초고속충전

초고속충전은 충전기 출력이 320㎾h이상으로 전기차 충전 시간을 획기적으로 줄이는 것을 말한다. 아이오닉5의 경우 단 5분이면 100km 주행이 가능한 자동차를 초고속으로 충전하는 것이 가능하다. 중국 전기차 기업 샤오펑(XPeng)의 초고속 충전 기술은 단 5분 만에 200km 이상 주행하는 데 필요한 전력을 공급한다. 초고속충전은 전기차 강자의 조건이라고 할 수 있다.

2022년 8월 22일 아이다호 국립 연구소는 '초고속 전기 자동차 충전, 맞춤형 터치'라는 보고서를 발표, 그에 따르면 다양한 유형의 전기 자동차 배터리를 손상 없이 10분 이내에 90%까지 초고속으로 충전할 수 있는 방법이 나왔다. 보고서에 따르면 초고속 배터리 충전 모델은 새로운 배터리를 설계하는 데 적용될 수 있다. 다만 연구원들은 실제 전기차 시장에 진출하기까지는 여러 가지 변수를 고려해야 하기 때문에 앞으로 수년이 더 걸릴 것으로 내다봤다.

개요

전기차는 전방위로 '군비경쟁'을 벌이고 있다. 라이다(LIDAR·레이저파로 물체의 위치와 형태를 파악하는 장치) 수와 반도체 연산능력, 배터리 항속거리 등이 모두 경쟁 지표다. 최근 초고속충전 기술이 추가됐다. 신차의 성능 지표에는 충전 시간을 표시한다. 배터리 기술이 발달해 초고속 충전이 보급될 것이다. 사용자 수요가 있고 배터리와 충전 기술이 지원할 수 있다.

제조사는 전기차를 개인에게 판매할 때 보통 충전기를 제공하고 설치를 도와준다. 이런 충전기는 대부분 가정에서 쓸 수 있도록 교류전력을 사용하며 출력은 7㎾다. 이론적으로 계산하면 용량 70㎾h 배터리를 장착한 자동차가 완전 충전하는 데 10시간이 걸린다. 예전에 설치된 공공 충전기도 대부분 교류전력 저속 충전기였다. 수요가 늘면서 직류 고속 충전기가 보급됐다. 이런 충전기의 출력이 수십~100㎾여서 충전 시간을 1시간 안팎으로 줄일 수 있다. 충전기 출력이 320㎾h를 넘으면 '초고속'으로 분류된다. 70㎾h 배터리 차를 15분 안에 충전할 수 있다.

초고속충전은 긴급한 상황에 적합하다. 실제로는 배터리 전력량이 80%를 넘기면 초고속에서 저속충전으로 전환되고, 완전충전까지 걸리는 시간은 이론적으로 계산한 수치를 넘는다. 주변 온도도 충전 시간에 영향을 준다. 겨울철에는 충전 시간이 더 걸린다.

초고속충전은 매력적이지만 이 기술을 도입하기까지 충전기, 배터리, 차량 등 각 영역에서 극복해야 할 도전이 있다. 충전기의 핵심은 충전모듈이다. 변환 효율과 지능화, 출력 밀도 수준이 충전기의 전체 효율을 결정한다. 충전모듈 여러 개를 합체하고 액체냉각 충전기를 사용하면 초고속 충전을 할 수 있다.

고출력 초고속충전에는 높은 전압과 고전류의 지원이 필요하다. 전류가 너무 세면 충전 케이블이 무거워 고객이 들 수 있는지, 열이 얼마나 날지도 고려해야 한다. 기술개발은 쉽지만 비용이 늘어난다.

초고속충전을 위해선 배터리와 차량 플랫폼 전압이 충전기와 맞아야 한다. 배터리 과열로 발생하는 화재는 주로 배터리의 품질과 고속 충전을 지원하지 않는 규격 탓이다. 초고속충전은 배터리를 최대한도로 사용한다. 배터리에 하자가 있으면 평소 발생하지 않던 문제가 생길 확률이 커진다.

세계 최대 전기차 배터리 생산업체 CATL(寧德時代)에 따르면 리튬이온을 최대한 빨리 배터리 양극에서 음극으로 이동시키는 것이 초고속 충전의 원리다. 리튬이온의 이동 속도가 빠를수록 열이 많이 나고 가스 발생 같은 부반응(Side Reaction)도 잦다. 이 때문에 양극과 음극, 전해액 등 재료의 품질과 신뢰성이 높아야 한다. 초고속 충전기와 마찬가지로 초고속 충전 배터리의 값은 비싸다. 초고속 충전 배터리 가격이 20% 정도 비싸고, 차량 플랫폼 전압을 높이면 배터리관리시스템 비용이 늘어난다.

