1. 개요
통합충전제어장치 (Integrated Charging Control Unit, ICCU)는 현대자동차그룹의 전기차 전용 플랫폼 E-GMP에 탑재되는 부품이다. E-GMP 플랫폼을 최초로 적용한 아이오닉 5으로 시작하여 아이오닉 시리즈, 기아 EV 시리즈가 E-GMP 플랫폼을 사용하면서 많은 차량에 장착되고 있으며 내연기관 자동차와 전기자동차의 특성이 조합된 하이브리드 차량에서도 탑재되곤 한다.2. 역할
전기자동차에는 기본적으로 내연기관차량의 엔진 역할을 하는 모터를 가동하기 위한 고전압 배터리가 있고, 흔히 "시동 배터리"라고 하는 저전압 배터리가 있다. 고전압 배터리는 전술한대로 모터에 전원을 공급하여 차량을 주행할 수 있게 하며, 저전압 배터리는 그 외의 전력 소모처, 이를테면 전조등, 차량 내 조명, 각종 화면, 공조기 등에 전원을 공급한다.흔히 전기자동차를 충전할 때 외부에서 충전선을 타고 차량으로 들어가는 전기는 고전압 배터리로 들어간다. 따라서, 전기자동차에는 외부 전원을 받아들여 고전압 배터리를 충전할 수 있게 해주는 부품이 필요한데, 이 부품을 OBC(On-Board Charger)라고 한다. 이 부품은 외부에서 들어오는 AC 전원을 DC 전원으로 변환하여 고전압 배터리를 완속 충전한다. 급속 충전기는 보통 DC 전원을 직접 공급하기 때문에 AC/DC 변환이 필요하지 않으며, 따라서 OBC를 거칠 필요가 없는 것으로 알려져 있다. 또한, 변환 방향을 반대로 뒤집으면 전기 흐름의 순서를 바꿔서 고전압 배터리의 DC를 AC로 변환하여 충전 포트로 내보낼 수도 있다. 현대기아는 이 기능을 V2L이라 소개하며 캠핑 등의 상황에서 차에 저장된 배터리를 이용, 전자제품을 사용할 수 있게 전기를 끌어 쓸 수 있는 편리한 기능으로 소개하고 있다. 이 기능도 물론 OBC 덕분에 가능한 것.
차량을 운전하다 보면 전조등도 켜고 공조기도 사용하므로 저전압 배터리도 점점 소모되기 때문에 저전압 배터리도 충전이 필요하다. 전기자동차는 회생제동에서 발생하는 에너지로 저전압 배터리를 충전하기도 하고, 경우에 따라서는 고전압 배터리에 들어있는 전기를 적당히 떼어다가 저전압 배터리를 충전하는데 사용하기도 한다. 이때 고전압 전기를 저전압으로 강압해야 하므로 중간에 변압기가 필요한데, 이 역할을 하는 부품을 LDC(Low DC-DC Converter)라고 한다.
따라서 전기자동차를 정상적으로 운용하려면 OBC와 LDC가 필요하며, 이 두 부품을 통합하여 만든 부품이 바로 통합충전제어장치, ICCU이다. 즉 이 부품은 차량의 충전 / 전력 제어 및 분배를 총괄하는 컨트롤타워나 다름 없는 셈이다.
세간에 알려진 것과는 많이 다르게, ICCU 프로젝트는 2016년도부터 주식회사 용인일렉트로닉스에서 주도해온 사업이다. 핵심 부품들(특히 여러 자성체들과 코일, 리엑터, 트랜스포머)은 기본이고 PCB의 디자인 또한 용인일렉트로닉스가 자체 제작하고 있으며[1], PCB의 생산은 주식회사 인팩(INFAC)이 SMT 및 실장까지 완료하여 공급중에 있다.
일반적인 OBC의 완속 충전은 PSFB 또는 FB-LLC 등의 절연형 부스트 컨버터에 동기 정류회로를 붙여 구현되는 경우가 많은데, ICCU 내부의 OBC용 Boost 컨버터는 LDC 와 자기회로가 공유된 2개의 트랜스포머를 사용하여 구동되며, OBC와 LDC의 역할 및 회로상의 분할이 borderless한 형태로 탑재되어 있다.
