고속 및 효율적 EV 충전 인프라에 대한 설계 과제를 극복하는 방법

전기 차량(EV) 충전 솔루션은 가정용 및 사무용 충전기를 위한 교류(AC) 설계와 장거리 자동차 여행 시 충전을 위한 직류(DC) 고속 충전 시스템을 지원하기 위한 다양한 전력 변환 기술이 필요합니다. 모든 유형의 EV 충전기 간의 공통 스레드는 고전압 및 고전류를 지원할 뿐만 아니라 더 빠르고, 더 안전하고, 더 작고, 효율적이며 유연한 EV 충전 인프라를 지원하는 데 필요한 콤팩트한 설계와 높은 효율을 제공하기 위한 다양한 접촉기, 계전기, 커넥터, 수동 부품에 대한 필요성입니다.

효율적이고 유연한 EV 충전기를 설계하려면 다양한 콤팩트 고전압 장치가 필요합니다. 이러한 장치는 신뢰할 수 있고 안전한 작동으로 낮은 전기 저항을 제공해야 합니다. 열악한 작동 환경에 노출될 경우 이러한 장치는 긴 전기 스위칭 수명도 필요합니다. 비상 차단 스위치 같은 일부 안전 장치는 IP67 인증을 획득해야 합니다. 전자파 장해(EMI) 필터, 단자대, 접촉기 같은 다른 장치는 특정 국제 성능 인증을 갖춰야 합니다.

이 기사에서는 AC 및 DC EV 충전기 설계에 대한 개요와 관련된 일부 지역 표준을 제공합니다. 또한 고전력 EV 충전기에 대한 요구 사항을 검토하고 초고속 충전(XFC)의 미래를 살펴봅니다. 마지막으로 EV 충전 시스템의 접촉기, 계전기, 커넥터, 전력 저항기, 스위치, EMI 필터 및 전원 공급 회로 상호 연결 시스템의 용도를 간략하게 제시하고, TE Connectivity의 예시 제품에 대한 링크를 제공합니다.

지역 표준

AC 및 DC EV 충전을 정의하는 다양한 표준이 있습니다. 지역마다 각각의 고유한 접근 방식이 있습니다. 북미(NA)의 경우 SAE J1772는 3가지 레벨의 EV 충전을 설명합니다. 반면 IEC 61851은 유럽에서 사용되며 4가지 충전 모드를 상세히 설명합니다. AC 및 DC 충전에 대한 중국의 표준은 GB/T 20234이며, 일본의 경우 DC 충전에 대한 일본 자동차연구소(JARI) 표준이 있습니다. AC 충전은 일반적으로 최대 약 22kW까지 사용되며 DC 충전은 더 많은 전력을 제공합니다. 추가적으로, AC 충전에는 온보드 충전기(OBC)가 필요하고, DC 충전기는 배터리 팩에 직접 연결됩니다(그림 1). 북미와 유럽의 충전 표준에 대한 간략한 비교에서는 충전기 설계와 사용 사례에 대한 다음 섹션의 맥락을 제공합니다.

그림 1: AC 충전은 OBC를 사용하고, DC 충전은 에너지를 배터리에 직접 공급합니다. (이미지 출처: TE Connectivity)

북미에서는 두 가지 레벨의 AC 충전을 사용합니다. 레벨 1은 최대 1.9kW를 제공하는 데 벽면 콘센트를 사용하고, 레벨 2는 최대 19.2kW를 위해 충전 스테이션을 사용합니다. 레벨 1 충전기는 주로 거주용으로 사용되고, 레벨 2는 거주용 및 상업용 환경에서 사용됩니다. 유럽에는 세 가지 AC 충전 모드가 있습니다. 모드 1은 북미의 레벨 1과 유사하고 모드 3은 미국의 레벨 2와 유사합니다. 유럽에는 또한 중간 유형인 모드 2가 있습니다. 모드 2는 모드 1과 같은 벽면 플러그를 사용하지만 연결 케이블에 보호 회로망을 추가하여 두 배의 전력을 제공할 수 있습니다.

고속은 기본

북미의 레벨 2와 유럽의 모드 3과 같은 고속 AC 충전기는 EV를 완전히 충전하는 데 최대 10시간 ~ 12시간이 걸리는 다른 방식보다 빠릅니다. 그러나 여전히 고속 AC는 방전된 배터리 팩을 재충전하는 데 여러 시간이 걸릴 수 있으므로 자동차를 사무실, 집 또는 다른 장소에 장기간 주차하는 경우에 유용합니다. 그러나 아직도 주행거리에 대한 EV 운전자들의 우려를 획기적으로 줄일 만큼 빠르지는 않습니다.