시장 상황을 보면 충전 시설과 전기차는 '닭이 먼저냐, 달걀이 먼저냐' 하는 고민에 빠져 있다. 초고속충전은 원가가 비싸고 기술 면에서도 더 어렵다. 충전기 운영회사는 초고속 충전에 흥미를 잃었다. 업계 관계자는 "현실적으로 공공 충전기 운영회사가 이익을 얻기는 힘들다"고 말했다. 운영회사가 원하는 것은 충전 시간 단축이 아니라 충전기의 평균 사용률을 높이는 것이며 직류 고속 충전기가 공공 충전기의 주류가 될 것으로 예상했다.

초고속충전을 적극적으로 추진하는 주체는 자동차 제조사다. 자체 충전망을 구축한 일부 전기차 브랜드는 일정 비율의 초고속충전 시설을 함께 설치했다. 현대자동차, 테슬라, 샤오펑, 아이온 등이다.

초고속충전 기술

하이차저

하이차저(Hi-Charger)는 현대자동차가 2019년 11월 선보인 초고속충전 설비이다. 하이차저는 국내 최고 수준인 350kW급 고출력 고효율 충전 기술이 사용됐다 일반적인 50kW~100kW 급속 충전 대비 35배 정도 빠른 속도로 800V 충전 시스템을 갖춘 차량은 배터리 잔량 10%에서 80%까지 충전하는데 20분 내외가 소요된다 특히 하이차저는 미래 지향적인 디자인과 함께 차량의 충전구 위치에 따라 충전 케이블이 움직이는 편리한 구조를 채택해 무거운 급속충전 케이블의 단점을 보완했다.

E-pit

이피트 외관

이피트에서 충전하는 모습

E-pit는 2021년 4월부터 현대차그룹이 운영을 시작한 전기차 초고속 충전소이다. E-pit는 모터스포츠의 피트 스톱Pit stop에서 영감을 받아 전기차를 위한 피트 스톱을 지향하는 의미를 담은 초고속 충전 브랜드이다. 그동안 전기차 충전은 주차 공간 일부를 활용해 충전기를 설치하는 방식이었지만 E-pit은 전기차를 위한 새로운 개념의 주유소라고 할 수 있다. E-pit 충전기는 디자인 우수성을 인정받아 ‘2021 레드 닷 디자인상(2021 Red Dot Award)’ 제품 디자인 부문에서 본상(Winner)을 수상한 바 있다. 이 밖에 충전소를 캐노피 구조로 세워 충전 중인 차량과 고객을 악천후로부터 보호하는 등 편안한 충전 공간을 제공한다.

E-pit은 기존 급속 충전기보다 3배 이상 높은 350㎾급 고출력 충전기를 사용한다. 덕분에 현대차 아이오닉5나 기아 EV6 기준으로 배터리 잔량 10%에서 80%까지 18분만에 충전이 가능하다. 충전을 위해 휴게소에서 오래 머물러야 했던 과거에 비해 충전 시간을 획기적으로 줄였다.

E-pit은 현대차그룹 주도로 세웠지만 DC콤보 타입1 충전 규격을 쓰는 전기차라면 제조사 관계없이 누구나 이용할 수 있다. 플러그앤드차지(PNC) 방식 결제를 도입해 케이블을 꽂으면 자동으로 회원 인증과 충전, 결제를 한 번에 진행할 수 있다는 것도 장점이다.

2022년 5월 기준 ▲경부고속도로 안성(양방향), 칠곡(부산 방향) ▲서해안고속도로 화성(목포 방향), 군산(서울 방향) ▲중부고속도로 음성(통영 방향) ▲중부내륙고속도로 문경(양평 방향) ▲남해고속도로 문산(순천 방향), 함안(부산 방향) ▲영동고속도로 횡성(강릉 방향) ▲무안광주고속도로 함평나비(무안방향) ▲서울양양고속도로내린천(서울 방향)까지 12곳에 6기씩 총 72기가 설치됐으며, 송도 현대 프리미엄 아울렛, 을지로 센터원, 국립중앙과학관에서 추가 운영 중이다. 또한 판교 광주광역시 등에도 E-pit 인프라를 추가할 계획이다.

