전기차 충전 장비(EVSE)는 어떻게 작동하나요?

EVSE 인프라는 가정용 EV 충전기부터 대형 공공 및 차량용 EV 충전소에 이르기까지 모든 것을 포괄합니다. EVSE의 주요 구성 요소 및 고려 사항을 살펴보겠습니다.

충전 방식

두 가지 유형의 충전 전력이 널리 사용됩니다:

• 교류(AC): EVSE는 커넥터에서 AC 전력을 공급합니다. AC는 차량 내부에서 DC로 변환되어 배터리를 충전합니다.
• 직류(DC): EVSE는 EV의 온보드 충전기를 우회하여 EV 배터리에 DC 전력을 직접 공급합니다.

그에 더하여 전력 전송에 사용되는 도관의 특성은 다음과 같습니다.

• 전도성/유선 충전: 이는 충전 케이블이 EVSE를 EV에 연결하는 가장 일반적인 충전 옵션입니다.
• 유도/무선 충전: 플러그인 케이블 대신 유도 또는 공진 기술을 사용하여 배터리에 전자기적으로 에너지를 전달합니다.
• 팬터그래프 충전: 팬터그래프는 차량을 가공 충전 라인에 연결합니다. 수동 플러그인 없이 빠르고 자동화된 충전이 필요한 차량 운행 및 도심 환경의 전기 중장비 차량에 사용됩니다.

충전 표준

충전 표준은 EVSE와 EV 간의 충전과 관련된 여러 측면을 다루는 포괄적인 프레임워크입니다. 단일의 전 세계적으로 통용되는 표준은 없습니다. 대신, 다양한 글로벌 및 지역 표준이 존재합니다.

• 복합 충전 시스템(CCS): CCS 표준은 충전 매개변수 협상, 인증, 결제, 플러그 앤 차지(PnC)와 같은 고급 기능과 같은 측면을 지정합니다. CCS 커넥터는 AC 및 DC 충전을 모두 지원합니다. CCS 유형 1 커넥터는 북미에서, 유형 2는 유럽 및 기타 지역에서 널리 사용됩니다.
• 북미 충전 표준(NACS): NACS는 AC 및 DC 충전 모두에 단일의 소형 커넥터를 사용합니다.
• 차데모(CHAdeMO): 차데모 표준은 일본에서 널리 사용되며 AC 및 DC 충전을 위해 두 개의 개별 포트를 사용합니다.
• 궈뱌오 투이지안(GB/T): 이 표준은 중국에서 널리 사용됩니다. 이전에는 AC 및 DC에 별도의 포트를 사용했지만, 새로운 ChaoJi 버전은 공통 포트를 활용할 것입니다.
• 메가와트 충전 시스템(MCS): MCS 표준은 트럭 및 버스와 같은 전기 대형 차량이 고전력 DC를 사용하여 빠르게 충전될 수 있도록 합니다.

이러한 표준은 다음 측면을 다룹니다.

• 다양한 충전 속도에 대한 충전 레벨, 지원 전압, 전류 및 전력 제한을 포함한 전기적 파라미터
• 물리적 인터페이스의 형태, 핀 배열, 기계적 잠금 메커니즘을 포함한 커넥터
• EVSE와 EV 간, 그리고 EVSE와 그리드 간의 제어 신호를 포함한 통신 프로토콜
• 적절한 접지 및 절연과 같은 안전 메커니즘

충전 레벨

충전 속도는 아래에 설명된 바와 같이 충전 레벨에 따라 결정됩니다.

AC 충전

SAE(Society of Automotive Engineers) J1772 표준의 AC 충전 레벨은 CCS에 통합됩니다.

• 레벨 1 충전: 10-16암페어(A)에서 약 1-2킬로와트(kW)의 전력을 공급할 수 있는 표준 120볼트(V) AC 가정용 콘센트에 의존합니다. 소형 전기 자전거에 적합하며 전기 자동차에는 적합하지 않습니다.
• 레벨 2 충전: 대부분의 가정용 충전기와 공공 EV 충전 솔루션은 레벨 2 충전기를 사용합니다. 이들은 208-240 V AC에서 작동하며, 전력 범위는 7-19 kW, 전류 범위는 32-80 A입니다.

DC 충전

CCS는 다음 5가지 DC 전력 클래스를 지정합니다.

