차량이 전기 네트워크에서 주요 역할을 담당한다면 어떨까? 이는 전기차와 전력망 사이에서 양방향으로 에너지를 교환하는 V2G(vehicle-to-grid) 기술의 원리로서, 동 기술을 탑재한 Renault 차량은 조만간 배터리에 저장된 전기 에너지 일부를 반환하여 전력망 운영을 최적화하고 일관적이지 않은 재생에너지의 성격을 보완할 수 있을 것으로 예상된다.

해당 주제 및 더욱 발전된 내용과 관련하여 주요 연구 기관인 프랑스 원자력청(CEA)과 전기차 분야의 선구적인 기업이자 전문가인 Renault Group은 이미 2020년대 말에 배치될 차세대 V2G 기술을 연구하고 있다. 이를 위해 CEA와 Renault Group은 차량 충전기에 직접 통합되는 전자 전력변환기 아키텍처(electronic power converter architecture)를 공동 개발했다. 약 3년 간의 연구 및 11개 공동 특허의 결과로 혁신 소재를 사용하고 더욱 소형화된 전력 변환기는 에너지 손실을 30% 줄이고, 차량의 충전 시간을 개선하며, 배터리 내구성을 보장한다. 또한 전기 네트워크에서 에너지를 저장하는 양방향 사용이 가능하다.

혁신 소재

CEA 및 Renault Group R&D팀은 온보드(on-board) 파워 일렉트로닉스, 특히 질화 갈륨(GaN) 또는 탄화규소(SiC) 등 와이드 밴드갭(wide band gap) 반도체 소재 분야에서 전문성을 결합했다.

그 결과 와이드 밴드갭 반도체 소재를 기초로 한 신규 아키텍처를 통해 변환 중 에너지 손실과 발열이 각 30% 감소하여 변환 시스템 냉각이 더욱 쉬워진다.

충전기 부피 감소

또한 엔지니어들은 능동 소자(반도체) 및 수동 소자(커패시터 및 권선형 유도 부품) 최적화 노력을 통해 충전기 부피와 비용 감소를 달성했다. 높은 주파수에 적용되는 페라이트(ferrite) 소재와 ‘파워 사출 금형(Power Injection Molding)’이라는 사출 성형 공정을 사용한 덕분에 변환기 크기를 더욱 줄일 수 있었다.

성능 향상

신규 변환기 아키텍처는 3상(three-phase) 모드에서 최대 충전 용량 22kW를 제공하여 배터리 내구성을 확보하면서 차량 충전 속도를 높일 수 있다. 또한 충전기를 양방향으로 가동할 수 있어 배터리에 저장된 에너지를 전력망으로 반환하거나 자율주택(autonomous house)에 양방향 전력계(meter)가 탑재된 경우 주택에도 필요한 에너지를 공급할 수 있다. 이러한 솔루션은 네트워크와 차량의 전자파 양립성(EMC) 기준도 준수할 수 있다.

Renault Group의 첨단 엔지니어링 담당 부사장 Jean-Francois Salessy는 “CEA와의 프로젝트는 효율성과 소형화 면에서 기대 성능을 달성하는 능력을 확정하면서 당사의 예상을 뛰어넘었다”며, “동 프로젝트는 배터리 용량을 최선으로 사용하기 위한 전기차의 실질적인 과제인 파워일렉트로닉스와 관련하여 강력한 전망을 나타낸다”고 설명했다. 아울러 “양방향 충전을 통해 차량은 전력 네트워크에 기여하며 최종 소비자의 에너지 비용 절감에도 도움이 된다”고 덧붙였다.

CEA 전자정보기술연구소(CEA-Leti)의 Sebastien Dauve 소장은 “동 개발에서 Renault Group을 지원하게 되어 자랑스럽게 생각한다”며, “차량과 구동계 전동화를 위한 Renault Group의 시스템 비전과 변환기 아키텍처 및 부품에 관한 동 연구소 팀의 역량을 통합할 수 있었다”고 설명했다. 이에 따라 “결과적으로 필요에 부합하고 부가가치가 높은 아키텍처를 구현할 수 있었다”고 언급했다.

CEA 신에너지기술연구소(CEA-Liten)의 CEO Francois Legalland는 "Renault Group-CEA의 공동 특허 기술과 함께 충전기에 혁신 소재를 사용한 덕분에 전용 변압기를 제조할 수 있었으며, 최첨단 성능을 제공하면서 부피를 줄일 수 있는 동 부품은 이러한 개발 유형에서 핵심 역할을 담당한다”고 설명했다.