전기자동차(EV) X in 1 통합화 기술
<목차>
0. 요약
1. 전기차 시장 현황
2. 전기차의 주요 핵심 부품
3. X in 1 통합화 기술
4. 시사점
출처 및 참고자료
0. 요약
- 목적
- 전기차 전환 시대를 맞아 전기차의 성능은 비약적인 발전을 이루었고 핵심 부품에 대한 기술은 성숙 단계에 접어들었다. 이에 따라 전기차의 핵심 부품들에 대한 통합화 기술 현황에 대해 알아보고 세계 시장 대응 및 시장 경쟁력 향상을 위한 통합화 전력에 대한 방향을 제시하고자 한다.
- 주요 현황
- 전기차 시장의 60%를 차지하 는 중국을 중심으로 X in 1 통합화 기술 개발이 활발히 진행되고 있다.
- 기존에는 전력변환장치 및 전기추진 구동계를 중심으로 2~3개 내외의 핵심 부품에 대한 통합화가 진행되었다. 그러나 최근 BYD, 화웨이 등의 중국 기업을 중심으로 기존 전력변환장치와 전기추진 구동계 및 VCU, BMS, PDU 등을 포괄하 는 통합화 기술이 적용된 8 in 1 통합 시스템이 개발되고 있다.
- 시사점 및 정책 제안
- 단순히 여러 부품의 하우징만 공유하는 통합화는 성능과 비용 개선 효과가 미미하고 시장에 유연하게 대응하기 어려울 수 있다.
- 공용 전력변환 부품과 토폴로지를 활용한 통합화 효과의 극대화 및 비즈니스 모델 전략을 고려한 X in 1 통합화 연구개발 투자가 필요하다.
1. 전기차 시장 현황
1) 전기차 시장의 지속적인 확대
2023년 전 세계 전기차 판매량은 약 1,400만 대로 2018년 200만 대 대비 약 7배 증가했다. 등록되어 운행되는 전기차 는 2018년 500만 대에서 8배 성장한 4,000만 대에 이른다.
- 2024년에는 약 1,700만 대에 도달할 것으로 전망되며, 이는 전 세계에서 판매되는 자 동차의 20%를 차지한다.
- 2023년 전 세계 판매 자 동차 중 전기차의 비중은 약 18%로 2022년의 14%와 2018년의 2%에 비해 크게 증가했다.
- 배터리 기반 전기차 는 2023년 등록된 전기차의 70%를 차지하고 있다.
- 배터리 핵심 원료의 가격 변동성, 높은 인플레이션, 전기차 구매 보조금의 단계적 폐지 등으로 인한 전기차 시장 성장의 우려에도 불구하고 시장 경쟁 및 성능 향상, 통합화를 통한 가격 저감 등 기술혁신을 통한 지속적인 성장이 전망된다.
그림 2 연도별·지역별 글로벌 EV 등록 대수 출처: IEA(2024.04)
2) 전기차의 주요 시장 현황
2023년 지역별 전기차의 판매 비중은 중국 60%, 유럽 25%, 미국 10%로 전 세계 전기차 판매의 95%를 차지하며, 신차 등록 중 전기차 비중은 중국 33%, 유럽 20%, 미국 10%로 자 동차 시장에서 큰 비중을 차지한다.
- (중국) 내연기관차 시장은 전년 대비 8% 축소되었으나 전기차 판매 증가로 전체 자동차 시장은 5% 성장했다.
- 2023년에 EV 구매보조금이 폐지되었음에도 불구하고 전년 대비 35% 증가한 850만 대의 신규 전기차가 등록되었다.
- 2023년 세계 최대 자 동차 수출국이 되었으며, 400만 대 이상의 자동차 수출 중에서 120만 대가 전기차로 수출량 80% 증가했다.
- 전기차 시장이 가장 활발히 성장하는 지역으로 가격 경쟁이 치열해지는 단계로 접어들고 있다.
- (유럽) 2023년 신규 전기차 등록이 320만 대로 2022년 대비 약 20% 증가했다.
- 독일은 50만 대의 배터리 기반 전기차 등록을 기록한 세 번째 국가가 되었으며, 자 동차 판매의 18%를 BEV이고 6%를 PHEV가 차지했다.
