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[미래를 향한 질주, 전기자동차] 전기자동차 보급의 key, 급속 충전 시스템
2011년 4월 22일 (금) 17:19:35 |   지면 발행 ( 2011년 3월호 - 전체 보기 )



전기자동차의 가장 큰 매력은 환경 친화적이라는 점이다. 배터리에 축적된 전기로 자동차를 구동하는 전기자동차는 지구온난화의 주범 중 하나로 꼽히는 배기가스를 전혀 배출하지 않는다. 그러나 막상 전기자동차를 구입하려는 소비자 입장이 되고 보면 문득 이런 불안이 엄습한다. 잘 나가던 자동차가 내장된 전지 잔량 부족으로 도로 한 가운데서 멈춰 서 버린다면?
전기자동차의 보급만큼이나 인프라 조성이 중요한 이유가 바로 여기에 있다. 그 중 급속 충전시스템은 짧은 시간에 필요한 전기를 보충전하므로 이러한 소비자의 우려를 잠재울 수 있다.

전기자동차(EV)는 배기가스를 배출하지 않는 환경 성능이 우수한 자동차로, 운송 부문의 CO₂삭감에 기대가 큰 비장의 카드다.
도시에서 하루당 자동차 주행 거리는 업무용이든 개인용이든 대부분의 경우 40~50㎞ 정도로, 1회 충전으로 약 100㎞ 주행이 가능한 EV는 이미 일상생활에 충분한 실용성을 가지고 있다. 충전 전력의 전기요금은 같은 거리를 달리는 가솔린차의 연료비와 비교해 1/3 수준이며, 심야 전기요금을 이용하면 약 1/7이 된다. EV는 우수한 환경성과 경제성을 가진 반면, 1회 충전 시 주행 거리나 충전 시간을 해결해야 할 과제로 여겨 왔다. 2009년부터 일본에서 판매를 시작한 EV는 급속 충전을 통해 이런 주행거리 제약을 해소하고 있다. 본고에서는 급속 충전의 기술적 특징과 향후 공공 충전 인프라의 올바른 모습에 대해 이야기한다.

급속 충전의 의의
EV는 보관 장소에 콘센트를 설치하면 야간 등 차량을 이용하지 않는 시간대에 저렴하게 충전할 수 있으며, 가솔린차와 같이 급유를 위해 주유소까지 나가야 하는 수고를 들이지 않아도 된다. 그러나 EV는 1회 충전당 주행 거리에 한계가 있다. 따라서 행선지에서 전지 잔량이 얼마 남지 않았거나 조금 더 멀리까지 가고 싶을 때 주행 도중에 보충전을 필요로 한다. 이러한 경우 공공 주차장이나 주유소 등에서 급속 충전이 가능하면 이용자는 주행 거리의 불안으로부터 자유로워지고 EV의 이용 범위 확대에 일조할 수 있다.
현재 시판되는 EV에는 AC 100/200V의 완속 충전과 DC의 급속 충전에 대응하는 두 개의 충전구가 있다. 50㎾ 출력 급속 충전기는 5분간으로 약 40㎞, 10분간으로 약 60㎞ 주행분을 충전할 수 있다.

앞으로 수요 확대와 함께 2차 전지의 가격 하락이 예상되긴 하나, 향후 EV는 가솔린차와 동등한 주행거리를 실현하기 위해 전지 탑재량을 늘려야 할 것이다. 만약 EV에 여분의 전지를 갖추어 쌓게 되면 차량 비용 증가는 물론 차량 중량도 늘어나 전기 효율[電費]과 성능 저하라는 두 가지 단점이 생긴다. 또한, 최대 주행 거리보다 더 먼 거리를 운전하고 싶을 때나 충전하는 것을 잊었을 때에 전지의 추가만으로는 해결하기 어려운 문제도 남는다. 이러한 경우 주행 루트 가까운 곳에 급속 충전기가 있으면 단시간에 필요한 전기를 보충전해 달릴 수 있다. 이처럼 급속 충전기를 공공 인프라로 정비하는 일은 EV의 편의성을 향상시키는 필수 요건이다.

