고속충전기

고속충전기(High speed charger)는 충전기에서 전기자동차 배터리로 직접 직류 전력을 공급해주는 충전 방식이다.

개요

고속충전기는 전 세계적으로 전기차 시장의 빠른 확대와 추세 속에서 느린 충전속도와 낮은 출력 때문에 출시된 충전기이다. 한국전력공사 AC전원을 DC변환 또는 신재생에너지 DC전원을 DC/DC로 변환하여 자동차에 장착된 배터리에 필요전력을 충전한다. 충전기에서 배터리로 직접 직류 전력을 공급해 충전하는 방식으로, 국내는 50kW급 성능의 급속 충전기를 주로 사용한다. 정류기 및 DC/DC 컨버터가 외부 충전시스템에 분리되어 충전속도가 빠른데 전기자동차의 배터리 용량에 따라 차이가 있지만, 일반적으로 1시간 이내로 80%까지 충전할 수 있다. 차종에 따라 DC콤보, 차데모 규격을 범용으로 사용한다.

특징

고속충전기는 전기자동차에 장착된 배터리를 충전 장치에 거치지 않고 직류 고전압을 이용하여 고출력으로 직접 충전하는 충전기이고 차량 밖에 설치된 고속충전기를 통해 충전한다. 방식은 DC차데모, DC콤보, AC 3상 방식이 있다. 국내 표준은 DC콤보를 사용하고 있다. 대용량 에너지저장장치로부터 전기에너지를 공급받는 DC-DC 페스트 차지, 태양광을 이용한 PV연계 페스트 차지, 하이브리드 페스트 차지, 양방향 전력변환기술 V2G페스트 차지 등이 개발되었다. 고속충전기는 주로 50kW급 충전기가 사용되고, 전기차 배터리 용량이 늘어남에 따라 최근에는 100kW급 이상의 충전기가 상용화되고 있다. 대전류를 변환하기 위해서는 컨버터가 필요하기 때문에 고속충전기의 크기는 다른 충전기에 비해 매우 크다. 50kW급 고속충전기는 64kW 배터리를 80%까지 충전하는 데 1시간이 걸리지 않는다. 매우 많은 양의 전기에너지를 빠른시간안에 주입하기 때문에 배터리 손상이 될수있어 80%만 충전을 한다. 80% 충전을 하고 전압은 유지하고 전류량을 줄여서 배터리 부하를 감소시키고 보호한다. 그때는 완속 충전과 비슷한 수준으로 느려진다. 이처럼 고속충전기는 배터리 손상을 막기 위한 보호 설계가 되어 있지만, 고속충전기만 사용할 경우 배터리 셀 열화의 원인이 될 가능성이 있다.

종류

슈퍼차저

슈퍼차저 충전소

테슬라의 슈퍼차저는 테슬라의 데스티네이션 차저와 함께 설치한 테슬라 전기자동차 전용 전기충전소이다. 슈퍼차저는 테슬라 전기자동차 전용 고속충전기이고 데스티네이션 차저는 테슬라 전기자동차 전용 완속충전기이다. 슈퍼차저는 테슬라가 전기자동차 확산을 위해 개발한 태양광 기반의 전기충전소이다. 보통 125kW급 충전설비로 충전소마다 5핀 포트인 북미형과 7핀 포트인 유렵형이 혼재되어 있었으나 국내에서는 2020년부터 전부 북미형으로 교체하고 있다. 슈퍼차저는 급속으로 전력을 공급하여 배터리가 완충 상태에 가까워 지면 충전 속도를 점점 낮춘다. 차량이 목적지까지 주행하기에 충분할 만큼 충전이 되면 사용자에게 자동으로 알려주고 테슬라 애플리케이션을 통해서 계기판에 충전 과정을 확인할 수 있다. 슈퍼차저 충전소는 접근성이 높고 운전자들이 자주 찾는 경로에 위치하여 일반적으로 80% 이상의 충전이 필요 없다. 슈퍼차저 V3는 최대 250KW까지 충전속도를 제공하며 테슬라 모델3를 충전 시에 V3 충전 규격에서 스탠다드 레인지 플러스의 경우 최대 약 180KW까지, 롱 레인지의 경우 최대 약 250KW까지의 속도로 출력을 한다.

