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도요타의 차세대 PHEV, SiC 채택은 ‘유럽 200km 규제’의 포석
REEV 경쟁에 대비 1부

도요타자동차가 플러그인 하이브리드 차량(PHEV)의 전기 주행거리를 늘려 유럽의 자동차 업체들이 개발을 강화하고 있는 주행거리 연장 전기자동차(Range Extended Electric Vehicle, REEV)에 맞설 방침이다. SiC(탄화규소) 파워반도체 채택 등을 통해 신형 PHEV 'RAV4'의 주행거리는 이전 세대의 약 1.5배인 150km에 달한다. 이것은 향후 200km 달성을 내다본 포석이자, 유럽의 PHEV 규제 강화를 염두에 둔 조치로 보인다. 도요타는 REEV와의 경쟁에서 우위를 점하는 것을 목표로 하고 있다.

PHEV의 전기 주행거리가 중요해진 이유는 유럽연합(EU)이 PHEV 규제 기준을 수정해 현행 110km에서 2027년 이후 200km 이상의 전기자동차(EV) 주행거리를 요구하는 방향으로 움직이고 있기 때문이다. 유럽의 자동차 업체들은 EV 전용 플랫폼을 활용해 주행거리 200km 이상의 REEV 개발에 나서고 있다.

RAV4 PHEV의 전기 주행거리는 약 150km에 머물지만, RAV4에 맞춰 갱신한 '6세대 THS(Toyota Hybrid System)'를 통해 향후 주행거리를 한층 더 늘릴 수 있는 준비를 마쳤다. 유럽 규제가 강화되고 있는 시점에 맞춰 6세대 THS를 활용해 주행거리를 200km로 늘린 PHEV를 시장에 투입할 방침인 것으로 풀이된다.

-- 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.

하지만 SiC 파워반도체의 코스트는 실리콘제보다 3배 이상 비싼 것으로 알려져 있다. 따라서 SiC 채택에 따른 비용 대비 효과는 배터리 탑재량이 증가할수록 커진다. 배터리 용량을 30kWh 이상으로 설정하는 것이 일반적인 EV의 경우, 소형차까지 SiC 채택이 확대되고 있지만, 십 수 kWh의 PHEV에 SiC를 채택하는 것은 비용 대비 효과가 낮다는 목소리가 있었다.

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

향후, SiC를 채택한 6세대 THS를 활용해 EV 주행거리를 더욱 늘리면 비용 대비 효과는 한층 더 커지게 된다. 이번 SiC 채택은 향후의 EV 주행거리 연장을 내다본 포석이라고 말할 수 있다.

도요타에 따르면, 양산형 PHEV에 SiC를 채택한 것은 타사를 포함해 RAV4가 최초이다. 지금까지 SiC의 채택 사례는 주로 EV에 한정되어 왔으며, PHEV나 하이브리드 차량(HEV)에는 "사용하고 싶어도 코스트가 높아 사용할 수 없는 상황이었다"(타 자동차업체 기술자)라고 한다.

도요타는 SiC 파워반도체 자체의 코스트 절감에도 착수했다. RAV4 외에도, 동일하게 6세대 THS가 탑재된 렉서스의 신형 HEV 모델 'ES'에도 SiC를 채택했다. PHEV보다 양산 규모가 큰 HEV에서 SiC 채택을 확대함으로써 양산 효과에 따른 SiC 파워반도체의 코스트 절감을 도모한다는 전략이다.

-- 코스트는 '같거나 그 이하' --
6세대 THS의 PHEV 버전에서는 인버터와 승압 컨버터용 파워반도체 소재로 SiC를 선택했다. SiC는 실리콘에 비해 소자 내부를 전류가 통과할 때 생기는 도통(導通) 손실 및 스위칭 시에 발생하는 스위칭 손실을 줄일 수 있다. 이를 통해 인버터와 전자제어유닛(ECU) 등으로 구성된 '전력 제어 장치(PCU)'의 전력 손실을 약 70% 줄였으며, SiC 채택만으로 주행거리가 약 4% 증가했다. SiC에는 덴소 제품을 사용했다.

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

SiC 파워반도체 소자는 최근의 수율 향상으로 코스트가 낮아지는 추세에 있다. 하지만 6인치 웨이퍼를 통해 생산되는 SiC 파워반도체 소자의 가격은 실리콘제 대비 최소 3배 이상 비싸다. 그럼에도 불구하고 도요타는 이번 PHEV 시스템에 있어서의 인버터 전체 코스트를 실리콘제를 탑재했던 이전 세대와 비교해 "같거나 그 이하로 낮추는 데 성공했다"(도요타 전동화 부품 기술자)라고 한다.

이처럼 같거나 그 이하로 낮출 수 있었던 것은 파워반도체의 소자 개수와 모듈의 부품 수를 줄였기 때문이다. 전력 변환 회로에서는 일반적으로 정격전류 제한이나 방열 조절을 통해 소자를 병렬로 연결해 전류를 분산시킨다. 특히 대형 차량용 인버터에서는 실리콘 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)를 병렬로 연결하는 것이 정석으로, 그만큼 칩 수가 늘어나 코스트 상승 요인으로 작용했다.

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

-- 끝 --

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