1. 전기차 충전기의 종류
전기차 충전기의 종류는 충전 방식에 따라 크게 직접 충전 방식, 무선 충전 방식, 배터리 교환 방식으로 나눌 수 있다. 배터리 교환 방식은 미국의 Project Better Place 社에서 개발하였으며 배터리 교환소에서 방전된 배터리와 충전된 배터리를 교체하는 방법이다. 충전인프라 운영업체에서 축전지를 구매하여 사용자에게 임대하는 방식으로 표준규격의 축전지를 사용하므로 차종에 관계없이 적용이 가능하다. 하지만 초기 인프라 투자 비용이 높고 전기차 제조사에서 배터리 교환이 가능한 차량을 생산해야 하기 때문에 상용화가 어려운 단점이 있다.
무선 충전 방식은 바닥에 매설된 고주파 전력공급 장치로부터 전기차의 집전 장치에 전자기 유도를 통해 전력을 전달하여 배터리를 충전한다. 충전 케이블을 연결할 필요가 없기 때문에 간편하고 안전한 장점이 있다. 무선 충전 방식 은 차량의 움직임에 따라 정차 시 충전하는 방법과 주행 시 충전하는 방법으로 나눌 수 있다. 정차 시 충전하는 방법은 충전소에서 정해진 장소에 차량을 위치 시킨 후 충전하는 방법이다. 주행 시 충전하는 방법은 전력공급 장치를 도로에 설치하여 전기차가 주행하면서 전력공급 장치로부터 에너지를 공급받아 배터리를 충전하는 방법이다. 이 방법은 충전 대기시간이 필요 없기 때문에 전기차 충전 방법 중 가장 효율적인 방법이지만 도로에 충전 인프라를 매설해야 하기 때문에 초기 투 자비용이 높고 기존에 사용하고 있는 도로에는 적용하기 힘들기 때문에 상용화가 어려운 단점이 있다.
직접 충전 방식은 전기차에 충전 케이블을 연결하여 에너지를 직접 공급하는 방법으로 사용용도 및 용량에 따라 홈 충전기, 완속 충전기, 급속 충전기로 구분할 수 있다. 직접 충전 방식은 현재 가장 일반적이고 널리 활용되고 있는 충전 방식이다. 홈 충전기 및 완속 충전기의 충전 전압은 AC 220 V 이고 충전 용량은 7.7 kW 미만이다. 완속 충전기의 경우 전력변환 장치가 차량 내부에 존재하며 이를 OBC(On board charger)라 한다. OBC는 AC 200V 전원을 DC로 변환하여 배터리를 충전한다. 또한, 완속 충전기는 공공장소, 백화점, 편의시설 등과 같은 공공장소에 많이 사용되고 충전 시간은 약 6 ~ 8 시간 정도 소요된다. 급촉 충전기의 충전 전압은 승용차 기준으로 DC 500 V 이하이고 충전 용량은 50 kW 이상이다. 급속 충전기는 전력변환 장치가 차량 외부에 존재하고 충전기에서 DC 전압을 만들고 바로 배터리를 충전한다. 급속 충전기는 전용 충전소에 주로 설치되고 충전 용량이 크기 때문에 80 % 충전까지 30분이 소요된다.
2. 완속 충전기의 구성
완속 충전기의 전력변환 장치는 OBC 타입으로 차량 내부에 탑재되어 있다. OBC의 용량은 일반적으로 7.7 kW 이하이기 때문에 전원으로 단상 계통을 사용하고 OBC는 전기차 배터리에 전력을 공급하기 위해 넓은 충전 전압을 만족해야 한다. OBC는 크게 AC/DC 컨 버터와 DC/DC 컨버터로 2단으로 구성된다. AC/DC 컨버터는 전원의 AC 전압을 DC 전압으로 정류시키고 입력 전류의 역률 및 고조파 제어를 담당한다. 구성이 간단하고 역률 제어에 유리한 PFC (Power factor correction)가 정류 회로로 많이 사용된다. DC/DC 컨버터는 전원과 배터리의 절연을 위해서 절연형 컨버터가 주로 사용되며 배터리의 넓은 충전 전압 범위를 만족시킬 수 있어야 하고 충전 제어를 한다.
OBC는 차량 내부에 탑재되는 특성에 의해 고전력 밀도가 요구된다. 전력 변환 장치에서 필터로 사용되는 수동 소자가 시스템의 큰 부피를 차지하기 때문에 수동 소자를 줄이기 위해 높은 스위칭 주파수를 사용한다. 스위칭 주파수를 높이면 수동 소자의 부피를 줄일 수 있지만 전력 반도체에서 발생하는 스위칭 손실이 커지기 때문에 이를 줄이기 위해서 다양한 소프트 스위칭 기법들이 적용되고 있다.
3. 급속 충전기의 구성
급속 충전기는 완속 충전기와는 다르게 충전기의 전력변환 장치가 전기차 외부에 별도로 있다. 급속 충전기는 50 kW 이상의 고 용량이기 때문에 전원으로 3상 계통을 사용하고 500 V 이하의 DC 전압을 전기차에 공급한다. 다양한 차종의 충전 전압을 만족하기 위해 충전기는 넓은 출력 전압을 출력 할 수 있어야 한다. 급속 충전기의 기본적인 구성은 OBC의 구성과 동일하지만 3상 계통을 전원으로 사용하기 때문에 AC/DC 컨버터의 회로는 OBC와 다르다. 3상 AC 전압을 DC로 정류하고 역률 및 고조파 제어를 위해 PWM 컨버터가 AC/DC 컨버터로 많이 사용된다.
급속 충전기의 용량은 50 kW 이상으로 고용량이기 때문에 전력 반도체의 스위칭 손실을 고려하면 스위칭 주파수를 높여서 수동 소자의 부피를 줄이는데 한계가 있다. 급속 충전기 시스템에서 PWM 컨버터에 계통연계 필터는 필수적 으로 사용되는데 고 용량으로 인해 충전기 시스템에서 필터는 큰 부피를 차지 한다. 계통연계 필터의 종류로 L-, LC- 또는 LCL-필터가 있고 시스템의 부피를 줄이기 위해 LCL-필터가 주로 사용된다.
