반도체 기술로 구현되는 V2G(vehicle-to-grid) 양방향 충전은 최대 수요 시 배터리 전원을 제공해 그리드(전력망)를 강화하고 전기 요금이 비싸거나 정전 시 가정에 전력을 공급할 수 있다.

TI의 와이드 밴드갭 전력, 감지 및 연결 기술을 통해 이제 엔지니어들은 V2G(vehicle-to-grid) 에너지 저장 기술을 실현하여 더 지속가능하고 효율적이며 합리적인 가격의 에너지 관리에 기여할 수 있게 되었다.

노후화된 그리드는 전 세계의 전례 없는 수요에 직면해 있으며 차량 전기화로 부담은 커져만 갈 수 있다. 하지만 전기차(EV)가 전력을 그리드에 반환해서 부담을 완화할 수 있다면 어떨까?

V2G(vehicle-to-grid)라고 하는 이 컨셉은 특히 최대 수요 시에 배터리 전원을 제공하여 그리드를 강화하는 전기차 플릿(Fleet, 업무용 공용차)을 구상하고 있다. 새로운 충전 및 배터리 저장 솔루션이 등장하고 검증된 기술이 재배포되면서 이 비전이 견인력을 얻고 있다.

V2G는 또한 여러 국가들이 배출가스 저감과 재생 에너지원 확대를 위해 애쓰면서 환경 목표에 의해 추진되고 있다. 차량 전동화가 이 과정에 포함되면서 수백만 명의 전기차 차주들의 전력 수요를 관리하는 일이 도전 과제가 될 것이다. 보통의 전기차가 100마일을 운전하는 데 필요한 에너지는 매일 평균 가정에 전력을 공급하는 데 필요한 에너지의 양과 거의 같다. 모든 사람이 동시에 충전하면 그리드는 심각한 상황에 직면할 수 있다.

헨릭 매네슨 (Henrik Mannesson) TI 그리드 인프라 담당 총괄 책임자는 “문제는 그리드의 총 용량이 아니라 피크 용량이다. 전력에 더 많이 의존할수록 피크가 더 높아지고 더 자주 발생한다는 것을 우리 모두 알고 있다. 기상 이변은 그리드에 더 많은 부담을 가중시킨다. 반도체 기술을 사용하면 V2G 양방향 충전이 이러한 피크를 개선할 수 있으며 결국 우리 모두에게 도움이 될 것”이라고 설명했다.

양방향 충전을 지원하는 반도체 기술은 전기차와 배터리를 필요 시 에너지 저장 시스템은 필요 시 전력을 그리드에 되돌릴 수 있는 에너지 저장 시스템으로 바꿀 수 있다. 와이드 밴드갭 전력 관리, 감지 및 연결 기술은 전력 부하 관리를 최적화하여 재생 에너지원 확대의 토대를 마련함으로써 더 신뢰할 수 있고 더 스마트하고 더 안전한 그리드를 보장할 수 있다.

■ GaN을 통해 더 빠르고 더 에너지 효율적인 충전 지원

더 효율적인 V2G 솔루션을 만들기 위한 구성 요소 중 하나가 질화갈륨(GaN)과 같은 와이드 밴드갭 기술이다. 기존의 실리콘 디바이스와 비교했을 때, GaN은 전기차의 온보드 충전기, 전기차 충전소, 에너지 저장 시스템 등의 분야에서 전력 공급 또는 전력 관리 시스템의 전력 밀도(주어진 폼 팩터에서 관리하는 전력의 양)를 효과적으로 3배 늘린다. 그 결과 충전 속도가 더 빠르고 시스템 크기가 더 작고 비용이 더 낮은 설계가 가능해진다.

데이비드 스눅(David Snook) TI GaN 제품 담당 매니저는 “GaN은 엔지니어들이 기존 트랜지스터의 전력 밀도를 3배로 늘리고 DC 월박스와 같은 애플리케이션의 크기와 비용을 크게 줄이는 데 도움이 된다”며 “크기와 무게 감소는 이 분야에서 GaN이 갖고 있는 흥미로운 부분”이라고 설명했다.

