전기차 대규모 도입 위한 충전 인프라 개발

전기차가 오늘날의 화석연료 자동차처럼 보편화되기 위해서는 충전 속도가 더 빨라져야 하고, 전 세계 주유소가 전기차 충전시설로 업그레이드돼야 하며, 상대적으로 제한적인 전기자동차의 주행거리를 보완할 수 있는 별도의 충전소도 도입돼야 한다. 즉, 오늘날의 주유소에서 제공하는 것과 동일한 수준의 에너지 충전을 보장하기 위해 매우 정교한 커넥터와 케이블, 릴레이, 변환장치 및 수동부품 등의 적용이 필요하다.

글 | 에브넷 아바쿠스(Avnet Abacus)







탄소배출과 공기오염에 대한 우려는 자동차 업계의 하이브리드 및 전기차 도입을 날로 가속화시키고 있다. 배터리와 모터 기술의 발전이 이런 변화를 가져왔지만, 차량의 충전 문제에 대해 ‘닭이 먼저냐 달걀이 먼저냐’라는 논란은 여전히 존재한다.
전기차가 오늘날의 화석연료 자동차처럼 보편화되기 위해서는 몇 가지 문제들이 해결돼야 한다. 충전 속도가 더 빨라져야 하고, 전 세계 주유소가 전기차 충전시설로 업그레이드돼야 하며, 상대적으로 제한적인 전기자동차의 주행거리를 보완할 수 있는 별도의 충전소도 도입돼야 한다.

그렇다면 무엇이 문제일까? 간단히 계산하면, 자동차에 휘발유를 채우는 것은 자동차를 5 MW의 에너지원에 연결하는 것과 같은 원리이다. 테슬라는 2019년 3월, V3 슈퍼차저(Supercharger)가 최대 250 kW급의 에너지를 공급할 것이라고 발표했지만, 이를 위해서는 수냉식 충전 케이블이 필요하다. 전기차는 저장된 에너지를 화석연료 자동차보다 더 효율적으로 사용할 수 있지만, 전기 충전은 아직 휘발유만큼 차량을 충분히 유용하게 사용할 수 있도록 하지는 못한다. 이런 격차를 좁히기 위해서는 고전압 및 고전류, 정밀한 전력변환, 필터링 및 충전관리 시스템이 완벽하게 결합돼야 한다. 즉, 오늘날의 주유소에서 제공하는 것과 동일한 수준의 빠르고 안전한 에너지 충전을 보장하기 위해서는 매우 정교한 커넥터와 케이블, 릴레이, 변환 장치 및 수동부품 등의 적용이 필요하다.








충전 네트워크의 증가

그렇다면, 운전자가 다음 충전소까지 거리를 염려할 필요 없이 자유롭게 필요할 때마다 충전할 수 있는 유비쿼터스 충전 네트워크는 언제쯤 가능하게 될까? 

가장 주목받는 기업인 테슬라가 V3 발표 당시, 북미와 유럽, 아시아 전역에 걸쳐 12,000개 이상의 슈퍼차저 시설이 있었으며, 이는 이미 미국 인구의 99% 이상을 커버할 수 있다고 밝혔다. 또 올해 말(2022년)까지 유럽도 비슷한 정도의 커버리지에 도달할 것으로 기대된다고 발표했다. 이와 함께 최근에는 중국 인구의 90% 이상을 커버할 수 있게 되었다고 언급했다.

유럽에서는 전기차 구매에 대한 공적 보조금과 새로운 규정은 물론, 일부 주유 회사들의 주유소 충전기 설치 노력이 강화되면서 전기자동차 충전소 수가 빠르게 증가하고 있다. EAFO(European Alternative Fuels Observatory)가 공개한 최근 수치에 따르면, 유럽에는 현재 16만 1,426개의 공공 충전소가 있으며, 이 중 13만 6,958개는 최대 22 kW급 충전이 가능하고, 나머지는 22 kW급 이상의 소위 ‘고속충전’을 지원하는 것으로 나타났다. 영국은 총 1만 9,000개가 넘는 충전소를 보유하고 있으며, 프랑스는 약 2만 5,000개, 독일은 약 2만 7,400개에 이른다.

시장분석회사 마켓스 앤 마켓스(Markets and Markets)의 보고서에 따르면, 충전 네트워크 구축 또한 큰 비즈니스 기회가 될 것으로 보인다. 이 회사는 전기차 충전소 시장이 2017년 32억 2,000만 달러에서 2023년 304억 1,000만 달러로 증가하고, 2018년 ~ 2023년까지 연평균 41%의 성장률을 기록할 것으로 전망했다. 이 보고서는 이런 성장 가능성에 대한 근거로, 미국 정부가 추진하고 있는 35개 주, 2만 5,000마일의 고속도로를 커버할 수 있는 48개 충전소 네트워크 개발 계획과 여러 국가에서 시행되고 있는 전기차 구매 보조금 정책 등을 언급하고 있다. 이런 미국의 계획에는 현재 28개 주와 각종 소프트웨어 및 충전기 제조사, 그리고 GM, BMW, 닛산 등의 전기차 회사들이 협력하고 있다.

