전기차 충전 속도 혁신 특허: 열 제어부터 알고리즘까지

1. 고속 충전을 가로막는 벽: ‘열 제어(Thermal Management)’ 특허 기술의 진화

전기차의 충전 속도는 단순히 전류를 높이는 것으로 해결되지 않는다. 빠른 충전이 가능해지려면 배터리 내부 발열로 인한 손상, 효율 저하, 화재 위험 등을 효과적으로 제어해야 한다. 이때 핵심이 되는 기술이 바로 ‘열 제어’이며, 최근 수년간 국내외 기업과 연구기관은 이를 중심으로 특허 경쟁을 벌이고 있다. 대표적인 사례는 테슬라가 출원한 특허 ‘액티브 냉각 분배 모듈’로, 충전 중 열 발생 지점을 실시간으로 감지하고 필요한 셀에만 냉각을 집중시키는 구조를 채택했다. 이러한 기술은 배터리 팩 전체의 냉각 효율을 높이는 동시에 에너지 낭비를 최소화한다. LG에너지솔루션은 고속 충전 시 배터리 내부 온도를 균일하게 유지하기 위한 ‘다중 열전달 회로 특허’를 다수 출원하며 경쟁력을 강화하고 있다. 열 제어 기술은 단순히 냉각 유닛을 추가하는 수준에서 벗어나, 센서 네트워크와 AI 기반 예측 모델을 결합하여 “충전 예측-열 대응-충전 지속성 유지”의 삼단 구조를 구현하는 방향으로 진화 중이다. 현재 출원되고 있는 특허들은 대부분 다중 열 분산 구조, 국부적 온도 조절 회로, 그리고 열전소자 기반 실시간 냉각 기술이 융합된 형태로, 단순한 하드웨어 중심 제어가 아닌 지능형 통합 열관리로 패러다임이 전환되고 있다.

2. 알고리즘 전쟁: 충전 최적화를 위한 AI 기반 충전 제어 특허

충전 속도를 근본적으로 바꾸기 위해선 물리적 제어만으로는 한계가 있다. 이를 극복하기 위한 해법으로 주목받고 있는 것이 바로 ‘충전 알고리즘(Charging Algorithm)’이다. 현대차는 최근 ‘차세대 충전 프로파일 제어 알고리즘’ 특허를 출원하면서 충전 중 배터리 상태, 온도, 잔량 등을 실시간으로 분석하여 최적의 전압과 전류를 계산하는 시스템을 개발했다. 이 특허는 ‘충전 중 실시간 학습’을 핵심으로 하며, 충전 시마다 데이터를 수집해 다음 충전 전략에 반영하는 기계학습 기반의 구조를 갖고 있다. BMW와 퀄컴은 협업을 통해 ‘딥러닝 기반 충전 속도 예측 모델’을 개발했고, 이 기술은 도로 주행 패턴, 기후, 운전자의 평균 주행 거리까지 반영하여 충전소에서 자동으로 최적화된 속도를 설정할 수 있도록 한다. 또 다른 주목할 기술은 ‘충전 조건에 따른 전압-전류 곡선 자동 생성기’로, 다양한 배터리 셀 특성에 맞춰 AI가 자체적으로 최적의 충전 프로파일을 생성한다. 이러한 알고리즘 특허는 하드웨어 교체 없이도 충전 시간을 대폭 줄일 수 있는 혁신적인 방향성을 제시하며, 향후 OTA(Over-the-Air) 방식의 충전 속도 업데이트가 가능해질 것으로 예상된다. 알고리즘 특허는 하드웨어보다 모방하기 어렵고, 기업 간 차별화 요소로 작용할 수 있기 때문에 향후 EV 산업의 중요한 경쟁 포인트로 자리 잡을 것이다.

3. 전력 인프라와의 동기화: 스마트 그리드 기반 고속 충전 특허 전략

고속 충전 기술은 차량 내 시스템만 아니라 외부 전력망과의 유기적 연결에서도 성능이 갈린다. ‘스마트 그리드(Smart Grid)’ 연동 기술은 이제 충전 속도 향상의 필수 전제로 자리 잡았다. 최근 일본 도요타는 ‘양방향 전력 피크 제어 기반 충전 최적화’ 특허를 통해, 지역 전력망의 부하 상태에 따라 EV 충전 속도를 유연하게 조절할 수 있는 시스템을 제안했다. 이 기술은 단순히 충전기에서 차량으로 에너지를 공급하는 단방향 흐름을 넘어서, 필요시 차량 배터리에서 전력을 공급할 수 있는 ‘V 2G(Vehicle-to-Grid)’ 모델을 포함한다. 국내에서는 한전이 ‘분산형 전력망 내 EV 충전 수요 예측 및 배분 시스템’ 특허를 통해 전기차가 동시에 여러 대 충전되더라도 전체 전력망이 안정적으로 작동하도록 하는 기술을 개발했다. 특히, 이 시스템은 충전 수요가 집중되는 시간대를 피해 자동으로 충전 시점을 분산시키는 AI 기반 스케줄링 알고리즘을 포함하고 있다. 이러한 기술은 단지 충전 속도 향상에 그치지 않고, 지역 전력 수급의 균형을 유지하며 장기적으로는 탄소배출 저감 효과까지 기대할 수 있다. 스마트 그리드 기반 충전 특허는 단일 기업을 넘어서 도시, 국가 단위의 에너지 전략과 연계되어 있어 특허의 범위와 가치가 점점 확장되고 있다.

4. 하드웨어 구조의 혁신: 멀티포트, 고전압 충전 시스템 특허 트렌드

전기차 충전 속도를 획기적으로 향상하기 위한 또 다른 접근은 물리적 충전 시스템의 재설계다. 최근 특허 트렌드는 ‘고전압 시스템’과 ‘멀티포트 충전 구조’를 중심으로 전개되고 있다. 포르쉐는 800V 고전압 아키텍처 기반 충전 기술을 상용화하며, 고속 충전의 새로운 기준을 세웠고, 관련 특허는 충전 케이블의 절연 구조, 냉각 처리 방식, 고속 전압 안정화 장치 등을 포함하고 있다. 이와 더불어 테슬라는 ‘멀티포트 동시 충전 시스템’ 특허를 통해, 하나의 충전기에서 여러 개의 배터리 모듈을 동시에 충전하거나, 다중 전기차에 병렬로 전력을 분배하는 기술을 제안했다. 이 기술은 향후 배터리 교환형 전기차, 상용 트럭 등 고용량 배터리를 가진 차량에 특히 유리한 구조다. 또 다른 흥미로운 특허 흐름은 ‘모듈화된 충전기 구조’로, 사용자의 차량 유형에 따라 충전기 내부 회로 구성이 유동적으로 바뀌는 유연 아키텍처 기술이다. 이는 고출력 충전이 필요한 차량과 일반적인 중 출력 충전 차량을 하나의 인프라로 통합할 수 있게 하며, 인프라 설치 비용 절감에도 기여한다. 결국 하드웨어 특허는 충전소 인프라의 효율성과 범용성을 높이는 동시에, EV 제조사에는 새로운 비즈니스 모델을 제공할 수 있는 핵심 자산이 된다.