전기차의 미래 ‘충전’ 파헤치기

전기차는 어떤 방식으로 충전할까




내연기관차가 도로를 달리기 위해서는 가솔린과 디젤 등의 화석 연료가 필요하듯, 전기차도 연료로 사용할 전기가 필요하다.

현재 전기차가 급격히 늘어가고 있는 상황에서, 전 세계의 제조사는 전기차의 판매만큼 인프라 구축의 중요성을 인식하고 앞 다퉈 충전소 설치를 위해 최선을 다하고 있다.

국내에서도 전기차 도입 초창기에 비해 충전소가 다소 늘긴 했지만, 운전자들이 안심하고 운전할 수 있는 단계에까지 온 것은 아니다.

전기차 보편화 시대를 앞두고 전기차 충전소 인프라가 왜 중요한지 알아본다.

환경부와 산업통상자원부가 지난 7월 16일 ‘그린 뉴딜 정책’의 세부 계획을 발표했다.

이날 환경부 조명래 장관은 “현재 보급된 친환경차는 총 24만 대에서 보조금 정책 강화와 미래차 보급 목표제를 추진해 연간 26만 대를 추가 공급해 2025년까지 전기차 133만 대, 수소전기차 20만 대 보급을 달성할 것”이라고 밝혔다.

그 일환으로 전기차 비중은 더욱 늘어나고 관련 인프라 사업은 확대될 전망이다. 이에 정부는 2023년까지만 지원할 예정이었던 보조금 정책도 4조 5,000억 원을 투입해 최대 2025년까지 연장할 것이라고 밝혔다.



또한, 2021년 전기차 보조금도 700만 원 선을 유지할 것이라고 덧붙였다.

민간에서도 전기차 생산에 박차를 가하고 있다. 현대차그룹 정의선 부회장은 2025년까지 전기차 100만 대를 생산하겠다고 야심찬 포부를 밝혔다.

또 5년 뒤까지 전기차 23종, 수소차 2종을 개발하겠다고도 덧붙였다. 2025년까지의 생산 목표량 비율도 ‘전기차 5, 수소차 1’로 잡았다.



정부 전망과 비슷한 수치다. 이 선택의 배경에는 대폭 강화된 배출가스 규제 정책이 큰 비중을 차지한다.

특히 유럽연합은 올해부터 판매 차량 당 평균 이산화탄소 배출 허용량을 기존 1㎞당 130g에서 95g으로 줄였다.

2023년에는 62g까지 줄인다는 계획이다. 때문에 평균 배출량을 줄이기 위해서는 가솔린, 디젤 모델 판매 비중을 낮추고 전기차와 같은 친환경 모델의 판매 비중을 높여야 한다. 전기차 충전소 확충이 왜 필요한지를 보여주는 대목이다.



◆ 전기차 충전 인프라의 현재와 미래

이처럼, 전기차 판매에 가장 큰 영향을 미치는 전기차 충전소 관련 사업에 대한 운전자들의 관심도 커지고 있다.

이에 못지않게 인프라의 중요성을 인식하고 있는 자동차 제조사들의 경쟁도 뜨겁다.
 
현재 전기차 시장에서 독보적인 1등을 달리고 있는 테슬라는 국내에 125kWh 출력의 급속 충전기 ‘슈퍼 차저’를 현재 총 32개 설치한 상태다.

테슬라는 향후 인프라를 계속 충원하며, 올해 부산 서비스 센터를 시작으로 전국 6곳에 슈퍼차저를 추가로 설치한다고 밝혔다.

포르쉐 코리아도 전국에 10여 개소와 9개의 공식 전시장에 320kW급 충전속도를 자랑하는 ‘포르쉐 HPC 충전소’를 구축한다.



최근 순수 전기차인 e-tron을 출시한 아우디는 지속적인 인프라 보급을 통해 충전소간 거리가 30km를 넘지 않도록 하는 것이 목표라고 전했다.

이런 노력들에도 불구하고 인프라 고도화는 아직 갈 길이 멀다. 전기차 충전소는 물론 충전소 내 충전기 대수가 절대적으로 부족해 전기차 운전자의 불만이 많다.

