전기자동차 충전방식은 전압종류에 따라 완속 충전장치(교류)와 급속 충전장치(직류), 결합방식에 따라 접촉식(완속 및 급속)과 비접촉식(패들 및 바닥설치)으로 구분할 수 있다.
완속충전장치는 출력이 교류이며 충전시간이 8시간 정도 소요돼 심야 충전에 적합하며 버려지는 야간 시간대의 전력을 사용하면 지구 온난화를 예방하는 데 효과적이다.
반면 급속충전장치는 출력이 직류이며 충전시간이 10∼30분 정도 소요돼 전기자동차의 보급에 중요한 인프라다.
접촉방식은 전기적으로 연결해 충전하기 때문에 커넥터와 인렛 형상의 표준이 중요하다.
형상이 표준화 되지 않으면 충전인프라 구축비용이 크게 늘어나 전기자동차 보급에 지장을 주게 된다.
전기적으로 직접 연결하는 관계로 다소 위험한 측면이 있다. 반면 비접촉식은 고주파를 사용한 유도방식으로 충전하므로 전기적으로 더 안전하다.
그러나 충전 효율이 떨어져 실제 사용할 가능성은 낮다.
본고에서는 여러 가지 충전장치 중에서 최근 IEC 국제표준이 제정되고 있는 급속충전장치의 국제표준 동향에 대해 기술하고자 한다. 또한 급속충전장치를 구성하는 커넥터와 인렛, 통신프로토콜도 같이 기술하고자 한다.
■ 급속충전장치 표준화 동향
급속충전장치 관련 IEC 기술위원회는 IEC TC 69(충전인프라), IEC SC23H(커넥터 및 인렛) 그리고 IEC TC 64(건축전기)가 있다.
■ IEC 61851-1 전기자동차용 충전장치 일반 요구조건 - 공통 요구조건
본 표준은 전기자동차용 모든 충전장치에 대한 공통 요구조건이며 대부분 전기적 안전, 기계적 환경성능, 전자기적합성(EMC), 기능요구조건, 커넥터 및 인렛의 내구성능 등을 다루고 있다.
최근 개정 내용에는 전기자동차와 충전장치 사이의 파일럿 기능 구현 시 통신프로토콜로 전력선통신(PLC)을 사용하고 있다.
전력선 통신은 접지도체를 활용하기 때문에 완속충전 및 급속충전 모두 활용가능하다. 이 기능은 충전 전기요금 부과나 전기자동차 식별 등에 활용할 수 있다.
다만 PLC를 사용하는 경우 전기자동차나 충전장치에서 오동작 등이 발생하지 않도록 필터 등을 설치해야 한다.
■ IEC 61851-21 충전장치 연결을 위한 전기자동차 요구조건
본 표준은 배전 계통의 충전장치에 접속하기 위해 전기자동차가 갖춰야 할 기본 요구조건을 다룬다.
급속 충전장치의 경우 최대전압이 직류 500V에 최대전류가 200A 정도이므로 만약 전기자동차가 절연에 문제가 있거나 하면 큰 사고가 발생 할 수 있다.
대표적인 사고 유형으로는 전기자동차에 의한 인체 감전이나 전기자동차의 화재 등을 들 수 있다. 본 표준은 최근 대폭 개정 작업 중에 있다.
■ IEC 61851-23 급속충전장치 요구조건
본 표준은 급속충전장치에 대한 요구조건을 다루고 있으며 주로 전기적 및 기계적 안전성능, 전자기적합성(EMC) 요구조건, 기능(Function) 요구조건, 통신프로토콜 요구조건, 안전성능(Safety) 등을 다루고 있다. 주요 논란이 되는 사항을 정리하면 다음과 같다.
적용 범위에서 독일은 직류배전 설비와 급속충전장치와의 관계 설정을 언급했다. 국가별로 다른 어플리케이션이 나올 수 있기 때문에 이에 대한 대비를 해야 한다고 주장한다.
또한 직류 입력의 급속충전장치에 대해선 태양광 발전 등 직류 전원을 입력으로 하는 급속충전장치의 적용도 검토했으나 본 표준에서는 제외하는 것으로 했다.
앞으로 직류배전이나 태양광발전 등을 이용한 급속충전장치 표준도 제정될 것으로 생각된다.