ICCU는 큰 틀에서 4가지 버전이 있으며, 유럽 버전은 22kW의 OBC 출력을 가진다. [2]
3. 논란
국내외에서 ICCU의 품질에 관련된 논란이 굉장히 거세다. 현대차그룹의 전기차 대부분에는 현재 ICCU가 탑재되고 있다. 그런데 이 ICCU가 아주 잦은 빈도로 문제를 일으킨다는 제보가 차주들 사이에서 끊이질 않는다.전기차 차주들의 경험에 따르면 뒷좌석에서 "퍽"하는 소리와 함께 "전기차 시스템에 점검이 필요하다"는 경고문이 나타나며 차량의 출력이 떨어지고, 얼마 못 가 시동이 꺼지며 주행 불능 상태에 빠진 뒤 저전압 배터리가 나가버린다고 한다. 어떠한 전조증상도 없이 갑자기 멀쩡히 달리던 차량이 동력을 상실하고 서 버린다. 때문에 단순한 품질 문제를 떠나서 큰 사고가 발생할 수도 있는 중대한 안전문제라고 볼 수 있다. 많은 차주들이 개선 혹은 리콜을 요구하고 있다.
기아자동차 EV9 출시 이후 ICCU의 개선품이 탑재되었다고 하나, ICCU에 문제가 있어 입고된 차량들은 개선품으로 교체해준다고 하지만, 교체 된 뒤에도 똑같은 문제가 발생한다는 의견도 어렵지 않게 찾아볼 수 있다. 심지어는 ICCU 이상으로 차량을 입고시키고 대차로 받은 전기차도 또 ICCU 이슈가 생겼다는 후기 역시 찾아볼 수 있다.
현대차그룹에서는 ICCU에 대한 문제는 인지하고 있는 상태이나, 관련된 조치는 소프트웨어 업데이트로 일관하고 있다. 차주들은 하드웨어 이슈를 소프트웨어 업데이트로 어떻게 해결하냐면서 불평을 표하고 있지만, 소프트웨어 업데이트로 해결할 수 있다고 회사는 입장을 고수중이다. 물론, 업데이트를 받은 뒤에도 ICCU에 문제가 생겼다는 후기는 끝없이 나오는 것으로 보아 소프트웨어로 어떻게 해볼 수 있는 문제가 아닌 듯 하다.
오토기어에서는 저품질 혹은 불안정한 완속 충전기로 인하여 ICCU가(특히 완속 충전에 관여하는 OBC부분이) 피해를 받아 망가졌다면 이러한 이슈가 발생할 수 있다고 주장한다. 그러나 신차를 출고하자마자, 심지어는 비닐조차 뜯지 못하고 첫 시동조차 걸지 못했던 차량이 ICCU 문제가 있다는 후기가 있는 것을 보면 완속 충전기만이 문제 원인의 전부는 아닌 것으로 보인다. 구체적으로, 일반적인 완속 충전기의 경우 단지 AC 전원을 공급할지 말지에 대한 스위치만 있는 구조이며, 실질적인 고전압 변환은 차량 내부의 OBC가 진행하게 설계되어 있는데 이 설계는 전세계 어느 전기차라도 대부분 동일한 상황이다. 오토기어측은 이 OBC 가 상용 전원으로부터 얼마나 전력을 끌어다 써도 되는지를 완속충전기에서 발생시킨 Pilot 신호를 참고하여 구동되기에 잘못된 Pilot 신호로 인해 ICCU가 손상될 수 있다 라고 하지만, Pilot 신호는 단지 전력계통에서 얼마만큼의 전기를 가져가도 되는지, 지금 충전해도 되는지에 대해 충전기가 제공해주는 정보일 뿐이다. 충전기가 수전설비등의 정보를 받아다 80A(듀티비 96%)까지 가능한지 6A(듀티비 10%)밖에 안 되는지 등을 내부의 OBC에게 알려주는 역할이 사실상 전부란 이야기다. 또한 국내 충전기들의 경우 7kW 또는 11kW 로 사실상 정형화된 제품들이고, pilot 신호를 제외한 state 신호들이 문제라고 한다 하더라도 ICCU에 직접적인 데미지를 가할 수 있는 에너지가 전달될 수 있는 방법이 전혀 없다. 특히 ICCU가 자주 터지면서 11kW 급 충전기를 회피하는 국내 시장 상황에서는 오토기어의 주장이 더더욱 현실성이 낮을 수밖에 없다.
