Nikkei Automotive_2608호 (p52~55)

신세대 PHEV 모델 ‘RAV4’, SiC 채택은 200km의 포석
Part 3. 도요타의 대비

도요타자동차가 플러그인하이브리드차(PHEV)의 순수 전기(EV) 주행거리를 늘려 유럽 업체들이 개발을 강화하고 있는 REEV(Range-Extended Electric Vehicle, 주행거리 연장 전기자동차)에 정면으로 맞설 방침이다. SiC(탄화규소) 파워반도체 채택 등을 통해 신형 PHEV ‘RAV4’의 주행거리는 이전 세대의 약 1.5배인 150km에 달한다. 도요타는 이번 성과를 향후 주행거리 200km 달성을 내다본 포석으로 삼고 있다.

PHEV의 EV 주행거리가 중요해진 이유는 유럽연합(EU)이 PHEV의 규제치(이산화탄소 배출량 산정 방식)을 재검토하면서 현행의 110km에서 2027년 이후 200km 이상의 EV 주행거리가 요구되는 방향으로 움직이고 있기 때문이다. 유럽 업체들은 EV 전용 플랫폼을 활용해 200km 이상의 REEV 개발에 나서고 있다.

RAV4의 PHEV EV 주행거리는 약 150km에 머물지만, RAV4에 맞춰 쇄신한 6세대 THS(Toyota Hybrid System)를 통해 향후 한층 더 연장할 수 있는 기술적 기반을 마련했다. 유럽 규제가 강화되는 시점에 맞춰 6세대 THS를 활용하여 200km로 연장한 PHEV를 시장에 투입할 방침인 것으로 보인다.

-- SiC 채택의 비용 대비 효과는? --
PHEV의 주행거리 연장의 열쇠를 쥐고 있는 것이 SiC 파워반도체이다. 실리콘제에 비해 인버터의 전력 손실을 70% 줄일 수 있어 EV 주행거리 연장이 가능하다.

다만 SiC 파워반도체의 비용은 실리콘제에 비해 3배 이상 높은 것으로 알려져 있다. 따라서 SiC 채택의 비용 대비 효과는 배터리 탑재량이 늘어날수록 커진다. 배터리 용량을 30kWh 이상으로 설정하는 것이 일반적인 EV에서는 SiC 채택이 소형차까지 확대되고 있지만, 십 수 kWh의 PHEV에 SiC를 채택하는 것은 비용 대비 효과가 낮다는 목소리도 있다.

도요타는 신형 RAV4의 배터리 용량을 약 30% 늘려 22.7kWh로 했다. SiC 채택에 따른 비용 증가를 흡수하기에는 다소 애매한 수준으로 보이지만, 도요타는 다른 여러 비용 절감 대책을 조합하여 거의 흡수했다고 밝혔다.

앞으로 SiC 파워반도체를 채택한 6세대 THS를 활용하여 EV 주행거리를 한층 더 늘리면 비용 대비 효과는 더욱 커지게 된다. SiC 채택은 향후 EV 주행거리 연장을 내다본 포석이라고 말할 수 있다.

도요타에 따르면, 양산형 PHEV에 SiC를 채택한 것은 타사를 포함해 RAV4가 최초이다. 지금까지 SiC 채택 사례는 EV에 한정되어 왔으며, “PHEV나 하이브리드차(HEV)에는 사용하고 싶어도 비용이 비싸 사용할 수 없는 상황이었다"(타 자동차 업체 기술자)라고 한다.

도요타는 SiC 파워반도체 자체의 비용 절감에도 착수. RAV4 외에도 동일하게 6세대 THS가 탑재된 렉서스의 신형 HEV ‘ES’에도 SiC를 채택했다. PHEV보다 양산 규모가 큰 HEV에서 SiC 채택을 확대함으로써 양산 효과에 따른 SiC 파워반도체 비용 저감을 도모할 방침이다.