하이차저

하이차저 충전소

현대자동차㈜의 초고속 충전설비 하이차저는 반가움 친근함 등의 인사 표현인 하이(Hi)와 친환경적이며 전기자동차의 첨단기술 이미지를 담아서 이름을 지었다. 하이차저의 최대 출력은 350kW의 고출력, 고효율 충전기술이 적용되어 전기자동차의 초고속 충전이 가능하다. 800V 대용량 배터리가 탑재된 전기자동차의 경우 하이차저를 이용하면 20분 이내에 80% 충전할 수 있다. 충전시간만을 보았을 때 기존의 충전기들 보다 약 3배 정도 성능이 향상된 수준이다. 하이차저는 누구나 쉽게 사용할 수 있도록 충전 부분 자동화 방식을 적용하여 사용자의 편의성을 극대화하였다. 듀얼타입 충전구를 통해 전기차 2대를 각각 175kW 출력으로 동시에 충전할 수 있고 연결선 부분에는 자동화 기술이 적용돼 연결선의 무게를 거의 느끼지 않고 커넥터를 충전구에 연결할 수 있다. 또한 터치스크린을 통해서 내차량구 위치에 선택하면 커넥터가 위치에 맞춰 위에서 내려온다. 그렇기 때문에 상부에 매달려있는 상태라 사용자가 직접 들고 있을 필요가 없다. 그리고 하이차저와 연동되는 전용 애플리케이션을 개발해서 이용자들에게 전기자동차 충전에 특화된 서비스를 제공한다. 아직 350KW를 받아들일 전기자동차가 많지 않기 때문에 당분간은 150kW급도 병행 운영할 계획이다. 하이차저는 개방형 충전기라는 점에서 많은 주목을 받고 있다. 현대자동차, 기아자동차, 제네시스 등 타사 전기자동차 이용자도 충전 규격만 맞으면 사용이 가능하도록 만들어졌다. 현대자동차 플랫폼 E-GMP를 탑재한 모델들은 하이차저를 통해 충전하면 30분 내 완전 충전이 가능하다.

전망

설치 계획

환경부는 2020년 기준 9,800기에 불과한 전기자동차 고속충전기를 2021년에는 3,000기를 추가해 총 1만 2,000기로 늘리고 2030년에는 2만 기까지 확대한다는 계획이다. 민간사업자의 전기차 고속충전기 설치비 절반은 정부가 지원한다. 환경부는 2021년 안에 200kW 고속 충전기 1,000기를 공용시설과 주차시설 등에 추가로 설치할 예정이다. 고속충전기는 1기당 전기차 대수는 12.4대로 미국 67.4대, 일본 19.4대, 중국 12대 등 주요국과 비교했을 때 양호한 수준이지만 문제는 도심이나 교통의 요지 등 전기자동차 이용자들에게 필요한 장소가 아닌 설치가 쉬운 곳 위주로 설치되어 있다는 점이고 현재 고속충전기는 27%가 공공시설에 설치되어 있다. 이에 정부는 전기자동차 등록지, 충전기 이용현황 등을 분석하여 전기자동차 충전 수요가 높은 곳에 고속충전기를 우선 배치하기로 했다. 산업통산자원부와 한국전력은 도심 내 마트, 병원 등 주요 밀집 시설에 고속충전기를 1,030기 구축할 계획이다. 차량 비율이 높은 서울, 제주, 대구, 대전 등에 전기자동차 고속충전기를 우선 구축한다. 고속충전기뿐만 아니라 초고속 충전기 설치 계획도 밝혔다. 20분 내로 충전이 가능한 초고속충전기는 공공부문에서 43기 자동차기업이 80기를 구축할 계획이고 2021년 경부고속도로를 포함한 8개의 고속도로의 휴게소 16곳에 350kW 초고속 충전기 32기를 배치한다. 2021년 1월에 죽전휴게소에서 2기의 초급속 충전기 설치공사가 시작돼 2021년 6월부터 이용이 가능할 예정이고 나머지는 10월을 목표로 설치 중이다. 또한 환경부 산하 한국환경공단에서 전기자동차 이용자의 충전 접근성과 편의성 제고를 위해 2020년 10월부터 전국 주유소 60곳을 대상으로 공공 고속충전시설 설치 시범사업을 추진 중이다. 설치 주유소 60곳은 한국환경공단이 한국주유소협회 소속 전국 주유소를 대상으로 실시한 설문조사 및 현장 조사 등을 통해 선정됐다.