 

“EAFO가 공개한 최근 수치에 따르면, 유럽에는 현재 16만 1,426개의 공공 충전소가 있으며, 이 중 13만 6,958개는 최대 22 kW급 충전이 가능하고, 나머지는 22 kW급 이상의 소위 ‘고속충전’을 지원하는 것으로 나타났다. 영국은 총 1만 9,000개가 넘는 충전소를 보유하고 있으며, 프랑스는 약 2만 5,000개, 독일은 약 2만 7,400개에 이른다.” 

AC 또는 DC 충전 
 
이런 개괄적 수치들은 잠재적인 전기차 운전자들에게 고무적인 것처럼 보이기도 하지만, 충전방식과 이를 지원하는 가용 인프라 및 일반 사용자를 위한 유용성 면에서는 여전히 많은 변수가 존재한다.

아마도 가장 큰 문제는 전기차의 충전방식이 DC(Direct Current)가 될 것인지, 또는 AC(Alternating Current)가 될 것인지 여부일 것이다. 배터리는 DC방식로 충전돼야 하기 때문에 두 충전 방식의 중요한 차이는 필요한 정류가 진행되는 곳이 어디인가이다. 그리드 전력은 AC로 공급되기 때문에 일부 차량은 단상 또는 3상 형태로 AC 온보드를 탑재해 적절한 DC 충전 전압으로 정류가 돼야 한다. 일각에서는 케이블을 통해 공급되는 DC로 충전이 이뤄질 수 있도록 충전소에서 정류가 진행될 것으로 예상하고 있다. 

충전소에서는 차량보다 훨씬 더 크고 효율적이며, 냉각이 뛰어난 정류 회로를 사용할 수 있기 때문에 DC 충전을 통해 일반적으로 더 많은 전력을 공급할 수 있다. 충전 속도와 함께 AC 또는 DC 방식에 대한 선택은 정류에 따른 비용을 DC 충전 네트워크 운영자가 부담할지, AC 충전 전기차 소유자가 부담할지에 따라 결정될 것이다. 또 일부 충전 표준은 양방향 에너지 흐름을 지원하기 때문에, 충전 차량의 분산 네트워크는 에너지 그리드를 안정화하는 에너지 싱크 또는 소스 역할을 모두 수행할 수 있으며, 이는 일부 지역에서 관련 법규의 지원을 받을 수 있다.

기술이 빠르게 발전하는 단계에서는 공급업체들이 독점적인 충전기 및 커넥터를 설치해 고객 기반을 확보할 수 있는 장점과 표준을 준수해 모두를 위한 충전 네트워크를 확장하는 장점 사이에 이해 상충이 발생할 수 있다. 이미 다른 기술의 발전 과정에서도 확인할 수 있듯이, 전기차 고객들이 유비쿼터스 충전시설을 필요로 하고, 구매 결정에서 이런 가용성을 더 높게 평가함에 따라 독점적 기술보다는 표준화 노력이 서서히 우위를 점하기 시작했다. 이는 전기차 충전 시장의 대대적인 개편으로 이어지고 있다. 

테슬라는 독자적인 슈퍼차저 방식을 보유한 반면, 닛산과 미쓰비시 등 일본 업체들은 양방향 충전이 가능한 CHAdeMO(for Charge de Move) 방식을 지원하고 있다. 세계 최대 전기차 시장인 중국은 충전 표준으로 GB/T를 채택하고 있다. 한편 유럽에서는 BMW와 메르세데스 벤츠의 다임러 및 포드, 아우디 및 포르쉐의 폭스바겐 그룹 모두가 멀티 밴더, 멀티 테크놀로지 표준을 확립하기 위한 CCS(Combined Charging System)를 지지하고 있다.

CCS는 미래의 충전방식과 관련된 기술 사양 및 지침 수립에 주력하고 있는 CharIN(Charging Interface Initiative) 얼라이언스에 의해 개발되고 있다. CharIN은 충전 프로세스를 제어하는 프로토콜을 정의하고, 충전소에서 어떤 종류의 신호체계와 대시보드 및 사용자 정보를 제공해야 하는지 제안하고, 상호 운영이 가능한 미래의 무선 충전 표준에 대한 요구사항을 검토하는 등의 작업을 진행하고 있다.