이것이 고전력 모드 3 AC 충전기와 레벨 4 DC 충전기가 개발된 이유입니다. DC 고속 충전의 충전율은 충전기에서 사용 가능한 전류의 양과 배터리 팩의 전압에 따라 달라집니다. DC 고속 충전기는 처음에 400V 배터리 팩용으로 개발되었습니다. 400V, 200A 충전기로 80% 충전하려면 약 50분이 소요됩니다. 전류를 350A로 올리기는 어렵지만 그렇게 하면 약 29분 만에 400V 팩에 80%의 충전을 제공할 수 있습니다. 전류를 높이면 필요한 충전 시간이 줄어들지만 EV 충전을 다른 연료 공급 방법에 비해 시간 효율적인 대안으로 만들려면 더 이상의 것이 필요합니다. 목표는 충전 시간을 10분으로 단축하는 것입니다. 이는 내연 기관(ICE) 차량의 휘발유 탱크를 채우는 데 필요한 시간과 거의 같습니다.

DC 고속 충전의 다음 단계는 초고속 충전(XFC)입니다. XFC를 실현하기 위해 배터리 팩 전압이 400V에서 800V로 증가하고 있으며 1kV 팩이 곧 출시될 예정입니다. XFC 충전기 기술은 1kV(350A ~ 500A)를 제공하도록 개발되었으며 충전 시간을 10분 이하로 줄일 수 있습니다. XFC의 발전으로 주행거리에 대한 우려는 사라질 예정입니다.

XFC 기술 개발 외에도 설계자는 더 안전하고, 더 작으며, 더 효율적이고 유연한 EV 충전을 지원하기 위한 콤팩트한 설계와 높은 효율성을 요구받고 있습니다. 이를 실현하려면 고급 부품 및 고급 설계가 필요합니다.

그림 2: 전기 차량을 위한 보다 콤팩트한 고전력 충전 솔루션을 개발하려면 고급 부품이 필요합니다. (이미지 출처: TE Connectivity)

콤팩트한 솔루션 구현

XFC 충전기 설계는 고효율의 콤팩트한 전력 변환 솔루션을 제공하는 탄화규소(SiC) 및 질화갈륨(GaN) 전력 반도체를 사용하여 개발되고 있습니다. 그러나 전력 변환은 EV 충전기 설계의 한 요소에 지나지 않습니다.

EV 충전기는 제어 및 모니터링을 위해 콤팩트하고 견고한 기판 및 신호 커넥터를 필요로 합니다. 또한 더 빠른 충전 체계와 관련된 더 높은 전압을 처리할 수 있는 공간 효율적인 계전기 및 접촉기가 필요합니다. EV 충전기의 전력 저항기는 높은 절연 저항, 낮은 표면 온도, 뛰어난 온도 저항 계수(TCR) 성능, 제한된 공간에서 높은 전력을 분산하는 능력, 방화 구조가 필요합니다.

보조 전원 공급 장치 및 다른 회로망은 콤팩트한 전자파 장해(EMI) 필터를 사용하여 제어 논리 및 모니터링 회로의 간섭을 제거합니다. 열악한 환경을 견디려면 IP65 등급과, 의도하지 않은 스위칭을 방지할 수 있는 충분한 작동력을 갖춘 비상 차단 스위치가 필요합니다.

레벨 2/모드 3 AC 충전기

다음 목록에서는 레벨 2 및 모드 3 AC 충전기를 설계할 때 필요한 일부 주요 부품을 상세히 설명합니다. 나열된 숫자는 아래 그림 3에서 원으로 표시된 숫자에 해당합니다.

1. TE의 T92 계열과 같은 전력 계전기는 AC 충전 스테이션의 주 스위치로 사용됩니다. 이 쌍극 단투(DPST) 계전기는 최대 50A에 대해 정격이 지정되었으며 극한의 온도에서 사용할 수 있도록 설계되었습니다. 모델 T92HP7D1X-12는 뛰어난 열 성능에 최적화되었으며 50A 및 600Vac(최대 85°C)에 대해 정격이 지정되었습니다.
2. TE의 Dynamic Mini 계열 같은 기판 및 신호 커넥터는 내부 PCB 전력 및 신호 연결을 지원하는 데 필요합니다. 이러한 커넥터에는 현장에서의 설치 및 유지 보수를 용이하게 하는 가청 포지티브 래칭 메커니즘이 포함되어 있습니다. 이 커넥터는 AC 충전 설치 요구 사항을 지원하기 위해 -40°C ~ 125°C에서 작동하도록 정격이 지정되었습니다. 예를 들어, 모델 1-2834461-2는 12개의 접점과 0.071in(1.8mm) 중심선을 가집니다.
3. 전력 저항기는 안전한 작동을 모니터링, 관리, 보장하는 데 중요합니다. 전력 저항기는 높은 절연 저항, 낮은 TCR(예: 300ppm/°C), 낮은 표면 온도 상승, 방화 구조를 제공해야 합니다. TE의 SQ 계열(예: 1Ω ±5% 5W 모델 SQPW51R0J)은 AC 충전기에서의 사용에 적합합니다.
4. 비상 정지 스위치는 AC 충전기의 안전에 중요합니다. TE는 조명 및 비조명 버전으로 PBE16 계열 푸시 버튼 비상 정지 스위치를 제공합니다. 이러한 스위치는 IEC 60947-5-1 및 IEC 60947-5-5 요구 사항을 충족합니다. 예를 들어, 모델 PBES16L1CR은 IP 65 등급으로 의도하지 않은 작동을 방지하기 위해 20뉴턴(N)의 작동력을 제공합니다.
5. EMI 필터는 충전 시스템의 보조 전원 공급 장치에서 전력 모니터링 및 제어에 사용되는 디지털 회로의 작동으로 인한 간섭을 방지하는 데 필요합니다. 또한 전력 변환 섹션의 전력 반도체에 전력을 구동하는 데 보조 전원 공급 장치가 필요합니다. TE의 모델 6609065-3은 단상 EMI 필터로 6A(250Vac 및 50Hz 또는 60Hz)에 대해 정격이 지정되었습니다.
6. 마지막으로 전기 솔루션은 현장에서 조립 및 유지 보수의 속도를 높이기 위해 배선 및 패널 식별에 필요합니다. 이러한 레이블은 설치가 쉽고 내구성이 뛰어나야 합니다. 예를 들어, TE의 PL-027008-2.5-9는 EV 충전 스테이션과 같은 전기 캐비닛에 사용하도록 설계된 폴리에스테르 접착식 레이블입니다.

