Quality and Reliability Matter When It Comes to EV Chargers
EV 충전기의 품질과 신뢰성 문제
2021-10-22 온라인기사  /  글│돈 비존(Don Bizon), 글로벌 제품 매니저, Aptiv



사회가 e모빌리티를 받아들임에 따라, 소비자는 관련 기술이 모든 상황에서 안정적으로 작동한다는 확신을 주기를 원한다. 소비자는 전기차(EV)가 휘발유 차량과 동등하거나 더 나은 성능을 제공할 것으로 기대하며, 동일 수준의 안전성과 편의성을 갖춘 충전 경험을 찾을 것이다. 견고한 충전기는 이러한 확신의 중요한 요소이다. EV 충전기는 열악한 조건에서 장기간, 고속 충전에 안정적으로 작동해야 한다. 

글│돈 비존(Don Bizon), 글로벌 제품 매니저, 앱티브(Aptiv)
역 │윤 범 진 기자_bjyun@autoelectronics.co.kr




전력 인프라는 전 세계적으로 가정과 기업에 안전하고 신뢰할 수 있는 에너지를 공급하는 현대 전력망(electrical grid)과 함께 잘 정비돼 있다. 그러나 소비자가 전기차(EV)로 옮겨가면서 전력망에서 새로운 수준의 전력으로 충전을 하고 있다. 

(신세계와 구시대를 연결하는) EV와 그리드의 교차점에는 EV를 충전하기 위한 EV 충전기를 비롯해 전자제어 박스, 차량 연결 커넥터, 케이블 및 벽면 콘센트가 있다. 이 장비는 튼튼하고 신뢰할 수 있어야 하며, EV를 염두에 두고 구축된 적이 없는 전력 인프라와 연결할 때 발생할 수 있는 잠재적 위험으로부터 안전하게 설계돼야 한다. 

고품질 EV 충전기는 우수한 열관리, 케이블 강건성, 낙하 충격 방지 및 환경보호 기능을 제공한다. 또한, 집을 훼손으로부터 보호하고 외부 환경을 견뎌내며 낮은 등급의 충전기보다 수명이 길다. EV 소비자가 휘발유 차량에 견줄 만한 충전 속도와 편의성을 요구함에 따라, 이 과제의 핵심 부분은 그리드 말단의 몇 미터로 압축된다. 여기서 EV 충전기는 어떤 조건이나 전력 부하도 견뎌낼 수 있도록 제작되어야 한다. 


EV 충전기 설계 시 고려사항

안정적인 충전기를 제조하려면 전기적, 기계적 고려가 모두 필요하다. 전기적 측면에서는 차량을 안전하게 감시하고 전원을 공급하기 위한 충전기 전자제어 박스가 소비자의 예상대로 충전할 수 있도록 보장한다. 전자장치에는 부품 고장으로 인해 안전성 문제가 발생하지 않도록 설계에 리던던트(redundant) 기능이 내장돼 있어야 한다. 열관리는 그리드 연결부와 EV 충전기 내부의 과열을 방지하고 충전 주기를 최적화하는 데 중요하다. 

기계적 측면에서는, 다년간의 현장 경험을 통해 소비자가 사용하는 데는 여러 가지 해결해야 할 과제가 있음을 알 수 있다. 소비자가 EV 충전기를 바닥에 떨어뜨릴 수도 있고 케이블을 둘둘 말 수도 있다. 또한, 차가 충전기를 밟고 지나거나 충전기가 빗속에 방치되어 있을 수 있다. 때로는 잔디 깎는 기계가 덮칠 수도 있고 개들이 충전 케이블을 물어뜯거나 씹어 놓을 수도 있다.

