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차세대 EV 인버터 기술: 혁신과 전망

일일 보고서 2024년 10월 21일
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목차

  1. 요약
  2. 파워 모듈 기술의 현재 상태
  3. 차세대 반도체와 기술 트렌드
  4. 모듈화 및 통합화의 기술적 진화
  5. 배터리 관리 시스템(BMS)과의 연계
  6. 결론

1. 요약

  • 이 리포트는 전기자동차(EV) 구동용 인버터 및 파워 모듈 기술의 최신 시장 흐름 및 발전 동향을 분석하고자 합니다. EV의 성능과 효율성을 높이는 데 필수적인 인버터 기술은 IGBT와 MOSFET 기반으로 발전해 왔으며, 최신 SiC(Silicon Carbide) 전력 반도체의 도입으로 전환되고 있습니다. 이러한 기술 전환은 중량, 효율성, 열 관리 등의 측면에서 전기차 발전에 기여하며, 특히 전반적인 차량 에너지 관리와 효율성을 강화시킵니다. HEV, BEV, FCEV 등 다양한 차량 유형에서의 파워트레인 구성과 인버터의 역할도 논의됩니다. 이와 더불어, 인버터와 배터리 관리 시스템(BMS)의 통합 운용은 전기차의 성능 향상에 중요한 역할을 하며, 이러한 시스템들은 효율적인 동력 전달을 위한 핵심 기술로 자리잡고 있습니다.

2. 파워 모듈 기술의 현재 상태

  • 2-1. 인버터 기술의 진화

  • 전기자동차의 전동화가 진행되는 가운데, 인버터와 같은 파워 일렉트로닉스 기술의 중요성이 높아지고 있습니다. 하이브리드 전기차(HEV), 연료전지차(FCEV), 배터리식 전동차(BEV) 등 다양한 전기 차량의 성능은 인버터의 효율성, 중량, 체적 등으로 큰 영향을 받습니다. 현재 대부분의 모터 구동에서는 전압형 인버터 방식이 채택되어 있으며, 이는 IGBT 또는 MOSFET을 사용하는 형태입니다. 특히, IGBT와 다이오드, 또는 MOSFET을 조합하여 인버터 회로가 구성됩니다. 각각의 인버터는 모터의 구동에 필요한 3상 전압을 만들어내며 스위칭 기술을 통해 전력 변환의 효율성을 높이고 있습니다.

  • 2-2. HEV, BEV, FCEV의 파워트레인 구성

  • 하이브리드 전기차(HEV), 배터리 전기차(BEV), 연료전지차(FCEV)의 파워트레인은 각기 다른 에너지원과 구성요소를 가집니다. HEV의 경우, 내연기관과 전기 모터가 결합하여 구동되며, BEV는 오로지 배터리와 전기 모터로만 구성됩니다. FCEV는 연료전지를 통해 전기를 생산하여 전기 모터를 구동합니다. 이러한 각각의 차량들은 인버터와 DC-DC 컨버터를 통해 파워 컨트롤 유닛(PCU)으로 연결되어 있습니다. 이를 통해 배터리와 모터 간의 에너지 변환이 이루어지며, 성능 향상을 위한 차세대 파워 반도체 디바이스의 채용과 최신 패키지 기술의 발전이 강조되고 있습니다.

3. 차세대 반도체와 기술 트렌드

  • 3-1. SiC, GaN 반도체의 도입

  • 전기자동차의 구동용 인버터에 사용되는 전력용 반도체 소자는 Si 기반의 IGBT 모듈에서 SiC 기반의 MOSFET 모듈로의 전환이 예상됩니다. 현재 전력 반도체 시장에서 SiC의 도입이 증가하고 있으며, 도요타 자동차는 2014년부터 SiC 전력 반도체를 채용한 하이브리드 자동차를 시범 운용하고 있습니다. SiC 전력 반도체의 특성으로 인해 고내열, 고속 스위칭 및 고온 동작 등의 장점을 갖추게 되어 인버터의 고효율화, 저소음, 소형화, 경량화 및 공간 절약 등이 가능해질 것으로 기대됩니다. 또한, SiC는 회로에 탑재하는 칩의 개수를 줄여줌으로써 인버터의 소형화와 비용 절감을 가능하게 합니다. 이러한 기술 변화는 전기차의 성능 향상에 기여하고 있습니다.

  • 3-2. 인버터의 경량화 및 효율성 개선

  • 인버터 장치의 효율성을 높이기 위해 SiC 전력 반도체의 사용이 증가하고 있습니다. SiC MOSFET은 2020년에 약 3억 2천만 달러의 시장을 형성했으며, 향후 가장 빠른 성장세를 보일 것으로 기대됩니다. SiC 전력 반도체 시장은 2024년까지 연평균 30% 성장하여 20억 달러 규모로 예상됩니다. 또한, 현재 PFC 및 태양광용 인버터 분야를 중심으로 사용이 확대되고 있으며, 전기자동차 분야로의 빠른 확장이 기대됩니다. 이러한 경량화 및 효율성 개선은 전기자동차의 성능과 에너지 소비 효율에 긍정적인 영향을 미치고 있습니다.

