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[오토저널] 전기자동차 초고속 충전기술 및 전망

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글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2020-07-27 09:54:57

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최근 자동차 시장에서 전기차의 비중이 수년간 지속적으로 성장하고 있으나 전기차 시장 분석 전망에서 가장 큰 요인중의 하나는 충전인프라의 활용성인 것으로 간주하고 있다. 이에 전기차 시장의 확대를 위해서 충전인프라의 확충 및 기술 발전은 절대 필수 요소임을 부정할 수는 없는 상황이다.

최근 전기차의 가장 큰 약점인 짧은 주행거리와 긴 충전시간을 해소하기 위해서 2018년 이후 출시되는 전기차는 배터리 용량 60~90kWh으로 확대되고 있는 현실이다. 이러한 추세에 맞춰 충전기도 충전시간 단축을 위해 충전용량을 기존 50kW에서 150~400kW의 초고속 충전기(Hyper Chager, HPC)에 대한 기술개발이 활발히 진행되고 있다.

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HPC 국내외 기술 동향
현재 미국 및 유럽 중심으로 전기차 개발 동향이 고용량·고전압 배터리 탑재로 전환되고 있으며, 이에 따른 충전기 용량도 350kW 이상의 HPC 충전기에 대한 설치 및 수요가 증가되는 추세이다. 특히 유럽이 선도적으로 HPC에 필수적인 고출력 커넥터·충전 케이블 및 고전압 범위에서 충전이 가능한 파워컨버터(전력변환부)에 대한 개발이 활발히 진행되고 있다.

국내의 경우는 산업부의 R&D 과제를 통해 400kW HPC에 대한 개발이 진행중에 있으며, 핵심부품인 전력변환부의 고전압·고출력(1,000V, 400A) 및 고효율화(96%)를 개발하고, 이에 따른 고출력 커넥터·케이블 및 냉각기도 개발이 진행중에 있다.

현재 전력변환부의 국내 충전기 제조업체에서도 일부는 개발이 가능하나, 커넥터·케이블 및 냉각기는 전량 수입에 의존하고 있어 국산화가 시급한 실정으로 현재로는 국내 HPC 인프라는 전무한 실정이다. 또한 400kW에 대한 국내 KC 인증기준이 없어 HPC 인프라를 구축하기 위해서는 인증 기준의 개정도 수반되어야 한다. 

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해외의 경우 HPC 인프라는 북미에서 시작되었는데 “National ZEV Investment Plan”에 따라 폭스바겐 그룹이 설립한 Electrify America(EA)를 중심으로 구축이 활발히 진행중이다. 총 10년동안 약 12억달러 예산이 투입되는 대규모 프로젝트로 미국의 주요 고속도로를 중심으로 HPC를 설치중에 있다. EA는 미국 39개주와 2개의 국가간 노선의 주요 교통 요지를 중심으로 HPC를 설치중에 있다. 각 충전소간 거리는 약 200km를 넘지 않도록 하고, 주요 동서해안 고속도로는 약 110km 이내로 설치할 계획이다. 충전방식의 경우 콤보(CCS1)와 차데모 타입을 혼용해서 설치중이며, HPC이 경우모든 콤보타입의 충전방식을 채택하고 있다.

유럽의 경우 HPC 인프라 구축은 2017년 독일 뮌헨에 설립된 Ionity를 중심으로 진행되고 있다. Ionity는 BMW, Daimler, Ford, Volfswagen, Audi 및 Porsche가 공동 투자하여 설립된 회사로서, 유럽의 주요 고속도로를 따라 400개 이상의 충전소를 구축하고 충전소당 평균 6개의 충전기를 설치할 계획이다. 충전기는 최대 350kW 급의 HPC를 설치중에 있으며, 충전방식은 콤보(CCS2) 방식으로 설치되고 있다.


HPC 기술 설명 및 해결 이슈
HPC를 350kW 이상의 초고속 충전을 위해서는 800~ 1,000V의 고전압에서 충전이 가능한 전력 변환부, 고출력 충전 안전성이 확보된 커넥터, 충전케이블의 기술이 필요하다. 전력 변환부는 고전압(1,000V) 뿐만 아니라 기존 보급된 저전압(500V 이내) EV에 대한 충전시에도 안정적인 충전효율이 나오게 하는 부분이 가장 큰 핵심 기술이며, 이외에도 충전효율을 더 높이고 사이즈를 줄이기 위한 기술개발이 충전기 제조사를 통해 활발히 진행되고 있다.

전력변환부 외에 가장 큰 핵심 부품인 고출력 커넥터·케이블 적용에 있어서 가장 큰 난제는 충전용량 증가에 따른 커넥터·케이블 사이즈 및 무게를 경량화하는 부분이다. 고전압·고전류 충전시 고온의 열이 발생되어 커넥터·케이블의 사이즈가 커질 수 밖에 없는데, 이럴 경우 사용자가 손으로 들기 어려울 정도의 무게가 될 수 있다. 200kW 충전용량만으로도 일반 커넥터·케이블(1.8m 기준)의 무게는 한 사람이 들 수 있는 무게 한계치(23kg)을 초과한 약 30kg이 되어 350kW 이상에는 도저히 적용할 수 없는 현실이다.

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이에 충전 커넥터 제조사에서는 냉각시스템이 탑재된 커넥터·케이블을 개발함으로써 HPC 기술이 보다 진보될 수 있는 계기를 가져오게 하였다. 냉각시스템을 적용하면 냉각 효율이 높아져 350kW 충전용량에서도 약 23kg 정도로 무게가 유지되어 사용자 편의성이 확보된 충전인프라 구축이 가능하도록 되었다.

