0. 목차
- 전기차 충전 인프라
- 전기차 충전 방식
- 완속 충전
- 급속 충전
- 비접촉 충전
- 초급속 충전
- 태양광-ESS 연계 충전
- 충전 규격
- 국내 주요 전기차 충전기 업체
1. 전기차 충전 인프라
'전기차 충전 인프라(EVCI: Electric Vehicle Charging Infrastructure)'는 전기차 배터리의 충전과 관련된 하드웨어와 소프트웨어 전반을 총칭하며, 크게 '전력공급설비', '충전기', '충전인터페이스', 정보시스템'으로 구분된다.
- 전력 공급설비: '전력 공급설비'는 충전기로 전원공급을 위한 전기 설비이며 '송배전 인프라'와 '전력량계', '분전반', '차단기', '배선' 등을 포함한다.
- 충전기(Charger): '충전기'는 사용자 인터페이스를 갖추고 전원을 공급받아 전기차에 'AC(교류)' 또는 'DC(직류)'로 전기를 제공하거나 받는 설비이다.
- 충전 인터페이스(Charging Interface): '충전 인터페이스'는 충전기와 전기차를 연결해 주는 '케이블(Cable)'과 '플러그(Plug)', '무선 송수신 패드' 등 전기차에 전력과 통신을 연결하는 장치이다.
- 정보시스템(Information System): '정보시스템'은 충전기의 종류·위치·상태·이용정보 등을 사용자에게 제공하고, 충전기의 '운영 제어', '사용자 관리', '정보 제공', '과금', '결재' 등 충전 인프라의 전반적인 운영·관리를 위한 시스템이다.
2. 전기차 충전 방식
'전기차 충전 인프라(EVCI: Electric Vehicle Charging Infrastructure)'의 핵심 구성요소인 '충전기(Charger)'는 전기차 배터리를 위해 주택·사무실·공공기관 등 외부 공간에 설치하는 충전 시스템으로, 전력 공급 방식에 따라 '배터리 교환', '직접 충전', '비접촉 충전' 방식으로 구분된다. '직접 충전' 방식에는 '급속 충전'방식과 '완속 충전' 방식이 있다.
- 배터리 교환 방식: '배터리 교환 방식'은 충전 사업자가 부하율이 낮은 시간대의 전력을 활용하여 예비용 배터리를 충전하고, 운전자가 충전소에서 전기차 배터리를 교환하는 방식이다.
- 직접 충전 - 완속 충전: 자동차에 탑재된 3~7kW급 'OBC(ON-Board Charger)'가 200V 교류를 직류로 변환하여 배터리를 충전하며, '급속 충전'은 충전기 자체의 인버터·컨버터를 이용하여 교류 전원을 직류전원으로 변환하여 충전하는 방식이다.
- 직접 충전 - 급속 충전: 배터리로 직접 'DC(직류)' 전력을 공급해 충전하는 기술이 적용되어, 대용량 배터리를 장착한 장거리 주행형 전기차를 단시간에 충전할 수 있다. 단, 전기차의 급속 충전은 배터리를 열화할 수 있다.
- 비접촉 충전: '전자기유도' 또는 '자기공명' 방식으로 전력을 전달하는 '무선전력전송(WPT: Wireless Power Transfer)' 기반의 충전 방식이다.
3. 완속 충전(Standard Charge)
'완속 충전기(Stnadard Charger)'는 'AC(교류)' 전력을 공급하고 전기차의 '내장형 충전기(OBC: On Board Charger)'가 이 전력을 직류로 변환해 배터리에 충전하는 방식이다. 완속 충전은 자동차에 탑재된 3~7kW 급 'OBC(ON-Board Charger)'가 200V 교류를 직류로 변환하여 배터리를 충전하며, '급속 충전'은 충전기 자체의 '인버터(Inverter)'·'컨버터(Converter)'를 이용하여 교류 전원을 직류전원으로 변환하여 충전한다. 2021년 6월 기준, 국내에 급속 충전기 및 완속 충전기는 72105기가 구축되어 있다.
완속 충전기의 정격용량은 급속 충전기보다 낮은 3~7kW 수준이며, 완속 충전기는 '휴대 가능 여부' 및 '설치 장소'에 따라 '가정용 충전기', '공공용 충전기'로 구분된다. '가정용 충전기'는 일반 가정 거주자용으로 별도의 과금 기능이 없으며, '휴대 가능 여부'에 따라 '이동형'과 '고정형'으로 구분된다. '이동형 충전기'는 별도의 충전기 설치 없이 기존에 설치된 220V 콘센트에 전기차를 연결해 주는 장치이고 '고정형 충전기'는 전기차 구매 시 환경공단의 보조금 형태로 지원이 이루어진다. '공공용 충전기'는 상업 시설 등 공공장소 주변에 설치·운영되며 과금 기능이 추가된다.
