포괄적인 EV 충전 인프라를 지원하기 위해 다양한 커넥터를 사용하는 방법

향후 전기 자동차(EV) 사용 급증에 대비하려면 유비쿼터스 충전 인프라가 필요합니다. 설계자는 주택, 호텔, 상점 및 레스토랑, 상업 및 산업 현장, 주차장, 주유소, 휴게소 및 기타 장소에서 항상 사용 가능하고 편리한 EV 충전을 위한 다양한 인프라 솔루션을 개발해야 합니다. 경우에 따라 사용자는 시간이 여유로워서 장시간에 걸쳐 몇 킬로와트(kW)의 교류(AC) 충전 전력만 필요로 할 수 있습니다. 다른 상황에서는 시간이 매우 중요해서 몇 분 이내에 EV를 충전하기 위해 수백 kW의 직류(DC) 전력을 필요로 할 수 있습니다.

설계자는 저전력 AC, 고전력 DC, 그 사이의 다양한 전력 레벨을 처리할 수 있는 다양한 커넥터 옵션이 필요합니다. 이러한 커넥터는 사용자 편의성을 제공하기 위해 인체 공학적이어야 하고, 비용 효과적이고 신뢰할 수 있는 솔루션에 대한 EV 제작업체의 필요 사항을 지원하기 위해 견고하고 설치가 간편해야 합니다. 충전 핸들 및 전력 인렛은 콤보 충전 시스템(CCS) 표준인 SAE J1772와 IEC 62196의 요구 사항을 충족해야 합니다.

이 기사에서는 전기적 성능, 인터페이스 표준, HPC 설치 시 액체 냉각의 필요성을 비롯하여 주거용 저전력 AC 충전기부터 다양한 상업용 장소의 고전력 충전(HPC)에 이르기까지 다양한 환경의 EV 충전기에 대한 기술적 요구 사항을 검토합니다. 그런 다음 HPC 케이블 및 커넥터를 위한 액체 냉각 시스템과 함께 모든 유형의 EV 충전기 설계 필요 사항을 지원하는 Phoenix Contact의 다양한 AC 및 DC 충전 인렛, 핸들, 케이블 시스템을 소개합니다.

미국, 유럽, 중국에서 EV 충전 표준 및 이에 부합하는 커넥터가 개발되었습니다. 북미와 유럽의 표준은 차량의 단일 인렛에 AC 충전과 DC 충전을 결합하는 콤보 충전 시스템(CCS) 표준을 기반으로 두 가지 모두에 관련되어 있습니다. CCS 유형 1 커넥터는 북미와 한국에서 일반적이고 CCS 유형 2 커넥터는 유럽, 중동, 남아프리카, 남미, 호주, 뉴질랜드 및 다른 일부 지역에서 찾을 수 있습니다. 중국의 경우 AC 및 DC 충전에 별도의 인렛을 필요로 하는 GB/T 표준을 통해 독자적인 방식을 취합니다(그림 1).

그림 1: EV 충전 표준은 북미, 유럽, 중국에서 지역별로 개발되었습니다. (이미지 출처: Phoenix Contact)

CCS 유형

두 가지 버전의 CCS 표준 유형 1 및 유형 2가 있습니다. 유형 1은 SAE J1772 및 IEC 62196-3 표준을 충족하고 미국 시장을 위해 개발되었습니다. AC 및 DC 충전 커넥터의 구조는 일반적인 CCS 차량 인렛과 호환됩니다.

유형 2도 IEC 62196-3을 충족하지만 SAE J1772는 충족하지 않습니다. 유형 2는 처음에 유럽에서 개발되었고 위에서 언급한 여러 지역에 걸쳐 채택되었습니다. 유형 2 AC 및 DC 충전 커넥터는 또한 일반적인 CCS 차량 인렛과도 호환됩니다.

GB/T 20234 충전 표준은 중국에서만 사용됩니다. 이 경우 AC 및 DC 커넥터가 서로 다른 인터페이스를 사용하므로 차량에 별도의 인렛을 사용해야 합니다.

그림 2: CCS 유형 1(왼쪽), CCS 유형 2(중간), GB/T(오른쪽) EV 충전 전력 인렛의 예. (이미지 출처: Phoenix Contact)

충전 모드

CCS 유형 1과 유형 2의 물리적 차이점 이외에도, 북미와 유럽에서는 서로 다른 충전 모드가 사용됩니다. 온보드 EV 충전기에는 더 낮은 전력 모드가 사용되는 반면 외부 충전기에는 더 높은 전력 모드가 사용됩니다. 또한 더 높은 전력 레벨은 열 문제가 클 수 있지만 보다 정확한 열 온도 모니터링의 혜택을 누릴 수 있습니다.

