전기자동차, 충전소로 직행! – 랍그룹의 IP-CPD를 장착한 모드 2 충전 시스템

많은 전기 자동차 차주들은 가정용 플러그 소켓을 사용해 자동차를 충전하고 있습니다. 지금까지, 이 프로세스는 빠르지도 않았고 특히 사용자 친화적이지 못했습니다. 랍시스템(Lapp Systems)은 이제 사용하기 쉽고 높은 충전 전류 취급이 가능한 충전 시스템을 출시하고 있습니다. 이 제품은 또한 새로운 IEC 표준 62752의 특별 안전 요구사항에 맞춰서 시장에 출시한 최소의 시스템입니다.  설계에 특별히 신경을 썼기 때문에 고객의 니즈에 맞춰 개별적으로 조정할 수 있습니다.

충전소에 플러그 넣은 다음, 뒤에 앉아서 기다리고….. 또 기다리고… 전기차 충전은 시간이 오래 걸릴 수 있습니다. 그러나 더이상 휘발유나 경유를 주유하는 것보다 충전 케이블을 다루기 어렵지는 않습니다. 충전소를 찾을 수 있다고 가정한 경우의 이야기지만 충전 인프라는 여전히 상대적으로 빈약합니다. 현실에서는 전기 자동차는 대개 특수 충전소가 아니라 차고나 지하주차장에서처럼 표준 가정용 플러그 소켓에서 충전됩니다. 대부분 밤 시간이나 차주가 일하는 동안에 충전됩니다. 전문가들은 이를 모드 2 충전이라고 부릅니다.

한편, 이 충전은 수많은 질문과 사용자 요구사항으로 이어졌습니다. 이런 방식의 충전은 안전할까요? 이 프로세스는 사용자가 차량 옆에 서 있지 않고도 어떻게 모니터링 할 수 있을까요? 다른 소켓을 사용하는 나라를 운행하면 무슨 일이 벌어질까요? 차량용 배터리는 태양광발전 시스템이 설치된 스마트 홈에 어떤 식으로 통합될 수 있을까요? 이 질문과 비롯하여 다른 다양한 질문에 대한 해답을 제공해야 할 임무는 충전 시스템 제조사의 몫입니다.

고객 니즈에 대응
모든 전기 자동차 제조사가 제품군에 보유하고 있는 단순한 충전 시스템은 위와 같은 질문에 해결책이 되지 못합니다. 충전 시스템과 최종 조립 전문 기업 랍시스템은 “In Cable Control and Protection Device”, 줄여서 “IC-CPD”를 장착한 모드 2 충전 시스템의 벤치마크를 수립하였습니다. 이 박스는 치수가 30 x 12 x 8 센티미터여서 처음 보면 대단치 않게 보일 수 있습니다. 하지만, 이 박스에는 최첨단 기술과 2018년부터 의무화 예정인 다양한 최신식 기능이 들어 있습니다. 랍은 산업 파트너 하이델베르그 (HEIDELBERGER Druckmaschinen AG)와 함께 박스 내부에 스마트 전자기기를 개발, 생산하였습니다. IC-CPD에는 충전 모니터링용과 에러 표시용 LED가 네 개가 있습니다. 랍시스템 카를 크네자르(Karl Knezar) 자동차 사업부 팀장은 “IC-CPD는 모드 2 충전 시스템을 보다 편리하게 만들어서 ‘비상용 충전 케이블’을 완전 독립형 충전 시스템으로 바꿔주는 이동식 충전 시스템”이라고 설명하였습니다. IC-CPD는 또한 컨트롤 박스로도 알려져 있으며 자동차 제조사와 소비자 양쪽의 전체 다양한 니즈를 충족시켜주는 해답이라고 할 수 있습니다:

- 안정성과 신뢰도: 진공청소기나 주방용 가전제품의 플러그를 꽂을 때, 사람들은 제대로 작동될 것이라고 생각하고 무엇보다 기기를 만지면서 감전을 당하지 않을 것이라고 예상합니다. 이러한 사용자의 기대는 전기 자동차를 충전할 때도 적용될 것입니다. 최근까지, 전기 자동차 충전 안전성을 규제하는 표준화 절차는 비상용 충전 방법이라고 생각했기 때문에 모드 2 충전을 어느 정도 간과해왔습니다. 그러나 급속히 늘어나는 전기 충전의 중요성 때문에, 표준화는 더욱 엄격해지고 있습니다. 표준 IEC 62752는 2018년 발효될 예정이며 모드 2 충전의 안전 기능을 명시하고 있습니다. 이 표준의 설명 중에 하나는 차량의 이상 전류를 다룹니다. 이는 충전 케이블 차체에 흐르는 전류를 말합니다. 이 전류는 감전을 방지하기 위해 가능한 낮아야 합니다. 가정에서는 모든 퓨즈 박스에 있는 와이드 스위치 FI 퓨즈로 처리됩니다. 이러한 종류의 퓨즈 또한 모드 2 충전에 필요하지만 과거에는 30 mA AC에서만 작동됐습니다. IEC 62752는 직류 6 mA의 추가적인 제한을 명시하고 있습니다. 랍의 IC-CPD는 이 표준에 맞춰 시장에 출시된 최초의 모드 2 충전 시스템입니다. 컨트롤 박스에는 전류 차동 센서가 들어 있습니다. 이 센서가 과도하게 높은 방전 전류를 탐지할 경우, 30 밀리세컨드 이내에 회로를 직류 전기로 바로 차단하는 기계식 계전기를 작동시킵니다.

열기를 느끼다
-  온도 보호장치: 이동식 전기 히터를 한번이라도 사용한 사람이라면 사용하는 동안 뜨거워지는 게 비단 라디에이터만은 아니라는 것을 알 수 있습니다. 벽에 있는 케이블, 플러그 소켓, 와이어가 뜨거워지는데 손으로 느끼는 것만으로는 탐지하기가 어렵습니다. 플러그 소켓에서 모드 2 충전은 전력 공급을 그 한계까지 끌어 올리기 때문에 보호장치가 없다면 고장이나 심지어 화재가 발생할 수도 있습니다. 따라서, 안전한 충전 시스템은 케이블에서 열기를 “느낄” 수 있어야 합니다. 랍 시스템스 소속 엔지니어들은 특수 보호 시스템을 찾아냈습니다. 이 플러그에는 두 개의 온도 센서가 들어 있으며 각 핀에서 온도 센서를 통해 소켓의 열기 상승을 측정합니다. 박스와 소켓 사이에 연결 리드선에는 에너지 전송용 와이어 말고도 단면적이 0.5 제곱 밀리미터인 제어 리드선이 두 개가 있습니다. 컨트롤 박스가 소켓의 위험 온도를 탐지하면, 전자기기는 충전 프로세스를 중단시킵니다. 이로써 소켓과 전원공급장치는 큰 응력을 받지 않게 됩니다.

전세계에서 충전
- 플렉시빌리티 1: 영국부터 독일, 스위스를 거쳐 이탈리아까지, 노트북이나 전동칫솔을 싣고 유럽을 여행하고 싶은 사람이라면 플러그 소켓용 어댑터 한 묶음이 필요합니다. 이러한 불편함은 모드 2 충전에도 해당됩니다. 하지만 이제 걱정할 필요 가 없습니다. 자동차 충전이 필요하더라도, 어댑터를 집에 두고 떠나도 됩니다. 이 표준 어댑터는 장시간 높은 충전 전류를 견딜 수 없기 때문에 일반적으로 자동차 충전 용도로 사용이 금지됩니다. 플렉시블 충전 시스템은 따라서 모든 표준 공통 소켓과 호환이 가능해야 합니다. 랍의 IC-CPD는 길이가 30 – 60 센티미터에 달하는 교체 가능한 그리드-사이드 케이블이 들어 있습니다. 이 케이블은 유럽과 전세계의 모든 공통 플러스 소켓 타입에 사용할 수 있기 때문에 이 시스템은 해외를 여행할 때 사용할 수 있습니다. 표준 가정용 소켓 커넥터가 장착된 그리드-사이드를 비롯해, 랍은 또한 삼상 AC용 CEE 커넥터 제품 변종도 제공하고 있습니다. 이를 활용하면 훨씬 더 빠른 차량 충전이 가능합니다.

- 플랙시빌리티 2: 차량의 측면에서는 전세계에서 세 가지 다른 커넥터 타입이 있는데 차량이 인도되는 지역에 따라 달라집니다: 타입 GB (중국), 타입 1 (미국, 일본, 기타), 타입 2 (유럽, 아시아, 호주, 기타). 따라서, 자동차 제조사는 해당 시장에 맞춰 구성할 수 있는 충전 시스템을 선호한다. 랍은 이 세 가지 표준에 맞춘 컨트롤 박스를 제공하고 있다. IC-CPD의 개별 부품은 전체 시스템과 마찬가지로 모든 공통 표준에 따라 전세계에서 인증을 받았습니다.