냉각시스템이 적용된 커넥터·케이블은 고전압·고전류 충전시 발생되는 열을 감소시키기 위해 개발되어 커넥터·케이블의 사이즈 및 무게를 줄이고, 케이블 유연성을 높게 하는데는 효과적이지만, 이로 인한 저항손실 증가, 냉각기 전력소모, 제품비용 상승, 유지보수 포인트 증가 및 냉매 비용 등의 단점은 가지고 있다.

하지만 현재의 상황으로는 HPC에는 냉각시스템 커넥터·케이블을 적용할 수 밖에 없는 현실로서 150kW 이상(200A 이상)의 충전기에는 모두 적용되고 있으며, 콤보 충전방식의 제품만 개발된 상태이다. 일부 제조사(EVTEC)에서는 150kW까지 냉각시스템이 없는 커넥터·케이블을 개발하였다고 2018년 Swiss GOFast에서 발표하였지만 현재 상용으로는 나오지는 않고 있다.


HPC 표준 및 제도
EV 충전인프라에서 향후 5년간은 50kW 충전기가 주류 EV 차종의 충전을 지원할 것이다. 하지만 EV 구매자의 가장 중요한 선택요소중 하나인 주행거리에 대한 요구사항을 충족시키기 위해 EV 제작사에서는 대용량 배터리와 HPC 인프라에 대한 투자가 활발히 진행중이다. HPC 충전기는 2018년부터 출시되기 시작한 프리미엄 EV 차종 충전을 위해 개발 및 설치가 시작되고 있다. 

이에 충전표준에서도 HPC 관련 충전규격에 대한 개정이 한창 진행중이다. 차데모 협회에서도 2017년에 150kW 규격을 개정하였으며, 현재 350kW 규격을 개정 중에 잇다. CCS 표준을 관리하고 있는 CharIN에서도 400kW 규격을 개정하고 있으며, 전압과 전류범위를 1,000V/400A까지 확정하였다.

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최근 충전기 국제표준을 관리하고 IEC에서도 HPC 관련 규격 개정이 활발히 진행중이며, 크게 충전시스템, 커넥터(충전인터페이스), 케이블로 구분하여 진행중이다. 이에 맞추어 국내표준도 개정을 준비중에 있지만, 당장 2020년부터 150kW 이상의 EV가 보급되는 상황을 고려하면 조금은 뒤처지고 있다.

충전시스템 표준화는 KS R IEC 61851-1, Ed 2.0(제1부 : 일반요구사항), KS C IEC 61851-21-1/-2, Ed 1.0(제21부 : 교류/직류 전원으로 전도성 접속을 위한 EMC 요구사항), KS R IEC 61851-23, Ed 1.0(제23부 : 직류 충전스테이션), KS R IEC 61851-24, Ed 1.0(제24부 : 직류 충전설비와 전기자동차 사이의 직류 충전제이용 디지털 통신)에서 진행중이다.

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커넥터 표준화는 KS R IEC 62196-1, Ed 2.0(충전인터페이스 일반 요구사항), KS R IEC 62196-3, Ed 1.0(직류 충전인터페이스-치수 적합성 및 상호호환성), IEC TS 62196-3-1(직류 충전인터페이스-열관리시스템)에서 진행중이다. 충전케이블 표준화는 IEC 62893-1, Ed 1.0(충전케이블-일반 요구사항), IEC 62893-2, Ed 1.0(충전케이블-시험방법), IEC 62893-4-1, Ed 1.0(충전케이블-온도 관리시스템을 포함하지 않은 직류 충전), IEC 62893-4-2, Ed 1.0(충전케이블-온도 관리시스템을 포함한 직류 충전)에서 진행중이다. 특히 62893-4-2에는 냉각수(종류, 인화성, 재료 호환성, 튜브 압력 등)에 대한 내용이 포함되어 있다. HPC 관련 국제 표준화 일정은 <그림 10>과 같다.


기대효과 및 전망
자동차 시장에서 EV의 비중이 지속적으로 늘어나기 위해서는 가장 큰 장애 요인인 짧은 주행거리와 긴 충전시간에 대한 요소를 해소하여야 한다. HPC 관련 기술개발 및 인프라 확충은 EV가 자동차 시장에서 내연기관차와 경쟁할 수 있는 충분한 기반을 마련할 수 있을 것이다. 또한 HPC에 적용된 냉각방식의 충전 커넥터/케이블 기술은 충전시간 단축을 위해 도입된 고가의 배터리 교환형 충전시스템이나 충전용량 증가에 따른 커넥터/케이블 무게를 보조할 로봇형 충전시스템에 대한 기술방향 전환의 계기를 가져왔다.

향후 충전인프라 시장에서는 HPC에 대한 기술개발과 보급이 더욱 활발히 진행될 것으로 전망되는 바, 국내에서도전량 수입에 의존하고 있는 냉각방식 고전압 충전 커넥터/케이블에 대한 원천 기술 확보가 시급한 실정이다.

이에 글로벌 충전인프라 시장에서 국내 기술이 우위를 선점하기 위해서는 관련 국내표준 개정 및 50~100kW 위주로 설치되고 있는 공공 충전인프라도 HPC 충전인프라에 대한 실증 및 보급이 보다 적극적으로 추진되어야 할 것이다.

글 / 이충열 (시그넷이브비)

출처 / 오토저널 2019년 12월호 (http://www.ksae.org)  

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