슈퍼차저

슈퍼차저(Super Charger)는 테슬라(Tesla) 전용 급속 충전기이다. 2012년에 테슬라가 전기자동차 확산을 위해 개발한 태양광 기반의 고속 전기 충전소이며, 8시간이 소요되는 기존 방식을 개선하여 약 30분 정도면 충전할 수 있다. 하지만 다른 종류의 전기차와 호환되지 않아 실용성은 높지 않다는 평가를 받고 있다. 테슬라의 슈퍼차지 네트워크는 15분 이내에 최대 200마일(322km) 상당의 배터리를 충전할 수 있는 것으로 알려졌다.

차저5

스탠다드에너지가 개발한 바나듐 이온 배터리 에너지저장장치(ESS) 기반 전기차 급속 충전기.1시간 가량 걸리는 기존 급속 충전기 대비 4분의 1 수준인 20분 가량이면 충전이 완료된다.

차저5(Charger)는 기존 전기차 초고속 충전기보다 약 4배 빨리 충전이 가능한 초초고속 충전기이다. 배터리 전문 스타트업 스탠다드에너지가 최초로 개발한 바나듐이온 배터리(VIB) 에너지 저장장치(ESS)와 연동된 장치이다. 바나듐 이온 배터리는 현재 전기차와 모바일 기기에서 주로 쓰이는 리튬 이온 배터리 대비 화재 위험이 적고 효율이 높아 차세대 배터리로 꼽힌다. 2022년 6월 30일 오전 서울 강남구 신사동 롯데하이마트 압구정점에 차저5가 설치되었다.

차저5는 1분당 최대 5kWh(킬로와트시)의 속도를 목표로 개발 중인 시스템이라는 뜻으로, 스탠다드에너지가 롯데케미칼, 롯데하이마트와 함께 컨소시엄을 구성해 2021년 11월 VIB ESS와 이를 연계한 전기차 충전 시설의 설치·운영에 대한 규제샌드박스 승인을 받은 데 따라 설치됐다.

전기차인 EV6 택시가 충전을 위해 차량에 충전용 콘센트를 꼽으니'예상 시간 17분'이라는 안내 문구가 뜬다. 현재 전기차 급속 충전이 1시간가량 걸리는 것과 비교하면 4분의 1 가량에 불과한 셈이다. 50kW에 그쳤던 기존 전기차 급속 충전기의 순간 출력을 최대 200kW까지 끌어올린 덕분이다. VIB는 리튬 이온 배터리와 달리 물 기반 전해액을 사용해 화재 위험이 사실상 '제로(0)'에 가깝다.

차저5는 두 개 이상의 다른 전원으로터 전기를 공급받아 전력망 부하를 줄일 수 있다는 장점도 있다. 충전을 시작하면 처음엔 필요한 전기를 전력망에서 공급받지만, 일정 시간이 지나면 VIB가 저장된 전력을 전달하기 시작한다. 두 개의 전기가 혼류돼 전기차가 충전되는 것이고, VIB가 개입하면 그만큼 전력망 부하를 줄일 수 있다. 고출력 전기를 확보하는 것이 매우 어려운데, VIB ESS와 연동하면 도심 한가운데서 전기차 초급속 충전이 가능하다.

니오 500kW급 초고속 충전기

니오의 초고속충전기

2022년 12월 25일, 니오(NIO)는 다른 브랜드의 전기 자동차돛더 빠르게 충전할 수 있는 최대 500kW의 전력을 갖춘 새로운 충전기를 공개했다. NIO는 시그니처 배터리 교환 스테이션을 구축하는 것 외에도 12월 24일 NIO Day 2022에서 특히 다른 브랜드의 전기자동차 충전 속도를 높일 수 있는 최대 500kW 전력의 충전기를 공개했다.

초고속 충전기는 모든 브랜드의 전기 자동차에 개방되어 있으며 660A의 최대 충전 전류를 제공할 수 있다. 차량이 800V 플랫폼에 구축되면 12분 만에 10%에서 80%까지 충전할 수 있다. 400V 모델의 경우 이 시간은 20분이다. 니오는 초고속 충전기에 15.6인치 디스플레이와 자체 수냉식 기술을 적용해 케이블 무게를 획기적으로 줄여 사용자가 한 손으로 쉽게 조작할 수 있도록 했다.