급속 충전 방식의 개요
일반적으로 충전이 필요한 제품은 충전기와 전지가 일체형으로 구성되든가 전지를 내장하는 제품과 전용 충전기로 구성돼 있다. 두 경우 모두 충전기는 충전할 전지의 특성 또는 충전 패턴을 내부에 기억하고 전지 상태를 계속 파악해 충전 관리를 한다.
그러나 EV는 차종마다 다른 전지를 내장하고 있다. 만약 급속 충전기에 기존 충전기 방식을 그대로 적용한다면 차량이나 탑재 전지를 추가 · 변경할 때마다 이들 전지의 특성 또는 충전 패턴을 충전기 쪽에 추가해야 하는 수고가 발생해 충전기 관리와 운용이 상당히 비효율적이다. 현재 시판되는 EV는 <그림 2>와 같이 차량 ECU(Electric Control Unit)가 충전 중에도 전지 상태를 늘 감시하는 동시에 그때그때 전지 상태에 따라 충전에 필요한 전류값을 계산하고 충전 케이블에 갖춰진 통신선을 통해 충전기 쪽에 보낸다. 급속 충전기는 EV에 탑재된 전지전압을 검사하고, 그 전압에 맞춰 충전 전류가 차량의 전류 지령값이 되도록 제어한다. 이 방식의 채용으로 충전기 쪽에서는 전지 상태 감시나 변화에 따른 연산을 할 필요가 없어지므로 전지의 종류나 특성에의존하지않는범용성을확보할수있다. 동시에 향후 기술 발달로 성능이 향상된 전지를 도입하는 데 있어 인프라가 제약으로 따르지 않을 것이라는 이점도 있다.


* 위 이미지를 클릭하시면 크게 보실 수 있습니다.

안전성 확보
급속 충전기는 일반 운전자의 이용을 전제로 하며 무인으로 운용되는 것도 상정하기 때문에 안전성 확보, 특히 감전에 대한 방호 대책이 요구된다. 따라서 급속 충전기 내부에서는 출력 전류의 피드백제어를 위한 전압 · 전류의 계측계에 따른 과전류, 과전압을 감시하는 동시에 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)라는 파워 일렉트로닉스 소자의 온도 감시에 의한 과열을 방지하고 소자 손상에 따른 누전 재해 위험을 저감하고 있다. 또한 충전 커넥터 케이블은 충전할 때마다 이용자가 차량에 탈착 조작을 하므로 이러한 장치의 파손으로 인한 감전 위험을 줄이는 것이 감전 방호상 중요하다. 그래서 충전기 내부에 절연 변압기를 설치해 입력 측의 교류 계통과 출력 측의 직류 계통을 분리하는 동시에 출력 측(변압기 2차 측)을 비접지계로 한다. 이로써 충전 케이블 내에 있는 직류 급전선 중 어느 것이 지락地絡하는 단일 고장이 발생해도 감전 재해를 방지하는 것이 가능하다. 게다가 출력 전로의 지락을 검출하는 지락 검출기를 설치해 감전 재해에 대한 안전성을 높이고 있다.