• 저전력 충전: 충전 전력은 8kW 미만으로 유지됩니다.
• DC 충전: 이 EVSE는 8kW 이상 최대 50kW를 공급할 수 있습니다.
• 고속 충전(FC): FC EVSE는 최소 30분 동안 50-100kW를 공급할 수 있습니다.
• 초고속 충전(UFC): 최소 20분 동안 100-150kW를 공급할 수 있습니다.
• 고전력 충전(HPC): HPC EVSE는 최소 10분 동안 150kW 이상을 공급할 수 있습니다.

이러한 클래스 및 전력 레벨은 양방향 충전에도 사용됩니다.

메가와트 충전 시스템(MCS)

메가와트 충전은 대형 전기 버스, 세미트레일러, 토공 기계, 항공 장비, 심지어 해상 선박용으로 고안되었습니다. 이는 1,000 V 이상의 DC 전압과 수백 암페어에서 4,000 A까지의 전류를 포함합니다. 기존 MCS 시스템은 0.4-6 메가와트(MW)를 공급할 수 있으며, 미래 시스템은 12-24 MW를 위해 설계되고 있습니다.

MCS는 현재 다섯 가지 전력 레벨을 지정합니다:

• MCS 레벨 1: 레벨 1 EVSE는 비냉각 충전 케이블을 사용하여 1,250V에서 최대 350A를 공급합니다.
• MCS 레벨 2: 액체 냉각 충전 케이블을 사용하여 1,250V에서 최대 1,500A를 공급할 수 있습니다.
• MCS 레벨 3: 레벨 3 EVSE는 충전 케이블과 EV 인렛 모두에 액체 냉각을 사용하여 1,250V에서 최대 3,000A를 공급합니다.
• 강화형 MCS (R-MCS): 강화형 MCS는 1,500 V에서 최대 4,000 A의 전류로 최대 6 MW를 공급할 수 있습니다. 이는 광업, 항공 및 해상과 같은 혹독한 환경을 위해 설계되었습니다.
• X-MCS: 이 차세대 표준은 R-MCS를 향상시켜 12-24 MW를 제공할 것입니다.

EVSE와 EV 간 통신

EVSE와 EV는 국제 표준화 기구(ISO) 15118 사양과 같은 프로토콜을 사용하여 서로 통신하며, 이 사양은 다음 방법을 정의합니다.

• 충전 레벨 협상
• 핸드셰이크 및 인증을 포함하는 충전 시퀀스 제어
• 스마트 충전 촉진(충전 시간 및 요금이 실시간 그리드 부하, 에너지 가격 및 재생 에너지 가용성에 따라 결정되는)
• 자동 인증 및 결제를 통해 PnC를 구현하십시오.
• 충전 상태 보고 및 오류 처리를 통해 안전을 보장합니다.
• 안전하게 통신합니다.

안전 메커니즘

충전 표준은 다음과 같은 안전 메커니즘을 명시합니다:

• 감전 방지를 위한 접지 및 절연
• 보안 연결이 설정된 경우에만 전력이 공급되도록 보장
• 과전류, 과전압, 단락, 접지 오류 및 비정상적인 온도를 감지하고 전원을 안전하게 차단하는 메커니즘
• 온도 모니터링, 특히 고전력 DC 충전용

그리드 통합

EVSE는 다음을 구현하기 위해 스마트 그리드에 점점 더 통합되고 있습니다.

• 양방향 에너지 흐름을 위한 V2G(Vehicle-to-Grid)
• 부하 분산
• 수요 반응
• 계통 부하 및 재생 에너지 가용성을 기반으로 한 스마트 충전

일부 EVSE는 태양 에너지 및 기타 분산 에너지원으로 전력을 공급받을 수 있습니다.

안전하고 신뢰할 수 있는 EV 충전을 위해 철저한 EVSE 테스트가 필수적입니다. EVSE 테스트는 아래에 설명된 측면을 다루어야 합니다.

