전기차 충전 표준

[summary]전기차 충전 표준은 충전소와 전기차 간의 통신 및 전력 전송을 관리하는 확립된 프로토콜과 사양을 의미하며, 다양한 충전 네트워크와 여러 자동차 제조사 간의 상호 운용성을 보장합니다.[\/summary]

2011년, 유럽자동차제조협회(ACEA)는 다음과 같은 정의를 확립했습니다:

• 소켓 아웃렛(Socket Outlet): 차량에 충전 전력을 공급하는 역할을 하는 전기차 공급 장치(EVSE)의 포트를 의미합니다.
• 플러그(Plug): EVSE의 소켓 아웃렛과 연결되는 유연한 케이블의 끝부분을 나타냅니다. 북미에서는 케이블이 영구적으로 부착되어 있어 소켓 아웃렛과 플러그를 사용하지 않습니다.
• 케이블(Cable): EVSE와 전기차를 연결하는 유연한 도체 묶음을 설명합니다.
• 커넥터(Connector): 차량의 인렛과 인터페이스를 연결하는 유연한 케이블의 끝부분을 나타냅니다.
• 차량 인렛(Vehicle Inlet): 충전 전력을 받도록 설계된 전기차의 포트를 의미합니다.

전기차 커넥터와 전기차 인렛이라는 용어는 1999년 미국 국가전기코드(NEC) 제625조에 따라 유사하게 정의된 바 있습니다. NEC-1999는 또한 전기차 공급 장치(EVSE)를 구내 배선에서 전기차로 에너지를 전달하기 위해 특별히 설치된 완전한 장치로 기술하며, 여기에는 도체, 전기차 커넥터, 부착 플러그 및 기타 모든 피팅, 장치, 전원 콘센트 또는 기기가 포함됩니다.

Tesla, Inc.는 여러 대의 충전기가 있는 장소를 설명할 때 충전소라는 용어를 사용하며, 개별 EVSE를 커넥터라고 지칭합니다.

전기전력연구소(Electric Power Research Institute)가 1991년에 설립한 국가전기교통인프라작업위원회(IWC)는 자동차 제조사와 전기 유틸리티 업체 회원들로 구성되어 미국 내 표준 수립을 목표로 했습니다. IWC의 초기 노력은 1999년 국가전기코드(NEC) 핸드북에 개요가 기술된 세 가지 충전 레벨의 개발로 이어졌습니다.

NEC-1999에 따라 레벨 1 충전 장비(코드에 명시되지는 않았으나 NEC 핸드북에 정의됨)는 접지가 포함된 표준 NEMA 5-20R 3구 전기 콘센트를 사용하여 그리드에 연결되었습니다. 또한, 플러그로부터 12인치(300 mm) 이내에 잔류 전류 장치를 포함하도록 의무화했습니다. 공급 회로는 최대 정격 전류의 125%에서 보호 기능을 갖추어야 했습니다. 예를 들어, 16암페어 연속 전류 정격의 충전 장비는 20A 크기의 차단기가 필요했습니다.

레벨 2 충전 장비(핸드북에 명시됨)는 NEC-1999 하에서 고정된 위치에 영구적으로 배선되고 안전하게 배치되었습니다. 또한 접지 및 지락 보호 기능과 충전 중 차량 시동을 방지하는 인터록 메커니즘, 그리고 케이블 및 커넥터를 위한 안전 이탈 장치가 요구되었습니다. 분기 회로를 보호하기 위해 40A 차단기(연속 최대 공급 전류의 125%와 동일)가 필수적이었습니다. 편의성과 더 빠른 충전을 위해 많은 초기 전기차(EV)는 유도식 패들(Magne Charge) 또는 전도성 커넥터(Avcon)를 통해 EV에 연결할 수 있는 레벨 2 충전 장비 설치를 선호했습니다.