- 프랑스와 영국에서 판매된 자 동차의 약 25%가 전기차이며, 네덜란드 30%, 스웨덴 60%, 노르웨이 95%의 전기차 판매점유율 기록 중이다.
- (미국) 2023년 신규 전기차 등록이 140만대로 2022년 대비 40% 이상 증가했다.
- 「인플레이션 감축법(IRA)」에 따른 세액 공제 제도와 주요 모델의 가격 인하가 성장세를 촉진했다.
3) 전기차 시장 경쟁 심화
전기차의 부품은 내연기관차와 비교하여 약 30% 수준으로 적으며, 핵심 부품에 대한 외주가 가능해지면서 진입장벽이 낮아져 시장 경쟁이 심화되고 있다. - 전기차 시장의 집중도(상위 3개 기업의 점유율)가 2015년 37.2%에서 2021년 33.9%로 하락하였으며, 중간 점유율 확보를 위한 경쟁이 심화되고 있다.
- 내수 전기차 시장을 기반으로 중국 기업의 전기차 시장 점유율이 크게 증가했다.
- 2022년 전기차 판매량 1~3위(Tesla, BYD, 상하이기차)를 제외한 기업들의 점유율 차이가 크지 않으며, 전기차 시장 선점을 위한 제조사들의 경쟁이 치열할 것으로 전망된다.
- 글로벌 전기차 제조업체에는 2016년 65개에서 2020년 149개로 급증했다. Tesla의 독주 체제 속에서 글로벌 완성차 업체(GM, VW, HMC 등)와 중국 자 동차업체(BYD, Nio, SAIC 등)가 치열하게 경쟁 중이다.
2. 전기차의 주요 핵심 부품
1) 배터리
전기차에 장착되는 배터리는 이차전지로서 전기에너지를 저장하는 부품이며, 전기자동차의 주행거리, 가격, 충전 시간에 직접적인 영향을 끼치는 핵심 부품이다.
- 배터리 셀은 양극재, 음극재, 분리막, 전해액으로 이루어진 기본 단위이며, 이러한 셀 여러 개를 직렬이나 병렬로 연결하여 배터리 모듈을 구성하고, 같은 방식으로 여러 개의 모듈을 연결하여 배터리 팩을 구성한다.
2) BMS
‘Battery Management System’의 약자로 배터리를 관리하는 시스템이며, 전기차에 탑재된 배터리의 전류, 전압, 온도 등을 센서를 통해 측정하고 미리 파악하여 배터리가 최적의 성능을 발휘할 수 있도록 제어하는 시스템이다.
- 배터리 팩에서 BMS가 차지하 는 가격 비중은 4~5% 수준이나 배터리의 최적 성능, 수명 및 안전성을 보증하는 핵심 부품이다.
- 배터리 화재나 폭발 사고가 증가함에 따라 필요성이 더욱 대두되고 있으며, 상태 추정 기술, 고장 진단 기술, 셀 밸런싱 기술, 배터리 최적 상태 유지 기술, 시스템 안전 운영을 위한 경보 및 사전 안전 예방 조치 등을 제공한다.
3) PDU
‘Power Distribution Unit’의 약자로 정션박스(Junction Box)로도 불린다. 배터리 전원을 차량의 각 전장 부품에 배분하고 공급하는 동시에 회로를 보호해 안전을 확보하는 역할을 수행한다.
- 일부 선진社를 중심으로 신뢰성 및 장수명 확보에 한계가 있는 기계식 릴레이와 퓨즈를 대체하여 전자식 PDU의 핵심 부품인 e-Relay, e-Fuse 개발이 진행 중이다.
4) LDC
‘Low Voltage DC-DC Converter’의 약자로 고전압 배터리에서 저전압 배터리로 강압하여 저전압 전장품(전조등, 와이퍼, 펌프, 제어보드 등)의 전원 공급 및 저전압 배터리의 충전을 수행한다.
- 운전 효율 향상을 위한 경부하 효율 향상 연구 및 고밀도화를 위한 고주파 동작, Planar 변압기, 통합 자성체 토폴로지 등에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.
5) OBC
‘On-Board Charger’의 약자로 교류(AC) 전원으로부터 배터리 팩을 충전할 수 있도록 차량 내부에 설치된 충전 장치이다.
