안전과 신뢰성을 보장하면서 사용자에게 편안함을 제공하는 적절한 EV 충전 케이블

보통 사람들이라면 중간 크기 이하의 전기 커넥터를 매우 편안하게 연결하거나 분리할 수 있습니다. 휴대전화와 기타 다양한 장치에서 보호되지 않는 USB, RF 동축, HDMI, 기타 소형 저전압 커넥터를 주저하지 않고 사용합니다. 또한 완전히 노출된 '배럴' 커넥터를 AC-DC 어댑터(플러그 겸 변압기)와 함께 사용하여 장치를 충전합니다. 이러한 장치는 모두 저전압 저전력 커넥터이므로 사용자에게 위험하지 않습니다.

저전압 커넥터에 비해 사용 빈도는 적지만 고전압의 경우에도 대부분의 소비자는 필요에 따라 AC 라인 코드(120V/240V)를 연결하는 데 문제가 없습니다. AC 커넥터는 완전히 밀폐되지 않고 플러그 블레이드가 약간 노출되어 있으며 절연체와 커넥터 본체가 낡고 균열된 경우가 있으므로 사람들은 이러한 AC 커넥터를 사용할 때 주의해야 한다는 사실을 알고 있습니다.

놀랍게도 감전으로 인한 실제 사망자 수와 부상자 수는 적습니다. 국립의학도서관/국립 보건원의 보고서에 따르면(전기적 부상)¹, 미국에서 전기적 부상의 결과로 매년 약 1,000명의 사망자가 발생한다고 합니다. 그중 약 400명은 고전압 전기적 부상이 원인이고 50명 ~ 300명은 번개로 인한 사망입니다. 또한 치명적이지는 않지만 매년 30,000건 이상의 감전 사고가 발생하고, 미국의 모든 화상 병원 입원자의 약 5%가 전기적 부상으로 인해 입원합니다.

모든 전기적 부상의 약 20%는 유아와 청소년을 포함한 어린이에게 발생하고 그중 대부분은 집에서 발생합니다. 성인의 부상은 대부분 직업 환경에서 발생하며 직장 관련 외상성 사망의 네 번째 주된 원인입니다. 다행스럽게도 화상 이상으로 진행되는 '가정 내' 감전은 매우 드뭅니다. 요약하면 사람들은 AC 선간 전압이 위험하다는 사실을 알고 있으므로 AC 라인 코드 및 플러그를 취급할 때 합당한 주의를 기울입니다. 이 친숙함과 관련 안전은 전기 차량(EV) 사용자 경험에도 적용됩니다.

친숙함 및 안전 문제를 일으키는 EV 충전

EV의 폭넓은 사용으로 일반 소비자는 관련 커넥터 및 케이블 조립품과 함께 높은 수준의 전압, 전류 및 전력(최대 250kW)에 편안해 합니다. 일부 EV 사용자는 '가정에서 야간에' 120V/240V AC(VAC) 회선으로 충전하며, 많은 사용자가 충전 시간이 훨씬 빠르고 효율이 뛰어난 고전력 레벨 2 DC 충전기를 가정에 설치합니다. 또한 사용자는 운행 중에 공공 충전소의 레벨 2 충전기를 사용합니다. 연료 충전 시퀀스가 내연 엔진(ICE)의 가스 및 디젤 충전 시퀀스와 비슷하므로 이러한 사용자는 연결/분리 절차가 간단하고 안정적이라고 생각합니다(그림 1).

그림 1: 사용자를 위한 EV 편의 요소 설치 과정에서 충전을 위한 연결 및 분리 시퀀스를 일반 ICE 차량과 비슷하도록 합니다(이미지 출처: Phoenix Contact).

이러한 충전기는 사용 편의성, 가스/디젤 폼 팩터와 유사성, 충분한 전기 용량, 전기 및 열 안전, 오용 방지를 비롯한 전반적인 견고성 등과 관련한 까다로운 목표를 충족하는 케이블 및 커넥터 배열이 필요합니다.

커넥터와 케이블이 두 개의 개별 하위 부품이 아닌 완벽하게 통합된 단일 장치로 제공되므로 업계에서는 실제로 커넥터와 케이블을 나타내는 데 '케이블'이라는 용어를 사용한다는 사실에 주목할 필요가 있습니다.

문제점을 보여주는 커넥터 및 케이블의 예

AC 라인 커넥터 및 케이블은 적절한 전기 및 기계 요구 사항을 충족해야 합니다. 이러한 장치는 주거용 테이블 램프 등에 사용되는 간단한 2선식 비접지 배열부터 가전용 3선식 고집적 접지 플러그까지 다양하며 견고한 성형 케이블 및 커넥터 하우징가 함께 제공됩니다.

반면에 EV 배열에서는 훨씬 더 높은 전류 및 전압을 처리하고, 주위 환경 및 자가 가열로 인한 내부 온도 상승을 감지하고, 사용자의 사용 및 오용(낙하, 넘어짐, 물 및 진흙에 방치 등)을 파악하고, 보호되지 않은 환경에서도 최고 수준의 전기 및 기계적 무결성을 제공해야 합니다. 다양한 시나리오 중에서 사용자는 차량이 물에 부분적으로 잠긴 상태에서 충전을 시도할 수 있습니다(그림 2).

그림 2: 권장되지는 않지만 EV 충전소에는 매우 습한 환경에서도 안전하게 충전할 수 있도록 다양한 수준의 보호 수단이 마련되어 있습니다. (이미지 출처: Sun/News Group Newspapers/UK)

Phoenix Contact의 CCS C-Line DC 충전 케이블(커넥터 포함) 제품군에 표시된 대로 이 모든 것을 수행하는 것이 쉽지는 않지만 가능합니다. 이 제품군은 유사하지만 뚜렷한 차이가 있는 두 그룹으로 구성됩니다. 즉, 별도의 고정 클립이 있는 북미 지역용 유형 1(SAE J1772)과 유럽용 유형 2(IEC 62196-3)로 구성됩니다(그림 3). 이 두 그룹은 사양과 외관이 약간 다릅니다.