특히 현재 거론되고 있는 논란 대상의 기능으로는 배터리의 과전압 및 과전류 보호, 자동차용 배터리 적합성 평가, 충전 전 절연 확인, 배터리 보호, 커넥터 전압 확인, 제어회로의 절연, 에러 정보의 정의 등이다.
충전장치에서 배터리를 보호 하느냐, 충전 전에 어떻게 절연상태를 진단하느냐 등이 논란의 대상이었다.
이와 함께 급속충전장치는 배전계통에 연결돼 있기 때문에 전자기적합성(EMC) 성능이 중요하다. 충전장치는 전력용반도체를 사용하기 때문에 고조파를 계통으로 방사해 전력품질 문제를 발생시킬 수 있다.
또한 배전계통에서 유입되는 서지 종류는 충전장치를 파괴하거나 기능을 정지 시킬 수 있다.
특히 연속적인 서지가 유입될 경우 안전 보호기능(Safety Function)이 작동하지 않거나 오동작이 발생하면 큰 사고가 발생 할 수 있다.
전기연구원에서 EMC Safety를 제안해 다음 국제회의 시 검토될 예정이다.
EMC Safety는 노이즈 등이 들어오고 있는 상태에서도 안전(Safety)에 관한 기능은 항상 정상적으로 동작해야 한다는 것이다.
EMC 관련 시험 항목은 IEC 61000-3-12에 따른 고조파 방사, 전자파장해(잡음전계강도, 잡음단자전압), 그리고 IEC 61000-6-1 및 6-2에 따른 각종 내성(Immunity) 시험이다.
고온 및 저온 성능, 주위습도 성능, IP 보호등급, 염수분무, 내광성능 등이 검토되고 있다. 충전장치의 IP 보호등급은 옥외용은 IP 44, 옥내용은 IP 32가 고려되고 있다. IP 44에서 앞자리 숫자 4에 따라 1mm 이상의 고체가 들어가지 않아야 하며 뒷자리 숫자 4에 따라 모든 방향에서의 스프레이로부터 보호돼야 한다.
염수분무(Saline Mist) 시험은 보통 철제 제품에 대해 공기 중의 염분으로 인한 부식 여부를 평가하며 제주도 실증단지와 같이 바닷가 근처의 경우 중요한 항목이다.
또한 직류 출력회로에 대한 전기적 특성으로는 정격 출력 및 최대 출력, 출력 전압 및 전류의 허용 범위, 주기적 및 임의 변동, 턴-온 돌입 전류, 턴-오프 과도전압, 전기자동차 명령에 대한 응답시간, 교류 입력 회로에 대한 역률, 충전장치 소음에 대해서도 검토하고 있다.
■ 맺음말
급속충전장치 관련 IEC 국제표준은 충전장치, 통신프로토콜, 커넥터 및 인렛, 충전장치 설치 특수 요구조건 등 대부분이 현재 신규로 제정 작업 중에 있다.
국제표준은 한번 정해지면 대폭 수정이 어렵기 때문에 초기 제정할 때부터 적극 참여해 우리나라 기술이나 상황을 반영해야 한다. 국제 표준 제정 또는 개정 회의의 경우 연구기관이나 대학교에서 참석하는 것도 중요하지만 기업체의 참여가 중요하다.
외국의 경우 지난 7월 급속충전장치 국제회의 참석자도 대부분 기업체에서 참여해 개발된 제품 기술을 반영하기 위해 격론을 벌였다.
미국과 일본에서 벌써 직류와 교류 충전용 커넥터-인넷 표준을 제안했으며 이러한 내용은 국제회의에 참석하지 않으면 파악하기 어렵기 때문에 관련 기업체의 참여가 필요하다.
급속충전장치의 경우 출력이 직류이고 전압이 500V 정도로 높으며 전류도 200A 정도로 크고 누구나 사용하는 시스템이기 때문에 안전에 대한 요구조건은 매우 중요하다.
또한 외부에 설치하는 경우 먼지나 물에 대한 IP 보호등급이 중요하며 아파트 지하 주차장에 설치하는 경우 침수 등에도 대비해야 한다.
이에 따라 충전장치 설치가이드, 주기적인 중간점검, 케이블 및 커넥터 등의 주기적인 성능확인 등이 필요한 사항이며 해당 규정을 작성할 때 고려해야 할 것이다.
전기자동차가 일반화하기 위한 가장 기본적인 요구조건은 충전인프라임을 다시 한번 강조하고 싶다.