충전기의 모든 부분에서 이러한 기계적 과제를 설계에 반영해야 한다. 예를 들어, 구리선이 단선되고 케이블 절연이 파괴되는 것을 방지하기 위해 적절한 고정대(strain relief)와 스트레스 완화장치(stress reducers)를 결합한 견고한 케이블 구조가 필요하다. 케이블 일체형 제어 박스(in-cable control box, ICCB)가 있는 경우에는 자동차 등급이어야 하며 비바람으로부터 보호할 수 있도록 적절하게 밀봉되어야 한다. 또한, 충전기를 차량에 연결할 때 소비자가 가장 많이 사용하는 부품인 커플러는 플러그를 꽂을 때 반복적인 떨어뜨림이나 오삽입을 견딜 수 있어야 한다. 

EV 충전기를 시장에 내놓으려면, 최소한 UL, IEC, CQC(Care Quality Commission) 등에서 규정한 안전기준 인증을 받아야 한다. 산업 표준을 준수하면 신뢰성 문제를 해결할 수 있을 것으로 생각하지만, 대부분 표준은 충전기가 시험 조건에서 사용하기에 안전하다고 보장할 뿐이다. 



그림 1 | 충전기에 필수인 기능들


복잡한 현장 제품

EV가 전 세계적으로 인기를 구가하고 있으며, EV 충전은 지역이나 사용 사례에 따라 다르게 발전하고 있다. 이로 인해 EV 충전기를 포함한 전기차 전원공급장치(EV supply equipment, EVSE)에는 모드(mode), 레벨(level), 유형(type)이라는 일반적으로 허용되는 세 가지 기술 용어가 존재한다. 

Mode: 모드(그림 2)는 EVSE가 전력망에 연결되는 방식을 반영한다. 

- Mode 1은 가정용 AC 소켓에 연결되지만, Mode 1에는 특수 안전 전자장치가 없기에 일반적으로 대부분 지역에서는 허용되지 않는다.
- Mode 2는 표준 가정용 AC 콘센트에 연결되며 ICCB에 이러한 안전 기능을 포함한다. 
- Mode 3은 AC 충전을 위해 월박스나 충전 스테이션에 연결한다. ICCB는 포함하지 않는다. 소비자는 유럽의 공공 AC 충전소를 이용하기 위해 Mode 3 케이블이 있어야 한다. 
- Mode 4는 충전소에서 고속 DC 충전을 위해 예약되어 있다.

Level: 레벨은 차량에 전달되는 전력량을 나타낸다. SAE는 J1772 표준에서 다음과 같이 레벨을 명시하고 있다. 

- Level 1은 120V, 1.8kW로 제한된다. 
- Level 2는 208~240V, 최대 80A로 정의되며 최대 출력은 19.2kW이다. OEM이 배터리 용량을 늘림에 따라 이 대역 내에서 전력 레벨도 증가하고 있다. 오늘날 일반적인 BEV는 온보드 충전기를 통해 11kW AC 전원을 사용할 수 있다. 3상 전력이 설치된 가정은 16A의 전류로 11kW에 도달할 수 있지만, 단상 전원은 약 48V를 공급해야 한다. 
- DC Level 1과 2는 고속 충전을 지원하며 상업용 충전소에서만 사용할 수 있다. 일반적으로 “Level 3”이라고 하는 DC Level 2는 최대 1,000 VDC를 제공할 수 있으며 향후 350kW 이상의 출력으로 500A에 이를 것으로 예상된다. 충전 속도는 20분 만에 일반 EV 배터리의 약 80%를 충전할 수 있다. 


그림 2 | 충전 모드


Type: 타입은 차량 인터페이스를 나타낸다. 불행히도 표준화 조직은 세계 표준을 지지하지 않았다. 따라서 전 세계적으로 AC 충전을 위한 3가지 인터페이스가 존재한다(그림 3):

- 북미와 한국은 AC에 J1772 Type 1을 사용하고 DC에 CCS1을 사용한다. 
- 유럽은 AC에 대해 IEC Type 2를 사용하고 DC에 대해 CCS2를 사용한다. 
- 일본은 AC에 J1772 Type 1을 사용하지만 DC에 CHAdeMO를 사용한다. 
- 중국은 AC 및 고유한 DC 인터페이스에 대해 GB/T 인터페이스를 사용한다.  
- 또한, 새로운 ChaoJi 표준은 중국과 일본 모두에서 채택될 수 있다.



