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[EV 충전 인프라 개발 및 보급②]
EV용 충전 인프라 보급 현황과 미래 전망
최근 환경오염과 자원부족의 문제가 심각하게 대두되면서 소음이 적고 휘발유 등 화석연료를 사용하지 않아 배기가스를 거의 분출하지 않는 친환경차, 전기자동차(EV)에 대한 관심과 보급의 문제가 다시금 주목을 받고 있다. 하지만 전기자동차의 보급에는 충전 인프라 및 급속충전기의 정비 등 아직 많은 과제들이 남아있다. 본고에서는 CHAdeMO 방식의 급속충전기를 소개하면서 일본 국내외의 표준화 동향 및 충전 인프라의 현황과 과제에 대해 살펴본다.
번역·정리 김대근 기자 전기자동차(EV)는 주행 중에 CO₂를 배출하지 않는 환경성능이 뛰어난 자동차이다. 또한 EV의 주행에 필요한 전기요금은 동일한 거리를 달리는 가솔린 자동차의 연료비 대비 약 3분의 1 정도이고, 심야전력 요금을 이용하는 경우에는 약 7분의 1이면 족하다. EV는 이와 같이 우수한 환경성과 경제성을 가지고 있지만 충전 1회당 항속거리 및 충전시간에 있어 많은 과제가 남아있다. 2009년부터 판매가 개시된 새로운 EV는 가정용 전원으로 실행하는 보통 충전과 더불어 CHAdeMO(차데모) 방식에 의한 DC 급속충전기로 단시간 보충전(補充電, Recharge)을 가능케 함으로써 항속거리의 제약을 완화해 향후 본격적인 보급이 기대되고 있다. CHAdeMO의 규격은 사실상 일본 국내의 표준이 되고 있으며, JARI(일본자동차연구소)의 안으로서 IEC(국제전기표준회의), SAE(미국자동차기술자협회)에 제안되었다. CHAdeMO의 기술적 완성도 및 안전성 확보의 방식에 대해서는 일정 부분 이해가 진행되고 있지만, 해외 제조업체에서는 커넥터Connecter의 모양 및 통신방식 등에서의 대항 방안도 제안되고 있다. 본고에서는 국제회의에서 논의되고 있는 논점과 각국에서 제안하는 기술에 대해 소개하고, 충전 인프라 보급의 전망에 대해 기술한다.
CHAdeMO 방식의 개요 급속충전의 의의 EV, 플러그 인 하이브리드카Plug-in hybrid car(PHV)는 가정용 전원으로부터 충전할 수 있다는 점이 특장점 중에 하나이다. EV의 보관장소에 콘센트를 설치하면 야간 등 자동차를 이용하지 않는 시간대에 저렴하게 충전할 수 있고, 가솔린 자동차와 같이 급유를 하기 위해 주유소까지 나가야 하는 수고로움을 덜 수 있다. 그러나 EV는 1회 충전당 주행거리에 제한이 있기 때문에 운전 중 배터리 잔량이 부족해지거나 더 먼 곳까지 나가야하는 경우에는 주행 도중 보충전을 할 필요가 있다. 이러한 경우 공공 주차장 및 주유소에서 급속 충전이 가능하다면 주행거리에 대한 이용자의 불안감이 해소되어EV의 이용범위가 한층 확대될 것으로 보인다. CHAdeMO 방식의 특장점 50㎾ 출력의 CHAdeMO 급속 충전기(<그림 1> 참조)는 5분간 40㎞ 정도, 10분간 60㎞ 정도의 주행분을 충전할 수 있다. 5분~10분이라고 하는 충전시간은 배터리 잔량이 부족해졌을 경우에 추가로 충전 시 EV 이용자가 허용할 수 있는 대기 시간이며, 당초 개발의 목표로 설정한 값이다. 급속 충전기는 공공 인프라이기 때문에 어떤 제조업체의 EV라도 공통으로 이용 가능할 것이 필수요건이다. 그러나 EV는 차종별로 다른 전지 시스템을 채용하고 있어 그 각각에 있어서의 최적의 충전 패턴을 급속충전기가 판단·제어 시 차량 및 탑재전지시스템이 추가 또는 변경될 때마다 그 전지특성 및 충전 패턴들을 추가해야하는 번거로움이 발생한다. 이로 인해 충전 인프라의 유지에 있어 매우 비효율적인 운용을 할 수밖에 없다. CHAdeMO 방식에서는 <그림 2>에 보이는 것처럼 차량 ECU(Electronic Control Unit)가 충전 중인 배터리 상태를 지속적으로 모니터링한 결과를 토대로 그때그때의 배터리 상태에 따라 충전에 필요한 전류값을 계산하고 충전 케이블에 설치된 통신선을 통하여 충전기 측에 지령값을 통지한다. 급속충전기는 전류 지령치를 전기자동차로부터 실시간으로 수신하여 지령값에 따른 직류 전류를 공급한다. 이와 같이 EV 주도의 전류제어를 행함으로써 충전기 측에서는 배터리 상태의 모니터링 및 그 변화에 따른 연산을 할 필요가 없어지게 되어 배터리의 종류 및 특성에 의존하지 않는 범용성을 확보함과 동시에 미래의 기술 혁신을 통해 배터리 성능이 향상된 경우 인프라가 그 도입에 제약이 되지 않는다는 장점도 있다.
