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우리는 전기차를 잘못 충전하고 있습니다

5 days ago 4

"복잡하고 비용이 많이 드는 충전 인프라가 전기차(EV) 도입을 제한하고 있음"

  • 전기차로의 전환을 가속화하기 위해 가장 중요한 것은 강력한 공공 EV 충전 인프라를 구축하는 것이지만, 공공 전기차 충전소는 건설 비용이 매우 높음
    • 소비자들은 전기차가 기존 차량처럼 장거리 여행을 포함한 모든 요구를 충족하기를 기대함
  • 현재 선진국에서는 약 90%의 충전이 자택서 이루어지지만, 나머지 10%의 공공 충전이 전기차 운전자에게는 매우 중요함
    • 배달 트럭, 택시, 아파트 거주자, 학생, 여행 가족 등에게 공공 충전 인프라 부족이 문제로 작용함
    • 2022년 Forbes 조사에 따르면, 전기차 소유자의 62%가 충전 문제로 인해 여행 계획을 변경한 경험이 있음
  • 국제에너지기구(IEA) 보고서에 따르면, 중국에서는 충전 인프라에 대한 투자가 전기차 성공에 있어 보조금보다 4배 더 효과적

전기차 충전의 원리

  • 충전소는 AC 전력을 DC 전력으로 변환해 배터리에 공급하는 역할 수행
  • 충전 시 다음 조건이 충족되어야 함
    • 배터리 전압이 임계치를 초과하지 않아야 함
    • 배터리 온도가 설정된 한계를 넘지 않아야 함
    • 전력망에서의 전류가 일정 값을 초과하지 않아야 함
  • 전기 충격 방지를 위해 접지(grounding)가 중요함
    • 접지가 깨지면 충전 포트는 갈바닉 절연(Galvanic Isolation)을 통해 안전 보호함
    • 갈바닉 절연은 전류가 회로 간에 흐르지 않도록 회로를 물리적으로 분리함
  • 충전소의 갈바닉 절연은 변압기(transformer)로 수행됨
    • 변압기는 고주파 교류(AC)로 변환된 전력을 통해 절연 수행

갈바닉 절연은 매우 비쌈

  • 갈바닉 절연이 충전 장비 비용의 약 60%를 차지함
    • 300kW 포트당 전력 전자 장치 비용: 약 $90,000
      • 그중 $54,000이 갈바닉 절연 비용에 해당
    • 4포트 충전소의 전력 전자 장치 총 비용: 약 $360,000 (절연 비용만 $200,000 이상)
  • 갈바닉 절연은 충전 장치의 크기와 무게를 증가시킴
  • 온보드 충전기(OBC)에서 고속 충전이 어려운 이유도 갈바닉 절연의 크기와 비용 때문임

갈바닉 절연을 제거할 수 있을까?

  • 갈바닉 절연을 제거하면 충전 장비 비용 및 에너지 손실이 절반 이상 감소 가능
  • 문제 해결 방안:
    • 이중 접지(double ground) 적용
      • 두 개의 접지선을 사용해 하나의 접지가 끊어져도 다른 접지가 보호 역할 수행
      • 접지 연속성 감지 회로 추가 → 접지 손상 시 충전 중단
    • 버크 레귤레이터(Buck Regulator) 적용
      • 입력 전압이 배터리 전압보다 높을 경우 전류 과부하 방지
      • 버크 레귤레이터는 기존 갈바닉 절연 비용의 10% 미만, 전력 손실은 20% 미만

공공 전기차 충전의 미래

  • 현재 온보드 및 공공 충전 방식은 복잡하고 비용이 과도하게 높음
    • 기존 4단계 충전 과정에서 3단계 제거 가능
      • 활성 정류기(active rectifier) 단계만 유지하고, 필요 시 저비용 버크 레귤레이터(buck regulator) 추가 가능
    • 안전성 강화:
      • 이중 접지(double ground) 및 접지 연속성 감지 추가
      • 기존 갈바닉 절연 수준 이상의 안전성 확보 가능
  • 직접 전력 변환(DPC, Direct Power Conversion) 방식의 장점
    • 장비 비용 절감: 충전 장비 비용이 50% 이상 감소
    • 에너지 효율 개선: 2~3% 개선
    • 충전소 설치 및 유지 비용 감소 → 수천 개의 충전소를 몇 년 내 확충 가능
    • 충전 인프라 확충으로 전기차 보급 촉진
  • 갈바닉 절연 제거 논의 필요
    • 전기차 충전 과정의 간소화와 비용 절감이 필수적임
    • 기술 커뮤니티에서 갈바닉 절연 제거에 대한 논의가 필요함
    • 갈바닉 절연 제거는 전기차 충전 인프라 강화의 첫 단계가 되어야 함

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