단순 충전소만 확장할 게 아니라 급속충전기 설치 대수를 늘리고, 차량 유동량에 따라 접근성과 편의성을 극대화한 인프라 구축에 나서야 한다는 목소리가 나온다.

2020년 7월 21일 기준 전국의 전기차 충전기 수는 2만 254대에 이른다. 충전기 1대가 5대의 전기차를 담당하고 있는 상황이다.



여기에 급속 충전기의 경우에는 사정이 조금 낫지만, 완속 충전기의 경우 긴 시간 충전해야 한다는 점을 고려하면 충전소 인프라는 부족할 수밖에 없다.

이로 인해 마트 등의 공용 주차 공간에서 220V 일반 콘센트에 간이 충전기를 연결해 전기를 훔쳐 쓰는 이른바 ‘도둑충전’에 관련된 웃지 못 할 해프닝이 벌어지기도 한다.

주거 공간에서도 갈등이 이어졌다. 특히 아파트의 경우 한 가정에서 2대 이상의 차를 보유하는 경우가 많아 이미 주차 공간 부족으로 전기차 충전구역을 따로 마련하는 데 어려움을 겪고 있다.

또한, 전기차 충전구역에 일반 차량을 주차해 전기차 이용자들이 제때 충전하지 못하는 경우도 많다.



이에 환경부 관계자는 “2025년까지 급속충전기 1만 5,000개 추가 설치를 목표로 인프라를 구축 하겠다”며, “급속충전기는 설치에 시간이 걸리는 만큼 완속충전기를 효율적으로 설치해 전기차 운전자의 불편을 줄이겠다”라고 말했다.

충전기 설치 대수 대비 효율도 문제점으로 지적된다. 주유소에서 3분이면 연료를 가득 채울 수 있는 화석 연료와 달리, 전기차는 급속충전기로 배터리를 충전해도 30분에서 1시간을 기다려야 한다.

때문에 전기차가 증가하게 되면 차량이 몰리는 장소에서 정체현상이 더 심해질 것으로 예측된다.

관련업계 관계자는 “차량 유동량 등을 파악해 실제 차량이 많은 곳에 충전기를 추가로 설치하겠다”라고 답하며 인프라 구축에 노력하고 있다. 하지만 불편함을 해소하기엔 부족한 것이 사실이다.



이렇듯 전기차 보급의 활성화를 위해서는 부족한 사안들을 지속적으로 개선해야 한다.

특히 위에서 언급했던 주거 공간 관련 문제는 건설사들의 노력이 필요하다. 앞으로 대폭 늘어날 전기차 등의 친환경 인프라 구축을 위해 △건물이나 시설 어느 위치에 충전소를 설치할 것인지 △충전소를 구성하는 최소 규모를 어느 정도를 지정할 것인지 등을 면밀히 검토해야 한다.

또한, 전기차의 수요에 따라 수·배전반 구성, 급속충전기, 완속충전기의 구성이 모두 달라질 수 있기 때문에 충분한 수요 예측을 통해 설계를 진행하는 것이 좋다.


추가로 세대마다 월패드 혹은 홈IoT를 통한 네트워크를 활성화해 충전 설비에 관련된 정보들을 확인할 수 있게 구성해 사용자들의 편의성을 높일 필요가 있다.

◆ 전기차 충전기의 구조와 종류
이런 상황에서 인프라 부족을 가장 획기적으로 개선할 수 있는 방법은 규격의 단일화다. 아직도 전기차 관련 산업은 충전기에 대한 규격이 단일화 돼있지 않다.

때문에 전기차 충전기의 충전 소켓과 규격이 제각각이어서 호환성에 문제가 있는 실정이다.

실제로 전기차 충전소에 방문하면 첫 화면에 소켓 타입을 선택하는 메뉴를 볼 수 있다. 그 이유는 제조사마다 사용하는 충전 표준 규격이 다르기 때문이다.

