CCS 커넥터를 사용하여 안전한 EV 급속 충전 시스템 구현 단순화

전기 자동차(EV)의 사용은 '주행 거리 불안'의 지속적인 감소에 따라 농업 및 지자체에서 소비자에 이르기까지 다양한 응용 분야에서 증가하고 있습니다. 첨단 배터리 기술은 단위 부피당 더 많은 배터리 용량을 가능하게 하여 더 긴 거리를 주행할 수 있게 하지만 배터리를 충전하는 데 너무 오래 걸린다면 이러한 발전은 쓸모없는 일이 되고 맙니다. 따라서 자동차 회사와 부품 제조업체는 급속 충전 방법을 신속하게 선정할 책임이 있습니다.

충전에서 중요한 구성 요소 중 하나는 커넥터입니다. 이젠 AC 소스를 수용하면서도 최대 DC 1,000V에서 최대 500kW를 처리할 수 있어야 합니다. 또한 안전하고 지능적인 급속 충전을 위한 표준 규격 IEC 62196와 SAE J1772의 요구 사항을 충족해야 합니다. 모든 자동차 및 비자동차 시스템 요구 사항을 충족하기 위해 BEV 시스템 설계자는 콤보 충전 시스템(Combined Charging System, CCS) 사양을 충족하는 커넥터로 전환할 수 있습니다.

이 기사에서는 기본적인 EV 충전 레벨과 모드를 알아보고 CCS 유형 1, CCS 유형 2 및 중국 GB/T 커넥터의 비교를 포함하여 CCS 커넥터의 요구 사항을 짚어 봅니다. 마지막으로 Phoenix Contact, TE Connectivity, Adam Tech의 CCS 커넥터 예를 사용하여 일부 제조업체에서 제공하는 더 넓은 작동 온도 범위와 더 높은 방진방수(IP) 등급과 같은 확장된 기능까지 알아봅니다.

EV 콤보 충전 시스템

CSS 차량 인렛은 AC 및 DC 전력 커넥터를 모두 수용하도록 설계되었습니다. AC 급속 충전은 차고나 주차장에 장시간 주차할 때 유용하며 상점, 휴게소, 전용 충전소에 단기간 주차할 때는 급속 DC 충전이 사용됩니다(그림 1).

그림 1: CCS 차량 인렛 한 개로 AC와 DC 급속 충전을 모두 지원할 수 있습니다. (이미지 출처: Phoenix Contact)

EV 충전 레벨과 모드

EV 충전 분류에는 충전 레벨, 충전 모드, 배선 케이스, CCS의 경우 충전 커넥터 유형이 있습니다. 미국의 SAE J1772는 다음 세 가지 충전 레벨을 공식 인정하고 있습니다.

• 레벨 1은 가정용 120V_AC 전력을 사용하며 약 1.9kW로 제한됩니다. 레벨 1은 느립니다.
• 레벨 2 충전은 208/240V_AC 단상 전력을 사용합니다. 240V_AC 전원으로 최대 19kW를 공급할 수 있습니다. 레벨 2는 '급속 AC 충전'이며 레벨 1보다 3배 ~ 7배 더 빠르게 충전됩니다. 레벨 1과 레벨 2는 온보드 EV 충전기에 전력을 공급합니다.
• 레벨 3은 DC 급속 충전이며 외부 DC 충전기를 사용하여 600V_DC로 400A까지 총 240kW의 전력을 공급합니다. 고급 DC 급속 충전기는 500kW(1,000V_DC로 500A까지)를 공급할 수 있습니다.

유럽의 IEC 61851-1은 네 가지 EV 충전 모드를 정의합니다.

• 모드 1 충전은 AC 아웃렛에 직접 연결된 간단한 케이블을 사용합니다. 저전력이며 자주 사용되지 않습니다.
• 모드 2 또한 AC 아웃렛에 직접 연결하지만 케이블 일체형 제어 및 보호 장치(IC-CPD)라고 하는 통합 보호 기능을 추가합니다. 모드 2는 모드 1보다 안전하지만 3상 전력으로 최대 약 15kW의 충전만 지원합니다.

모드 3과 모드 4는 급속 충전입니다.

• 모드 3은 전용 충전소(EV 공급 장비 또는 EVSE라고도 함)를 사용하여 최대 120kW의 AC 전력을 공급합니다. 모드 1, 2, 3은 모두 EV의 온보드 충전기를 사용하여 배터리 충전을 제어합니다.
• 모드 4는 급속 DC 충전을 나타냅니다. EV 온보드 충전기를 우회하여 EVSE에서 DC 커넥터를 통해 배터리로 직접 전력을 공급합니다. 모드 4에서는 수백 kW를 공급할 수 있습니다. 모드 3에서도 고수준 통신 프로토콜(HLC) 및 충전 제어를 사용한 에너지 피드백이 가능하지만 모드 4에서는 필수입니다.