그림 3 | 충전기 타입


우수한 EV 충전기 요소

고품질 EV 충전기는 앞서 언급한 모든 전기적/기계적 고려사항을 해결함으로써 소비자에게 높은 수준의 신뢰성, 견고성, 안전성을 제공한다. 여기서 중요한 요소를 살펴보면 다음과 같다.

- 전기: 소프트웨어나 하드웨어의 리던던트 기능은 한 지점에서 결함이 발생하여도 안전하지 않은 상태로 이어지는 것을 방지한다. 또한, 충전기에는 시스템 문제가 있는 경우 최소한 어느 정도의 충전을 할 수 있도록 감소된 속도로 차량에 전력을 공급할 수 있는 기능이 있어야 한다. 현재 표준들에는 접촉식 모니터, 그리드 코드 모니터 등이 필요 없지만 우수한 EV 충전기에는 안전을 보장하는 데 도움이 되는 것들이 포함될 것이다. 

- 열관리: 우수한 충전기는 더 높은 출력을 지원할 수 있어 필요한 충전 시간을 단축한다. 또한, 일반적으로 -40˚C ~ 50˚C(-40˚F ~ 122˚F)의 주변 온도 범위에서 충전할 수 있다. 주변 온도가 50℃인 중동과 같은 일부 지역에서는 EVSE가 70℃에서 견딜 수 있어야 한다. 충전기 설계는 이러한 가능성을 고려해야 하며 극한 온도에서도 디레이팅(derating) 없이 최대 출력을 제공해야 하며, 시스템을 보호하기 위해 모든 온도 조건에 대응해야 한다. 

- 셀프 모니터링: 그리드 코드 열 모니터링은 플러그의 온도를 측정하여 장치가 과열되지 않도록 함으로써 콘센트에 연결된 상태에서 장치를 보호한다. 한편, ICCB는 극한 조건에서 전자장치를 보호하기 위해 자체 온도를 모니터링해야 한다. 또한, 릴레이 접점 모니터링은 용접 또는 개방 접점을 감지하는 데 중요하다. 

- 변형 및 굽힘 완화: 이를 통해 절연 재킷 균열, 케이블 가닥 파손 및 내부 단락을 초래할 수 있는 소비자 오용 및 통상적인 마모로부터 보호한다. 스트레스-고장 평가 테스트는 오용에 견딜 수 있는 케이블을 개발하는 데 중요한 도구이다. 소비자는 케이블을 팽팽하게 구부리는 등 ICCB 주위에 케이블을 감쌀 수 있다. 이러한 소비자 사용에 대응하고 케이블 신뢰성을 보장하려면 핀치 영역을 제한하기 위한 변형 완화가 매우 중요하다. 

- 낙하 방지: EV 충전기를 바닥에 떨어뜨릴 수 있으며, 수명주기 동안 이러한 낙하로 인해 파손될 수 있다. 개발자는 첨단 전자장치 절연을 통해 이러한 손상을 완화할 수 있다. EV 충전기의 ICCB와 전자장치는 1미터 높이에서 전력이 공급되지 않은 상태에서 최소 100번, 전력이 공급되는 상태에서 50번의 낙하 시험을 견뎌야 하며, 커플러는 동일 높이에서 250번의 낙하 테스트를 견딜 수 있어야 한다. 

- 차폐 인클로저: 이러한 요소는 특히 수분으로 인한 손상으로부터 충전기와 ICCB를 보호한다. 이러한 보호 기능은 비, 진눈깨비, 눈으로 인해 충전기가 손상될 수 있는 실외에서 장비를 사용하는 경우에 중요하다.

- 충전 용량: 배터리가 클수록 충전 시간이 길어진다. 더 빠른 충전을 위해서는 차량 내부 배선과 충전기의 용량이 커질 필요가 있다. 오늘날 저가 충전기는 1.4kW~3.6kW를 지원한다. 차세대 EV 충전기는 최대 11kW까지 확장되어 가정에서 훨씬 더 빠르게 충전할 수 있다. 