레벨 3 충전 장비는 차량 외부의 정류기를 사용하여 입력 AC 전력을 DC로 변환한 다음 차량에 공급했습니다. 작성 당시 NEC-1999 핸드북은 레벨 3 충전 장비를 위해 유틸리티 업체가 배전 시스템과 트랜스포머를 업그레이드해야 할 것으로 내다봤습니다.

자동차공학회(SAE International)는 2001년에 처음 개발된 SAE J1772 표준의 일부로서 북미에서 사용되는 전기차(EV) 충전 시스템에 대한 일반적인 물리적, 전기적, 통신 및 성능 요구 사항을 정의합니다. SAE J1772는 교류(AC) 및 직류(DC) 공급을 위한 각각 두 레벨씩, 총 네 가지 충전 레벨을 구분합니다. 이러한 구분은 전력 분배 유형, 표준 및 최대 전력을 기준으로 합니다.

AC 충전소는 차량의 온보드 충전 회로를 AC 공급 장치에 직접 연결합니다.

• AC 레벨 1: 이 레벨은 표준 120 V 북미 콘센트에 직접 연결되며 전용 회로의 용량에 따라 6–16 A(0.7–1.92 kW)를 공급할 수 있습니다.
• AC 레벨 2: 240 V(단상) 또는 208 V(3상) 전력을 사용하여 6~80 A(1.4~19.2 kW)를 공급하며, AC 레벨 1 충전보다 충전 속도가 크게 향상됩니다.

일반적으로 구형 NEC-1999 정의에 따라 "레벨 3" 충전이라고 잘못 불리기도 하지만, DC 충전은 SAE 표준에서 별도로 분류됩니다. DC 급속 충전에서는 그리드의 AC 전력이 차량 배터리에 도달하기 전 충전소 내의 AC-DC 전압 변환기를 통해 DC로 변환되며, 차량 온보드 AC-DC 전압 변환기는 거치지 않습니다.

• DC 레벨 1: 이 레벨은 50–1000 V에서 최대 80 kW를 공급합니다.
• DC 레벨 2: 50–1000 V에서 최대 400 kW를 공급합니다.

SAE가 발표한 추가 충전 표준으로는 IEC 62196-2에 정의된 타입 2 커넥터를 사용하는 3상 AC 충전 관련 SAE J3068, 그리고 DC 충전 장치의 자동 연결을 다루는 SAE J3105가 있습니다.

2003년, 국제전기기술위원회(IEC)는 SAE J1772 표준의 상당 부분을 IEC 62196-1에 통합했습니다.

이후 IEC 62196-1은 개정 및 확장되어 전기차를 위한 다양한 플러그 타입과 충전 모드를 포괄하는 국제 표준인 IEC 62196이 되었습니다. 이 표준은 독일의 DIN EN 62196, 오스트리아의 ÖVE/ÖNORM EN 62196, 스위스의 SN EN 62196으로 인정받고 있습니다. 이 표준은 점진적으로 채택된 여러 구성 요소로 이루어져 있습니다. 세 번째 파트는 2014년 6월에 발행되었으며, 경량 전기차용 커넥터를 다루는 IEC TS 62196-4는 2022년 10월에 출판되었습니다. 파트 1은 2022년 기준으로 제4판에 도달했습니다.

이 표준은 충전 전류 전환을 담당하는 신호 핀에 대한 IEC 61851 정의를 따릅니다. 특히, 충전소는 전기차가 연결될 때까지 전압이 없는 상태를 유지하여 충전 과정 중에 차량이 작동할 수 없도록 보장합니다.

파트 1의 신호 핀 및 IEC 62196-1 충전 플러그에 대한 정의는 다양한 기술 규정에 통합되었습니다. IEC 60309 "CEEform" 3상 커넥터 외에도, 북미의 SAE J1772 커넥터(Yazaki 개발), 일본의 CHAdeMO 커넥터, 유럽의 Mennekes 커넥터(VDE-AR-E 2623-2-2)에 대해서도 충전 모드가 채택되었습니다. 이러한 각 커넥터는 에너지 공급자가 제공하는 공공 충전소 네트워크의 기반이 됩니다.

