전기차의 충전을 이해하자
2020-01-28  |   21,102 읽음

전기차의 충전을 이해하자


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전기차 배터리 자체에 대한 내용은 최대한 배제하고 전기차의 ‘충전’에 대해 집중해서 이야기를 해보겠다. 이미 설치된 전력 인프라를 통해 충전을 하는 전기차는 기존의 배전 환경과 밀접한 관계를 가지는 것이 당연하다. 전기차의 충전은 크게 세 가지 방식으로 나눌 수 있다.


1 벽 콘센트(에 연결한 이동형 충전기) 

2 완속 충전기 

3 급속 충전기


이 충전기들의 출력량을 알면, 전기차를 충전할 때 얼마 정도의 시간이 걸리는지 바로 계산할 수 있다. 대상 차종은 2019년 한 해 국내에서 가장 많이 팔린 전기차인 현대 코나 EV를 골랐다. 이 차의 배터리 용량은 64kWh다.


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테슬라 수퍼차저


배터리 채우기

전기의 특성을 설명하는 가장 적절한 방법은 물에 비유하는 것이다. 전기가 물이라면 배터리는 물을 저장하는 물통이다.

배터리는 여러 가지 종류가 있지만, 그 중에서도 전기차에서 가장 많이 사용하는 방식은 리튬 이온(Li-ion) 전지다. 현재까지 상용화된 배터리 중 가장 큰 압력(4.2V)에 견딜 수 있으면서도 가볍고 부피가 작아 최선의 선택이다. 물론 단점도 있다. 예민하기 이를 데 없다. 빨리 채울 요량에 물을 너무 세게 쏟아 넣어서도 안되고, 한 번에 너무 많이 부어도 안 된다. 한 방울이라도 튀었다간 바로 통 전체가 못 쓰게 되기 때문이다. 자동차 회사도 이것을잘 알고 있기 때문에 배터리에 보내지는 전기의 양과 압력을 조절하는 장치, 즉 OBC(On-board Battery Charger)의 설계에 만전을 기한다.

전기차 배터리는 충전량이 일정 수준에 도달할 때까지는 최대 전류 상태에서 전압을 높이는 CC(Constant Current : 정전류) 모드로 충전한다. 그리고 충전이 일정 수준 이상(대부분 80% 전후)에 도달하면 전압을 유지하되 전류량을 줄여 나가는 CV(Constant Voltage : 정전압) 모드로 전환한다. 전력의 총량을 조금씩 줄여 나가며 배터리가 받아야 할 부하를 줄이는 것이다.

80%를 충전하는 데까지는 비교적 빠르지만, 그 다음부터는 충전 속도가 뚝 떨어지는 이유가 여기에 있다.


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시간에 따른 배터리 충전량의 변화를 그래프로 표시한다. CV 모드부터는 전류량이 뚝 떨어지면서 충전량 곡선이 완만해지기 시작한다


1 벽 콘센트(에 연결한 이동형 충전기)

시중에서 휴대용이나 코드셋(cord set) 등 다양한 명칭으로 불리는 방식이다. 말 그대로 휴대용 충전기를 220V 콘센트에 꽂아 충전하는 것이다. 전기차는 별도의 충전 전용 커플러가 달린 충전 규격을 따르기 때문에 일반 전원을 차에 밀어 넣을 때도 충전기는 필요하다. 벽 콘센트에 바로 연결해 쓸 수 있으면서도 차량에 싣고 다닐 수 있을 정도의 컴팩트한 이동형 충전기를 따로 들고 다니다가 필요할 때 콘센트에 연결해서 사용하는 것이다.


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이동형 충전기의 모습. 한쪽은 벽 콘센트로, 한쪽은 차량의 충전구로 연결한다


이동형 충전기의 경우 최대 16A(암페어)의 전류를 허용한다. 입력 전류가 220V인 경우 이 충전기가 낼 수 있는 최대 전력은 다음과 같다.

16A × 220V = 3,520W = 3.5kW

그래서 이동형 충전기의 최대 충전 전력은 3.5kW가 되어야겠으나 실제로는 그렇지 않다. 콘센트 전류가 16A가 되지 않기 때문이다. 콘센트는 설치된 건물의 배전 용량에 따라 전류량이 다르며, 일반적으로는 10A 수준이지만, 충전이 주로 이뤄지는 지하 주차장에서는 15A를 허용하는 곳도 있다. 두 가지 경우를 모두 가정할 경우 여기에 전압을 곱하면 전력값이 나온다.