• 상호 운용성: EVSE는 모든 제조업체 또는 모델의 모든 EV를 성공적으로 충전할 수 있어야 전자 모빌리티에 대한 소비자의 신뢰를 유지할 수 있습니다.
• 프로토콜 적합성: 많은 비호환성 문제는 통신 오류에서 비롯됩니다. 수많은 EVSE 표준과 고급 기능을 고려할 때, 철저한 프로토콜 적합성 테스트는 상호 운용성을 보장하는 데 중요합니다.
• 안전: EVSE 테스트는 비상 종료 및 내부 고전압 소스 방전과 같은 안전에 중요한 이벤트를 검증합니다. 절연 저항 테스트 또한 주요 안전 점검 사항입니다.
• 성능: EVSE 테스트는 고장 조건, 극한 온도 및 동적 그리드 이벤트에서 성능을 검증해야 합니다.
• 시뮬레이션: 다양한 EV, 배터리, 긍정적인 시나리오 및 오류 조건에 대한 현실적인 시뮬레이션을 통해 EVSE 설치 또는 EV에 대한 위험 없이 초기 단계부터 저렴한 비용으로 시스템을 한계까지 테스트할 수 있습니다.
• 자동화: 테스트 자동화는 수백 가지 테스트를 통해 반복 가능한 평가를 가능하게 하며, 상호 운용성 및 적합성을 지속적으로 검증합니다.
• 전자기 호환성(EMC): EVSE 방출은 다른 전자 장치 및 무선 통신을 방해할 수 있습니다. EMC 테스트는 EVSE가 항상 의도된 전자기 환경에서 작동하도록 보장합니다.
• 프로토콜 보안: 보안 인증 및 데이터 교환은 전송 계층 보안, PnC를 위한 공개 키 인프라, 애플리케이션 계층 무결성 및 부인 방지를 위한 XML 보안 테스트를 통해 검증됩니다.
• 디버깅: 디버깅 및 근본 원인 분석을 위해 프로토콜 트레이스 뷰어와 중간자 분석기는 EV와 EVSE 간의 통신 및 전력 신호를 관찰, 캡처 및 디코딩할 수 있도록 합니다.

상호 운용성 테스트는 특수 테스트 시스템 및 방법을 사용하여 다양한 그리드, EVSE 및 EV 간의 원활한 통신 및 전력 전송을 보장합니다. 아래에서 이러한 기술을 살펴보겠습니다.

• 적합성 테스트: 다양한 충전 표준의 공식 테스트 케이스 사양을 사용한 엄격한 프로토콜 적합성 검증은 충전 협상을 규율하는 규칙을 엄격하게 준수하도록 보장합니다. 협상 및 폴백 동작 테스트는 신규 및 레거시 EV 모델 모두와의 호환성을 보장합니다. EVSE는 진화하는 표준을 지원하도록 설계될 수 있습니다.
• EVSE 에뮬레이션: 테스트 시스템은 구성 가능한 AC 또는 DC EVSE를 에뮬레이션하여 모든 EV를 테스트합니다.
• EV 에뮬레이션: 테스트 시스템은 EVSE의 기능, 안전 및 성능 테스트를 가능하게 하는 범용 구성 가능 EV 역할을 합니다. 전자 부하와 회생 전원 공급 장치를 사용하여 EV 동작을 시뮬레이션합니다.
• 배터리 에뮬레이션: 테스트 시스템은 모든 EV 배터리 용량, 기술, 충전 상태 또는 내부 저항을 에뮬레이션할 수 있습니다.
• 중간자 공격 테스트: 실제 EV와 실제 EVSE 사이에 테스트 시스템을 배치하여 통신 및 전력 신호를 수동적으로 모니터링, 캡처 및 디코딩합니다. 이를 통해 실제 충전 세션 중 오류 및 그 원인을 실시간으로 분석할 수 있습니다.
• 자동화된 테스트: 산업 사양을 기반으로 하는 광범위한 자동화된 테스트 케이스 라이브러리를 체계적으로 실행하여 동작을 지속적으로 검증하고, 수정된 파라미터를 주입하고, 합격/불합격 조건을 설정할 수 있습니다.
• 구성요소 레벨 테스트: 차량 내 EV 통신 컨트롤러(EVCC)와 충전기 내 공급 장비 통신 컨트롤러(SECC)는 상대방 컨트롤러를 에뮬레이션하고 사전 프로그래밍된 테스트 케이스를 실행하는 통신 인터페이스 테스터를 사용하여 개별적으로 테스트됩니다. 

EVSE 적합성 테스트와 기능 테스트의 차이점은 무엇입니까?

EVSE 적합성 테스트는 정상, 극한 및 오류 조건에서의 동작을 포함하여 공식 충전 표준 및 통신 프로토콜 준수 여부를 엄격하게 확인합니다. 이는 형식 승인 및 인증을 위한 필수 조건입니다.

기능 테스트는 적합성 테스트를 넘어, EVSE가 사용자가 의도하고 기대하는 대로 작동하고 성능을 발휘하는지 확인합니다.