현재 충전 소켓은 크게 일본에서 개발한 차데모, DC 콤보 7핀, AC단상 5핀, AC3상 7핀 등으로 구성된다.

AC 충전 방식은 전기차가 공급받은 AC 전류를 내부 장착 충전기(OBC)를 통해 배터리 형식에 맞는 DC 전류로 변환해 충전하는 방식을 말한다.

하지만 이 방식은 전기차에 고용량 내부 장착 충전기를 탑재하게 되면 부품 사이즈와 가격 증가의 문제가 있어, 대부분 3~7kW 용량의 충전기를 적용한다.

이 방식으로 배터리를 충전하게 되면 최대 7kWh의 속도로 60kWh 용량의 배터리를 완충하는 데 약 9시간 정도의 시간이 소요된다.

AC 타입의 완속 충전기는 시간이 오래 걸리는 것이 단점이지만, 가정용 단상전력인 220V를 사용할 수 있다는 장점이 있다.



보통 AC 5핀과 AC 7핀 규격이 이에 해당하는데, 국내에서 가장 큰 비중을 차지하는 완속충전기는 미국에서 주로 쓰는 SAE J1772 규격의 AC 5핀 케이블이다.

테슬라와 르노삼성의 SM3 Z.E.는 유럽에서 사용하는 AC 7핀 규격을 사용한다.

DC 충전 방식은 일반 가정집에서 쓰는 220V가 아닌 산업 현장 등에서 사용되는 380V의 전압을 사용한다.

이 방식은 3상 380AC를 통해 전력을 공급한 뒤 AC 형식의 전력을 DC 타입으로 변환해 110A, 50kW의 출력으로 지원해 전기차를 충전한다.



AC 방식과 달리 주입할 수 있는 전력의 양고 커넥터를 통합할 수 있어 공간 활용도가 높다는 장점이 있다. 현재 급속 충전기의 대부분이 DC 타입으로 제작된다.

우리나라도 국가기술표준원이 전기자동차의 급속충전방식을 ‘DC 콤보 1’로 통일했다.

이 방식은 미국·캐나다 등 북미에서 미국자동차공학회(SAE)  표준으로 사용하며, 2019년부터 유럽에서도 표준으로 사용하고 있다.



완속 타입 1 방식과 호환되고, 충전시간이 A.C. 3상 방식보다 빠르며, 차데모 방식에 비해 차량의 정보통신에 유리하다. 충전 속도는 60kWh 용량 배터리 기준 0%에서 80%까지 약 30분 정도가 걸린다.

향후 800V를 지원하는 전기차가 출시되면 350kW 전력의 초급속충전이 가능해져, 충전시간을 10분까지 단축할 수 있을 것으로 전망된다.

충전 시간이 짧아지면 충전소 인프라 부족 완화에 많은 도움이 된다. 하지만 인프라 구축에 가장 좋은 방법은 소켓의 규격을 단일화하는 것이다.

현재 르노삼성과 테슬라는 독자적인 AC 7핀 소켓을 적용해 전기차를 양산하고 있고, 일본은 차데모 규격을 사용하고 있다.

이런 상황에서 단일화된 규격이 계속 적용되지 않으면 향후 충전소 개설 시 충전 소켓은 물론 인버터와 컨버터 등의 추가 설비를 추가로 제작해야 하기에, 단가가 높아져 인프라 구축에 악영향을 미칠 수 있다.



◆ 전기차 충전기 발급 조건과 제한

만약 전기차를 구매했는데 주변에 충전소가 없다면 환경부에 신청해 전기차 충전기를 설치할 수 있다.

단, 첫 전기차 1대만 지원금이 적용되고, 거주지에 주변에 공용 완속충전기나 비공용 완속충전기가 설치되지 않아야 한다.

개인이 설치하는 비공용 완속충전기는 2가지 방법으로 발급을 받을 수 있다. 첫 번째는 개인이 모든 비용을 지불하고 충전기를 설치하는 방법이다.

약 300만 원 정도의 충전기 가격을 지불하면 발급 받을 수 있다.

