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당연하고 누구나 알고 있는 얘기겠지만 순수 전기차(BEV)는 배터리 전원을 이용해 차를 움직이므로 주기적으로 충전을 해야 합니다. 배터리 충전방식은 급속충전과 완속충전 두 가지 방식이 사용되고 있으며, 급속충전은 충전비용이 비싼 대신 빠르게 충전할 수 있고 완속충전은 시간은 오래 걸리지만 220V의 가정용 전기를 사용할 수 있을 뿐 아니라 상대적으로 저렴하죠. 

요즘 전기차는 급속충전으로 배터리용량 5%에서 최대 80%까지 충전하는데 약 40~50분정도가 걸립니다. 800V의 초급속충전이 가능한 일부 모델은 80%까지 충전하는데 최대 18분밖에 걸리지 않습니다. 반면, 완속충전은 100% 완충하는데 최소 6시간에서 최대 10시간정도 걸립니다. 급속충전보다 완속충전에 걸리는 시간이 다섯배에서 많게는 열배 가까이 차이가 납니다. 

급속과 완속 충전시간에 이렇게 많은 차이가 나는 이유는 전기차 배터리를 충전하는데 필요한 전기의 종류가 다르고 전기차 내부 충전장치가 조금 다르기 때문입니다. 일반적으로 전기에너지는 직류(DC : Direct Current)와 교류(AC : Alternating Current)로 구분됩니다. 직류(DC는 전류의 흐름이 일정하기 때문에 전압이 일정한 반면 교류의 경우 전류의 흐름이 주기적으로 바뀌기 때문에 전압 또한 일정하지 못한 것이 특징입니다. 

하지만 교류는 전기에너지를 만들기 쉽고 멀리까지 전송이 가능하기 때문에 발전소에서 전원이 필요한 공장이나 사무실, 아파트까지 손쉽게 전기를 끌어올 수 있습니다. 반대로 직류는 전압이 일정하기 때문에 정밀한 제어가 가능하지만 교류에 비해 상대적으로 사용전압이 낮기 때문에 높은 전압을 사용하기 위해서는 별도의 승압장치가 필요하는 등 비용이 많이 드는 것이 단점이라 할 수 있습니다.

리튬이온배터리와 같이 전기차에 사용되고 있는 고전압 배터리는 380V 이상의 고전압 직류를 사용합니다. 또한 2차전지의 특성상 전기를 충전하기 위해서는 직류를 사용해야만 합니다. 급속충전기는 발전소에서 공급되는 380V의 3상교류를 충전기 내부에서 AC-DC 인버터를 통해 직류로 변환해 전기차 배터리를 직접 충전합니다. 

차량 외부의 충전구에 급속충전기의 충전커넥터를 연결하면 충전기 내부에서 교류에서 직류로 변환된 전기에너지가 충전커넥터를 통해 전기차 내부로 흐르게 되고 DC충전기(또는 제너레이터 배터리 컨트롤 정션블록), 급속충전 릴레이(QRA) 및 파워릴레이 어셈블리(PRA) 등을 거쳐 고전압배터리를 충전해 주는 것이죠.

이처럼 급속충전기는 전기차에 직접 직류를 공급하기 때문에 충전기 내부에서 교류를 직류로 변환하는 과정에서 많은 열이 발생함에 따라 충전기에서 냉각팬이 구동해 전기차 충전 때 충전기 작동소음이 큰 것이 특징입니다. 또한 배터리 충전저항을 줄이고 많은 전류로 충전시간을 줄이기 위해 충전커넥터에 연결된 충전케이블의 굵기가 완속충전 케이블보다 매우 굵습니다. 

전기저항은 배선길이가 길수록 저항이 증가하고 단면적이 클수록 저항이 감소하기 때문입니다. 급속충전기는 앞서 설명드린바와 같이 교류전원을 고전압의 직류로 변환해야 하므로 충전기 설치비용이 비싸기 때문에 일반 가정이나 아파트 등 주거단지 설치가 쉽지 않습니다. 

완속충전기는 아파트나 공장, 사무실 등에 공급되는 380V 3상 교류 전원 뿐아니라 일반 가정에서 사용하는 220V 교류 전원을 이용해 전기차를 충전하는 것이 급속충전기와의 차이점입니다. 대신 직류를 공급하는 급속충전기와 달리 차량 내부에서 교류를 직류로 변환해 배터리를 충전하는데 사용합니다.

차량내부에서 교류를 직류로 변환해 주는 장치를 온보드 충전기(OBC, On Board Charger)라고 합니다. OBC는 교류를 직류로 변환해 줄뿐 아니라 충전중에 전압과 전류를 일정하게 유지해 충전효율을 높이는 역할도 하고 있습니다. 

완속충전은 OBC에서 열이 많이 발생하므로 냉각을 위해 전기차의 냉각팬과 워터펌프 등이 작동해 충전과정에서 충전기가 아니라 차량에서 소음이 발생하는 것도 급속충전기와 다른 점입니다. 물론 전기차의 충전은 외부온도와 배터리의 온도 등에 민감하기 때문에 급속충전 중에도 배터리 보호를 위해 냉각팬이 작동하기도 합니다.

한편 완속충전이 급속충전보다 충전시간이 오래 걸리는 이유는 교류를 직류로 바꿔야 하는 전류의 양이 클수록 AC-DC 인버터의 크기가 크고 무거워질 수밖에 없기 때문에 변환할 수 있는 전류량에 한계가 있기 때문입니다. 인버터의 크기가 크고 무거워질수록 오히려 효율적인 측면에서는 오히려 역효과를 나타낼 수 있기 때문입니다. 주행거리를 좌우하는 배터리의 용량을 무한정으로 늘리지 못하는 이유와 같다고 할 수 있지요.

김아롱 칼럼니스트/[email protected]