전기차에 전력을 공급하는 장치를 충전기(Charger)라고 통칭하며 전력전자를 이용해 교류를 직류로 변환해 차량의 배터리에 직류 또는 교류전력을 공급하는 급속충전기(Quick Charger, 또는 Fast Charger)와 공공장소에서 교류전력을 공급하는 역할을 하는 완속 충전스탠드(Charging Stand), 가정 또는 직장 등에서 간단하게 설치하고 교류전력을 공급하는 홈충전기 등으로 분류할 수 있다. 충전스탠드나 홈충전기의 경우, 교류전력을 그대로 공급하기 때문에 차량 탑재형 충전기(OBC, On-Board Charger)에서 이를 직류 변환하여 배터리에 충전한다.
충전기와 전기차 사이에 전력을 공급하기 위한 케이블의 접속방법은 미국 자동차공업규격(SAE)에 따르면 케이블이 차량에 연결돼 있고 충전기에 접속하는 구조인 경우(A Type), 케이블이 충전기에 붙어 있고 차량에 접속되는 구조(C-Type), 분리된 케이블로 차량 및 충전기 모두 접속하는 구조(B-Type)로 나뉜다.
좀 더 구체적으로 살펴보면 충전기와 전기차 사이에는 접속부위인 충전용 커넥터(Connector, B 및 C Type 인 경우)는 차량의 외함에 장착하는 소켓형태의 인렛(Inlet)과 권총 모양의 전력을 공급하는 접속구인 충전용 아울렛(Outlet)으로 구성되며, 충전기 측의 커넥터(A 및 B Type인 경우)는 충전기 외함에 장착하는 충전용 소켓(Socket)과 이의 접속구인 충전용 플러그(Plug)로 구성된다.
그리고 충전용 아울렛과 플러그 사이는 전력공급용 전선 외에도 여러 가닥의 신호선으로 연결된 케이블로 구성돼 있어 커넥터의 핀(Pin) 수에 따라 국내의 단체 표준으로 논의 되고 있는 규격은 홈충전기, 충전스탠드의 5핀으로부터 급속충전을 위한 9핀 등으로 제시되고 있다.
또한 전력선 외에 통신선들은 커넥터의 물리적 결속확인을 위한 근접(Proximity) 센서와 전기적 체결유무를 확인하는 파이럿(Pilot) 신호를 아날로그 방식으로 체크하거나 디지털 방식의 CAN(Closed Area Network) 또는 PLC(Power Line Communication) 등의 신호를 주고 받을 수 있도록 활용되고 있다.
최근에는 경량화 및 고출력을 요구하는 EV용 모터와 Li-ion 배터리의 충전을 위해 충전전압이 DC300V~DC400V 정도로 높아졌다. 이를 위해서는 직류를 공급하는 급속충전기는 배터리제어시스템(BMS)의 지령을 받아 실시간으로 출력인 직류 전압과 전류를 미세조정해야 한다.
전력전자 측면에서는 전력계통으로의 노이즈를 최소화 하며 효율이 높고 열방출설계가 된 콤팩트한 컨버터 개발이 필요하다. 근래에는 역률, 전고조파왜율(THD) 등의 문제를 최소화 하며 견고하고 출력의 정확한 제어가 가능한 IGBT 소자를 사용하는 추세이다.
또한 전력전자의 집접화, 경량화 부문의 비약적인 발전으로 차량내부에 OBC를 장착해 전력변환을 함으로써 충전인프라에 전력변환 장치를 설치할 필요성을 경감시켜 값싼 충전인프라 구축에 큰 기여를 하고 있다. 최근에 프랑스 르노자동차의 전기차 동향을 보면 중속 또는 급속 충전의 영역에서도 삼상 교류전력으로 충전하는 기술을 개발하고 있다.
근래의 충전기는 상기 전력변환 소자의 개발 외에도 제어나 통신부분의 성능이 대폭 강화돼 가는 추세이다. 충전전력 또는 충전환경의 정밀 측정/제어, 충전기 내부에 일정기간의 충전 데이터를 보존하거나 외부상황에 맞도록 충전기의 능동대처 기술들이 선보이고 있다.
또한 통신부분에서는 충전기와 EV 간의 CAN 통신이 성공적으로 활용되고 있으며 PLC, Zigbee 등의 대체 통신수단이 연구되고 있다.