충전 방식의 표준화 동향
급속 충전기를 공공 인프라로 보급하려면 통일된 인터페이스를 준비하는 한편, 다른 차종에서도 문제없이 충전 가능한 공통의 통신 기반을 제공해야 한다. 구체적으로 차량에 접속하는 커넥터의 물리적인 인터페이스, <급속 충전 방식의 개요>에서 논한 충전 방식을 실현하기 위한 통신 프로토콜의 소프트웨어 인터페이스 이 두 개를 통일하는 것이 필요하다.
급속 충전과 관련된 일본 국내 규격은 1990년대에 구 (재)일본전동차량협회(현 (재)일본자동차연구회(JARI))에서 제정됐으며, 커넥터 등 물리적인 인터페이스는 이 규격을 채용하고 있다. 통신 프로토콜은 옛 규격을 토대로 하면서 충전기 설계 방침의 차이 등을 고려해 도쿄전력㈜가 중심이 되어 자동차 회사, 전원기기 제조사 등과 함께 다음과 같은 확장을 첨가했다.
첫째, 디지털 데이터의 통신 내용 변경이다. 통신 프로토콜에는 차량과 충전기 사양 정보, 차량으로 부터 전류 지령값 등의 데이터 통신과 함께 충전 개시 · 실시 · 정지의 각 단계에서 쌍방의 상태값을 알려 안전하고 확실한 충전을 위한 제어 시퀀스를 포함한다.
둘째, 상세한 충전 제어 시퀀스다. 충전을 안전하게 개시 · 종료하려면 충전기와 차량 양쪽 모두 저마다의 설계에 따른 각종 확인과 검증 작업이 충전을 할 때마다 필요하다. 설계 내용은 차량마다 또는 충전기마다 달라 한 쪽 작업이 상정된 시간을 넘겨 계속되면 제어 시퀀스의 불성립으로 충전이 불가능 할 수도 있다. 이것을 막으려면 쌍방의 주요 설계를 규정한 후 엄격하면서도 상세한 제어 시퀀스를 정할 필요가 있다. 새로운 규격에서는 충전의 개시 · 정지에서 각 단계의 대기 시간이나 실시 항목 등을 모두 명확히 한 후에 상태값 확인의 셰이크핸드가 확실히 기능하도록 양식을 규정하고 있다. 이러한 것들을 평소 동작 외에 이상이 발생한 경우에도 확실히 함으로써 모든 동작 조건에서 안전하고 확실한 충전 동작을 실현한다.

현재 일본 내에서 시판되는 EV와 급속 충전기는 이 방식에 준거하며 사실상 업계 표준이 됐다. 향후 순수하게 보급에 맞춘 기술 개량이나 보급 시책을 전개하는 단계로 들어설 것으로 예상되며, 이러한 보급 활동을 하는 단체로 2010년 3월'차데모협의회'를 설립했다. 이 협의회는 도요타자동차㈜, 닛산자동차㈜, 미쓰비시자동차공업㈜, 후지중공업㈜, 도쿄전력㈜ 등 5개 사를 설립 멤버로 발족하고 해외기업을 포함해 200개 사가 넘는 기업 · 단체가 참가하고 있다.

충전 인프라의 올바른 모습
EV, 플러그인하이브리드 자동차(PHV)를 본격적으로 보급하려면 충전 인프라 정비가 필수라는 사실은 누구나 안다. 그러나 이용자의 편의성을 최대화하는 일과 인프라 정비에 드는 전체 비용을 최소화하는 것은 서로 모순된 명제며, 이것을 얼마만큼 균형을 맞출지는 기술 요건, 경제성, 전력 계통과의 조화 등 여러 평가 축에서 종합적으로 평가해야 한다.
PHV는 전지 잔량이 줄어들어도 엔진으로 주행이 가능해 급속 충전이 필요하지 않다. 보관 장소나 목적지의 주차장에서 충전 가능한 콘센트만 있으면 EV 모드에서의 주행 비율은 커질 수 있다. 따라서 저비용으로 가능한 충전 개소를 많이 늘리는 것이 경제성, 환경성 양쪽 모두의 이점으로 이어진다.
한편, EV를 위한 인프라는 완속 충전과 급속 충전 두 개의 충전 방식의 균형을 맞추는 것이 필요하다. 일본에서 급속 충전기는 EV와 같이 2009년 판매 개시부터 국가의 구입 보조금 제도가 적용됐으며, 2010년 8월까지 설치 개소가 고속도로 휴게소와 대규모 상업 시설 주차장, 주유소, 지방 공공 단체 시설 등 전국에 250개소 이상에 달했다.
급속 충전기는 단기간에 충전 가능한 아주 높은 편의성을 가진 반면, 장치 가격이 200만~300만 엔 정도 들고 설치 비용도 100만 엔 단위로 필요하다.
단, 급속 충전기는 보충전이 주목적이므로 EV100~200대당 1대 정도의 비율이라도 요소요소에 적절히 배치하면 공공 인프라로 충분히 기능한다고 여겨진다. 한편, 거의 매일 사용하는 완속 충전은 EV 1대마다 필요하기 때문에 가능한 기존 설비를 활용하고 저비용으로 정비할 수 있는 것을 최우선으로 고려해야 한다. 향후 EV 보급에 맞춰 필요한
충전 인프라 정비의 사회 비용을 최소화하기 위해
서는 완속 충전과 급속 충전의 장점을 살려 균형 있
게 정비하는 것이 중요하다.
EV의 본격 보급을 위해 앞으로 공공 인프라로서의 급속 충전기의 설치 비용을 누가 부담할 것인가를 생각해야 한다. 급속 충전은 이용자에게 상당히 부가가치가 높은 서비스이므로 충전 1회당 서비스요금을 높게 설정해 단체單體비즈니스로 성립할 가능성도 생각할 수 있다. 그러나 급속 충전기는 EV가 많이 달리는 시가지에만 있다고 될 리가 없다.
주행 중 전지 잔량에 마음이 놓이지 않는 EV 이용자의 주행 거리에 대한 불안을 해소하려면 일정 거리 범위에 급속 충전기가 있어야 한다. 이는 1년에 수회밖에 이용되지 않는 충전기의 존재 가치도 매일 수회 이용되는 충전기와 마찬가지로 초기 투자의 회수 기회가 부여되지 않으면 배치 적정화는 실현할 수 없게 된다. 지금까지 급속 충전기 설치는 공적인 보조 사업이나 기업의 사회적 책임(CSR)의 일환으로 EV 보급에 선행해 이루어져 왔다. 그러나 앞으로 EV를 수백만 대 수준으로 보급시켜 가기 위해 이용자가 넓은 범위에서 적게 비용을 부담하고 충전 인프라를 정비, 유지하는 비즈니스 모델을 만들어 나가는 것이 향후 중요한 과제다.

