특집&기획기사

[EV·PHEV와 인프라 설비의 최신기술동향 2] 배터리 충전기술 동향

김대근 기자
입력 2015.01.01 00:00

[EV·PHEV와 인프라 설비의 최신기술동향 2]
배터리 충전기술 동향

EV 충전시스템에는 크게 보통 충전(가정용 충전)과 급속충전의 두 가지 방식이 있다. 본고에서는 일본의 배터리 충전시스템을 크게 보통 충전기와 급속 충전기로 나누어 살펴보고, 일본의 대표적 EV인 미쓰비시(i-MiEV), 닛산(리프), 도요타(프리우스 PHEV) 자동차 등을 통해 배터리 충전 기술을 소개한다. 나아가 급속충전기의 성능 및 사양, 그리고 앞으로의 동향에 대해 간략히 정리한다.

번역·정리 김대근 기자

전기자동차의 충전 시스템

대기오염 및 석유위기라는 배경하에 1990년대 이전에도 다양한 Electric Vehicle(EV)이 개발되어 왔으나, EV의 일충전 항속거리, 모터·배터리의 체적 및 질량, 비용의 문제 외에도 충전시간의 길이와 충전 인프라의 과제 등으로 인해 본격적인 보급은 이루어지지 못했다. 최근 각 회사에서 발매되고 있는 EV는 충전 인프라 구축 과제에 대한 대응으로 가정용 콘센트에서 충전(가정용 충전 또는 보통 충전)을 가능케 하는 충전기를 탑재하고 있다.([그림 1] 참조) 그러나 가정의 100/200V에서의 충전전력은 제한이 있기 때문에 충전시간은 많은 시간을 요하게 된다. 이 충전시간은 야간에 충전하는 방식으로는 적합하지만, 외출 시 충전이 필요할 경우에는 행동범위를 제약하는 요인이 된다. 그리하여 통일규격의 거치형 급속충전기를 통한 단시간 충전을 실현함으로써 지금까지 EV 보급과제의 하나였던 충전시간과 함께 급속충전을 활용함으로써 EV의 행동범위 확대에 기여하고 있다. [표 1]은 미쓰비시 자동차의「i-MiEV」에서의 충전시간을 나타낸 것이며, 급속충전 시에는 30분 이내에 State Of Charge 80%(SOC)의 충전이 가능하다. 또한 플러그인 하이브리드 전기자동차(Plug-In Hybrid Electric Vehicle: PHEV)에서도 가정의 콘센트에서 차재 배터리를 충전하는 충전기를 탑재하고 있는데 엔진으로 구동·발전이 가능하기 때문에 급속충전은 요구되지 않는다.

차재 보통충전기

미쓰비시 자동차, i-MiEV

i-MiEV의 충전기 외관을 [그림 2]에, 사양을 [표 2]에 나타냈다. 리튬 이온 배터리의 용량은 16kWh로, 보기류(補機類)를 구동하기 위한 저전압 전지의 전력공급을 하는 DC/DC 컨버터도 충전기와 일체화되어 있다.

닛산 자동차, 리프　

2010년에 발매된 리프에 탑재되는 차재 충전기를 [그림 3]에 나타냈다. 24kWh의 리튬 이온 전지를 탑재하였으며, AC 200V 입력 시 만충전(滿充電)까지의 시간은 약 8시간이다. 출력전력은 3.3kW이며, i-MiEV에 탑재되는 차재 충전기에 비해 출력 전력이 크다.

도요타 자동차, 프리우스 플러그인 하이브리드

프리우스 플러그인 하이브리드는 5.2kWh의 리튬 이온 전지를 탑재하며, AC 100V 입력 시 약 1kW(AC 200V 입력 시 약 2kW)의 충전기([그림 4] 참조)가 탑재된다. 이러한 예에서처럼 차량의 전지용량에 따라 차재 충전기 출력도 커지는 경향이 있다. 또 EV의 카탈로그에 기재되는 교류전력 소비율과 관련해서는 1회 충전에 요하는 교류전력량Wh와 항속거리 km를 바탕으로 한 Wh/km가 기재되어 있다. 기존의 가솔린차 연비에 상당하는 EV의 전비(電費: 전기자동차의 연비)에는 차재 충전기의 변환효율도 영향을 주게 된다.

