닛케이 Automotive_25.12호

도요타, 탄화규소(SiC) 채택 확대
EV ‘bZ4X’로 국내 최장 항속거리 746km 달성

도요타자동차가 전기자동차(EV)에 탄화규소(SiC) 파워반도체 채택을 확대하고 있다. 자사의 EV 'bZ4X'를 일부 개량하여 충전기와 전동 액슬에 SiC를 채택했다. 이를 통해 기존의 실리콘 파워반도체에 비해 전력 효율이 향상. EV의 전기 연비가 10% 개선되어 국내 최장의 풀 충전 시 항속거리(이하, 항속거리) 746km(WLTC 모드)를 달성했다고 한다. bZ4X의 편의성을 높인 후에 가격을 480만 엔(세금 포함)부터로 낮춰 침체된 판매를 회복한다는 전략이다.

도요타는 2022년에 bZ4X를 출시했지만, 경쟁 차종에 비해 항속거리가 짧고 충전 성능이 낮다는 등의 이유로 판매가 부진했다. 미국의 조사기관 S&P Global Mobility에 따르면, bZ4X의 세계 판매량은 월 1만 대 이하에 머물러 있으며, 월 10만 대 이상 판매하는 경우도 있는 테슬라의 ‘모델 Y’에 크게 뒤처지고 있다. 국내에서는 월 100대 정도로, 저공비행이 이어지고 있다.

도요타가 반격을 위한 핵심 무기로 삼은 것은 전력 효율을 크게 개선할 수 있는 SiC이다. 코스트는 높아지지만, 경쟁사에 뒤처진 항속거리 개선이 시급하다고 판단했다. 차량의 일부 개량 시에 핵심 부품이 되는 전동 엑셀을 갱신해 파워반도체를 변경하는 것은 이례적이다.

SiC는 실리콘 IGBT(절연 게이트 양극성 트랜지스터)와 비교해 온저항(Impedance)이 낮을 뿐만 아니라, 고속 스위칭이 가능하기 때문에 배터리의 직류를 교류로 변환하는 인버터의 전력 손실을 크게 줄일 수 있다. SiC와 인버터를 제공하는 덴소는 “SiC 채택으로 열 등의 손실을 약 70% 줄일 수 있었다”라고 한다. 인버터의 핵심 부품인 SiC 파워반도체를 배치한 코어 모듈 구성을 재검토해 “출력 밀도가 70% 향상되어 세계 최고 수준인 85kW/L을 달성했다”(덴소)라고 한다.

-- 출력 밀도 향상을 위해 평면 배열 양면 냉각 --
출력 밀도를 높이기 위해 SiC를 채택한 덴소는 부품 배치와 냉각 구조를 변경했다. 파워반도체 모듈을 세로로 배열해 양면을 냉각하는 기존의 ‘적층 양면 냉각’에서 평면으로 배열해 윗면과 아랫면을 냉각하는 ‘평면 배열 양면 냉각’으로 전환했다. 평면으로 배열함으로써 인버터가 얇아져 소형화됨에 따라 배치 자유도도 높아졌다.

양면 냉각의 유량 조절 방법도 고안해 냉각 성능을 높였다. 파워반도체 모듈 아랫면의 냉각에는 새롭게 타원 핀핀(Pin Fin)(注)을 채택해 효율적으로 열을 배출할 수 있는 구조로 했다.  윗면은 기존 제품을 개량한 냉각기를 조합했다.

(注) 타원 핀핀

덴소는 평면 배열 양면 냉각 구조를 채택하는 데 있어 윗면은 기존과 같이 냉각 핀이 내장된 튜브로 냉각한 반면, 아랫면은 핀핀을 사용해 직접 냉각하는 구조로 했다. 핀핀 단면의 윤곽 형태를 타원형으로 함으로써 원형에 비해 수로에 있어서의 냉각수 접촉 면적을 늘리는 것을 목표로 했다.