IEC는 충전 모드(IEC 61851-1)를 다음과 같이 분류합니다:

• 모드 1: 단상 또는 3상 AC 여부와 관계없이 표준 전기 소켓에서 저속으로 충전하는 방식입니다.
• 모드 2: 일반 AC 소켓에서 저속으로 충전하지만, Park & Charge나 PARVE 시스템과 같이 EV 전용 보호 장치가 포함된 방식입니다.
• 모드 3: SAE J1772 및 IEC 62196-2와 같이 제어 및 보호 기능이 갖춰진 특수 EV 다핀 소켓을 활용하는 저속 및 급속 AC 충전 방식을 포괄합니다.
• 모드 4: CHAdeMO와 같이 IEC 62196-3 같은 전용 충전 인터페이스를 통한 DC 급속 충전 방식입니다.

전력망과 "충전기"(전기차 공급 장치) 간의 연결은 세 가지 시나리오(IEC 61851-1)로 나뉩니다:

• 케이스 A: 일반적으로 주전원 공급 케이블이 충전기 자체에 부착된, 주로 모드 1 또는 2와 관련된 주전원 연결 충전기를 의미합니다.
• 케이스 B: 공급 장치와 차량 모두에서 분리할 수 있는 주전원 공급 케이블이 있는 차량 온보드 충전기를 설명하며, 주로 모드 3에 해당합니다.
• 케이스 C: 모드 4와 유사하게 주전원 공급 케이블이 충전소에 영구적으로 부착될 수 있는 DC 전용 충전소를 의미합니다.

북미 충전 표준(NACS)은 Tesla 충전 표준으로도 알려져 있으며, Tesla, Inc.에서 개발한 전기차(EV) 충전 커넥터 시스템입니다. 2012년부터 북미 시장의 모든 Tesla 차량에 사용되어 왔습니다. 2022년 11월, Tesla는 다른 제조사들도 이를 사용할 수 있도록 개방했습니다.

현재 SAE J3400으로 표준화 중인 NACS 커넥터 시스템은 AC 및 DC 충전 모두를 원활하게 하도록 설계되었습니다. Tesla 슈퍼차저와 함께 사용되는 현재 버전의 NACS 커넥터는 최대 250 kW의 전력을 공급할 수 있습니다. AC 전원을 사용할 때 NACS 시스템은 277 V에서 최대 80 A를 공급할 수 있습니다. 가장 일반적인 구성에서는 240 V에서 최대 48 A의 전류를 공급하며, 이는 11.5 kW에 해당하여 북미 주거용 환경에서 전형적으로 사용됩니다.

일반적인 커넥터에는 타입 1(Yazaki), 타입 2(Mennekes), 타입 3(Scame), CCS 콤보 1 및 2, CHAdeMO, Tesla 등이 있습니다. 많은 표준 플러그 타입이 IEC 62196-2(AC 공급 전력용) 및 62196-3(DC 공급 전력용)에 정의되어 있습니다:

• 타입 1: 단상 AC 차량 커플러 – SAE J1772/2009 자동차 플러그 사양 준수.
• 타입 2: 단상 및 3상 AC 차량 커플러 – VDE-AR-E 2623-2-2, SAE J3068 및 GB/T 20234.2 플러그 사양 준수.
• 타입 3: 안전 셔터가 장착된 단상 및 3상 AC 차량 커플러 – EV Plug Alliance 제안.
• 타입 4: DC 급속 충전 커플러
  • 구성 AA: CHAdeMO
  • 구성 BB: GB/T 20234.3
  • 구성 CC/DD: (예약됨)
  • 구성 EE: CCS 콤보 1
  • 구성 FF: CCS 콤보 2