최대 11 킬로와트까지
- 충전 속도: 낮은 범위와 더불어, 느린 충전 속도는 전기 자동차의 중요한 단점 중 하나입니다. 많은 운전자들은 전기 자동차 구입을 고려하기 전에 이 부문에서 중대한 개선을 요구하고 있습니다. 향상된 배터리는 더 높은 출력이 가능한 충전 시스템과 마찬가지로 이 부문에서 도움이 될 수 있습니다. 가정용 플러그 소켓을 사용하는 표준 충전 시스템은 대략 3.7 킬로와트를 달성할 수 있는데 그 이상은 무리가 될 수 있습니다. 따라서, 랍의 IC-CPD는 더 높은 출력이 가능하도록 설계되었습니다. 32 엠프 단상과 62 엠프 삼상으로 충전이 가능합니다. 이를 통해 출력을 11 킬로와트까지 올릴 수 있고 신속한 충전이 가능하여 운전자는 짧은 시간 안에 도로에 다시 나설 수 있습니다. 그리드-사이드 케이블의 세 가지 와이어는 허용 출력에 따라 두께가 다릅니다. 전도체 단면적은 각각 1.5 또는 2.5 제곱 밀리미터에 달하거나 32-앰프 충전의 경우 최대 6 제곱 밀리미터에 달합니다. 교체 가능한 그리드-사이드 케이블은 컨트롤 박스가 최대 충전 허용 전류를 탐지할 수 있는 방식으로 코드화됩니다. 이것은 심지어 유럽에서도 Schuko 플러그의 최대 전류 강도가 다르기 때문에 매우 중요합니다. 이것이 바로 다양한 시장에 맞춰 내부 구성이 다양한 그리드-사이드 케이블을 출시하는 이유입니다.

박스용 앱
편리성: 요즘에는 모든 것이 인터넷 연결이 되어 있고 모든 것, 심지어 전동칫솔에도 앱이 있습니다. 충전 시스템의 경우, 통신 기능은 분명한 장점이 될 수 있습니다. 많은 운전자들은 차고까지 가지 않고서도 충전 프로세스를 훨씬 더 편리하게 제어할 수 있기를 원합니다. 가장 손쉬운 방법은 스마트폰 앱을 활용하는 것입니다. 이 앱은 충전이 얼마나 오래 동안 지속될 것인지의 예상과 더불어 배터리의 충전 상태를 보여줘야 합니다. 앱을 활용하는 사용자는 가령 전기료가 저렴한 밤에만 충전하도록 시스템을 설정해서 충전 계획을 세울 수 있습니다. 사용자는 또한 특정 노선을 입력하고 이 앱은 배터리로 그 거리를 가려면 얼마만큼의 충전이 필요한지를 계산할 수 있습니다. 앱은 일단 필요한 충전 수준에 도달하면 사용자에게 알려줍니다. 랍시스템은 2018년 컨트롤 박스의 WLAN-인에이블드 버전을 계획하고 있습니다. 이 버전은 앞서 언급한 기능이 장착된 스마트폰 앱으로 출시될 예정입니다.

에너지 절감: 지붕에 태양광 패널이 설치된 주택 소유자는 이 패널을 사용해 전기 자동차를 충전해서 전기료를 절감할 수 있기를 원합니다. 이것이 가능하게 되려면, 충전 시스템은 스마트 홈 앱을 통해 통합되고 태양광 발전 시스템과 점점 더 일반화되고 있는 지하실의 배터리 저장 시스템에 연결되어야 합니다. 컨트롤 박스 앱은 주택 소유자가 자동차와 주택의 완벽한 에너지 전략을 달성하는데 도움이 될 것입니다. 날씨가 좋고 햇볕이 반짝일 때, 전기 에너지는 자동차 배터리에 직접 흘러 들어갑니다. 또한 스마트 홈의 버퍼 역할을 수행해서 악천후 기간이나 여행 일정이 잡히지 않은 밤에는 에너지를 공급합니다. 이것은 거주자가 비용을 절감하고 오랜 기간 동안 전력망으로부터 독립을 향유할 수 있다는 것을 의미합니다.

자동 빌링
빌링: 회사 차 운전자는 휘발유나 경유를 주유할 때 연료 카드를 사용하는데 나중에 고용주에 직접 계산서로 청구됩니다. 하지만 직원이 회사의 전기 차를 집에서 충전하면 어떻게 될까요? 직원은 전기료를 본인이 내고 싶지 않기 때문에 고용주는 다른 빌링 방법이 필요합니다. 휘발유 카드는 여기서 앱으로 대체됩니다. 이 앱은 할인된 가격으로 가정용 플러그 소켓을 통해 충전된 킬로와트시를 고용주에게 계산서로 청구합니다.