표준 그 이상

산업 표준은 EV 충전기 상용화를 위한 기본 요건으로 중요한 역할을 한다. 그러나 표준 충족은 사실상 시작에 불과하며, 일부 표준은 시간이 지남에 따라 자동차 OEM이 요구하는 안정적인 성능에 필요한 수준에도 미치지 못한다. 

예를 들어, 표준에서는 그리드 코드의 열 모니터링이 필요하지 않을 수 있다. 집안에 수십 년 전에 전기 콘센트가 설치되었을 수도 있지만, 그 누구도 집주인이 EV를 충전하기 위해 매일 밤 10시간 이상 12A를 사용할 것이라고 예상하지 못했다. 적절한 열 모니터링이 없으면 집안의 전기 인프라가 저하되어 사고로 이어질 수 있다. 시스템에 열 모니터링 기능을 통합하면, 충전기는 물론 소켓도 보호할 수 있다.

마찬가지로, 기본 표준(basic standard)에서는 EV 충전기가 반복적인 낙하 충격을 견딜 수 있도록 요구하고 있으며, 충전기는 고압선 노출과 같은 불안전한 상태를 만들지 않는 경우 낙하 시험을 통과할 수 있어야 한다. 그러나 충전기가 여전히 안정적으로 작동하는지는 고려되지 않는다.

우수한 EV 충전기는 AEC-Q 규격을 준수해야 한다. AEC-Q 인증 부품은 엄격한 허용오차, 테스트 및 품질 요건을 충족하므로 시간이 지남에 따라 더 안정적이다. 


완전한 솔루션

사회가 e모빌리티를 받아들임에 따라 소비자들은 관련 기술이 모든 상황에서 잘 작동한다는 확신을 주기를 원한다. 소비자들은 EV가 휘발유 차량과 동등하거나 더 나은 성능을 제공할 것으로 기대하며, 동일 수준의 안전성과 편의성을 갖춘 충전 경험을 찾을 것이다. 

견고한 충전기는 이러한 확신의 중요한 요소이다. EV 충전기는 열악한 조건에서 장기간, 고속 충전에 안정적으로 작동해야 한다. 

인성(toughness)을 이해하고 있는 앱티브는 EV 충전기의 선두주자이다. 예를 들어, 적극적인 고장시험 평가를 통해 업계 최고의 강건한 케이블을 개발했다. 앱티브 케이블은 이 테스트에서 경쟁 케이블보다 7배 높은 성능을 나타냈다. 

더 중요한 것은 EV 충전기가 차량의 모든 전기 부품을 포함하는 전체 그림의 일부라는 것이다. 충전 인렛에서, 앱티브는 급속 충전을 지원하는 능동/수동 냉각의 혁신을 구축하고 있으며, OEM이 요구하는 고전압 연결 및 배선을 계속해서 생산하고 있다. 이러한 혁신은 복잡한 와이어 하네스를 포함하여 저전압 배선 및 커넥터에 대한 앱티브의 오랜 경험을 기반으로 한다.

이러한 관점은 앱티브가 EV 충전이 실제로 무엇을 의미하는지에 대한 독특한 관점을 제공한다. 앱티브는 Smart Vehicle Architecture™와 같은 차세대 아키텍처를 통해 오늘날 차량의 모든 전기적 요구사항을 충족할 방법을 제시하고 있다. [AEM]

 



관련 표준 및 등급

자동차 OEM 업체들은 EV 충전기에 대한 최소 표준 이상으로 더 높은 기준을 설정해야 한다는 것을 알고 있지만, 모든 충전기가 충족해야 하는 기본 표준은 다음과 같다. 

- 유럽의 IEC 62752
- 미국의 UL 2594
- 중국의 GB/T 20334
- 방수 케이블 및 커넥터에 대한 IP67 등급
- 수동 부품의 응력 저항에 대한 AEC-Q200 인증 표준
- 전기 부품 인클로저에 대한 미국 전기 제조업체 협회 표준

 


[AEM] Automotive Electronics Magazine



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