두 번째는 국가보조금을 신청해 지원금을 받아 저렴하게 충전기를 설치하는 방법이다. 약간의 절차가 필요하지만, 조건이 까다로운 것은 아니다.

먼저 구매하고자 하는 충전기를 고른 뒤 충전기를 판매하는 제조사에 전화해 보조금 신청 여유분이 있는지 상담한다.



만약 여유분이 있다면 환경공단 홈페이지에 접속해 전기차 충전기 설치 신청서를 접수한다.

이후 신청서가 당첨되면 업체가 방문해 충전기를 설치해준다.

단 차고지 환경에 따라 추가 설비로 인한 비용이 발생할 수 있으며 설치 지원금은 최대 400만 원까지 지원된다.

급속충전기를 설치할 수 있는 충전사업자는 절차가 훨씬 까다롭다.

충전사업자는 신규 공모와 기존 사업자에 대한 적정성 평가 등을 통해 신정되는데, 평가의 기준은 2019년도 사업수행기관에서 진행된 제안서 평가와 현장 평가를 통해 진행된다.

현장평가는 한국자동차환경협회에서 각 충전사업자별 설치현장 점검 내용을 기준으로 설치의 적정성, 하자발생 수준, 시스템 연계성 등에 대해 평가한 뒤 선정 유무를 결정한다.

이렇게 선정된 충전사업자는 선정일로부터 1년간 전기차 충전소를 설치할 수 있게 되며, 매년마다 적정성 평가를 통해 사업을 연장할 수 있다.



전기차 충전기를 설치했다면 필수로 거쳐야 하는 코스가 있다. 바로 전기차 충전카드를 발급받는 일이다.

차고지에 설치되는 완속충전기가 아닌 휴게소, 마트 등 다른 충전 공간에서 전기차를 충전하려면 한국환경공단에서 발급하는 회원카드가 필요하다.

보통 전기차를 출고할 때 미리 카드를 발급받지만, 발급을 받지 않았을 경우에도 직접 ‘환경부 전기차 충전소’에서 회원가입을 하고 쉽게 카드를 발급받을 수 있다.

◆ AC, DC란 우리가 일상에서 사용하는 전자 제품들은 대부분 에너지원으로 작동한다. 여기에 사용되는 전기는 교류(AC)와 직류(DC)로 나눌 수 있는데, 교류는 전류가 플러스 극과 마이너스 극을 지속적으로 번갈아 왕복하는 것이고, 직류는 플러스 혹은 마이너스 극 한 방향으로만 전류가 흐르는 것을 뜻한다. 전기차를 충전하는 방법은 크게 AC(교류) 충전과 DC(직류) 충전으로 나눌 수 있다. 전기차에 탑재되는 배터리는 대부분 380V, 400V의 고전압 DC 배터리로 실제 배터리에 충전되는 전류도 직류로 공급돼야 한다. 하지만 대다수의 국가 전력망은 장거리 전송이 유리한 AC 전류를 사용하기 때문에, 이 교류 전류를 직류 전류로 바꿔야 전지차의 배터리를 충전할수 있다.

등기로 도착한 멤버십 카드는 바로 사용할 수 없다. 환경공단 페이지에서 멤버십 카드와 신용카드를 연동해야 충전소에서 사용할 수 있다.

은행에서 제공하는 친환경·전기차 할인 카드와 연동하면 최대 50%까지 충전 비용을 아낄 수 있다.