충전 전력의 수요 영향 평가
EV, PHV가 대량으로 도입됐을 때 필요로 하는 전력 수요가 계통에 주는 영향, 즉 충전 전력이 증가하면서 송배전 설비나 송전 설비의 증강을 걱정하는 의견이 있다. 일본 경제산업성의'차세대 자동차 전략 2010'에서는 2030년 승용차 신차 판매 대수에 EV, PHV가 차지하는 비율(정부 목표)을 20~30%로 했다. 연간 일본 국내 승용차 판매 대수는 약 400만 대, 2030년 시점에서 EV, PHV 누계 판매 대수(Stock)를 1000만 대로 가정하고 2030년 시점의 전력 수요를 계산한다.
연간 충전 전력 수요는 EV, PHV 1대당 평균 연간 주행 거리를 1만㎞, EV, PHV를 모두 합친 EV모드 주행 비율을 80%, 전기 효율[電費]을 7㎞/㎾h로 하면 114억㎾h가 된다. 이것은 2009년도 일본 국내 판매 전력량(10개 전력회사 계) 8889억㎾h에 대해 약 1%의 수요 증가에 해당한다.
최대 전력 수요[㎾]에 미치는 영향은 완속 충전과 급속 충전으로 나눠 생각해야 한다. 대부분의 차량은 주로 낮 시간대에 주행하고 야간의 오프 피크off-peak 시간대에 충전하는 일이 많을 것이므로, 여름철 피크 시간대인 대낮과 겨울철 피크 시간대인 아침저녁의 완속 충전 이용률을 5%로 가정한다.
충전 전류를 15A, 100/200V의 비율을 각 50%로 하면 완속 충전에 의한 전력 수요는 113만㎾로 계산된다. 한편, 급속 충전은 주행 중 보충전이 주된 목적이므로 오히려 낮 시간대 이용이 많을 것으로 생각되며, 수요의 크기는 급속 충전기 설치 대수에 비례한다. 2030년 일본 전국의 급속 충전기 설치 대수를 가령 1만 대, 1대당 출력을 50㎾, 평균 시간 설비 가동률을 25%로 하면 수요는 13만㎾다. 이 둘의 합계인 126만㎾는 일본 10개 전력회사의 최대 전력(2001년 발전단) 1억 8천만㎾에 대해 약 0.7%의 영향밖에 되지 않는다.
이상으로부터 EV, PHV의 충전 전력 수요가 전력 계통에 미치는 부負의 영향은 적으며, 오히려 연간 114억㎾h의 신규 수요를 야간에 향하도록 함으로써 오프 피크의 수요 창출로 이어지고, 봄 · 가을 등의 계절이나 휴일 수급 운용에 좋은 영향을 기대할 수 있다.