 
인터페이스의 규정
CHAdeMO 방식에서는 EV와 급속충전기 여러 대의 조합에서 상호 호환성을 확보하기 위해 전기자동차에 연결하는 커넥터 ‘하드웨어 인터페이스’와 앞에서 말한 충전 방식을 실현시키기 위한 통신 프로토콜 ‘소프트웨어 인터페이스’의 2가지를 규정하고 있다. 커넥터의 일본 국내 규격에 대해서는 1990년대에 구(舊) 일본전동차량협회(현재의 JARI)에서 책정되었으며, CHAdeMO 방식에서도 이 사양을 채용하고 있다. 최대출력 DC150A/500V의 공급 능력이 있으며, DC출력단자 외의 빈 공간에 제어신호선을 배치하여 사이즈를 콤팩트화했다. 안전대책으로서는 충전 중을 나타내는 표시기(Indicator) 및 통전 중의 커넥터 빠짐을 방지하는 전자 잠금장치를 채용하고 있다. 통신 인터페이스로서는 아날로그 제어선 외에 CAN(Controller Area Network)을 채용하고 있다. CAN은 내(耐)노이즈성이 우수하고 에러 검출 능력이 뛰어나며, 통신의 안정성과 신뢰성이 높아 차재제어기기의 분산형 네트워크로서 가장 널리 사용되고 있는 기술이다. 원래 CAN은 자동차의 고기능화 및 제어기기수의 증가에 대응하기 위한 분산제어형 네트워크이지만, 급속충전 시에는 안전성을 최우선시하기 위해 ECU와 충전기 측의 제어 유닛을 1대1로 통신하도록 하고 있다. 안전성의 확보 급속충전기는 일반 운전자가 이용하는 것을 전제로 하고 있으며, 셀프서비스로 운용하는 것도 상정하고 있기 때문에 그 안전성의 확보, 특히 감전에 대한 방호대책이 요구되고 있다. 이용자가 직접 조작하는 충전 커넥터는 감전 리스크가 가장 높은 부분이다. CHAdeMO 방식에서는 시퀀스 제어를 통해 커넥터가 잠금 및 연결되기까지 급속충전기의 커넥터 및 EV의 급전구 모두 접점을 개방하여 충전 중 실수로 접촉하여도 감전이 되지 않도록 보호하고 있다. 회로 구성으로는 충전기 내부에 절연변압기를 설치하여 입력측의 교류계통과 출력측의 직류계통을 분리시킴과 동시에 출력측(변압기 2차측)을 비접지계로 하고 있다. 이를 통해 충전 케이블 내에 있는 직류 급전선의 어느 한쪽이 지락되는 단일고장사건이 발생해도 감전재해를 방지할 수 있다. 게다가 출력 전로의 지락을 검지하는 지락검출기 설치를 필요 요건으로 하고 있어 감전재해에 대한 안전성을 높이고 있다. 또한 급속충전기 내부에서는 출력 전류의 피드백 제어를 위한 전압·전류계측계의 과전류·과전압을 감시하고, 동시에 IGBT 등 파워 일렉트로닉스Power Electronics 소자의 온도 모니터링을 통해 과열 방지를 실시하여 소자 손상에 의한 누전재해 리스크를 저감하고 있다.
표준화 동향
일본 국내의 동향 일본에서는 이미 CHAdeMO 방식을 채용한 급속 충전기 및 그에 대응하는 EV가 사실상 업계의 표준으로 자리 잡고 있다. 앞으로는 보급을 향한 더욱 적극적인 기술 개선 및 보급 시책의 단계에 돌입할 것으로 전망되고 있으며, 이러한 보급 활동을 실시하는 단체로서 2010년 3월「CHAdeMO 협의회」가 설립되었다. 이 협의회는 도요타, 닛산, 미쓰비시 자동차, 후지중공업, 도쿄전력의 5사를 간사회사로 하여 무려 370개사가 넘는 기업 및 단체가 참가하였으며, 이 중 해외기업이 90개사를 차지하고 있다. <그림 4>에서 보이는 CHAdeMO 로고 마크는 CHAdeMO 방식에 준거한 급속충전기의 식별 마크로서 사용되고 있다.