- 기존에는 3.3kW에서 6.6kW급 범위의 OBC가 적용되었으나 배터리 용량 증가 및 충전 속도의 향상을 위해 지속적으로 용량이 증가하여 최근에는 11kW 및 22kW급으로 전환되고 있다.
6) VCU
‘Vehicle Control Unit’의 약자이며, 차량을 전반적으로 총괄하는 중앙제어장치로서 여러 전장 부품을 모니터링하고 제어를 수행한다.
- 모터 제어, 회생제동 제어, 공조 부하 제어, 전장 부하 전원 공급 제어, 배터리 정보 등 차량의 전력 제어와 관련된 대부분을 수행한다.
7) 인버터(Inverter)
직류(DC) 전원을 자 동차 주행을 위한 모터를 구동하기 위해 교류 전원으로 변환시켜 주는 전력변환장치로서 구동모터를 제어하는 부품이다.
- 주행거리 향상을 위한 인버터의 고효율화를 위해 2017년 Tesla의 SiC 적용 이후 완성차 업체들의 SiC 도입이 확대되고 있으며, 2025년 SiC 채택률은 60% 이상으로 전망된다.
- 800V의 배터리 전압 시스템 적용을 통한 발열 저감, 와이어 부피/무게 절감, 충전 시간 단축 등의 장점으로 인해 고전압 시스템화로 전환 중이다.
8) 구동용 모터(Motor)
전기를 이용하여 구동력을 발생하는 부품이며, 모터 축에 감속기나 변속기를 연결하여 적절한 회전력을 바퀴에 전달하고 차량을 구동시키는 부품이다.
- 효율, 출력 등 성능과 경량화 측면에서 유리한 매입형 영구자석 동기모터(IPMSM)가 주를 이루고 있으며, 탈 희토류와 가격 경쟁력 측면에서 강점을 가지는 유도모터(IM), 권선형 동기모터(WFSM)가 일부 차량에 적용되고 있다.
9) 감속기(Gearbox)
모터의 회전수를 줄여서 토크를 높여주는 역할을 수행하는 부품이다.
- 대부분 전기차에서는 1단 감속기어를 적용하고 있으나, Tesla 모델S는 감속비가 다른 두 개의 모터를 사용하고 있으며, Porsche의 Tycan은 2단 변속기를 적용하고 있다.
3. X in 1 통합화 기술
전기차의 부품을 통합하여 비용, 중량, 부피 절감을 실현할 수 있어 전기차 제조사 및 부품사에서는 다양한 방법으로 통합화를 구현하고 있다.
- LDC와 OBC 기반의 전력변환장치 통합화와 Inverter, Motor, Gearbox 기반의 전기추진 구동계 통합화를 기본적으로 채택하고 있다. 일부 선진사를 중심으로 전력변환장치와 전기추진 구동계를 통합한 6 in 1과 8 in 1이 출시되었다.
- 통합화는 다양한 차량 모델에 대한 대응에는 유연성 측면에서 불리할 수 있어 전기차 제조사의 비즈니스 모델 전략 등을 고려하여 X in 1 통합화 방식이 결정된다.
- 전기차 부품사에서는 다양한 전기차 제조사의 모델에 대응하기 위해 전력변환장치, 구동장치 등 2~3개 내외의 통합화를 통하여 시장에 유연하게 대응하고 있다. Tesla와 같이 모델 수가 한정적인 경우 되도록 많은 부품의 통합화를 통해 비용과 무게 절감 등을 실현하고 있다.
1) 2 in 1(LDC + OBC)
고전압에서 저전압으로 전력변환을 수행하는 LDC와 고전압 배터리 충전을 위한 OBC의 통합화이며, 대부분의 제조사와 부품사에서 제공하는 통합화 방식이다.
- 제조사에 따라 ICCU(Integrated Charging Control Unit), IPU(Integrated Power Unit) 등으로도 불리며, 하우징, 제어기, 공용 부품 적용 등을 통해 높은 전력밀도를 실현하고 있다.
- 하우징, 제어기, 공용 부품의 통합 여부에 따라 구분된다.