고속충전기술개발

2020년 10월 포항공과대학교(포스텍) 신소재공학과 강병우 교수는 성균관대 에너지학과 윤원섭 교수팀과 함께 더 빨리 충전되고 오래 유지되는 전기차 전지 소재를 개발했다. 이 기술은 6분 만에 전기자동차를 90% 충전할 수 있다. 지금까지는 2차전지인 전기자동차 배터리의 빠른 충전과 방전을 위해 전극 물질 입자 크기를 줄이는 방법이 이용됐다. 그러나 입자크기를 줄이면 이차 전지 부피 에너지 밀도가 줄어드는 단점이 있었다. 연구팀은 입자 크기를 줄이지 않고도 충전 방전 시 리튬이 삽입과 틸리되면서 물질 기존 상이 새로운 변화는 과정인 상변이 과정에 중간상을 형성시키면 에너지 밀도의 손실이 없이도 빠른 충전과 방전, 고출력이 가능하다는 사실을 밝혀내었고 오래가는 전기자동차 배터리 개발 가능성도 확인했다. 연구팀이 개발한 합성법을 이용하면 입자 안에 부피 변화를 줄이는 완충 역할의 중간상을 유도할 수 있다. 이를 통해서 전극 내 수많은 입자들이 균일한 전기화학 반응을 일으켜 충전과 방전 속도를 획기적으로 증가시킬 수 있다. 이러한 기술로 전기자동차 배터리 전극은 6분 만에 90%까지 충전되는 것으로 확인이 되었다.

현황

서울시 추가 설치

서울시는 전기자동차 사용자의 편의를 위해 2020년 서울 시내 주요 공영주차장, 관공서 등에 공용 고속충전기 200기를 추가 설치했다. 이번에 설치된 200기의 충전기를 포함하면 총 789기가 있다. 추가 설치된 200기 중 서울시가 직접 설치했거나 자치구와 민간을 지원해 설치한 고속충전기는 60기다. 51기는 지하철역, 구청 등 17개 공영주차장에 집중 설치되었다. 이 밖에도 공공시설에 설치해 전기자동차 사용자들이 접근성이 좋은 곳에서 편리하게 충전할 수 있도록 하였다.

화성시 추가 설치

친환경 모빌리티 욱성에 앞장서고 있는 화성시가 2021년 3월 시청 청사에 전기자동차 고속충전기 3대를 추가 설치했다. 100kW 1대 50kW 2대 총 3대로 전기자동차 배터리의 80%까지 40분 내외면 충전이 가능하다. 100kW 충전기는 2대가 동시 이용이 가능해, 기존 설치된 충전기 1대와 함께 청사 내에서 한 번에 5대의 차량이 대기시간 없이 충전할 수 있다. 이번에 추가 설치된 장소는 시청 본관 입구 우측 주차장이며, 충전 시에서 트래픽 카드는 249.9원/kWh, 환경부 카드는 255.7원/kWh가 소요된다.

요금인상

2020년 7월부터 1kWh당 173.8원인 급속충전 요금을 오는 6일부터 255.7원/kWh로 올렸다. 전기차 보급 확대를 위해서 한국전력공사에서 운영해오던 전기차 충전요금 특례할인이 7월 1일부터 단계적으로 축소됨에 따라 불가피하게 요금을 인상하게 되었다. 이에 따라 민간 사업자가 운영하는 전기차 충전기 요금도 일제히 인상되었다. 적용 기간은 2021년 6월 30일까지이다.

문제점

잦은 고장

2020년 8월 기준으로 전기자동차 고속충전기 대수는 총 2,896기가 설치 운영되었다. 하지만 2018년부터 3년간 환경부가 운영 중인 전기차 고속충전기 고장 건수가 해마다 1,000건이 넘는다는 지적이 제기되었다. 전기자동차 고장 건수는 2018년 1,088건, 2019년 1,908건, 2020년 1,792건으로 확인되었다. 지역별로는 256건으로 제주도가 제일 많았으며 경상북도 213건, 충청북도 203건, 강원도 201건, 충청남도 168건, 전라남도 134건, 서울시 100건, 전라북도 96건, 충청북도 92건, 경상남도 89건, 울산시 50건, 인천시 44건, 대구시 41건, 대전시 40건, 부산시 31건, 광주시 24건, 세종시 10건 순으로 나타났다. 고장 사유로는 커넥터 연결 오류 등 충전오류가 956건으로 제일 많았고 디스플레이 이상 306건, 기타 192건, 통신 미연결 144건, 프로그램오류 128건, 차단기 off 66건이 있는 것으로 확인됐다. 자동차 협회는 고속충전기의 고장을 신속하게 수리함과 동시에 재고장 방지를 위해 고속충전기 품질개선 등 대책 마련을 해야 한다고 밝혔다.