니오의 3세대 배터리 교체 스테이션과 마찬가지로 500kW 초고속 충전기는 2023년 3월까지 서비스될 예정이다.

NIO의 충전기는 중국 전기차 회사인 샤오펑이 2022년 초 최대 전력 480kW의 충전기를 출시한 데 이어 중국 전기차 회사가 발표한 가장 높은 충전 전력을 가진 것으로 보인다. 2022년 8월 15일, XPeng은 670A의 최대 전류와 480kW의 최대 전력을 요구하는 S4 수퍼차저 기술을 선보였다. 4C 충전을 지원하는 샤오펑 G9는 최소 5분 만에 200km 이상의 범위를 확보할 수 있고 10% 에서 80% 까지 15분이 소요된다.

니오의 충전 네트워크가 모든 브랜드의 차량에 개방되어 있으며 제공된 전력의 80.5%가 110개 이상의 다른 차량 브랜드에서 사용되고 있다 한다. NIO 차량은 충전 네트워크 전력의 19.5%, BYD 차량은 20.4%, Tesla는 12%, 샤오펑은 3.4%, 리오토(Li Auto)는 2.9%를 사용한다.

니오는 현재 중국에 1,284개의 배터리 교체 충전소 스테이션과 13,083개의 충전기 파일을 제공하는 2,239개의 충전소를 보유하고 있으며, 여기에는 빠른 급속 충전기와 완속 충전기도 포함된다.

S4 슈퍼차저

S4 슈퍼차저

S4 슈퍼차저는 중국 샤오펑이 출시한 최대 전력 480kW, 최대 전류 670A, 최대 충전 전력 400kW를 자랑하는 충전시간 5분만에 210km의 CLTC 주행거리를 얻을 수 있는 초고속 충전기이다. 샤오펑의 480kW 첫 번째 S4 수퍼차저 초고속 전기차 충전소가 5개 도시에서 가동된다. 현재까지 샤오펑은 7개의 S4 과급 스테이션을 포함하여 1,011개의 충전소를 보유하고 있으며 2023년까지 500개 이상의 S4 충전소를 추가하는 것을 목표로 하고 있다.

샤오펑의 플래그십 SUV인 G9는 회사에서 전시한 실제 테스트에서 S4 급속 충전 파일을 사용할 때 5분 만에 210km의 CLTC를 얻을 수 있었다. 비교를 위해 테슬라의 V3 충전기는 최대 전력 250kW, 최대 전류 631A로 불과 5분 만에 150km를 주행할 수 있다. 샤오펑은 G9 주문이 가장 많은 10개 도시에 S4 충전소를 구축하는 데 집중하고 2023년에는 주요 도시와 핵심 고속도로를 따라 이러한 충전소를 제공할 예정이다. G9 출시에서 2023년에 500개 이상의 S4 수퍼차저 스테이션을 추가하고 2025년까지 2,000개를 초과할 것으로 예상한다고 밝혔다.

참고자료

• 〈아이오닉 5: 초고속 충전, 5분의 의미〉, 《현대그룹》
• 박채원 기자, 〈中 니오 부사장 "초고속 충전 기술, 전기차 배터리 충전소 경쟁력에 도움 안 돼"〉, 《코딩월드뉴스명》, 2022-08-18
• 김민정 기자, 〈전기차 신기원, 10분 이내 초고속 충전 시대 열린다〉, 《ESG경제》, 2022-09-02
• 안리민 차이신 주간 기자, 〈배터리·충전기 성능 제고 초고속 충전 확산은 아직〉, 《이코노미인사이트》, 2022-02-01
• 김도형 기자, 〈현대차, 350kW급 초고속 전기차 충전설비 오픈〉, 《동아일보》, 2021-01-22
• 현대자동차그룹, 〈현대자동차그룹, 전기차 초고속 충전 인프라 ‘E-pit’ 충전소 개소〉, 《뉴스와이어》, 2021-04-14
• 현대자동차, 〈전기차의 불편한 충전, “초고속 충전소가 해결한다”〉, 《브런치》, 2022-01-20
• 이윤정 기자자, 〈20분 만에 전기차 충전… 초초고속 충전기 ‘바나듐 이온 배터리’ - 〉, 《조선비즈》, 2022-06-30

같이 보기

• 초급속충전
• 완속충전
• 이피트
• 하이차저
• 슈퍼차저
• 바나듐이온 배터리

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