IEC 62196-2 및 -3에 나열된 커넥터 디자인
전원 공급	미국	유럽 연합	일본	중국
단상 AC	타입 1 (SAE J1772)	타입 2 (DE, UK) 타입 3 (IT, FR; 현재 폐기됨)	타입 1 (SAE J1772)	타입 2 (GB/T 20234.2)
3상 AC	타입 2 (SAE J3068)		-
DC	EE (CCS 콤보 1)	FF (CCS 콤보 2)	AA (CHAdeMO)	BB (GB/T 20234.3)
			ChaoJi (계획됨)

1990년대 후반과 2000년대 초반, 미국에서는 GM EV1, Ford Ranger EV, Chevrolet S-10 EV를 포함한 여러 전기차(EV)가 도입되었습니다. 이 차량들은 수용 가능한 충전 속도를 유지하기 위해 NEC-1999에 정의된 레벨 2(단상 AC) 전기차 공급 장치(EVSE) 사용을 선호했습니다. EVSE에는 유도식 커넥터(Magne Charge) 또는 전도성 커넥터(주로 AVCON)가 장착되었습니다. GM, Nissan, Toyota는 유도식 시스템을 지원한 반면, DaimlerChrysler, Ford, Honda는 전도성 시스템을 지지했습니다.

Magne Charge 패들은 두 가지 크기로 나왔습니다. 하나는 더 크고 오래된 패들(EV1 및 S-10 EV용)이었고, 다른 하나는 더 작고 새로운 패들(1세대 Toyota RAV4 EV용이나 어댑터를 통해 대형 패들 차량과 역호환됨)이었습니다. 1994년에 도입된 대형 패들은 액체 냉각식 차량 인렛 충전 포트에 필요했고, 2000년에 도입된 소형 패들은 공냉식 인렛과 인터페이스를 연결했습니다. 유도식 패들 커플링의 기술 요구 사항을 기술한 SAE J1773은 1995년 1월에 처음 발행되었으며 1999년 11월에 개정되었습니다.

AVCON 커넥터(왼쪽)와 그 후속 모델인 SAE J1772 커넥터(오른쪽).

2001년 6월 28일, 영향력 있는 캘리포니아 대기자원위원회(California Air Resources Board)는 더 낮은 비용과 뛰어난 내구성을 이유로 전도성 커넥터를 표준으로 채택했습니다. 결과적으로 Magne Charge 패들은 그 다음 해 3월까지 단종되었습니다. 당시 존재했던 세 가지 전도성 커넥터는 각각 제조사 이름을 따서 명명되었습니다: Avcon(버트-앤-핀으로도 알려져 있으며 Ford, Solectria, Honda가 사용), Yazaki(핀-앤-슬리브로도 알려져 있으며 RAV4 EV에 사용), ODU(DaimlerChrysler가 사용)가 그것입니다. Avcon 버트-앤-핀 커넥터는 레벨 2 및 레벨 3(DC) 충전을 모두 지원했으며, SAE J1772 권장 실습의 첫 번째 버전(1996년) 부록에 처음 기술되었습니다. 2001년 버전에서는 커넥터 설명을 본문으로 옮겨 미국 내 사실상의 표준으로 확립했습니다. IWC는 환경 및 내구성 테스트를 근거로 북미에 Avcon 버트 커넥터를 권장했습니다. 구현 시 Avcon 커넥터는 레벨 2를 위해 4개의 접점(L1, L2, Pilot, Ground)을 사용했고 레벨 3을 위해 5개를 추가했습니다(직렬 통신용 3개, DC 전력용 2개: L1, L2, Pilot, Com1, Com2, Ground, Clean Data ground, DC+, DC−). 그러나 2009년경 J1772가 원형 핀-앤-슬리브(Yazaki) 커넥터를 표준 구현으로 채택하면서 직사각형 Avcon 버트 커넥터는 구식이 되었습니다.