벽 콘센트의 출력 범위 10A 전류 : 10A × 220V = 2,200W= 2.2kW 15A 전류 : 15A × 220V = 3,300W= 3.3kW

2.2~3.3kW가 가정용 콘센트로 사용할 수 있는 전력 범위가 된다.

그러나 총 출력에서 10%의 마진을 두는 일반적인 배전방식을 따를 경우 개별 출력은 3kW에 머무른다. 따라서

주차장 벽 콘센트의 최대 전력=3kW

로 가정할 수 있다. 이것으로 코나 EV를 충전할 경우, 단순 계산은 이렇게 된다.

배터리의 용량 ÷ 충전기의 최대 전력 = 충전 시간 64kWh ÷ 3kW = 21.33hours

3kW의 출력을 사용할 경우 완전히 빈 배터리를 채우는데 걸리는 충전 시간은 약 21시간 20분이 걸린다는 계산에 도달한다. 그러나 실제로 코나 EV에 충전할 경우 이보다 조금 더 걸린다. 충전량이 80%를 넘는 순간, 충전량이 줄어들기 때문이다. 실제로 벽콘센트를 이용해서 코나를 충전한다면 28시간 정도가 소요된다.

일단 이것을 편의상 충전상수라고 부른다.

21.33hours × 1.3(충전상수) = 27.33hours

확실히 꽤 긴 시간이 소요되지만, 그렇다고 벽 콘센트를 몹쓸 물건으로 속단할 필요는 없다. 전기차의 특성상 완전 방전 후충전하는 경우는 드물기 때문이다. 배터리가 절반 정도 남은 경우라면 퇴근 후 충전을 시작하는 것만으로도 다음 날 아침 배터리가 가득 차 있는 것을 확인할 수 있다. 게다가 전용 충전기가 지속적으로 확산되고 있다. 여기에는 완속충전 그리고 급속충전의 두 가지 방식이 있다.


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현대 코나 EV가 완속충전기를 사용하는 모습. 벽체에 고정되는 충전기는 7kW급 완속 충전기라 보면 된다


2 완속충전

벽 콘센트보다 두 배 이상 빠른 속도에도 불구하고 완속이라는 이름이 붙은 것은, 급속 충전보다 상대적으로 느리기 때문이다.

220V 전원을 따다 쓴다는 점에서 벽 콘센트 방식과 다르지 않지만, 대신 전류값이 크다. 최대 15A에서 제한되는 벽 콘센트와 달리 완속충전은 32A의 별도 라인을 끌어다 쓴다.

32A 전류 : 32A × 220V = 7,040W= 7kW

완속 충전기의 전력은 7kW다. 이제 이것으로 코나 EV를 충전할 경우 얼마나 걸릴지 보자. 앞서 언급된 충전 상수값을 곱할 경우,

64kWh ÷ 7kW × 1.3(충전상수) = 11.88hours

벽 콘센트보다 훨씬 빨리 충전 가능하면서도 건물의 기존 전력망을 활용할 수 있다는 장점 때문에 완속 충전방식은 전기차의 충전에 가장 많이 활용되고 있다. 완속충전기는 입력 받은 220V의 교류 단상 전류를 그냥 차에 흘려 넣어 주는 일만 하므로, 덩치가 클 필요도 없다. 급속충전기와 비교하면 바로 육안으로 구분이 가능하다. 벽에 붙어 있거나 비교적 슬림한 스탠트 형식을 취하고 있다면 완속충전기라고 보면 된다.


3 급속충전기는? 크다!

급속충전 방식은 그 이름답게 전기차 충전방식 중 제일 빠른 속도를 자랑한다. 한국의 표준사양으로 보급된 급속충전기가 사용하는 전력은 무려 50kW에 달한다. 약 열다섯 가구가 사용하는 전력량 또는 6층 건물의 한여름 사용 전기를 단박에 부어넣는 것이 바로 급속충전 방식이라 보면 된다. 이런 대전류를 취급하다 보니 급속충전기는 그 커다란 사이즈로 바로 알아볼 수 있다.

