 생산능력 확대를 통한 규모의 경제를 달성해 후발주자들이 쉽게 진입하기 어려운 진입장벽을 구축하려고 애쓰고 있다. 이에 따른 전기차 배터리 시장은 향후 과점화를 향한 가속 페달을 밟을 것으로 예측되며 신생 기업이 배터리 시장에 진입해 제대로 자리 잡는데 대략 10년가량이 소요됨을 감안했을 때 기존 배터리 업체가 50GWh 이상의 생산 규모를 갖추면 후발 주자들이 쉽게 진입하기 어려운 진입 장벽 효과가 있을 것이라는 전망이 지배적이다. 더나아가 상위 5개 업체가 글로벌 배터리 시장의 80%를 장악할 수도 있다는 극단적인 전망까지 나오고 있다. 이에 따라 배터리 메이저 기업들이 GWh의 대규모 생산능력을 갖춘 최첨단 생산설비를 의미하는 기가팩토리를 구축하는 원동력이 될 것으로 보인다.

전망

중국 전기차 배터리 기업인 CATL이 배터리와 섀시를 합체하는 방법을 통해 전기차의 주행거리를 10년내에 800km 이상으로 늘리겠다고 밝혔다. 2020년 8월 14일 중국 언론의 내용들을 종합하면 씨에이티엘의 쩡위친(曾毓群) 회장은 이번주 중국에서 열린 한 자동차 포럼에서 CTC(Cell to Chassis) 기술을 발표하고 이 기술을 사용하면 전기차의 주행거리가 800km를 넘을 것이라며 앞으로 씨에이티엘은 2030년 이전에 이 기술을 출시할 것이라고도 밝혔다. 배터리 셀(Cell)과 섀시를 결합해 일체화하면서 모터, DC/DC, 온보드차저의 부품도 함께 통합하는 구조다. 이를 통해 동력 분배를 최적화하고 전력 소모를 낮추면서 주행거리를 800km 이상으로 늘릴 수 있다는 것이다. 배터리를 자동차의 프레임에 직접적으로 통합하면 체적을 줄일 수 있고 더 많은 배터리를 전기차에 실을 수 있다. CTC 기술이 전기차가 원가 측면에서 화석연료 자동차와 직접적으로 경쟁할 수 있게 해주면서 승차 공간은 늘려줄 것이란 분석도 나왔다. 이전에 CATL이 발표했던 CTP 기술에서 한 단계 더 진화한 셈이다. CTP는 배터리 셀을 팩으로 통합해 중간 모듈을 줄인 것이다. 따라서 이번에 발표된 CTC 기술은 전기차 산업의 패러다임 변화 역시 가져올 수 있다고 기대된다. 그 이유로는 CTC의 구현을 위해서는 배터리 제조 기업이 초기 단계에서 차량의 설계에 참여해야 하기 때문을 들수 있다. 최근까지는 주로 전기차 브랜드가 전기차 배터리 모듈을 구매하는 방식이었다. 하지만 CTC 기술이 상용화하면 전기차 산업에서 배터리 기업의 주도권이 한층 커질 수 밖에 없다. 이날 쩡 회장은 2025년이 되면 전기차의 원가가 일반 차량 수준이 될 것 이라며 이때가 되면 전기차의 전면적인 보급이 이뤄지면서 글로벌 전기차가 2025년 1200만 대 이상 판매될 것이라고 선언했다. 전기차의 판매가 일반 차량의 수준만큼 증가한다면 그에 따른 온보드차저의 보급 또한 증대할 수 밖에 없다. 앞으로 온보드차저의 발전이 얼마만큼 증대할지 그 행보가 기대된다.

참고자료

• 〈전기차 백과사전 A to Z – 3: 전기차 오너라면 반드시 알아야 할 전기차 충전의 모든 것〉, 《현대자동차그룹 공식 블로그》
• TESLA㈜ 공식 홈페이지 - https://www.tesla.com/ko_KR/support/home-charging-installation
• 유효정 기자, 〈中 CATL "배터리+섀시로 10년 내 주행거리 800km 전기차 나올 것"〉, 《지디넷코리아》, 2020-08-14
• TESLA㈜ 공식 홈페이지 - https://www.tesla.com/support/home-charging-installation/onboard-charger
• 박재범 수석연구원, 〈2019년 전기차 배터리 시장 전망〉, 《포스코뉴스룸》, 2019-01-29
• 〈(전기차 백과사전 A to Z) 쉽게 알아보는 전기차의 구동원리〉, 《현대자동차그룹 공식 블로그》

같이 보기

• 전기자동차
• 충전기
• 인버터
• 배터리

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