연결 유형, 모드, 케이스

CCS는 북미의 경우 커넥터 유형 1이 있는 SAE J1772로, 유럽의 경우 커넥터 유형 2가 있는 IEC 62196으로 표준화되었습니다. EV와 EVSE 사이의 HCL 인터페이스는 ISO/IEC 15118 및 DIN SPEC 70121을 기반으로 합니다. EV와 전력 연결에는 케이스 A, B, C의 세 가지가 있습니다.

케이스 A 케이블은 EV에 영구적으로 연결되어 있으며 필요에 따라 전원에 연결됩니다. 케이스 A는 CCS에서 사용되지 않습니다. 케이스 B, C는 CCS와 중국 표준에 해당하는 GB/T에 사용합니다(그림 2). 전력 케이블의 양끝을 분리할 수 있으면 케이스 B입니다. 케이블이 EVSE에 영구적으로 연결되어 있다면 케이스 C입니다. 충전 모드 3은 케이스 B 또는 케이스 C를 사용할 수 있습니다. 충전 모드 4는 케이스 C만 사용합니다.

그림 2: CCS 유형 1(북미), 유형 2(유럽), GB/T(중국) 커넥터 유형, 모드, 케이스의 비교 (이미지 출처: Phoenix Contact)

온도 모니터링과 능동 냉각

급속 충전 시스템에서는 접촉 단자 온도를 모니터링하는 것이 중요합니다. IEC 62196에 따르면 접점의 온도 상승이 50°C를 초과해선 안됩니다. EV와 EVSE 사이의 HCL 인터페이스는 온도 데이터를 통신하는 데 사용합니다. 온도가 너무 높아지면 EVSE에서 충전을 늦추거나 중단합니다. AC 충전용 CCS 커넥터의 경우 DIN 60738에서 요구하는 대로 정비례 온도 계수(PTC) 서미스터가 온도를 모니터링합니다. 커넥터가 너무 뜨거워지면 충전을 중단합니다(그림 3). 급속 DC 충전용 DIN 60751은 각 접점에 하나씩 두 개의 Pt1000 센서를 요구합니다. Pt1000은 온도 상승에 따라 선형적으로 증가하는 저항을 가지고 있습니다.

그림 3: PTC 온도 센서는 온도가 안전한 수준을 초과하지 않도록 AC 충전을 차단합니다(왼쪽). 급속 DC 충전용 Pt1000 센서를 통해 온도를 지속적으로 모니터링할 수 있습니다(오른쪽). (이미지 출처: Phoenix Contact)

250A 이상의 충전 전류를 공급하는 시스템에는 능동 냉각과 함께 온도 모니터링이 필요합니다(그림 4). 능동 냉각 설계를 통해 CCS 커넥터는 최대 500kW(1,000V _DC로 500A까지)를 공급할 수 있습니다. 주위 온도가 예기치 않게 상승하거나 과부하 상태가 발생하는 경우 시스템은 온도 모니터링을 통해 냉각 속도를 높이거나 충전 속도를 낮추어서 커넥터 접점 온도 상승을 +50°C 사양 한계 미만으로 유지할 수 있습니다.

그림 4: 온도 감지와 결합된 능동 냉각은 전체 500A 충전을 지원하며 커넥터 온도 상승을 +50°C 미만으로 유지할 수 있습니다. (이미지 출처: Phoenix Contact (작성자 수정))

잠금 메커니즘 통합

잠금 메커니즘은 CCS 커넥터 시스템에 통합되어 있으며, 유형 1 커넥터의 잠금 메커니즘은 수동 클리핑 메커니즘입니다. 유형 2 커넥터에서는 전자기적으로 활성화된 금속 볼트를 사용하여 잠급니다(그림5). 별도의 연결을 통해 EVSE에서 잠금 장치와 통신하고 상태를 제어합니다.

그림 5: CCS 차량 인렛에는 강하게 당기는 힘에도 견디도록 설계된 전기적, 기계적으로 제어되는 잠금 볼트(왼쪽 상단의 빨간색 화살표 옆)가 장착되어 있습니다. (이미지 출처: Phoenix Contact)

유형 1, 2의 인렛과 커넥터

Phoenix Contact의 CHARX CCS 충전 인렛은 최대 500kW의 충전 속도를 지원할 수 있는 최대 95제곱 밀리미터의 DC 케이블 단면을 가지고 있습니다. 모델 1194398은 정상 작동 시 125kW, 부스트 모드에서는 최대 250kW의 전력을 공급할 수 있습니다(그림 6). 이 CCS 유형 1 인렛은 충전 모드 2, 3, 4에서 사용하도록 설계되었으며 AC 접점의 PTC 체인 온도 센서와 DC 접점의 Pt1000 센서를 포함합니다.

그림 6: AC 또는 DC 전력 충전용 모델 1194398 CCS 유형 1 차량 충전 인렛은 정상 작동 시 125kW, 부스트 모드에서는 최대 250kW의 전력을 공급할 수 있습니다 (이미지 출처: Phoenix Contact)

더 높은 전력을 공급하기 위한 Phoenix Contact의 1162148 차량 충전 인렛은 정상 작동 시 250kW, 부스트 모드에서는 최대 500kW의 충전 속도를 지원합니다. 펄스 폭 변조(PWM)를 이용한 디지털 신호 전송은 ISO/IEC 15118과 DIN SPEC 70121에 따라 전원선 통신을 통해 구현됩니다. 이 제품은 주위 온도 -40°C ~ +60°C의 작동 온도 범위를 가집니다.