한국에서 현재 통용되는 급속충전의 방식은 커넥터에 따라 크게 세가지. 그래서 급속충전기는 거의 다 이 세 가지를 다 지원하며, 굵은 케이블이 세 개씩 매달려 있다. 커넥터의 형상뿐 아니라, 전기적인 특성 또한 다르다.


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이동형 충전기의 모습. 한쪽은 벽 콘센트로, 한쪽은 차량의 충전구로 연결한다


급속충전은 80%까지가 효율적

모든 전기차 충전은 전력의 총량을 조금씩 줄여 나가며 배터리가 받아야 할 부하를 줄인다. 보통 80%를 충전하는 데까지는 빠르지만, 그 다음부터는 충전 속도가 뚝 떨어지며, 94%까지 채운 뒤에는 충전이 종료된다. 아울러서 국내 충전기 가운데 거의 대부분이라 할 수 있는 환경부의 급속충전기는 1회 충전시간을 40분으로 제한하고 있다. 이는 기능상의 문제가 아닌, 다음 사용자가 너무 오래 기다리지 않도록 한 배려라고 보면 된다.


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발전용 엔진과 배터리를 함께 탑재한 전기차 쉐보레 볼트(Volt)가 충전 중인 모습. 현재까지 시판된 거의 모든 PHEV는 급속 사용이 불가능하며, 완속충전 시에도 3.5kW 미만의 입력만 허용한다


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테슬라 전용 충전기


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전기자동차 충전소 모습


DC콤보

정확하게 말하자면 CCS(Combined Charging System) 또는 SAE combo라고도 부르는 급속충전 규격 중 type1 커넥터를 쓰는 방식이 한국에서 이런 이름으로 정착한 것이다. 일반적으로 쓰는 5핀짜리 완속충전 포트 아래에 커다란 핀 두개가 붙은 모습이다. 이커다란 핀 두 개는 45kW짜리 직류를 전달하는 양극과 음극 역할을 한다. 배터리는 직류만 저장할 수 있으므로, 전력망을 통해 전송된 교류를 직류로 바꿔 집어넣어야 한다. 급속충전기 덩치가 그렇게큰 이유가 바로 대전류를 처리할 수 있는 대형 컨버터 때문이다. 잠깐, 급속충전기는 50kW로 알고 있었는데 왜 45kW인가 의문이들 것이다. 급전되는 전류는 50kW가 맞지만 컨버터의 효율, 도선과 커플러의 저항 등의 문제로 인해 실제 충전기가 공급할 수있는 전류는 45kW 선에 머무른다. 충전기 화면을 보면 실제 전류가 45kW 선을 왔다 갔다 하고 있는 것을 볼 수 있을 것이다.

이것을 이용해 코나 EV를 충전하는데 걸리는 시간도 계산 가능하다. 급속충전기이므로 80%까지만 충전하는 것으로 가정할 경우 공식은 다음과 같다.

64kWh × 0.8 ÷ 45kW = 1.14hours

계산상 1시간 8분이 소요된다. 실제로 20도의 상온에서 코나 EV를 충전할 경우 1시간이 좀 넘는 시간이 걸렸다. 아직은 충전에 시간이 소요되기 때문에 DC 콤보는 계속 충전 속도를 끌어올리고 있다.

코나 EV의 경우 제원상 100kW 급속충전을 지원하며, 시중에도 100kW를 지원하는 DC콤보 전용 충전기가 설치되는 중이다.

이것을 이용한다면 충전 시간은 큰 폭으로 줄어들 수 있다. 다만이 충전기를 물렸을 때 코나 EV의 실제 충전량은 약 70kW 수준에 머무른다. 100kW 충전기를 이용해 코나 EV를 실제 충전할 경우의 시간은 다음과 같다.

64kWh × 0.8 ÷ 70kW = 0.73hours

계산상 43분이 나온다. 전기차의 충전 속도는 지속적으로 빨라지고 있으며, 이미 150kW 충전을 지원하는 전기차인 메르세데스-벤츠 EQC가 국내에 출시된 상태다. 향후 전기차 충전이 궁극적으로 지향하는 목표는 350kW급으로, 이것이 현실화되면 충전 또한 주유와 다를 바 없이 수분 내에 끝내는 상황이 올 것이다. 다만 그러기 위해서는 차량과 충전 인프라 모두 이런 고출력을 지원할 수 있어야 한다.