EV 충전인프라 구축은 막대한 사회적 비용이 수반되며 그 수익성도 현 시점에서는 가늠하기 매우 힘든 상황이다. 그러므로 최소의 충전기로 최대의 인프라 구축효과를 내기 위해서는 충전인프라의 설계가 매우 중요하며 충전기는 요금정산, 충전고객 서비스 등을 위해 지능화돼야 한다.
현재의 기술로는 충전기 1대에서 판매될 수 있는 전력을 요금으로 환산할 때 충전기를 관리하는 인건비를 충당하기가 어렵기 때문에 무인화해서 운전하며 이를 원격으로 관리하는 것이 바람직하다. 이를 위해서는 충전인프라를 원격에서 감시하고 요금정산 등을 처리할 수 있는 운영시스템이 필요하다.
또한 유료주차장의 정산소 또는 아파트 등 공동주거단지의 관리사무소 등의 소규모 충전스테이션에서 충전기를 감시할 수 있어야 하며 충전기는 EV측 외에도 운영서버나 충전스테이션의 관리용 PC 등과의 통신 기능을 갖고 있어야 할 것이다. 또한 향후 각 충전기제조사에서 생산되는 충전기들이 호환성을 갖기 위해서 이러한 통신 프로토콜을 표준화 하는 것이 시급하다.
충전인프라 운영시스템은 충전기의 원격 상태감시, 소비자가 전국 어디서 충전하더라도 통합 요금정산이 가능해야 하고 현재 국내의 충전인프라는 선진국에 비해 후발주자이기는 하지만 전국의 충전기가 운영시스템을 원격 연계되도록 구성하고 있으며 실시간 요금정산이 가능한 스마트한 충전인프라가 개발돼 시범적으로 구축돼가고 있다.
또한 IT강국으로서 전기차 고객에게 SMS 또는 WEB 서비스를 통한 부가서비스를 제공할 수 있도록 진화될 것으로 보인다. 이러한 부가서비스는 충전기의 위치를 고객에게 제공하는 GPS서비스, 요금정산 내용 고객이 인지할 수 있는 기능들을 포함할 것이다.
전기자동차의 보급을 위해서는 범국가적 차원의 지원이 필요한데 장기적인 계획에 맞춰 충전인프라를 구축해 나가되 이로 인해 발생하는 전력판매요금이 매우 적으므로 정부에서 인프라 구축을 보조하는 형태로 추진될 필요가 있다.
예를 들면 영국과 일본의 경우, 충전기 가격의 절반정도를 정부가 보조하고 전력회사가 추가 지원하는 형태로 인프라 구축이 진행되고 있다. 그러나 이러한 지원책에도 초기 구축은 어려워 보이며 정부, 지자체, 전력회사, 공공기관 등이 초기 구축비용을 분담하며 주차장 등을 갖고 있는 민간에서의 참여도 필요할 것이다.
이러한 경제적 지원 외에도 영국 런던시처럼 승용차의 도심진입을 제한하는 도로혼잡요금 징수와 도심 EV전용 주차장 제공으로 EV 보급정책이 효과적으로 진행되고 있다.
국내에서도 경차에서 적용했던 통행료 및 주차료 감면, 차량 통행제한제(요일제 등) 면제 등 각종 혜택을 EV에 제공하며, 공공장소의 EV 전용 주차장 확보를 주차공간 수에 비례해 의무화 하거나 장애자 주차공간 옆에 설치하는 방안 등을 고려해 볼 수 있을 것이다.
충전인프라의 관점에서는 이러한 전용주차 공간에서 주차 중 충전이 가능하도록 충전기를 설치하는 것이 바람직하며 급속충전기는 고속도로 또는 국도의 휴게소, 그리고 안전이 보장된다면 주유소 등에 설치가 가능할 것으로 사료된다.
교통관련 에너지 대부분 수입의존, 좁은 국토면적, 세계 1위의 전기차 Li-ion 배터리 생산국가, 세계적인 차량제조회사 보유, 전국적인 초고속 통신망 보유 등 우리나라는 세계의 어느 국가보다도 전기차 보급 환경이 좋다. 그러므로 ‘스마트 충전인프라’ 구축으로 전기차 보급에 박차를 가할 수 있는 날이 하루 빨리 오기를 기대한다.
KEPCO-전력연구원 녹색성장연구소 공학박사 한 승 호