해외의 동향
IEC(국제전기표준회의)의급속충전과 관련한 표준화 논의에 대해서는 2010년 일본에서의 CHAdeMO 방식 제안을 계기로 DC충전에 관한 논의가 활발히 이루어지게 되었다. IEC61851-23(DC충전 스테이션), IEC61851-24(DC충전 제어 프로토콜)는 일본의 제안으로 추가된 규격이며, 일본이 WG의 의장이 되어 2010년 7월부터 활동을 시작하였다. 미국 규격은 SAE(미국자동차기술자협회)에서 논의가 이루어지고 있는데, IEC와 거의 같은 시기에 진행되었다. 미국·유럽은 보통 충전단자와 DC급속 충전단자를 일체화하여 만든 콤보 커넥터(<그림 5> 참조)를 제안하고 있다. 미국의 안과 유럽의 안에서는 ‘콤보’라고 하는 개념이 서로 일치하고 있지만, 보통 충전 커넥터의 모양이 달라 상호 호환성은 없다. GM, Ford 등은 DC급속충전 전용의 충전구를 PHV에 추가하면 급유구 외에 2개의 삽입구, 즉 총 3개의 삽입구가 필요하게 됨을 문제시하여 콤보 커넥터의 채용을 통해 차체에 낼 수 있는 삽입구를 최소화할 수 있다고 말했다. 한편, 콤보 커넥터는 CHAdeMO 방식의 커넥터보다 사이즈가 커서 조작성이 떨어진다는 단점이 있다. 잠금장치의 안전대책면에서도 복잡한 구조 등 실용화의 문제가 아직 미해결 과제로 남아있다.
충전 인프라의 현황 및 과제
DC급속 충전 인프라가 정비되어있고, 주행 루트의 일정 간격에 급속충전기가 설치돼 있으면, 단시간에 필요한 전기의 양을 보충전하여 주행할 수 있다. 공공 인프라로서의 급속충전기를 정비하는 일은 EV의 편리성을 향상시키기 위한 필수요건이다. CHAdeMO 방식의 급속충전기는 2011년 7월을 기점으로 세계에 834개소(일본 738, 유럽 89, 기타 7)가 설치되어 각국에서 다양한 실증시험 및 도입 프로젝트가 계획되어왔다. 일본의 급속충전기는 EV와 마찬가지로 2009년의 판매 개시일로부터 국가의 구매 보조금 제도가 적용되어 왔으며, CSR 및 저탄소사회 만들기에 기여할 목적으로 △고속도로의 휴게소 △대규모 상업시설의 주차장 △주유소 △지방공공단체 시설 등에 다수 설치되었다. 일본에 이어 인프라 정비가 진행되고 있는 유럽에서도 환경 공헌 프로젝트의 일환으로 공적 지원을 받고 있는 사례들이 많이 있다. 향후 EV가 본격적으로 보급되기 위해서는 공공 인프라로서의 급속충전기의 설치비용을 누가 부담할 것인가를 잘 생각해야 한다. 급속충전은 이용자에게 있어 대단히 이용가치가 높은 서비스이므로 충전 1회당 서비스 요금을 높게 설정하여 개인 사업으로서의 가능성도 고려할 수 있지만 급속충전기를 EV가 많이 달리는 시가지에만 설치할 수는 없다. EV이용자의 항속거리에 대한 불안감을 해소하기 위해서는 주행 중 배터리 잔량이 부족해졌을 시 일정거리의 범위 내에 급속충전기가 있어야 한다. 그런 의미에서 1년에 몇 차례밖에 사용되지 않는 충전기의 존재가치도, 또 매일 몇 차례씩 사용되는 충전기도 모두 초기 투자의 회수 기회가 동일하게 주어지지 않는다면 배치의 적정화는 실현되지 않을 것이다. 이상과 같은 조건들을 고려해 향후 EV를 수백만 대 수준으로 보급시키기 위한 비즈니스 모델로서「이용자는 광범위하게, 비용은 적게」부담하여 충전 인프라를 정비·유지하는 사업의 형태가 하나의 솔루션이 될 것으로 보인다. 또한 회원제 충전 비즈니스를 운영하는 회사는 자기자금으로 충전 인프라를 정비하고 기존의 설치 사업자를 한 곳에 모을 수 있다. 운영회사는 충전 서비스의 제공뿐만 아니라, 콜센터 및 설비 유지 보수 업무를 통합 관리함으로써 설치 사업자의 러닝코스트 부담을 경감시키고, EV 이용자에 대해서는 단순히 충전 서비스의 제공뿐만 아니라, 관련정보의 제공 및 운용지원, 로드 서비스Road Service 등을 원스톱으로 제공함으로써 고객만족도를 높이고 있다. 향후의 전망 저탄소 사회의 실현을 향한 일본, 미국, 유럽의 어느 환경정책에서도 수송 전화(電化)에 따른 CO₂절감은 최중요 시책으로 자리매김하고 있다. 닭과 달걀의 관계에 비유되는 것처럼 EV의 보급에는 충전 인프라의 정비가 필요함과 동시에 충전 인프라 정비의 투자 유치를 위해서는 EV의 보급(=충전 서비스 수요)이 불가결하다. CHAdeMO 협의회에는 자동차 회사, 충전기 제조업체뿐만 아니라, 충전 인프라 정비에 관련한 여러 기업·단체들이 참여하고 있으며, EV보급이라는 공통의 목표를 향해 노력하고 있다.
<Energy News>
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