모호한 충전 속도

충전속도를 알기 위해서는 충전기의 출력을 알아야 한다. 출력은 단위 시간당 전자기기가 하는 일의 양을 일컫는 말이다. 전기자동차 충전기의 출력은 킬로와트(KW)라는 단위를 사용한다. 전기자동차의 충전기의 7KW 완속충전기부터 350kW급 초고속 충전기까지 범위가 넓다. 그렇기 때문에 충전기마다 속도가 천차만별이다. 하지만 충전기 출력과 배터리 용량을 함께 보면 충전에 필요한 시간을 대충 가늠할 수 있다. 350kWh급 충전기를 72.6kWh 용량인 전기자동차에 충전하면 이론적으로는 13분 안에 100% 충전기 가능하다. 하지만 이러한 이론과 현실은 거리가 있다. 100kW급 충전기의 경우 실제 평균 출력은 60kW 안팎에서 형성된다고 한다. 차이가 나는 이유는 차종의 사양이다. 전력을 높이려면 전류나 전압을 그만큼 높여 하는데 기술적으로 한계가 있다. 때문에 전기자동차 업체들이 발표하는 공식 충전 속도는 현실적으로 계산한 것과 차이가 크다. 배터리 안전성을 확보하기 위해서 전기자동차 업체들은 배터리 안정성을 확보하기 위해 배터리 관리시스템이 충전 속도를 제어한다고 설명한다. 그래서 일부 업체들이 100% 완전 충전이 아닌 80% 충전을 기준으로 발표한다. 배터리 온도도 영향을 미치는데 온도가 낮을수록 충전속도가 느려진다. 실제 업체가 기준으로 삼는 충전 구간은 제각각이다. 몇몇 업체는 0%에서 80%가 아닌 5%에서 80%이거나 10%에서 80% 구간 속도를 발표한다. 때문에 자동차별로 충전 시간을 정확하게 비교하기 위해서는 각 업체가 기준으로 삼은 초기 배터리 잔량을 알아야 한다. 이를 투명하게 공개한 업체는 소수이다. 그러기 때문에 일부 업체가 전략적으로 모호한 표현을 쓰는 것이 아니냐는 지적도 나오고 있다. 업체에서 발표된 것이랑 실제 경험하는 충전속도와는 괴리가 있다. 특히 배터리 잔량이 0% 또는 100%에 가깝거나 충전속도가 느리고 전비도 낮은 겨울철에는 효율이 발표된 것보다 떨어질 수 밖에 없다. 소비자에게 필요한 정보를 공개하지 않는 경우도 많다.

참고자료

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• 테슬라 공식 홈페이지 - https://www.tesla.com/ko_kr/model3
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• 이창원 기자, 〈‘하이차저’로 전기차 ‘충전戰’ 뛰어든 현대차, 테슬라에 승기 잡을까〉, 《시사저널》, 2021-01-22
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• 내 손안에 서울, 〈전기차 충전 더 빠르게! 급속충전기 200기 추가 설치〉, 《내 손안에 서울》, 2021-01-12
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• 김혜란 기자, 〈환경부, 전기차 급속충전 요금 '255.7원/kWh'로 인상 확정〉, 《UIP뉴스》, 2020-07-01
• 김병욱 기자, 〈전기차 급속충전기 고장, 매년 1,000건 이상 발생〉, 《투데이 에너지》, 2020-10-19
• 이재연 기자, 〈18분 만에 80%, 5분이면 120㎞…전기차 충전속도, 믿어도 될까〉, 《한겨레》, 2021-3-15

같이 보기

• 전기자동차
• 충전기
• 완속충전기
• 테슬라
• 현대자동차㈜

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