4. 급속 충전(Fast Charge)
'급속 충전기(Fast Charger)'에는 배터리로 직접 DC 전력을 공급해 충전하는 기술이 적용되어, 대용량 배터리를 장착한 장거리 주행형 전기차를 단시간에 충전할 수 있다. 배터리에 저장된 전기에너지는 '인버터(Inverter)'를 통해 'DC(직류)'에서 'AC(교류)'로 변환되어 모터가 구동된다. 전기차가 주행 중일 때는 12V로 동작하는 각종 전장 시스템이 사용되기 때문에, 고전압 배터리에 저장된 DC 전기를 'LDC(Low DC-DC Converter)'를 통해 12전압으로 변환시킨다. 이와 같이 차량 내 전력을 제어하는 장치를 통합하여 효율성을 높여주는 것을 '통합전력제어 장치(EPCU: Electric Power Control Unit)'라고 한다.
국내 급속 충전기는 50kW급의 높은 정격용량이 요구되므로, 과충전으로 인한 배터리 성능 저하나 사고가 발생하지 않도록 '정밀한 충전 전류' 및 '전압 제어'가 요구된다. 전기차 배터리의 용량에 따라 차이는 있으나, 일반적으로 1시간 이내로 80%까지 충전할 수 있으며, 차종에 따라 'DC 콤보'와 '차데모(CHAdeMo)' 규격이 범용으로 사용되고 있다.
5. 비접촉 충전
'비접촉 충전 방식'은 주차면 바닥에 매설된 고주파 전력 공급장치로서, 전기차에 장착된 장치에 '전자기유도(Electromagnetic Induction)' 또는 '자기공명(Magnetic Resonance)' 방식으로 전력을 전달하는 '무선전력전송(WPT: Wireless Power Transfer)' 기반의 충전 방식이다. 전기차의 급속 충전은 배터리를 열화할 수 있어, 운전자의 편의성과 배터리의 신뢰성을 높이기 위한 방안으로 '전자기유도'나 '자기공명' 방식의 비접촉 충전 방식 기술이 개발하고 있다. 비접촉 충전 방식에는 'Static Charging', 특정 구간에 정차할 때 충전되는 'Semi-Dynamic Charging', 도로에 충전시설을 내장해 주행 중에 충전하는 'Dynamic Charging'이 있다. '비접촉 충전 방식'은 전력선이 필요 없어 편의성이 높지만, '상대적으로 느린 충전 속도'와 '무선 충전 설비의 높은 비용', '인체 유해성' 등에 대한 문제 해결이 대두되고 있다.
'전기차 무선 충전 시스템(The Electric Vehicle Wireless Charging System)'은 주차장 바닥에 설치된 송신 패드'와 '전기차의 하부에 부착된 수신 패드' 사이에서 '자기유도방식'으로 에너지 전송이 이루어진다. AC 220V는 수백V의 'DC(직류)'로 정류되어 다시 85kHz와 같은 특정 주파수로 변환 후, 송신 코일에 공급되어 자기장을 형성한다. 자기유도 형태로 수신 코일에 전송된 에너지는 '정류회로(교류를 직류로 하기 위한 회로)'에서 직류로 변환되어 전기차 배터리를 충전한다. 이때 '송수신 코일'과 '임피던스 정합 장치(Impedance Matching Network)'로 구성된 '전송 회로(Transfer Circuit)'는 특정 주파수에 공진시켜 전송효율을 극대화한다. 주차면의 무선 송신 패드와 전기차 하부에 장착된 무선 수신 패드 사이의 간극이 20cm 이하인 경우, 충전기의 'AC(교류)' 전력이 전기차 배터리로 공급될 때, 전체 전송효율은 90% 이상으로 전기차의 배터리를 충전할 수 있다.