충전소가 더 작아지고 가벼워지면 유연성이 높아져서 그리드 운영자들이 더 많은 곳에 더 쉽게 충전소를 보급할 수 있다.

또한 DC 월박스와 같이 휴대하기 더 쉬운 시스템은 전기차 차주들이 필요할 때 집에서 충전하거나 집에 전력을 공급할 수 있는 편의성이 증가한다는 것을 의미한다.

■ 전류 감지 기술로 에너지 절약

감지 기술은 전기차와 그리드 간에 에너지를 이동할 때 효율성을 높일 수 있는 비결이기도 하다. 전력 변환 시스템에 전압 및 전류 제어 루프를 구축하려면, 절연되어 있고 빠르고 정확한 전압 및 전류 판독이 마이크로컨트롤러에 필요하다. TI의 절연 증폭기 및 아날로그-디지털 컨버터(ADC) 포트폴리오는 작은 전류 션트 저항과 연동하여 전력 손실을 줄이고 고해상도 측정을 지원하여, 전력이 그리드에 반환될 때 정확한 제어가 가능하다.

나빈 콤마라주(Navin Kommaraju) 절연 ADC 및 증폭기 포트폴리오 부문 매니저는 “정확한 전류 감지 덕분에 배터리의 에너지 저장 공간을 그리드에서 사용할 수 있는 AC(교류)로 전환할 수 있게 되었다”고 말했다.

‘충전 상태’(SOC, state of charge) 모니터링은 전기차 차주가 에너지를 더 효과적으로 관리하는 데 도움이 된다. 정확한 모니터링은 셀에 영구적 손상 없이 배터리에서 최대 20% 더 많은 용량을 확보하는 데 도움이 될 수 있다. 예를 들어 어떤 전기차 차주가 출퇴근만 할 경우 항상 차량의 배터리를 항상 완충 상태로 유지할 필요가 없을 수도 있다. 스마트 감지 기술의 정확성이 높아지면 전기차가 차주에게 그리드에 전력을 반환하거나 집을 충전할 최적의 시기를 알려줄 수 있다.
 
효율성도 중요하지만 V2G 솔루션을 생산하려면 안전성이 가장 중요하다. 전기차 차주는 전기차에서의 전력 이동이 신뢰할 수 있고 일관성 있을 것이라는 확신을 필요로 한다. 감지 기술과 더불어 배터리 관리 시스템은 전압, 전류, 온도 및 기타 성능 지표를 관리하여 배터리의 ‘노화 상태(state of health, SOH)’를 모니터링하는 데 도움이 될 수 있다.

스펜서 후(Spencer Hu) TI 자동차 배터리 모니터링 제품 매니저는 “배터리 관리 시스템은 1차 방어선”이라면서 “배터리 상태가 좋지 않으면 차주는 배터리 노화를 가속화하여 결국 1회 충전당 주행 거리에 영향을 미칠 수 있다는 우려 때문에 배터리를 그리드에 연결하고 싶지 않을 수 있다”고 설명했다.

■ 전력 부하를 관리하는 첨단 연결 솔루션

V2G를 구상에서 현실로 만드는 일은 궁극적으로 전기차, 충전 인프라, 그리드 간에 스마트한 통신이 필요한 데이터 중심의 작업이다. 첨단 연결 솔루션과 스마트 에너지 계측은 그리드 운영자가 서로 다른 시점, 장소 및 상황에서 전기차에 필요한 전력 부하를 예측, 조정하는 데 가장 중요하다. 전기차 충전 비용을 차주에게 청구하거나 전력을 그리드에 반환한 것에 대해 보상하려면 대규모의 신뢰할 수 있는 보안된 실시간 통신이 필요하다.

