전기차가 늘어나면서 충전기 시장에 뛰어드는 국내 대기업들이 늘고 있습니다. 최근 정부도 관련 규제를 완화하며 전기차 충전 인프라 확대에 나섰습니다. 오는 2030년까지 전기차 충전기를 현재의 5배 이상 늘리겠다는 구상이에요.
글로벌 시장 규모도 급격히 커질 전망입니다. 독일 컨설팅업체 롤랜드 버거는 전기차 충전 시장이 올해 550억달러(약 77조원)에서 2030년 3250억달러(약 450조원)로 성장한다고 예상합니다.
그 만큼 전기차 충전은 우리 일상으로 다가오고 있습니다. 하지만 전기차 소유자들도 충전 원리와 방식, 배터리 용량 산정방식 등은 여전히 생소하실 텐데요. 오늘은 알아두면 도움되는 전기차 배터리 충전에 대해 몇가지 알아보겠습니다. 삼성SDI와 현대자동차 뉴스룸을 참고했어요.
완성차 업체가 골라 쓰는 배터리…유형별 특징은?
우선 전기차용 배터리부터 살펴보겠습니다. 각 전기차엔 원통형·각형·파우치형 등 각기 다른 형태의 배터리가 장착되는데요. 자동차 제조사들이 원하는 배터리를 각각 채택하고 있기 때문입니다.
통상적으로 전기차에 가장 많이 쓰이는 배터리는 ‘각형’이에요. 단단한 알루미늄 캔에 배터리 내용물을 담고 뚜껑을 덮은 뒤 레이저로 용접해 완전히 밀봉합니다. 통조림처럼 수명이 길고 외부 충격에 강한 게 특징이에요. 다만 각형 배터리는 상대적으로 무겁고 설계 유연성이 부족합니다.
‘파우치형’ 배터리는 상대적으로 가볍고 다양한 크기로 만들 수 있어요. 원통형·각형과 달리 외관이 얇고 연성있는 재질로 만들어지기 때문이죠.
‘원통형’은 전기차에 쓰이기엔 단위 용량이 작은 편입니다. 수천 개의 원통형 배터리가 들어가야 하다보니 셀을 일괄적으로 관리할 수 있는 팩 기술이 뒷받침돼야 해요. 양산성이 높기 때문에 가격 경쟁력을 갖췄다는 것은 장점입니다.
이러한 전기차 배터리의 에너지 용량은 ‘킬로와트시(kWh)’로 표기합니다. 전기차는 수많은 배터리들을 직렬과 병렬로 연결하기 때문에 다양한 전압과 전류값이 존재해요. 그래서 대표적으로 아우를 수 있는 와트시를 계산해 에너지양을 나타냅니다.
60암페어시 용량의 배터리 셀 500개가 탑재되는 전기자동차 모델의 경우를 가정해 계산해볼까요. 60암페어시에 리튬이온배터리의 평균 전압인 3.7볼트를 곱하고 셀 개수를 다시 곱하면 됩니다. ‘60암페어시×3.7볼트×500개=111킬로와트시’가 나오죠.
물론 계산 값과 제품 내에서 발현되는 에너지양은 다를 수 있어요. 실제 배터리에서 일어나는 일은 복잡하거든요. 부품들 사이에 노이즈가 발생해 일어나는 간섭 현상이나 온도 등 외부 요인이 에너지양에 영향을 미치기 때문입니다.
'완충까지 20분'…급속충전 3가지 방식
이번엔 전기차 충전에 대해 알아보겠습니다. 충전 방식은 속도에 따라 ‘완속충전’과 ‘급속충전’ 방식으로 나뉩니다.
전기자동차는 기본적으로 직류 전원 배터리로 움직이는데요. 완속충전은 충전기의 교류 전원을 배터리의 직류로 변환해야 하므로 충전시간이 4~5시간 정도 걸립니다. 반면 급속충전은 별도의 변환을 거치지 않고 충전하기 때문에 속도가 훨씬 빠른데요. 최신 기술로는 완충까지 20분 내외가 소요된다고 합니다.