'무선 충전 시스템'에는 충전 시 안전성의 확보와 충전 자동화를 위하여 '금속 이물질 감지', '생명체 감지', '자기 벡터 정렬 보조(Magnetic Vector Sorting Assistant)', 'Wi-Fi 통신' 등과 같은 다양한 보조 기술이 적용된다. '금속 이물질 감지'와 '생명체 감지' 기술은 충전 개시 전 또는 충전 중에 금속성 이물질이나 동물이 송신 패드·수신 패드 사이에 들어오면, 안전을 위하여 충잔을 중단하고, 사용자에게 알려준 다음 이물질이나 동물이 사라진 것이 확인되면 다시 충전을 시작하게 된다. 또한, '자기장 센싱 방식'이나 '주차 영상'과 같은 보조기술은 전기차의 수신 패드와 주차장의 송신 패드와 정렬의 정도를 안내한다. '무선 충전 시스템'은 전기차와 연결된 전선이 없으므로, '충전설비의 인식'과 '충전 조절'을 위한 정보교환도 Wi-Fi나 LTE, 5G 방식으로 변화하게 된다.
전기차의 사용자가 늘어나고, 충전기가 사회 기반시설로 자리매김하면서, 고객 정보와 충전정보를 안전하게 전송해야 할 필요성이 커지고 있다. 따라서 '충전 기기 인증', '정보 암호화', '전자서명(Digital Signature)' 등 전자인증서 기반 보안 기술을 적용하여 고객 데이터를 원천적으로 보호할 수 있는 기술을 개발 중이다. 현재 충전기를 사용할 때에는 RFID 카드나 QR-Code 인식으로 사용자나 충전기를 인증하고 다시 신용카드로 결제하여 다소 번거로움이 있다. 향후 ISO/IEC 15118 표준 기반의 고객 자동인증기술이 적용되어 '커넥터(Connector)'만 전기차에 연결하면 인증·충전·과금이 모두 한 번에 이루어질 수 있어 고객의 충전 편의성이 크게 향상될 것으로 예상된다. 이러한 강력한 보안 기술을 바탕으로, 충전 인프라는 다양한 융합 서비스를 제공하는 플랫폼으로 진화해나갈 것이다.
6. 초급속 충전
향후 미래형 전기차는 배터리의 '에너지 밀도(Energy Density)'가 개선되면서 한번 충전으로 장거리 주행이 가능할 것이다. 이러한 전기차는 높은 동력 성능과 빠른 충전이 필요하여, 수백 kW 급 급속 충전기에 대한 수요가 생길 것이다. 이에 따라 관련 산업계에서는 기존의 급속·완속 충전기뿐만 아니라 초급속 충전 시스템이 개발되고 있다.
'초급속 DC 충전 기술'은 100~200kW급 대용량 배터리를 장착한 차세대 장거리 주행형 전기차를 단시간에 충전할 수 있는 기술이다. 해당 기술은 기존 전기차의 300~400V급 배터리는 물론, 차세대 전기차 배터리 전압으로 적용 예정인 700~950V급 배터리, 전기버스에서 적용하고 있는 700~900V급 고전압 배터리도 단시간에 충전할 수 있다.
전기차용 차세대 '초급속 충전 시스템'은 여러 개의 수십 kW급 고효율 AC/DC와 DC/DC 전력변환 모듈을 적층하고, 제어시스템과 같이 구성한 200~500kVA 이상의 AC/DC 전력변환 시스템, 운전자 환경과 상위 시스템과의 통신, 충전 플러그 거치 기능 및 플러그용 냉각장치를 탑재한 '충전 스탠드(Dispenser)', 냉각 기술이 적용되어 기존의 Type 1 CCS 플러그, 호환되는 '대용량 충전 플러그'와 '경량 케이블', '충전소'와 '충전기의 효율적인 운전·제어를 위한 운영 시스템' 등으로 구성된다. '대용량 충전 플러그'는 기존의 전기차와도 호환되고 새로 출시되는 대용량 배터리가 들어가는 전기차를 위해 200A보다 큰 전류를 흘릴 수 있도록, 접속부까지 액체 냉매를 이용하여 냉각하는 방식이 적용된다. 이처럼 차세대 초급속 충전 시스템은 기존의 전기차 및 충전기와도 호환성을 유지하면서, 충전용량은 대폭 높여줄 것으로 기대된다.