- Option 1: 전기차 시장 초창기에 주로 적용되는 형태로 LDC와 OBC가 독립적으로 구성
- Option 2: LDC와 OBC의 하우징을 공유하는 형태로 냉각 구조를 독립적으로 구성하는 형태와 공유하는 형태로 구분됨
- Option 3: 하우징뿐만 아니라 제어기까지 통합하는 구성
- Option 4: 전력반도체 및 자기 부품 등을 공유하는 구성으로 전력밀도 향상 및 비용 절감에 유리하나 복잡한 제어 알고리즘이 요구됨
- LDC와 OBC의 통합화에 따라 비용과 무게는 10%, 부피는 20% 축소 가능하다.
- LDC와 OBC의 용량과 통합화 구성 방식에 따라 그 효과는 다를 수 있으나, 제어기 통합을 통한 마이크로프로세서 등의 전자부품 절감, 일체형 하우징 적용, 공용 전력변환 부품 적용 등을 통해 비용과 무게 절감이 가능하다.
2) 3 in 1(PDU + LDC + OBC)
LDC와 OBC의 통합에 PDU를 추가하여 일체화한 것으로 Shinry, Eaton 등에서 출시되었다.
- PDU는 기계식 릴레이와 퓨즈가 적용되어 LDC와 OBC의 회로적인 결합보다는 일체형 하우징을 통하여 통합화를 실현했다.
- 전력반도체 회사 를 중심으로 e-Relay와 e-Fuse 개발이 진행 중이며, 전자식 PDU의 개발에 따라 보다 효과적인 PDU의 통합이 실현될 수 있다.
3) 4 in 1(PDU + LDC + OBC + Inverter)
전기차를 구성하는 전력변환장치인 PDU, LDC, OBC 및 Inverter를 통합한 것으로 CRRC에서 출시되었다.
- 인버터는 모터와 결합되어 3상 출력 와이어 하네스 비용 및 손실 저감, 일체형 냉각 구조 등의 효과로 전기추진 구동계로 통합되는 경우가 일반적이나 LDC, OBC 및 Inverter를 통합하 는 경우 용량별 전력변환부 개발로 다양한 차량 모델에 대응이 가능하다.
4) 5 in 1(Battery + BMS + PDU + LDC + OBC)
전기차 배터리 팩을 중심으로 전력변환장치와 통합된 형태로 Battery, BMS, PDU, LDC, OBC를 통합하였으며, Tesla의 Model 3에 적용되고 있다.
- 배터리 뒤쪽에 BMS 및 전력변환장치가 통합되었으며, 통합화를 통해 차량 내 와이어 하네스 길이를 1,500m로 절감했다(기존 Model S에서는 3,000m의 와이어 하네스를 사 용).
5) 3 in 1(Inverter + Motor + Gearbox)
전기추진 구동계인 Inverter, Motor, Gearbox를 통합하 는 기본적인 형태로 대부분 제조사 및 부품사에서 제공하는 통합화 방식이다.
- eAxle, eDrive, eDrivetrain, ePowertrain 등으로도 불리우며, 일체형 하우징, 일체형 냉각 구조, 와이어 하네스 절감 등을 통하여 높은 전력밀도를 실현했다.
- Nissan은 EV용 3 in 1(Inverter + Motor + Reducer)과 HEV용 5 in 1(Inverter + Motor + Reducer + Generator + Increaser)을 개발 중이며, 차세대 X in 1의 개발을 통하여 비용과 부피 30% 절감을 기대하고 있다.
6) 6 in 1(PDU + LDC + OBC + Inverter + Motor + Gearbox)
PDU 및 전력변환장치인 LDC, OBC와 전기추진 구동계인 Inverter, Motor, Gearbox를 통합한 형태로 Valeo에서 개발 중이다.
- 3 in 1으로 구성된 이전 세대 제품과 비교하여 무게 10%와 부피 20%를 감소시킬 수 있으며, Inverter의 SiC 적용으로 효율 5%와 전력 밀도 40% 향상이 기대된다.
7) 8 in 1(BMS + VCU + PDU + LDC + OBC + Inverter + Motor + Gearbox)
차량을 전반적으로 총괄하 는 중앙제어장치인 VCU를 포함한 BMS, PDU 및 전력변환장치(LDC, OBC) 그리고 전기추진 구동계인 Inverter, Motor, Gearbox를 통합한 형태이며, 화 웨이 및 BYD에서 출시되고 있다.