IC-CPD는 2018년 출시될 예정이며 처음에는 자동차 제조사 전용으로만 사용할 수 있습니다. 컨트롤 박스는 랍이나 다른 영업 파트너를 통해 개인 고객들에게 이후에 판매될 예정입니다. 최초의 대형 주문은 주요 프리미엄 자동차 제조사로부터 받았고 상당히 많은 제조사들이 큰 관심을 보였습니다.

아이디어부터 제품까지

설계와 관련해서, 자동차 제조사들은 최고를 요구합니다. 설계 요소는 키나 스위치 같은 아주 작은 세부사항까지도 반영됩니다. 전기 자동차의 발전으로 이러한 경향이 더욱 심화되고 있는 이유는 자동차들이 기술적 관점에서 점점 더 비슷해지고 있기 때문입니다. 따라서, 설계는 점점 더 중요한 USP가 되고 있다. 랍은 충전 시스템이 외부 추가요소가 아닌 모든 제조사의 설계 개념에 조화롭게 맞춰야 한다는 점을 인식했습니다. ID AID의 스벤 본 보에티체르(Sven von Boetticher) 설계자는 “컨트롤 박스는 설계의 본질”이라며, “스타일뿐만 아니라 개념화와 취급이 중요하다”라고 설명하였습니다. 슈투트가르트에 본사가 있는 설계 대행사는 BMW의 충전 시스템을 비롯해, 랍과 함께 수많은 프로젝트를 개발하였습니다. 새로운 협업의 목표는 충전 프로세스를 가능한 운전자를 위해 편리하고 사용자 친화적으로 만드는 동시에 제조사의 다양한 설계 요구사항을 고려하는 것입니다. 시작부터, 이 이동식 충전소는 다른 제조사들이 제공하는 것처럼 깨지지 쉬운 산업용 도구가 아니라 소비자 제품이라는 점을 분명히 했습니다.

설계 프로세스는 원을 정사각형으로 만드는 과정이었습니다. 컨트롤 박스는 가령 둥근 모서리와 매입형 컨트롤 패널을 통해 확보한 독특한 설계와 동시에 자동차 제조사가 브랜드 이미지를 적용할 수 있는 공간을 확보해야 했습니다. 이것은 설계가 브랜드에만 너무 맞춰서는 안 된다는 것을 의미합니다. 박스와 연결 케이블의 소재는 소방 등과 같은 까다로운 요구사항을 맞춰야 하기 때문에 항상 동일할 수 밖에 없습니다. 그러나 케이블과 커넥터는 또한 적색, 청색, 회색, 검정색, 흰색의 다양한 색상 선택지를 제공하기 덕분에 코퍼레이트 아이덴티티(CI)에 맞춰 주문 제작이 가능합니다.

설계자의 최고 업적 중에 하나는 그리드-사이드 케이블이 컨트롤 박스에 연결되는 방식입니다. 3단계 안전 메커니즘을 활용해 안전하면서 동시에 쉽게 교체가 가능해졌습니다. 케이블을 박스에서 제거하려면, 사용자는 하우징의 후면부를 옆으로 밀면 됩니다. 이것은 커넥터를 약간 올리고 접점 연결을 끊습니다. 하우징 부분을 옆으로 완전히 밀어서 안전하게 그리드-사이드 케이블을 꺼내는 것도 가능합니다. 일체형 커버는 접점에서 방진 밀봉을 제공합니다.

이것은 사용자에게는 쉬워 보일 수 있지만 보에티체르 설계자에 의하면, 상당히 까다로운 기술적 도전과제였습니다. 개발 기간 동안, 온도 센서가 장착된 Schucko 커넥터를 설계에 추가로 포함시켜야 했습니다. 이 도전과제는 매입형 컨트롤 패널 같은 컨트롤 박스의 설계 요소를 고려해서 성공적으로 극복할 수 있었는데 이 설계 요소는 커넥터의 매입형 그립에 반영되었습니다.

IC-CPD 설계는 이미 처음부터 주목을 받았으며 이후에 2018년 독일 디자인 어워드(German Design Award)에 후보로 선정되었습니다. 설계팀은 “최종 후보자 명단에 오른 것만으로도 큰 영광”이라며 만족을 드러냈다.