-- 손실 40% 감소로 전동엑셀도 큰 폭으로 갱신 --
덴소가 개발한 인버터에 모터와 감속기가 조합된 전동 엑셀은 2세대 제품으로 갱신했다. 아이신, 덴소, 도요타가 공동 출자한 BluE Nexus(아이치현)가 공급. 전동 엑셀의 열 에너지 등의 손실이 기존 제품 대비 약 40% 감소했다.

인버터에 SiC를 채택한 것 외에도 감속기에 ‘톱니 면 초가공’이라 부르는 정밀 가공을 실시했으며, 1세대 개발에서 쌓아온 유체 해석 기술을 활용해 윤활유 양을 최적화함으로써 저항을 줄였다. 또한, 모터에서는 권선에 사용되는 평각선 단면의 가로세로 비율을 재검토하여 자석을 분할해 배치하는 등 변경을 실시했다.

SiC의 채택은 코스트 상승으로 이어졌지만, 전체 전동 엑셀에 있어서는 성능 향상과 함께 기존 제품과 같은 수준으로 코스트를 억제할 수 있었다. 인버터의 코어 모듈을 약 30% 소형화한 것과 아이신이 담당한 감속기 주변의 센서 및 전동 오일 펌프 등을 작동시키는 저압 하네스를 통합하는 등을 통해 부품 수를 줄인 것이 코스트 억제에 기여했다.

출력도 향상되었다. 기존형은 전륜용 전동 엑세스의 최고 출력이 150kW, 후륜용이 80kW였지만, 신형은 각각 167kW와 88kW로 출력이 증가했다.

BluE Nexus는 향후, 후륜용 전동 액슬의 최고 출력을 167kW로 높인 제품을 라인업에 추가할 계획이다. 전륜용 모터의 전용 등을 검토하고 있으며, 용량은 88kW 제품의 약 60L에서 크게 늘리지 않는 것을 목표로 하고 있다. 출력 밀도는 기존의 후륜용 80kW 제품의 2.1배인 2kW/L 이상으로 한다. 차종에 따라서는 bZ4X에서 후륜용이던 전동 엑셀을 전륜에 탑재하는 것도 가능하다고 한다.

-- 충전 성능을 향상 --
bZ4X의 항속거리를 늘리기 위해 배터리 용량을 71.4kWh에서 74.7kWh로 늘렸다. 배터리 셀의 수가 증가됨에 따라 배터리 감시 회로에서는 셀의 전압을 감시하는 IC 수가 늘어나게 되지만, 덴소는 하나의 IC로 감시 가능한 셀의 수를 기존의 25개에서 28개로 늘려 IC의 증가를 억제했다. IC의 크기는 기존과 동일하게 유지했다.

bZ4X 개량에서는 자주 과제로 지적되어 온 충전 성능 향상도 도모했다. 이번에 새롭게 150Kw의 급속 충전에 대응시켜 SOC(충전 상태)가 10%에서 80%까지 올라가는 데 걸리는 시간을 최단 약 28분으로 단축했다. 급속 충전 전에 배터리의 온도를 최적의 상태로 조절함으로써 특히 추운 날씨의 충전 시간을 단축했다고 한다.

충전 성능 향상에 크게 기여한 것은 도요타자동직기(豊田自動織機)가 새롭게 개발한 충전·급전용 전원 유닛 ESU(Electricity Supply Unit)이다. 이전 모델에서도 OBC(차량용 충전기)와 DC‑DC(직류·직류) 컨버터(변환기) 일체형 전원 유닛을 개발한 도요타자동직기는 이번에는 PDU(전력 분배 유닛)까지 통합해 ESU 전체를 공급하고 있다.

bZ4X에서는 AC(교류) 충전의 고출력화도 도모했다. 기존의 출력 7kW와 함께 11kW와 22Kw에도 대응했다. 도요타자동직기는 AC 충전의 고출력화에 대응하기 위해 파워반도체에 SiC를 채택. “고내압·고속이란 SiC의 장점 때문에 선택했다”라고 설명한다. 참고로 SiC는 덴소가 아닌 다른 업체에서 조달하고 있다.