-- 비용은 "같거나 그 이하" --
6세대 THS의 PHEV 버전에서는 인버터와 승압 컨버터용 파워반도체 소재로 SiC를 채택했다. SiC는 실리콘에 비해 소자 내부를 전류가 통과할 때 발생하는 도통 손실(Conduction Loss)이나 스위칭 시 발생하는 스위칭 손실을 줄일 수 있다. 이를 통해 인버터와 전자제어유닛(ECU) 등으로 구성된 ‘PCU(전력제어장치)’의 전력 손실이 약 70% 줄어 SiC 채택만으로 주행거리가 약 4% 증가했다고 한다. SiC에는 덴소 제품을 채택했다.

일반적으로 SiC는 고주파 동작이 가능해 코일이나 콘덴서와 같은 수동 소자를 소형화할 수 있다. 열전도율도 높아 냉각 메커니즘을 간소화할 수 있다. 즉, SiC는 단순히 전력 변환 시의 전력 손실 저감뿐만 아니라, 인버터와 구동 모터 등을 일체화한 전동 액슬 전체의 크기를 줄일 수 있다는 장점도 있다.

SiC 파워반도체 소자는 최근의 수율 향상으로 비용이 저하되고 있는 추세이다. 그럼에도 6인치 웨이퍼를 통해 생산되는 SiC 파워반도체 소자 가격은 실리콘제 대비 최소 3배 이상 비싸다. 그럼에도 불구하고 도요타는 이번 PHEV 시스템에서 인버터 전체 비용을 실리콘제를 탑재한 이전 세대와 비교해 "같거나 그 이하로 억제했다"(도요타의 전동화 부품 기술자)라고 한다.

같거나 그 이하로 억제할 수 있었던 것은 파워반도체 소자의 수와 모듈의 부품 수를 줄였기 때문이다. 전력 변환 회로에서는 일반적으로 정격전류 제한이나 방열 조절을 통해 소자를 병렬로 연결하여 전류를 분산시킨다. 특히 대형차용 인버터에서는 실리콘 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)를 병렬로 연결하는 것이 정해진 패턴으로, 그만큼 칩 수가 늘어나 비용 상승 요인으로 작용했다.

반면, 내압 성능이 뛰어난 SiC는 1개의 소자에 대전류를 흘려 보낼 수 있기 때문에 이전 세대 대비 칩 수를 거의 절반으로 줄일 수 있다. 이와 함께 냉각 메커니즘을 간소화함으로써 SiC 채택에 따른 단가 상승을 흡수했다.

-- 전동 액슬을 15% 소형화 --
6세대 THS에서는 SiC 채택 외에도 대대적인 개조를 단행했다. RAV4의 부품 개발에 참여한 도요타 기술자는 "기존의 PHEV 시스템은 많은 구성 부품으로 인해 공간 점유율이 높았다. 이번 개발에서는 '기전일체(機電一體)' 구조를 채택해 인버터나 기어 등의 부품을 소형화하고 집약하는 것을 핵심 컨셉트로 추진했다"라고 설명. 배선 등을 생략하거나 길이를 줄여 비용 절감으로 연결했다고 한다.

이전 세대 THS에서는 파워트레인 부품으로 인해 차내 공간이나 배터리 수납 공간이 충분하지 않다는 문제가 있었다. 6세대에서는 엔진룸에 전동화 부품들을 집약함으로써 여유 공간을 확보해 배터리 탑재량을 늘릴 수 있었다.

구체적으로는 전동 액슬의 크기를 15% 소형화하고, 기존에는 뒷좌석 아래에 설치되었던 DC-DC(직류-직류) 컨버터와 AC(교류) 충전기를 엔진룸으로 옮겼다. 이 부품들을 인버터 및 모터와 일체화한 기전일체 구조를 통해 전원 케이블이나 브래킷 등의 연결 부품을 줄일 수 있었다.