DC콤보 방식은 현재 한국산업표준(㉿)으로 권고되어 있으며, 향후의 공공 충전기는 DC콤보로만 설치될 것이므로 전기차를 팔아야 하는 업계도 이를 따라야 한다. 2017년 이후 한국에서 시판된 거의 모든 전기차는 DC콤보를 지원한다. 국내에서는 오직 테슬라만 따로 독자 규격을 쓰고 있다.


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차데모 방식

차데모(CHAdeMO, CHArge de Move)는 글자 그대로 이동충전의 약자지만, 일본어로는 ‘차라도 한잔? (お茶でも?)’ 이라는 뜻도 있다. 차 한 잔 마실 시간에 충전을 한다는 중의적인 표현을 노린 이름인 것이다. 이름 그대로 차데모는 이미 일본에서 표준화된 기술이며, 닛산을 필두로 한 일본 자동차 기업들이 사용 중이다. 초기에 급속충전이 표준화되지 않았을 때 현대기아차도 잠시 사용했지만 현재는 모두 DC콤보 방식만 쓴다. 현재 국내에서 판매 중인 자동차 중 이 방식을 쓰는 자동차는 2세대 닛산 리프 그리고 테슬라의 자동차들이다. (테슬라는 별매 어댑터가 필요함) 이들은 스펙상 최대 64kW의 직류 충전을 지원하지만, 앞서 DC콤보와 같은 이유로 한국에서 충전량은 45kW 이상을 기대할 수없다. 차데모도 150kW 충전방식은 이미 완성한 단계이며, 현재 350kW 방식을 서둘러 준비하고 있다. 그러나 세계적인 충전표준이 DC콤보로 기울고 있는 현재, 차데모는 일본 회사만 쓰는 또다른 갈라파고스 기술이 될 가능성이 높다.


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닛산 리프의 충전 포트. 급속 차데모 포트 옆에 별도로 마련된 완속(J1772 type1) 포트에 충전기가 연결되어 있다


AC3상 방식

AC3상 방식은 2012년 르노에서 만든 급속충전 방식이다. 물리적으로는 유럽에서 완속충전용으로 많이 쓰는 J1772 type2라 부르는 7핀짜리 충전 커넥터를 사용하며, 충전규격도 동일하다. 특이점은 교류(AC) 3상(3phase) 전류까지 그대로 차에 공급할 수 있다는 것이다.

다른 충전방식과는 다르게 AC3상 방식은 직류 변환 없이 교류를 그대로 사용한다. 이 방식을 쓰는 차들은 OBC(On-board Battery Charger), 달리 말하면 차에 내장된 배터리 충전장치가 컨버터의 역할까지 해서 교류를 직류로 바꿔 배터리에 공급한다. 개별 급속충전기에 컨버터를 탑재하지 않아도 되니 급속충전 인프라의 가격을 낮출 수 있다는 장점은 있지만, 달리 말하면 모든 차가 충전기를 짊어지고 다녀야 한다는 이야기이기도 하다.


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이 충전방식은 최대 43kW 충전(AC 380V, 63A)을 지원한다.

39kWh로 배터리를 키워 230km를 달릴 수 있게 된 르노삼성 SM3 ZE 모델로 충전시간을 계산할 경우 다음과 같다.

39kWh × 0.8 ÷ 43kW = 0.726hours

약 43분이 소요된다. 환경부 급속충전기의 경우 40분만 사용할수 있지만, 실제로 사용 시에는 거의 80%의 배터리를 채우는 것이 가능할 것이다.

국내에서 이 방식을 사용할 수 있는 시판되는 전기차는 르노삼성의 SM3 ZE와 테슬라의 모델S ‘일부’다. 모델S는 초기에 이 방식의 충전포트를 달고 수입됐지만, 현재는 북미형 커넥터로 변경된 상황. 테슬라의 경우 AC3상 방식의 급속충전기를 사용하는 것은 의미가 없다. 내장된 직류컨버터의 용량이 16kW밖에 되지 않으므로 실제 충전량은 1/3밖에 되지 않으며 40분을 내리 충전해봐야 고작 50km 안팎의 주행거리를 얻을 뿐이다. 테슬라는 자체 충전 서비스인 수퍼차저를 이용하는 편이 훨씬 효과적이다.


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글 변성용 칼럼니스트

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