업계에서 추정되는 요인은 크게 4가지로 나누어진다.
1. Full SiC 구성을 진행할 때 초기 개발단계에서 Infineon의 드라이브와 FET를 사용해 디자인 했다가 OEM 이 요구하는 비용 문제 + 부품 벤더사 다변화 문제로 인해 STMicroelectronics 사의 STPOWER SiC 시리즈로 급선회 하며 Gate Driver 를 제대로 튜닝하지 못 한 경우 - E-GMP 차종들을 자세히 살펴보면, 대부분 Infineon 이 디자인한 표준 파워설계가 적용되어 있으며, 특히 대전력 구성의 경우 추진 인버터도 마찬가지고 ICCU도 마찬가지로 EiceDRIVER 회로가 들어가 있는데, EiceDRIVER 는 Infineon의 CoolSiC™ G1 / G2 트랜지스터를 구동할 것을 전제로 개발된 드라이브 회로이기 때문에 STPOWER 제품과는 상성이 맞지 않았을 가능성.[3]
2. 전기차는 12V 전력 사용량이 많은데, OEM에서 요구하는 가격을 맞추기 위해 무리하게 부품의 성능을 줄였을 가능성 - ICCU 내의 LDC파트는 최신 ICCU기준 4.8kW의 출력(12V 로 치면 400A)을 뽑을 수 있도록 OEM에서 spec-in 되어있는데, STPOWER의 20~30A 급 제품을 사용하여 LDC파트를 구현함에 따라 저전압 전장 사용량이 증가하였을 때 LDC의 LLC 스위칭부가 파손될 가능성, 특히 12V를 계속 공급하는 것이 아니라, IBS에 의해 계측된 저전압 배터리의 잔여 용량을 계산하여 수시로 보충하는 방식으로 작동되기에 반복되는 순시 부하로 인해 소손 가능성이 커질 수 있음.
3. STPOWER 제품의 안정화 부족 - ST마이크로닉스가 본격적으로 대전력 반도체를 양산한 지 길어야 대략 8년 정도 되는 상황에서 제품의 품질 편차 및 스위칭 능력이 부족할 수 있음, 특히 ICCU의 OBC는 대단히 높은 주파수를 사용하여 대전력을 스위칭 해 트랜스로 밀어넣게 되는데, 여기에 들어간 소자들은 각 50A의 공칭 스팩을 가지고 있으나 품질 편차 및 높은 주파수로 인하여 스위칭에 실패하는 경우가 발생할 가능성 - 스위칭에 실패하면 Q1 - Q3 또는 Q2 - Q4 간의 순간적인 도통이 일어나 내부적으로 쇼트를 일으키며 이게 반복되면 파워 반도체가 소손될 수 있다.
4. 용인일렉트로닉스가 개발한 트랜스포머 및 리액터에서 발생되는 발열을 제거하지 못 해 쇼트가 날 가능성 - 용인일렉트로닉스가 개발한 ICCU는 기본적으로 OBC만 1차측과 2차측이 절연되고, LDC단은 리액터를 사용해 스텝다운하여 공급하게 되는데, 이러한 코일 요소들을 모두 열 전도를 위한 서멀 그리스에 담그고 이를 ICCU하부에 다시 서멀을 도포하는 형태로 가공하여 수냉 자켓으로 열을 방출하도록 하는데, 이 때의 열이 제대로 기판에 방출되지 않아 트랜스가 파손될 수 있음. 특히 OEM의 요구로 인해 당초 매우 두꺼운 버스바를 사용해 제작된 메인트랜스가 아니라 가느다란 와이어를 사용한 메인트랜스들이 적용되면서 Margin이 대단히 좁아졌을 가능성.
[1] 일반적인 전력전자 설계 회사들은 이러한 코일들을 직접 감을 설비나 능력이 없는 경우가 많아 보통 코일크래프트 등 타 회사의 제품을 구매해 사용하는 경우가 대부분인데, 용인일렉트로닉스의 경우 변압기나 코일을 직접 설계, 테스트 및 생산이 가능하다.[2] eM 플랫폼에도 유럽향의 ICCU가 들어갈 것으로 예상되고 있다.[3] 당시나 지금이나 추진인버터의 경우 Infineon HydraPACK 외엔 그 가격에 그 설계 편의성을 그대로 대응 가능한 파워 반도체가 없어 Infineon의 것을 사용중에 있다.