- BYD의 8 in 1 통합 전력변환장치는 단순히 다른 기능을 하 는 부품들을 하나의 하우징으로 결합하는 것이 아닌 기능적으로 중복되는 부분을 공유했고, 고전압 케이블과 커넥터를 제거하여 비용, 무게, 부피를 획기적으로 개선했다.
- 인버터는 1,200V급 6–pack SiC 모듈을 적용하였으며, LDC와 OBC는 Discrete 타입의 SiC와 MOSFET를 각각 탑재했다. - 시스템 공간을 최적화하여 구성했으며, 절연 시트와 수냉 시스템을 사용하여 효율적인 열관리 솔루션을 구현해냈다.
- 11개의 PCB 보드로 구성되며, 4개는 인버터에서 사용되고 나머지는 LDC와 OBC에서 사용된다. - 공간 활용도를 높이기 위하여 일부 LDC와 OBC 서브보드의 경우 수직으로 연결된다.
- BYD의 8 in 1 통합 시스템은 이전 독립형 시스템에 비해 비용 18%, 무게 20%, 부피 25%가 획기적으로 개선되었다.
4. 시사점
- 세계 각국의 친환경 정책, 전기차 기술의 성숙 및 다양한 전기차 라인업을 바탕으로 시장의 수요가 확대되고 있다.
- 고출력 모터, WBG 적용, 배터리 대용량화 및 고전압화 등의 기술 개발로 전기차 성능의 비약적인 발전을 이루었다.
- 전기차의 부품은 내연기관과 비교하여 약 30% 수준으로 적으며, 핵심 부품에 대한 외주가 가능해지면서 진입장벽이 낮아져 시장 경쟁이 심화되고 있다.
- 최근 출시되는 전기차 는 주행거리 500km 내외, 150kW 이상의 모터 출력으로 내연기관차와 유사한 수준의 성능까지 도달했다.
- 완전 전기차로의 전환은 국가별로 차이는 있으나 대부분 2030~2040년에 완전히 전환될 계획으로 치열한 경쟁이 전망된다.
- 보다 높은 수준의 성능과 가격 경쟁력 확보를 통한 전기차 시장의 주도권 확보를 위해 전기차의 주요 핵심 부품에 대한 다양한 통합화 기술 개발이 진행 중이다.
- 전기차 부품사들은 전력변환장치 및 전기추진 구동계 등을 중심으로 소수 부품에 대한 통합을 이뤄내 다양한 제조사의 전기차 라인업에 대응하고 있다.
- 전기차 제조사의 경우 전기차 플랫폼을 기반으로 되도록 많은 핵심 부품의 출처 및 참고자료 통합을 통한 라인업을 단순화하여 성능 향상 및 비용 절감을 추진하고 있으며, 특히 중국 제조사들이 다양한 방식으로 시도하고 있다.
- 전기차 제조사 및 부품사의 비즈니스 모델을 고려하여 통합화 기술이 개발되어야 한다.
- X in 1 통합 시스템은 통합되는 부품 수가 늘어날수록 비용과 무게 절감의 장점이 있으나, 다양한 전기차 라인업에 대응하 는 유연성이 떨어지고 A/S에 있어 불리할 수 있다.
- 단순히 여러 부품의 하우징만 공유하는 통합화는 성능 개선 효과가 미미하고 시장에 유연하게 대응하기 어려울 수 있다.
- 전기차 제조사 및 부품사의 비즈니스 모델에 맞춘 전기차 모델 라인업 전략 설정 및 사 용자의 A/S 등을 고려한 공용 핵심 부품의 X in 1 통합화 기술 개발이 필요하다.
출처 및 참고자료
1. “Electric car sales, 2012-2024”; “Global electric car stock, 2013-2023”, Global EV outlook 2024, IEA, 2024.04.
2. 자동차 산업 통계집, SNE리서치, 2024.02.
3. “전력기반차(xEV) 구동용 모터의 기술 현황 및 전망”, 「PD 이슈리포트」, 2015-11호-이슈 4, KEIT, 2015.11. 4. “EV/ESS용 배터리관리시스템(BMS) 기술현황 및 전망”, SNE리서치, 2024.05.
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작성자
이봉현 전기수소차PD / 한국산업기술기획평가원(KEIT) 미래자 동차 실 김진홍 센터장 / 한국전자기술연구원(KETI) 전력제어시스템연구센터
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