북미 SAE J1772 표준은 다음 3가지 모드 또는 레벨을 인식합니다.

• 레벨 1은 기본적으로 거주용 환경용으로 고안되었으며 최대 약 1.9KW를 제공하기 위해 120Vac를 사용합니다.
• 레벨 2는 보다 높은 전압 208/240 단일 위상 AC를 사용합니다. 이는 '고속 AC 충전'이라고 하며 온보드 EV 충전기에 약 19kW를 제공할 수 있습니다.
• 레벨 3은 외부 DC 충전기를 사용하여 DC를 충전합니다. 기본 사양은 최대 240W에 대해 600V_DC(최대 400A 기준)입니다. 고급 설계는 총 500kW에 대해 1kV_DC 및 500A를 제공할 수 있습니다.

IEC 61851-1는 4개의 충전 모드를 정의합니다. 모드 1, 2, 3은 EV의 온보드 충전기를 사용합니다.

• 모든 1 및 2는 저전력 AC 충전용입니다. 모드 1 케이블은 AC 본선 아웃렛에 직접 연결되며 사용 가능한 전력이 제한됩니다. 모드 2도 AC 본선에 직접 연결되지만 케이블 내 제어 및 보호 장치가 추가되어 3상 AC를 통해 최대 15kW를 안전하게 제공할 수 있습니다.
• 모드 3은 고속 AC 충전이며 충전 스테이션을 통해 최대 120kW AC 전력을 제공할 수 있습니다. 레벨 3 충전기는 선택적으로 외부 AC 전원과 충전 제어를 위한 온보드 충전기 사이에 고레벨 커뮤니케이션(HLC) 프로토콜을 포함시킬 수 있습니다.
• 모드 4는 고속 DC 충전이며 수백 킬로와트를 배터리에 직접 제공할 수 있습니다. 모드 4에는 충전기 제어에 필요한 피드백을 제공하기 위해 HLC이 필요합니다.

열 보호

AC 및 DC 충전기 케이블에는 열 보호가 제공됩니다. 최대 80A에 대한 AC 충전의 경우 정비례 온도 계수(PTC) 서미스터 체인이 일반적입니다. 이는 접점당 하나씩 있는 장치 체인으로 구성됩니다. 저항값을 모니터링하면 제한 온도가 초과할 경우 안전한 가동 정지를 보장할 수 있습니다.

고전력 충전기의 접점에는 빠른 응답을 보장하고 고전력 레벨에서 시스템이 일관되게 작동하도록 하기 위해 더 높은 정확도의 Pt1000 센서가 사용됩니다.

AC 인렛 및 케이블링 옵션

AC 충전 시스템 설계자를 위해 Phoenix Contact는 AC 또는 DC 입력을 받을 수 있는 다양한 범용 충전 인렛과, 북미의 유형 1 및 유럽의 유형 2 요구 사항을 충족하고 DC 충전이 필요하지 않은 차량에 적합한 AC 전용 인렛을 제공합니다. 이러한 조립품에는 로킹 액추에이터, 온도 센서, 커뮤니케이션을 위한 2m 전력 케이블과 1m 케이블이 포함되어 있습니다. 로킹 매커니즘, 온도 센서, 먼지 캡도 사용됩니다. IEC 62196-2 및 SAE J1772 유형 1 응용 제품에 사용하기 위한 케이블링 예에는 다음이 포함됩니다.

• 모델 1271960 차량 충전 인렛은 최대 12kW 단상 AC 전력을 처리할 수 있습니다. 이 인렛은 10,000회 이상의 주기/탈거 주기에 대해 정격화되어 있습니다.
• 더 높은 전력을 요구하는 응용 제품은 최대 20kW 단상 AC 전력에 대해 정격화된 모델 1271836을 사용할 수 있습니다. 로킹 액추에이터 및 보호 캡이 포함되어 있습니다.

Phoenix Contact는 또한 다음을 비롯한 광범위한 AC 충전 케이블을 제공합니다.

• SAE J1772 유형 1 차량 충전기와 함께 사용할 수 있는 모델 1277166. 이 모델은 한쪽 끝에 차량 충전 커넥터가 있으며 다른쪽은 영구적인 충전기 연결을 위해 개방되어 있습니다. PTC 체인 열 감지를 포함하며 최대 20kW 단상 AC 전력을 처리할 수 있습니다. 25ft의 케이블이 포함되어 있습니다(그림 3).
• 모델 1627692 모바일 AC 충전 케이블. 유형 2 IEC 62196-2 충전기와 함께 사용할 수 있도록 한쪽 끝에는 유형 2 인렛을 위한 차량 충전 커넥터가 있고 다른쪽 끝에는 인프라 AC 커넥터가 있습니다. 이 케이블 조립품은 최대 26.6kW 3상 AC 전력을 제공할 수 있으며 HLC 연결을 위한 접점을 포함하고 5m 길이입니다.