차재 충전기의 실험평가

i-MiEV의 실증시험 보고에 따르면, AC 200V와 100V의 사용 비율은 6:4이고, 충전시간이 긴 100V계의 사용 비율도 낮지는 않지만, 앞으로 EV·PHEV의 보급에 따라 AC 200V의 전용 충전 콘센트가 보급되어 AC 200V의 사용 비율이 증가될 것으로 예상되고 있다. [그림 5]에 가정용 200V에서의 충전시험의 결과를 나타냈다. 100V/200V를 판별하여 충전개시 후에는 콘센트의 전력 용량을 초과하지 않도록 정전력(定電力) 충전을 실시하고, 충전 말기에는 정전압 충전을 실시한다. 또 [그림 6]에서 충전시간의 빈도분포를 보면, 200V 충전에 대해서는 최대 7시간으로, 충전 1시간 이내가 가장 많았고, 85% 이상은 4시간 이내의 충전시간이면 끝난다. 또 100V 충전에 대해서는 최대 14시간이지만, 충전 2시간 이내의 빈도가 가장 많다.

급속충전기

CHAdeMO 방식의 급속충전기

충전 인프라로서의 급속충전기를 공용화하여 인프라의 정비와 EV를 보급시키기 위한 전력회사, 자동차 회사, 부품·충전기 제조업체 등으로 구성되는 CHAdeMO 협의회가 2010년에 설립되었다. [그림 7]에서와 같이 CHAdeMO 방식에서 급속충전기는 3상 교류를 직류로 변환하여 접촉식 커넥터를 통해 EV에 연결한다. 충전전류 지령치는 EV의 컨트롤러가 배터리의 상태에 맞게 구하고, 급속충전기는 출력 가능한 전압·전류의 제어 범위에서 지령에 따른 충전제어를 실시한다.

급속충전기의 성능 및 사양

[그림 8](a)에 보이는 다카사고(高砂) 제작소의 급속충전기(TQVC500M3)는 전력변환기와 충전 스탠드의 일체형 구조이며, [그림 8](b)의 야스카와(安川) 전기의 급속충전기(Enewell-CEV)는 전력변환기와 충전 스탠드가 분리되어 있어 설치 공간에 따라 구조의 종류가 다양하다. [표 3]은 급속충전기 사양의 예로, 최대출력이 50kW라도 출력전압·출력전류에 제한이 있기 때문에 출력전력은 50kW 이하라는 조건이 있으며, 최대출력이 50kW라도 출력전압 및 출력전류는 배터리의 상태에 따라 각각 제한을 받으므로 출력전압·전류의 제한으로 인해 최대출력 미만이 될 경우에는 충전시간이 길어진다. 급속충전기에서는 20kW~30kW 정도의 소용량 급속충전기도 시판화되고 있으며, 수전용량이 절감되기 때문에 급속충전기의 도입을 용이하게 한다. 소용량 급속충전기에서는 충전개시 시의 전류치는 작아지지만, 앞서 설명한 대로 대용량 급속충전기라도 충전이 진행됨에 따라 충전전류의 제한을 받기 때문에 급속충전기의 용량이 절반이어도 충전시간이 배가 되지는 않는다.

충전기의 과제와 신기술

충전기의 기본기능은 AC에서 DC의 차재 배터리 충전을 위한 전력변환이며, 기본이 되는 AC/DC와 DC/DC 변환기의 조합 회로로 구성된다. 이 때문에 전력변환기술에 있어 공통되는 과제로서는 소형·고효율·저코스트의 문제가 있으며, △회로 △제어 △안전 △EMC △냉각 △신뢰성 △부품·재료 등 많은 요소기술의 발전에 의해 성능 향상이 도모될 것으로 전망되고 있다. 이러한 요소기술의 발전 이외에도 △자연에너지 발전 △스마트그리드 △HEMS(Home Energy Management System)·BEMS(Building Energy Management System)와 EV 충전을 조합한 시스템 기술이 급속도로 진전되고 있다. [그림 9]의 니치콘에서 개발된 급속충전 설비는 태양광발전시스템과 36kWh의 리튬 이온 배터리를 가진다. 회로·제어의 분야에서는 매트릭스 컨버터를 이용한 급속충전기가 발매되어 [그림 10]에서와 같이 구형에 비해 소형화를 실현시켰다. 또 충전과 방전의 쌍방향 전력변환에 의해 EV 배터리에 저장된 전력을 가정 내의 기기에 활용 가능한 V2H(Vehicle to Home)도 실용화되어 2012년에 닛산 자동차에서 LEAF to Home([그림 11] 참조)으로 상품화되었다. 차재 충전기는 차량의 요구에 따라 다양한 발전이 기대되며, 또 급속충전기 등의 인프라 정비와 관련해서는 공통의 규모하에서도 여러 가지 사양의 제품이 개발될 것으로 예측되고 있다. 또한 향후 자연에너지의 이용 및 V2H, 스마트그리드의 발전 등으로 잠재성이 높고 현재에도 수많은 신기술들이 제안되고 있어 전력변환기술뿐 아니라, 시스템 제어를 포함해 더 많은 기술개발 및 연구가 진행될 것으로 전망되고 있다.