국내 전력 연구원에서는 효과적으로 미래 충전 인프라를 구축하기 위해, 관련 업계와 함께 고효율 400kW, 1000V급 '급속 충전 시스템' 개발에 착수하였다. 급속 충전기의 핵심 구성요소인 AC/DC 전력변환 장치의 반도체 소자도 기존의 실리콘 기반 IGBT나 MOSFET에서 최근 성능이 향상되고 있는 대용량 SiC 소자로 대체될 것이다. 새로운 소자의 적용에 따른 '낮은 통전 손실'과 '스위칭 손실' 개선으로 충전기의 전력변환 효율은 약 96% 이상으로 개선될 것이다. 또한 수십~수백 kHz 이상의 높은 스위칭 주파수를 적용하여 '인덕터(Inductor)', '필터(Filter)'와 같은 수동소자의 크기도 대폭 줄어들게 되어 '전력변환 장치'의 전체적인 크기도 소형화될 것이다. 아울러 자율주행차의 급속 충전을 위하여, 로봇 기술을 충전 인프라에 접목하여 로봇팔 방식의 충전 플러그 자동 접속 장치도 개발되고 있다. 미래의 자율주행 전기차가 새로운 급속 충전 인파를 갖춘 주차장에 정차하면 로봇팔 방식의 자동 접속 충전으로 5분만 충전해도 150km 이상 주행할 수 있게 될 것이다.
7. 태양광-ESS 연계 충전
이 밖에도 '태양광 발전 시스템(Solar Power System)', '에너지 저장 시스템(ESS: Energy Storage System)' 등이 연계된 전기차 충전 기술 개발이 이루어지면서, 고효율·고성능에 경제성까지 갖춘 차세대 전기차가 등장하고 있다. 이를 바탕으로 전기차는 미리 저장된 에너지를 통해 전력 소모량이 높은 시간대에 발생할 수 있는 전력 불균형 문제가 해결될 수 있고, '태양광 발전 시스템'을 통한 경제성 확보로 전기 요금까지 절감이 가능할 것이다. 또한 '충전사업소', '공공장소' 등의 경우, 태양광 모듈을 지붕에 설치하여 '전력 수급 유연성'을 높이는 형태도 다수 등장할 것으로 전망되고 있다.
아울러 충전 인프라를 전력 시스템에서 유연한 자원으로 활용하기 위해서는, 전기차 충전 방식의 변화가 필요하다. '플러그(Plug)'를 연결하면 충전기나 전기차의 수용 가능한 최대 허용 전력으로 연속 충전하는 방식에서, 전력망 신호에 따라 능동적으로 제어할 수 있는 제어형·스마트 충전이나, 배터리의 에너지를 전력망으로 보낼 수 있는 '양방향 충전·방전' 형태의 연구가 진행되고 있다.
8. 충전 규격
급속 충전에는 'DC 차데모(DC CHAdeMo)', 'AC3상', 'DC 콤보(CCS: Combined Charging System)' 방식이 있으나, 주로 'DCAdeMo'와 'DC콤보' 방식이 사용되고 있다. 'DC 차데모'는 일본 도쿄전력에서 만든 규격으로, 2017년 이전 현대기아 차량 및 '닛산(NISSAN)' 차량에 적용되어 있다. 'AC 3상'은 '르노(Renault)에 의해 개발된 방식이다.
한국 '국가기술표준원(KATS: Korean Agency for Technology and Standards)'은 2017년 12월 '충전 호환성'과 '인프라 보급 편의성'을 위해 국내의 전기차 고속충전 방식을 'DC콤보1'로 통일하는 '한국산업규격(KS)' 개정을 고시한 바 있다.
| 구분 | DC CHAdeMo | AC3상 | DC 콤보1 |
| 개발업체 | 2010년 Tepco (일본) | 2012년 Renault (프랑스) | 2011년 GM (미국) |
| 적용업체 | Nissan, Toyota, Mitsubishi | Renault | GM, Ford BMW, VW |
| 통신 | CAN | PLC | PLC |
| 충전조건 | 120A(50kW), 172A(100kW) | 120A(50kW), 172A(100kW) | 120A(50kW), 172A(100kW) |
| 충전용량 | 50kW, 100kW | 50kW, 100kW | 50kW, 100kW |
9. 국내 주요 전기차 충전기 업체
현재 국내에서는 중소기업만이 전기차 충전기 사업을 영위하고 있다. 그 대표적인 업체로는 '시그넷이브이', '대영채비', '피앤이시스템즈', '중앙제어' 등이 있다.
| 구분 | 시그넷이브이 | 피앤이시스템즈 | 대영채비 |
| AC Input | 3상 380~400V | 3상 380V | 3상 380V |
| Power Factor | 0.99 | >0.98 | |
| Efficiency | 94.5% | >92% | |
| Standard | CHAdeMo & CCS | CCS & CHAdeMo | |
| Dimension(mm) | 300×460×2000 | 652×4000×2480 | 1156×700×1800 |