그 결과, 배터리 셀 수가 10% 증가하고, 배터리 셀당 용량도 20% 증가하여 전체 용량이 17.4kWh에서 22.7kWh로 약 30% 늘었다. EV 베이스의 리튬 이온 전지도 새롭게 개발해 배터리 출력이 12% 증가했다고 한다. 기전일체 구조를 채택한 전동 액슬의 무게는 이전 세대 대비 18% 경량화되었고, 출력은 12% 향상되었다.

-- 기어와 모터를 신규 개발 --
6세대 THS에서는 트랜스액슬의 소형화와 고효율화도 도모하고 있다. RAV4의 경우, 트랜스액슬이 인버터 바로 아래에 위치해 있다. 이것을 소형화함으로써 충전기 등의 부품을 집약할 공간이 생겨 기전일체로 이어질 수 있었다.

트랜스액슬은 기어 톱니의 맞물림 접촉부가 항상 중앙부가 되도록 설계를 수정해 기존 강도를 유지하면서 톱니 크기를 30% 소형화했다. 기어에 의한 교반 손실을 줄이고 기계식 오일 펌프를 제거하여 전동 오일 펌프로 일원화한 것도 트랜스액슬의 효율을 높이는 데 기여했다.

모터는 신규 개발하고 있다. 로터의 결정립을 미세화함으로써 기계적 강도를 확보하고 동시에 스테이터의 공법 등을 개선해 전력 손실을 줄이는 데 성공했다.

 -- 끝 --

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Nikkei Automotive_2608호 목차

Close-up
･ 도요타가 차세대 EV 개발 중단, LF-ZC의 후속 모델은 결정

VOICE
･ IEA, 원유 가격 급등으로 ‘EV 시장 확대’

Automotive Report
･ 자동차 7개 사의 연구개발비 역대 최고, 도요타 "투자 줄이지 않고 끝까지 간다"
･ 혼다의 EV 개발 중단으로 부품 19개 업체에 영향, "전량 수주로 보상 청구"
･ 체리자동차·오토박스 연합이 경형 EV 출시, "테슬라의 FSD와 같은 수준 목표"
･ 튜링이 경량 AI 모델의 차량 탑재 추진, 스바루와 E2E 자율주행 공동연구
･ 우븐이 자율주행 AI 개발에 7단계 공정 도입, 주행 데이터 선별에 AI 검색 활용
･ 아스테모가 E2E 기반 구축 위해 히타치와 협업, "2단계 인공지능으로 NOA"
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･ 페라리의 첫 EV 루체, 기계식 스위치 중시로 럭셔리 하이퍼 EV 기준 재정의
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･ 키사이트가 차량용 ‘광’ 이더넷 발표, SDV 전환으로 광대역화 가속

New Car Report
･ 마쓰다가 신형 CX-5에 MHEV 설정, 전자 플랫폼 쇄신
･ 도요타의 전기 3열 SUV ‘렉서스 TZ’, 차체 곳곳에 정숙화 설계 적용

Cover Story
･ REEV 급부상
･ Part 1. EV의 다음 수
  REEV가 유럽의 새로운 선택지로
･ Part 2. 이색적인 엔진 제안
  수평 V형 2기통 및 복합 링크 방식
･ Part 3. 도요타의 대비
  새로운 6세대 PHEV, SiC는 200km 주행 위한 포석

Features
･ 자동차의 ‘2대 두뇌’를 단일 SoC로 통합
･ D램 가격 급등으로 가속화
･ 도요타의 테크니컬센터 시모야마
･ 평가와 개발을 일체화한 차량 제작

News Digest
･ 연료 가격 상승으로 미국에서도 EV 구매에 대한 관심 고조
･ EV를 선택하지 않는 이유는 충전 인프라 부족과 높은 가격

Market Watch
･ ‘N-BOX’가 2개월 만에 수위 탈환, ‘환경성능할’ 폐지 영향으로 등록차가 2개월 연속 증가

독자로부터
･ 중국 제조 업체의 동향을 알고 싶다

편집실로부터
･ 2026년 8월호

 -- 끝 --

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