한편 전기차 차주는 WiFiⓡ, Bluetoothⓡ, Sub-1GHz 등의 다양한 프로토콜을 통해 연결할 수 있는 디스플레이와 터치패드 같은 인간-기계 인터페이스(HMI)가 필요하다. 충전 중에 양질의 사용자 경험을 보장하는 동시에 다양한 통신 인터페이스를 관리하려면 단일 칩에서 여러가지 기능을 처리하는 애플리케이션 프로세서가 필요하다. TI의 Sitara™ AM62 프로세서는 인간-기계 인터페이스와 전기차-충전기 인터페이스 영역에 걸친 통신과 충전소와 클라우드 사이의 통신을 관리할 때 중심 의사 결정자의 역할을 한다. 그리고 이 프로세서 덕분에 엔지니어들은 ISO15118 플러그 앤 차지(PnC)와 OCPP(Open Charge Point Protocol) 등 V2G 통신에 대한 글로벌 표준과 프로토콜을 충족할 수 있게 되었다.

AM62와 같은 프로세서 덕분에 이제 그리드 운영자는 전력 부하 관리를 최적화하고 이와 동시에 전기차 운전자에게 충전하거나 전력을 그리드에 반환할 최적의 시기와 관련한 알림을 스마트 HMI를 통해 보낼 수 있다. 에지 AI 기능이 포함된 프로세서는 시간 경과에 따라 V2G 데이터가 수집될 때 더 많은 인텔리전스가 그리드에 내장될 수 있도록 한다.

아르템 아긴스(Artem Aginskiy) TI Sitara 프로세서 담당 제품 라인 매니저는 “우리는 AI를 통해 1년간의 데이터에서 패턴을 찾을 수 있다”며 “이를 기반으로 그리드와 충전기의 현재 상황에 따라 내일 충전할 최적의 장소를 예측할 수 있다”고 설명했다.

■ V2G를 현실로 바꿀 수 있는 반도체 기술

정전과 같은 몇몇 상황은 예측하기 어렵지만 전기차 사용자는 정전이 되었을 때 여전히 반도체 기술의 혜택을 누리게 될 것이다. V2G를 뒷받침하는 것과 같이 연결 분야의 혁신 기술 덕분에 정전 시 차량 배터리로 집에 전력을 공급할 수 있게 될 것이다. 이러한 V2H(vehicle-to-home) 솔루션은 태양전지와 배터리 저장 시스템을 통해 집과 그리드 간의 양방향 충전을 보완하여 재생 에너지원 도입에 박차를 가할 가능성이 있다.

차량 전동화를 주도할 인프라를 건설하려면 시간이 걸리지만 기술적인 관점에서 볼 때 모든 조각들이 제자리에 있다. 더 효율적인 전력 부하 관리를 통한 V2G의 환경적 혜택 또한 강력하다.

헨릭 매네슨 총괄 책임자는 “반도체 기술은 그리드가 차량 전동화에 수반되는 전력 수요에 대처하는 데 도움이 될 수 있다”며 “한편 스마트 솔루션은 전기차 사용자가 그리드에 전력을 반환하는 것을 더 간편하게 해줄 수 있다”고 설명했다.

■ 더 나은 세상을 만들려는 열정

엔지니어들이 V2G 에너지 저장 솔루션을 실현할 수 있도록 돕는 것은 TI의 혁신가들이 반도체를 통해 더 합리적인 가격의 전자 제품을 만들어서 더 나은 세상을 만들고자 하는 열정을 실천하는 한 가지 방법에 불과하다. TI는 더 작고 더 효율적이고 더 신뢰할 수 있고 더 합리적인 가격의 기술을 통해 지난 세대의 혁신을 발판삼아 새로운 세대의 혁신을 이끌고 있다. 우리는 이것을 엔지니어링 진보라고 부르며, 수십 년 동안 해온 일이다.

※ 본 기고는 텍사스 인스트루먼트 뉴스룸에 게재 된 기사를 다시 e4ds에 기고한 기사입니다.