그림 3: 20kW에 정격화된 모바일 AC 충전 케이블 조립품. (이미지 출처: Phoenix Contact)

DC 충전 케이블

Phoenix Contact는 개인 주택, 아파트 단지, 비즈니스, 주차 시설에 사용되는 중간 전력 충전 시스템을 위한 CCS C 라인 DC 충전 케이블을 제공합니다. 이러한 케이블은 유형 1 및 유형 2 설계에 사용되며, 조립품은 한쪽 끝에 온도 센서가 있고 다른쪽 끝에 개방 케이블 연결이 있는 차량 충전 커넥터를 가집니다. 유형 1 설계 예에는 다음이 포함됩니다.

• 40kW에 대해 정격화된 5m 길이 모델 1105880
• 80kW에 대해 정격화된 7m 길이 모델 1236563(그림 4)

그림 4: 이 DC 충전 커넥터는 80kW에 대해 정격화되었으며 7m 케이블을 사용합니다. (이미지 출처: Phoenix Contact)

범용 충전 인렛

모델 1210900 범용 충전 인렛은 최대 200A 및 1kV_DC 또는 80A 및 250Vac 단상에 대해 정격화된 AC 및 DC CCS 유형 1, IEC 62196-2, IEC 62196-3 커넥터와 사용 가능합니다. DC 접점에는 2개의 PT1000 열 센서가 있으며 AC 접점에는 PTC 체인 열 감지 체계가 사용됩니다.

500kW DC 케이블링 시스템

고전력 모드 4 HPC DC 충전 시스템 설계자는 최대 500A(1kV_DC 기준)를 제공할 수 있는 액체 냉각형 차량 커넥터와 케이블을 포함하는 1085658 케이블링 시스템으로 전환할 수 있습니다. 이 시스템은 CSS 유형 1, SAE J1772, IEC 62196-3-1 요구 사항을 충족합니다. 시스템에는 온도 모니터링, 케이블 파괴, 냉매 누설에 대한 센서가 포함되어 있습니다(그림 5). 온도 모니터링은 DC 접점을 위한 2개 NTC와 케이블 내 DC 전력선을 위한 2개의 NTC를 통해 구현됩니다.

그림 5: 이 고전력 DC 충전 케이블 조립품은 복합 시스템입니다. (이미지 출처: Phoenix Contact)

Phoenix Contact는 또한 이러한 DC 충전 케이블을 통해 독립된 냉각 장치를 제공합니다. 이 제품에는 변속 팬과 펌프가 포함되어 있어 고전력 DC 충전 시스템에 최적화된 냉각 성능을 제공합니다(그림 6). 펌프와 팬은 0V_DC ~ 10V_DC에서 작동하고 팬은 최대 1.97A를 소비하고 펌프는 최대 1.8A를 필요로 합니다. 냉각 솔루션은 50%의 물과 50%의 글리콜 혼합으로 구성되어 있습니다. 케이블과 전선은 1.5m 길이입니다. 1085658 케이블과 결합할 경우, 이 시스템의 냉각 용량은 3m 케이블의 경우 600W, 4m 케이블의 경우 800W, 5m 케이블의 경우 900W, 6m 케이블의 경우 1050W입니다.

그림 6: 고전력 DC 충전 채널을 위한 액체 냉각 시스템 (이미지 출처: Phoenix Contact)

요약

광범위한 전기차 도입을 위한 포괄적인 충전 인프라를 제공하려면 다양한 EV 충전기 스타일과 전력 수준이 필요합니다. 설계자는 내부 EV 배터리 충전기 회로망을 사용하는 저전력 1.9kW AC 충전기부터 내부 충전 회로망을 우회하여 배터리를 직접 충전하는 수냉식 케이블을 사용하는 HPC 500kW DC 충전기까지 다양한 충전기 설계를 개발해야 합니다. 이러한 극단적인 상황 사이에서 개인 주택 및 아파트 건물, 호텔, 상점 및 레스토랑, 상업 및 산업 현장, 주차장, 주유소, 휴게소 및 기타 위치에서 항상 사용 가능한 EV 충전을 지원하려면 광범위한 충전기 전력 수준과 충전 모드가 필요합니다.