국가나 지역에 따라 다른 송전 방식이나 차격(차량의 크기 등급)이 다른 다양한 차종으로의 탑재도 고려해 동일한 회로로 제어할 수 있도록 설계했다. 구체적으로는, 일본과 북미에서 주류인 단상과 유럽을 중심으로 채택되고 있는 3상용으로 기판을 공통화해 입력 전압을 식별하여 동작 모드를 전환할 수 있도록 했다. 또한 충전용과 급전용으로 DC‑DC 변환 회로와 입출력용 필터를 각각 공유하여 동일 기판상에서 충전과 급전을 양방향으로 할 수 있도록 했다.

회로 기판의 면적은 기존 제품보다 커졌지만 높이를 낮추어 단상 11kW 사양일 경우, 단위 출력당 부피를 26% 줄였다. 고출력 22kW용에는 기판을 별도로 추가할 필요가 있다. 북미에서 많이 채택되고 있는 충전 규격 ‘NACS’에 대응하는 기능도 갖추고 있다.

국내 EV 시장에서는 테슬라와 닛산자동차가 최근 EV를 갱신했다. 최대 자동차 업체인 도요타가 bZ4X의 성능을 크게 향상시킴으로써 침체된 국내 EV 판매가 회복될 계기가 될 수 있을 것이다.

 

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목차_닛케이 AUTOMOTIVE_25.12호

Close-up
도요타의 차세대 코롤라 등 공개, JMS2025 개막

VOICE
테슬라, SoC 제조는 삼성과 TSMC

Disassembly Report
기가캐스트는 고정대 역할
사이버트럭의 핵심 부품

Automotive Report
도요타가 SiC 채택 확대, bZ4X로 국내 최장 항속거리 746km 달성
항속거리 702km인 닛산의 신형 리프, 테슬라식 열 관리로 효율 개선
VW가 2모터 HEV 투입 추진, EV 시장 침체로 전략 전환
르노가 모든 차종에 LFP 배터리 채택, 2026년 이후 LG·CATL로부터 조달
중국 반도체 호라이즌, 일본계 자동차 업체가 인도의 ADAS용으로 채택
혼다가 옆으로도 움직이는 전동 의자 발매, 구동 부품 업체인 니덱의 자회사와 공동 개발

New Car Report
혼다의 경승용 EV ‘N-ONE e:’, 배터리 교체 없이 항속거리 50km 증가
스즈키 신형 크로스비 연비 20% 개선, 골격 전체에 감쇠 접착제 적용

Cover Story
E2E 자율주행 혁명
Part1 140조엔 시장을 둘러싼 수위 경쟁
웨이모, E2E 자율주행에 제미나이
Part2 웨이모의 E2E 전략
테슬라에 대항할 비장의 무기 ‘VLA’의 진의
Part3 테슬라와 다른 전략
닛산, E2E에 LiDAR·밀리미터파레이더 도입
Part4 전문가가 말하는 중국 E2E
기술에서 독보적인 화웨이, VLA와 다른 노선
Part5 E2E 자율주행으로 레벨 4
테슬라, 로보택시 양산 추진

Features
VW가 투자한 중국의 Gotion, LMFP 배터리 양산
260Wh/kg에서 삼원계 대체 추진
VW·BMW·메르세데스, SDV 기반 공통화 추진
Rust로 ASIL 대응

News Digest
덴소가 SiC 제조에 AI를 활용, 도요타자동차 등과 특허 출원, 2026년 9월에 공급 개시, 중국 등 경쟁사와 경쟁할 수 있을 것인가?

Market Watch
‘N-BOX’가 5개월 연속 1위, ‘야리스’는 3위로 상승, 신형 ‘무브’ ‘짐니’ ‘N-ONE’은 전년 동월 대비 2배 이상 증가

독자로부터
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편집실에서 2025년 12월호

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