4. 모듈화 및 통합화의 기술적 진화

  • 4-1. 전기 모터와 인버터의 일체화

  • 전기자동차(EV)의 구동 시스템에서 전기 모터와 인버터의 통합은 더욱 중요한 요소가 되고 있습니다. 전동 모터는 자동차의 구동 수단으로 사용되며, 이를 위한 기술 혁신이 지속적으로 이루어지고 있습니다. 현재의 전기 모터는 전기 모터, 파워 일렉트로닉스 및 변속기가 모두 모터의 센터 하우징 내에 통합되어 설계되고 있습니다. 이는 부품 간의 통합성을 높여 효율성을 증가시키고, 제조 과정에서의 비용 효율성을 극대화하기 위한 접근입니다. 또한, 전기 모터의 설계에서는 성능을 최대한 발휘하기 위해 경량화와 고온 조건에서의 효율성을 유지하는 것이 중요합니다. 예를 들어, 전기 모터가 차량의 구동 시스템으로 사용될 때 적정 온도 범위에서 성능을 유지해야하며, 이는 복합적인 설계 고려사항이 필요합니다.

  • 4-2. 공간 활용성 최대화를 위한 설계

  • 전기차의 구동 시스템에서 모터와 인버터의 통합은 공간 활용성 증대를 위한 중요한 요소로 작용하고 있습니다. 전기 자동차의 파워트레인은 기존 내연기관 차량보다 더 작은 공간을 차지하여야 하며, 이로 인해 실내 공간이나 트렁크 확장을 도모할 수 있습니다. 특히, 이중 고정자 구조 모터와 같은 새로운 기술은 전력 효율성을 높이고 공간 차지 효율을 극대화함으로써 전기자동차의 설계를 한층 진일보 시키고 있습니다. 이중 고정자 구조 모터는 내부에 두 개의 고정자가 들어있는 형태로, 회전력을 두 배로 높이는 장점을 가지고 있습니다. 이러한 설계 혁신은 전기자동차의 전반적인 성능과 회생제동 시스템의 효율성을 크게 향상시키며, 차량의 에너지 관리에 기여하고 있습니다.

5. 배터리 관리 시스템(BMS)과의 연계

  • 5-1. BMS와 인버터의 통합 운영

  • 전기자동차의 배터리 관리 시스템(BMS)은 배터리의 충전, 방전 조절, 전압/전류/온도 감시, 냉각제어 등을 수행하여 배터리의 상태를 모니터링합니다. BMS는 인버터와 통합되어 작동함으로써 인버터가 배터리의 직류 전원을 전기 모터에 적절한 교류 전원으로 변환할 수 있도록 지원합니다. 현재 국내 전기자동차용 모터를 개발하고 있는 업체들은 현대모비스, 효성중공업, 현대중공업, S&T대우, 엠비성산, 브이씨텍, 키네모숀 등이 있으며, 이들 업체들은 효율적인 동력 전달 시스템 구축을 위해 BMS와 인버터를 최적화하고 있습니다.

  • 5-2. 에너지 효율 향상 기술

  • 인버터는 변환 주파수 1~20kHz, 용량 10~300kVA인 가변전압가변주파수(VVVF: Variable Voltage Variable Frequency) 인버터를 사용하여, 전기자동차의 에너지 효율을 크게 향상시키는 역할을 합니다. 특히, 감속 시 교류 모터가 교류 발전기로 변환되어 발전하는 회생 제동력(regenerative braking power)을 조정하는 기능은 전기자동차의 전반적인 에너지 활용 효율을 높이는 데 기여하고 있습니다. BMS와 인버터의 효율적인 연계를 통해 전기차의 성능과 효율성이 증대되는 것을 확인할 수 있습니다.

6. 결론

  • 리포트에서는 SiC와 GaN 반도체의 도입이 EV 컴포넌트 기술, 특히 인버터의 효율성을 크게 향상시키고 있음을 보여주었습니다. SiC 반도체의 내열성 및 고속 스위칭 특징은 인버터의 경량화와 소형화를 가능하게 하며, 이런 발전이 전기차 성능과 제조 효율성에 중대한 영향을 미칩니다. 또한, 모터와 인버터의 통합 설계는 공간 활용성을 극대화하며, 배터리 관리 시스템(BMS)과의 통합 운용은 에너지 효율을 크게 높입니다. 그러나 이러한 이점에도 불구하고, SiC 기술의 고비용과 생산 효율성 문제는 여전히 해결해야 할 과제입니다. 이를 위해 지속적인 기술 개발과 비용 절감 노력이 필요하며, 이러한 연구가 향후 전기차 시장에서의 성공을 좌우할 것입니다. 미래에는 지속적인 SiC 및 BMS 기술의 발전과 통합이 기대되며, 이는 더욱 효율적인 EV 시대를 여는 촉매제가 될 것입니다.

7. 용어집

  • 7-1. SiC(Silicon Carbide) [전력 반도체]

  • SiC는 고내열성, 고속 스위칭 능력을 가지고 있어 인버터의 효율성을 높이며, 전기차의 경량화 및 공간 활용성을 개선합니다. 이는 전기차 시장에서 기술적 혁신에 크게 기여하며, 향후 예상되는 주요 기술로 자리잡고 있습니다.

  • 7-2. 배터리 관리 시스템(BMS) [기술]

  • BMS는 배터리의 충전, 방전 상태를 모니터링하고 일정하게 유지함으로써 차량의 에너지 효율을 최적화하는 데 필수적입니다. 인버터와의 통합 운영을 통해 전기차의 성능을 극대화합니다.

8. 출처 문서