회로 설계자의 관점에서 볼 때, CharIN의 가장 주목할 만한 것 중 하나는 DC 충전 레벨에 대한 분류다. ‘DC 20’ 사양은 200 ~ 500 V에 이르는 DC 전압과 500 V에서 1 ~ 40 A에 이르는 전류, 그리고 최대 20 kW에 달하는 상대적으로 적정 수준의 충전 전력을 정의하고 있다. 반면 이 분류표의 최상위에 있는 HPC350(High Power Charging)은 200 ~ 920 V에 이르는 DC 전압과 920 V에서 5 ~ 380 A에 이르는 충전 전류, 그리고 최대 350 kW의 충전 전력을 정의하고 있다.


 

“예상할 수 있듯이, 써드파티 업계에서는 운전자들이 모든 충전소에서 자동차를 충전할 수 있는 컨버터와 어댑터를 마케팅하고 있지만, 이러한 어댑터 연결을 통한 충전 속도는 고유의 커넥터를 사용할 때만큼 높지 않을 수 있다.”

커넥터의 난제  
 
대규모 전력이 소비자가 관리하는 인터페이스를 통해 효과적으로 전달되기 위해서는 커넥터 설계가 매우 중요하다.

아시아에서 주로 사용되는 타입 1 커넥터는 최대 7.4 kW의 충전 전력을 지원하는 단상 AC 충전 플러그다. 타입 2 플러그는 가정용 차고와 같은 개인용에서 최대 22 kW, 공공 충전소에서는 최대 43 kW를 지원하는 3상 AC 충전 플러그다. CCS 플러그는 고속 충전을 위해 타입 2 플러그에 2개의 접점을 추가해 최대 170 kW의 AC 및 DC 충전을 지원한다. CHAdeMO 커넥터는 최대 50 kW의 충전 전력을 제공하는 반면, 테슬라는 타입 2 메네케스(Mennekes) 플러그의 수정된 버전을 통해 독자적인 고속충전 접근방식을 가능하게 한다. 흥미로운 것은, 중국 시장의 중요성을 감안해 테슬라와 여러 회사가 GB/T 고속 충전 소켓을 표준 소켓과 함께 장착하기 시작했다는 점이다.

예상할 수 있듯이, 서드 파티 업계에서는 운전자들이 모든 충전소에서 자동차를 충전할 수 있는 컨버터와 어댑터를 마케팅하고 있지만, 이런 어댑터 연결을 통한 충전은 고유의 커넥터를 사용할 때만큼 속도가 높지 않을 수 있다.
 







부품 업계의 기회 
 
자동차 산업은 연간 1억 대에 가까운 차량을 생산할 정도로 방대한 규모이며, 전기차로의 전환은 새롭게 시장에 진입하는 중국 회사들의 등장과 차량 소유에서 모빌리티 서비스 이용으로의 전환, 차량을 전력망에 통합할 수 있는 가능성 등으로 인해 자동차 산업을 크게 재편할 수 있는 기회가 되고 있다.

이런 모든 변화는 부품 제조업체들이 기존 부품을 판매하는 것은 물론, 혁신을 통해 새로운 기회를 창출할 수 있는 폭 넓은 가능성을 제공한다. 예를 들어, 차량 내 정류에 사용되는 전력 디바이스를 보다 효율적으로 만드는 것만으로도 더 빠른 AC 충전을 가능하게 해 전기차 유틸리티에 즉각적인 영향을 미칠 수 있다. 또 고전력 스퓨리어스 신호(spurious signal)을 감소시키기 위해서는 보다 효과적인 필터링이 필요하게 될 것이다. 앞서 논의한 것처럼, 커넥터 설계는 전기차의 실제 주행거리에 대한 사람들의 인식과 충전 속도에 중요한 전환점이 될 것이다.

이런 모든 혁신은 빠르게 진화하는 국가 및 국제표준을 충족하고, 엄격한 자동차의 안전 및 품질 사양에 따라 전 세계적으로 대량 공급이 가능한 부품으로 실현돼야 한다. 또 전기차가 화석연료 차량을 대체하고, 이런 운송 수단에 대한 인식 및 개발주기가 컨슈머 전자제품 시장과 유사한 형태로 급속도로 진화함에 따라 부품 개발 및 인증도 이에 부응하여 더욱 빨라져야 한다. 앞으로 전기차 시장을 선점하기 위한 경쟁은 더욱 치열해질 것이다.

에브넷 아바쿠스(Avnet Abacus)가 어떻게 자동차 설계를 지원하고 있는지에 대한 자세한 정보는 avnet-abacus.eu/automotive 에서 확인할 수 있다.

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