그림 3: 레이블 2 및 모드 3 AC 충전기에 필요한 주요 부품 (이미지 출처: TE Connectivity)

고속 및 XFC DC

높은 차원에서 레벨 2 및 모드 3 AC 충전기에 필요한 부품 유형은 고속 DC 충전기에 사용되는 부품 유형과 유사해 보입니다. 그러나, 이 둘 사이에는 미묘하거나 분명한 차이가 있습니다.

AC 충전 스테이션은 일반적으로 전력 제어용 계전기를 사용하고, DC 충전기는 접촉기를 필요로 합니다. 계전기와 접촉기는 모두 12Vdc와 같은 낮은 전압을 사용하여 더 높은 전압 회로를 스위칭하지만 이러한 장치는 다양한 전압 및 전류 레벨에 최적화된 다양한 접점 구조를 사용합니다. 계전기는 대개 최대 600V에 대해 정격이 지정되고, 접촉기는 800V 이상에 대해 정격이 지정되었습니다. 또한, 계전기는 일반적으로 수십 암페어로 제한되고, 접촉기는 수백 암페어를 스위칭할 수 있습니다. 예를 들어, TE의 EV200AAANA 접촉기는 900V 및 500A에 대해 정격이 지정되었으며 고속 DC 충전기에 적합합니다.

DC 충전기에 사용되는 신호 커넥터 및 전력 저항기는 AC 설계에 사용되는 것과 다릅니다. DC 충전기에는 더 복잡한 제어가 사용됩니다(예: AC 설계에는 없는 EV 배터리 팩과의 통신). AC 충전기 및 DC 충전기는 모두 0.050” x 0.050”(1.00mm x 1.00mm) 중심선의 기판 간 미세 피치 커넥터 사용의 이점을 누리지만 DC 충전기는 30접점 1MM-R-D15-VS-00-F-TBP 같은 많은 핀 개수를 필요로 할 수 있습니다.

또한, DC 충전기의 높은 전력 레벨은 TE의 HS 계열 같은 알루미늄 하우징 전력 저항기의 이점을 누릴 수 있습니다. 이러한 권선 저항기는 매우 안정적이며, 상대적으로 표면 온도가 낮은 한정된 공간에서 고전력을 분산할 수 있습니다. 예를 들어, 모델 HSA1010RJ는 10Ω ±5% 및 10W에 대해 정격이 지정되었습니다. 이 계열의 다른 모델은 최대 82kΩ 및 최대 300W에 대해 정격이 지정되었습니다.

동일한 유형의 비상 차단 스위치는 종종 AC 및 DC 충전기에 사용될 수 있지만 EMI 필터의 경우 DC 충전기는 설계에 따라 더 크거나 많은 필터를 필요로 할 수 있습니다.

AC 충전기와 DC 충전기의 또 다른 차이점은 DC 충전기는 내부 전력 분산을 위해 TE의 ENTRELEC 콤팩트 전력 블록 같은 전력 단자대가 필요합니다. 모델 CBS50-2P는 150A 및 1kV에 대해 정격이 지정되었습니다.

그림 4: 고속 DC 충전기는 레벨 2및 모드 3 AC 충전기와 동일한 여러 부품을 필요로 하지만 미묘한 차이점도 일부 있습니다. (이미지 출처: TE Connectivity)

결론

고급 EV 충전기 설계는 주행거리에 대한 우려를 줄이고 EV의 대규모 배포를 실현하는 데 매우 중요합니다. 이러한 고급 충전기는 더 높은 전압 및 전류를 사용하여 충전 시간을 약 10분으로 줄이므로 EV 충전을 ICE 차량의 재급유에 견줄 수 있습니다. 위에서 설명한 대로, 설계자는 고속 AC 및 DC 충전기와 차세대 XFC 설계를 위한 다양한 콤팩트하고, 효율적이며, 환경적으로 견고한 부품을 필요로 합니다.