스마트 그리드
전력 계통과의 협조라는 점에서는 주행하지 않는 EV, PHV를 이용해 오프 피크 시간대에 싼 전력으로 충전하고 피크 시간대에 높은 가격으로 계통에 방전시키는, 이른바 Vehicle to Grid(V2G)에 의해 EV, PHV의 보급 확대가 전력 계통의 신뢰성 향상에도 기여한다는 기대도 있다.
확실히 일반 이용자가 소유한 자동차는 항상 달리고 있지는 않다. 자택의 차고나 통근하는 곳의 주차장에 주차하는 시간이 대부분이므로 그 빈 시간을 유용하게 활용하면 재생 가능한 에너지 연계대책의 비용 절감이 될지도 모른다.
그러나 V2G 실현에는 소유자에게 이점이 있는가 하는 점에서 중요한 문제가 간과되고 있다. 첫째, V2G 실현에 드는 비용 문제다. EV, PHV의 완속 충전용 차량 탑재 충전기는 오로지 전지에 충전하는 것을 목적으로 소형으로 설계된다.
만약 전지에서 계통 쪽으로 역조逆潮하는 기능을 추가하면 그만큼 차량 비용이 올라가게 된다. 충전기 개량에는 단순하게 인버터를 양방향으로 사용하도록 할 뿐만 아니라 계통 쪽에 전력을 공급하기 위한 노이즈 대책 등의 비용도 더 든다. 게다가 충 · 방전의 타이밍을 제어하려면 계통의 수급 상황과 전지 잔량을 양방향에서 통신, 제어하는 스마트 미터나 컨트롤러를 설치하는 비용도 필요하다. 스마트 그리드의 도입 논의에서는 피크 · 오프 피크의 전력 가격차를 이용해 증분 비용의 회수를 기대하고 있으나, 계통 운용에서 축전지의 도움을 필요로 하는 때가 반드시 매일매일은 아니므로 추가 비용의 회수는 보장되지 않는다. 거기다 EV, PHV의 소유자는 전력 계통 사정을 고려해 자동차를 구입하는 것이 아니다. 예를 들어 아무 것도 하지 않은 빈 시간이 결과적으로 길었다하더라도 외출하려고 생각했을 때 전지 잔량이 절반도 남아있지 않을 수도 있는 불편은 EV 구입자에게 있어 받아들이기 어렵다는 문제도 있다.

CO₂배출량의 1990년 대비 25% 삭감을 국제 공약으로 실현하려면 태양광 발전 등의 대량 도입이 필요하므로 앞으로 기존 발전 설비에서 조정력이 부족하게 된다. 이러한 단계에서 EV용 리튬 전지를 정치형定置型으로 2차 이용해 태양광이나 풍력의 출력을 일시적으로 억제하는 등의 대책과 맞춰 가장 효율적인 운용 방법을 검토해야 한다.

*

요즘 많은 언론에서 EV 붐을 다루고 있으나 EV가 지금 당장 자동차 시장의 주류가 되는 것은 아니다. 차량 타입이나 이용 목적에 따라 각각에 적합한 저연비 기술과의 조합에 의해 먼저는 근거리 운전에 이용하는 소형차부터 보급을 시작할 것이다. 장기적으로 EV를 본격 보급하기 위해서는 비용 저감과 충전 인프라 정비 등 해결해야 할 과제가 남아있다. 앞으로도 업계를 초월한 다양한 분야의 파트너와 협력하면서 EV 보급 활동은 계속 이루어질 것으로 보인다.

정리 전화영 기자

<Energy News>

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태그 : 미래를 향한 질주 전기자동차
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2011년 3월호
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