그림 3: 북미 지역(왼쪽) 및 유럽(오른쪽)용 CCS C-Line DC 충전 커넥터는 유사한 기능을 제공하지만 폼 팩터가 약간 다릅니다. (이미지 출처: Phoenix Contact)

CCS C-Line DC 충전 케이블은 CCS 표준에 따라 설계된 고유한 경량 커넥터가 장착되어 있지만 쉬운 취급과 보관을 위해 더 작은 폼 팩터에 들어 있습니다. 이 케이블은 높은 충전 전압이 필요하지 않고 AC에 비해 DC 충전이 선호되는 지역에서 사용하도록 제작되었습니다. 이 케이블은 개인 주택, 아파트, 주차장, 기업 등에서 사용됩니다. 최대 80A의 충전 전류를 사용하는 CCS C-Line 케이블은 AC 충전 케이블에 비해 더 우수한 기능을 제공하고 충전 시간을 단축합니다.

주요 시장은 EV 서비스 장비(EVSE) 제조업체와 차량 사업자입니다. 유형 1 그룹과 유형 2 그룹에는 모두 관련 전류 용량과 케이블 길이(4m ~ 7m)에 따라 6AWG 전선 또는 10AWG 전선을 선택할 수 있는 다양한 제품이 있습니다.

사용자는 플러스 및 마이너스 DC 전력 접점(DC+ 및 DC-), 보호 접지(PE), 삽입 후 신호 접지(CS 및 CP)와 같은 커넥터 접점의 회로도 또는 기능 배열을 신경쓰지 않습니다(그림 4).

그림 4: CCS C-Line 커넥터의 주요 접점에는 플러스 및 마이너스 DC 전력 접점(DC+ 및 DC-), 보호 접지(PE) 및 삽입 후 신호 접점(CS 및 CP)이 있습니다. (이미지 출처: Phoenix Contact)

대신 기존 '피스톨 모양 그립' 가스/디젤 펌프 핸들 조립품을 연상시키는 익숙한 모양과 느낌을 가진 편안한 폼 팩터에 신경을 씁니다(그림 5).

그림 5: CCS 충전 배열을 사용하는 DC 조립품에는 가스/디젤 탱크 충전 프로세스의 친숙함과 안정성이 있습니다. (이미지 출처: Phoenix Contact)

하지만 성공적인 CCS EV 충전에 필요한 대부분의 기술적 특징은 사용자에게 표시되지 않거나 투명해야 합니다. 이러한 특징은 그림 6에서 원 안에 번호가 입력되어 있습니다.

그림 6: CCS C-Line에는 레이블 및 로고가 없는 경우 사용자가 알지 못할 수도 있지만, 적절하고 효과적이며 안정적이고 안전한 작동을 위해 필요한 6가지 주요 기술 및 성능 특징 및 기능이 포함되어 있습니다. (이미지 출처: Phoenix Contact, Bill Schweber 수정)

1) 통합 온도 센서 기술: 전력 접점에서 직접 정밀하게 온도를 측정하여 사용자를 위험으로부터 보호하고 충전소의 손상을 방지하기 위해 충전 공정을 중단할 수 있습니다.

2) 은도금 접점: 전력 및 신호 접점의 은도금 표면은 효율적인 송전, 최적의 방식 처리 및 긴 사용 수명을 보장합니다.

3) 개별 로고: Phoenix Contact 로고 대신 충전 커넥터는 UV 및 내후성 플라스틱 레이블에 맞춤형 로고를 인쇄한 상태로 제공될 수 있습니다.

4) 인체 공학적 핸들이 있는 콤팩트 설계: 그립 영역의 인체 공학적인 모양은 쉬운 취급과 편안한 느낌을 보장합니다. 콤팩트 설계는 충전소와 충전 커넥터의 조화로운 전체 모양도 보장합니다.

5) 기발한 밀봉 개념: 정교한 밀봉 개념은 지속적인 종방향 방수 기능을 보장하여 충전 커넥터 또는 케이블에 습기가 유입되는 것을 방지합니다.

6) DIN EN 50620에 따라 설계된 케이블: 특히 강력한 VDE 인증 충전 케이블은 절연체 두께, 자재 유연성, 기타 속성과 관련하여 e-모빌리티 분야에서 사용하도록 특별히 설계되었습니다.

결론

EV의 DC 충전을 위해서는 엄격한 전기 및 기계 성능 기준을 충족하는 커넥터 및 케이블 조립품이 필요합니다. 또한 소비자 가전에 적합한 모양, 느낌, 작동 및 전체 편의 요소를 갖추어야 합니다. Phoenix Contact의 유형 1 및 유형 2 CCS C-Line DC 충전 케이블은 이러한 요구 사항을 충족하며, 다양한 최종 설계 요구 사항을 충족하는 여러 버전으로 제공됩니다.

관련 내용

1: Compact CCS Cables Provide Level 2 Fast DC Charging(레벨 2 고속 DC 충전을 제공하는 콤팩트 CCS 케이블)

https://www.digikey.com/en/articles/compact-ccs-cables-provide-level-2-fast-dc-charging

2: How to Employ a Range of Connectors to Support Comprehensive EV Charging Infrastructure(다양한 커넥터를 사용하여 포괄적인 EV 충전 인프라를 지원하는 방법)

https://www.digikey.com/en/articles/how-to-employ-a-connectors-for-ev-charging-infrastructure

참고 자료

1: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK448087/