레벨 2 충전용 CCS 유형 1 AC 플러그가 필요한 응용 제품은 TE Connectivity AMP Connectors의 모델 2267220-3을 사용할 수 있습니다(그림 7). 240V_AC, 32A 정격의 이 커넥터는 세 개의 전력 접점과 두 개의 신호 접점을 갖추고 있습니다. -55°C ~ +105°C의 확장된 작동 온도 범위를 갖고 있으며 결합 주기는 10,000회 입니다.

그림 7: 통합 수동 잠금 시스템(커넥터 왼쪽)을 보여주는 CCS 유형 1 EV 충전 커넥터 (이미지 출처: TE Connectivity)

Adam Tech의 EV 충전 케이블 조립품은 케이블 길이가 3m 또는 5m인 유형 1 플러그와 유형 2 플러그가 있으며 IP54 또는 IP55의 방진방수(IP) 등급을 받았습니다. 예를 들어, CA #EV03AT-004-5M은 5m 길이의 케이블과 IP55 등급을 받은 유형 2 커넥터입니다(그림 8). 전력 접점 5개와 신호 접점 2개가 있으며 작동 온도 범위는 -30°C ~ +50°C이고 480V_AC, 16A 정격입니다.

그림 8: CA #EV03AT-004-5M CCS 유형 2 커넥터는 정격 16A, 480V_AC 입니다.

CCS 사양 고려 사항

CCS 차량 충전 인렛과 커넥터의 전반적인 기계적, 전기적 특성은 표준화되어 있지만 설계자가 이러한 장치를 지정할 때 주의해야 할 몇 가지 부분이 있습니다.

IP 등급: 이 등급은 플러그가 연결된 상태, 덮개가 없는 플러그가 분리된 상태, 덮개가 있는 플러그가 분리된 상태 등 여러 가지 방식으로 지정됩니다 덮개가 없는 일부 플러그는 IP20 등급으로 손가락의 접근으로 부터 보호하며 12mm 이상의 먼지나 물체로부터 잘 견딜 수 있음을 의미합니다. 그러나 액체에 대한 보호 기능이 없으며 분사되는 물에 닿으면 손상될 수 있습니다. IP54, IP55, IP65 등급은 CCS 플러그에 덮개가 있거나 플러그가 연결된 상태에서 일반적인 등급입니다. IP65 장치는 IP54 장치에 비해 방수 수준이 높지만 IP55 장치의 방수 수준과 비교하면 동일합니다. IP54와 IP55 장치는 IP65 장치에 비해 방진 성능이 낮습니다.

작동 온도 범위: 이 사양은 표준이 없습니다. -30°C ~ +50°C 및 -40°C ~ +60°C와 같은 범위가 일반적이지만 -55°C ~ +105°C와 같은 확장된 범위를 사용할 수 있습니다(위의 TE Connectivity의 2267220-3 참조).

온도 측정 부품: PTC 장치를 사용하는 AC 접점과 Pt1000 센서가 있는 DC 접점에 대해 표준화되었습니다. 여기에서 규격서 문구가 혼동될 수 있습니다. AC 장치에서 때로는 ‘PTC’의 사용을 요구하고 때로는 ‘PTC 체인’을 요구합니다. 각 접점 단자에 PTC가 있으므로 올바른 명칭은 ‘PTC 체인’입니다. 규격서에 단순히 ‘PTC’가 호출된 경우 설계자는 ‘PTC 체인’이 사용될 것인지 확인해야 합니다. Pt1000 센서의 경우 일부 규격서는 CCS 표준을 충족하지 못하고 민감도도 떨어지는 Pt100 센서를 요구합니다. ‘100’이 ‘1000’보다 훨씬 더 널리 사용되기 때문에 Pt1000 센서를 Pt100 장치라고 부르는 것은 흔한 오류입니다. 설계자는 그것이 실제로 Pt1000이고 각 접촉 단자에 하나씩 있는지 확인해야 합니다.

결론

BEV AC 및 DC 급속 충전은 EV 배터리 용량 확장과 주행 거리 증가 수요를 지원하며, AC 급속 충전은 비교적 짧은 거리를 이동하는 EV에 사용됩니다. 반면 고전력 DC 급속 충전은 장거리 운전에 필요하며 몇 분 안에 EV 배터리를 80%까지 완전 충전할 수 있습니다. CCS는 설계자에게 자동차 및 비자동차 응용 분야에서 AC 및 DC 급속 충전을 결합한 안전하고 지능적이며 효율적인 방법을 제공합니다.

추천 자료

1. 유연한 EV 충전 시스템을 빠르고 효율적으로 구현하는 방법