급속충전 과정엔 다소 번거로운 점도 있습니다. 국가 혹은 제조사마다 타입이 달라 별도의 충전기를 구매해야 하는 경우가 종종 있습니다. 완속충전은 전 세계 어디에서나 동일한 커넥터를 채택해 상대적으로 불편이 덜한 것과 대조적이죠.
완속충전은 한국·미국·일본이 공통으로 AC단상 5핀 방식을 채택하고 있는 반면 급속충전은 DC콤보·차데모·AC 3상 등 크게 세 가지 방식으로 나뉩니다.
우선 ‘DC콤보’ 방식은 급속충전을 주도하는 기술이라고 할 수 있습니다. 완속충전용 교류 모듈과 급속충전용 직류 모듈을 동시에 사용할 수 있는 방식인데요. BMW iX, i4, 쉐보레 스파크 EV가 이 방식을 채택합니다. 2017년 한국 국가기술표준원에서 DC콤보를 국내 표준규격으로 개정안을 고시한 이후 국내 출시되는 전기자동차 대부분은 DC콤보 방식을 적용하고 있어요.
‘차데모’ 방식은 일본 도쿄전력을 중심으로 닛산·토요타·미쓰비시·후지 중공업을 주축으로 개발된 충전 방식입니다. 오로지 직류 방식만을 활용한 급속충전을 위해 개발됐어요. 때문에 교류 충전을 하기 위해선 별도의 커넥터가 필요하다는 단점이 있습니다. 차데모(CHAdeMO)는 ‘이동하며 충전한다(charge de move)’는 뜻과 ‘차라도 한 잔(오차데모(お茶でも))’이라는 뜻이 내포됐다고 합니다. 차 한 잔 마실 시간에 충전한다는 은유가 담겨 있는 거죠.
‘AC 3상’ 방식은 프랑스 르노가 채택한 방식으로 별도의 직류 변환 어댑터가 필요 없다는 장점이 있습니다. DC콤보처럼 하나의 케이블로 급속충전과 완속충전이 가능하죠. 낮은 전력을 이용해 효율이 높고 직류변환장치도 필요 없어 다른 충전 방식보다 인프라 구축비용이 낮은 것도 장점으로 꼽힙니다.
급속충전에 대한 오해와 진실
전기차 시대를 더욱 앞당기기 위해선 충전속도를 빠르게 올려 충전시간을 줄여야 하는 과제도 있습니다. 하지만 차주들 사이에선 “급속충전을 자주 하면 배터리 성능이 저하된다”는 얘기가 도는데요. 사실일까요.
이에 대해 배터리 업계는 “정상적인 급속충전기를 사용하면 상관없다”고 강조합니다. 아주 예전에 생산된 배터리 중 일부는 급속충전 기술이 적용되지 않도록 설계돼 이런 오해가 생긴 것 같다는데요. 급속충전 기능이 없는 상태에서 급속충전을 하면 내부 소재들이 열화돼 배터리 성능이 저하되는 문제가 발생했다고 해요.
하지만 최근 개발된 배터리들은 소재 기술이 향상돼 급속충전이 기본적으로 가능하도록 돼 있어 전혀 문제가 없다고 업계는 설명합니다. 주의해야 할 점은 정품 인증을 받은 충전기를 사용해야 한다는 것입니다. 불량 충전기를 사용하면 배터리에 무리가 가 고장원인이 될 수 있답니다.
급속충전과 관련, 또 하나 궁금한 점이 있으실 텐데요. 급속 및 초급속 충전은 왜 80%까지만 가능할까요. 이유는 완성차 업체가 전기차를 생산할 때 설정한 세팅 값에 있습니다.
완성차 업계는 “배터리가 일정 용량 이상 충전되면 화학반응을 일으키는 이온 및 전자 수가 줄면서 반응 속도가 떨어진다”며 “이 상태에서 계속 전류를 과하게 공급할 경우 배터리 손상이 우려돼 80%로 제한한 것”이라고 설명합니다.
즉 급속충전 시 충전 최대 용량이 80%인 것은 배터리 보호를 위해서라는 거죠. 이때 전기차 차주가 주의해야 할 점은 특별히 없어요. 충전기가 배터리 용량의 80%에서 스스로 제한하거나 80%를 넘어서면 충전속도를 느리게 조절하기 때문입니다.
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