◆ 충전이 완료된 전기차는 어떻게 구동할까 우리가 매일 사용하는 스마트폰이나 컴퓨터도 그렇고, 충전 개념이 없는 일반 내연기관 자동차도 전기 배터리가 없으면 움직이지 않는다. 하물며 전기 동력만을 이용하는 전기차는 모든 동력을 배터리에 저장된 전력에 의존하기 때문에, 전기차의 최종 성적은 배터리의 용량과 효율에 따라 결정된다. 내연기관 자동차의 핵심 요소는 연료, 엔진, 변속기다. 이를 전기차로 치환하면 전기, 모터, 감속기가 된다. 내연기관의 동작 원리와 비교해 배터리에 저장된 전기가 어떻게 전기차를 달리게 하는지 알아보자. ◆ 동력 발생 자동차 엔진은 연료와 공기의 혼합기를 공급받아, 실린더 내에서 압축·폭발시킨다. 이 때 발생하는 고온·고압의 연소가스가 피스톤을 밀어내며 운동에너지가 발생한다. 전기차의 모터는 배터리로부터 공급받은 전력을 모터의 구조로 기계적인 동력으로 전환시킨다. 내연기관이 사용 연료에 따라 가솔린, 디젤, LPG 등의 차이가 있다면, 전기차는 같은 연료를 다른 방식의 모터로 구동하는 차이가 있다. 크게 직류(DC)모터와 교류(AC)모터로 나누는데, 두 방식에 약간의 차이가 있다. 구조가 비교적 간단한 DC모터는 고정자가 고정된 자기장을 만들어주고 전기자가 회전하는 형태다. 정류자 고리가 직류 전원에 연결되고, 전기가 공급되면 코일에 전류가 흐르며 전자기력이 발생한다. 그러면 코일이 회전 운동을 하고, 고정된 정류자의 전원의 극이 바뀌게 된다.   항상 같은 방향으로 회전하는 코일을 원형으로 더 많이 배치할수록 회전이 일정해지고 고른 회전력을 만들어낸다. 대부분의 DC모터는 강철 원통의 틈새에 코일을 배치해 자기장의 효율을 높이는 방식을 이용한다. 초기 전기자동차가 DC모터를 사용한 것은 전력을 공급하는 배터리가 직류이기 때문이다. 하지만 브러시가 직접 닿는 형태라서 마모되기 쉽고, 효율이 낮은 것이 단점이다. AC모터는 직류전원을 받아 내부의 인버터를 통해 교류전류로 변환시키는 방식이다. 이때 변환 제어장치로 반도체를 사용하기 때문에 구조가 복잡하다. AC모터는 유도모터와 동기모터로 나뉘는데, 유도모터는 가격이 저렴하고 신뢰도가 높아 고강도 작업용으로 많이 사용한다. 영구자석형으로도 부르는 동기모터는 현재 전기차의 주류를 이루고 있는 모터로, 고출력을 얻을 수 있고 소형화와 경량화에 적합하다. 하지만 고속에서 부하가 낮으면 영구자석이 약해지며 동력 손실이 발생하는 것이 단점이다. ◆ 동력 전달 내연기관은 엔진의 피스톤이 상하 왕복운동을 하며 발생한 동력을 엔진과 연결된 크랭크축에 전달한다. 이 힘이 크랭크축에서 각 바퀴로 전달되며 바퀴가 앞으로 굴러가게 된다. 사실 전기차 역시 동력원과 동력 발생 과정이 약간 다를 뿐, 모터에서 회전운동을 발생시켜 이를 각 축에 전달하는 것은 동일하다. 그러나 두 기관의 큰 차이는 동력원과 축 간의 연결에서 발생하는데, 물리적인 연결 여부에서 크게 갈린다. 전륜구동 자동차를 예로 들면, 내연기관의 엔진은 크랭크축이 앞바퀴 축에 연결되고, 동력전달장치를 통해 뒷바퀴에도 힘을 전달한다. 전기차도 초창기에는 모터를 차축에 직접 연결해 앞바퀴 2개를 함께 굴리는 방식이었다. 최근에는 메인 모터를 바퀴에 직접 연결하지 않고, 바퀴 자체에 모터를 장착해 각 모터가 2차 동력원이 되는 방식을 채택하고 있다. 주 기관과 바퀴를 연결하지 않아도 케이블을 통해 전력만 전달하면 되기 때문에, 동력 구조가 간단해지고 부피도 훨씬 줄일 수 있게 된다. 물론 운전대의 조향, 엑셀과 브레이크에 따라 각 바퀴를 정확하게 구동하고 가속·정지하도록 소프트웨어의 높은 정확도가 선행돼야 한다.