온보드차저

테슬라(Tesla)

온보드차저(OBC; On Board Charger)는 전기자동차를 완속 충전하거나 휴대용 충전기로 가정용 플러그에 꽂아서 충전할 경우, 차량에 입력된 교류 전원(AC)을 직류 전원(DC)으로 변환하는 장치이다. 교류를 직류로 전환한다는 점에서 인버터(inverter)와 비슷해 보이지만, 온보드차저는 충전을 위한 장치이며 인버터는 차량 가속과 감속과 관련된 장치라는 점에서 그 역할이 다르다.

개요

온보드차저는 전기자동차를 완속 충전하거나 차량에 입력된 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 장치이다. 이러한 쓰임새로 세계 최대의 전기자동차 개발회사인 테슬라(Tesla)의 준대형 세단 형태의 전기자동차인 모델S와 준대형 스포츠 액티비티 쿠페(SAC) 전기자동차인 모델X에 탑재되어있다. 온보드차저는 월 커넥터 또는 이동식 커넥터를 충전 포트에 연결하면 교류 전류가 차량에 공급된다. 그리고 배터리는 에너지를 직류 전류로 저장한다. 차량에 내장되는 온보드 충전기는 교류 전력을 직류 에너지로 전환하여 배터리에 저장하는 구조를 갖고 있다. 테슬라는 월 커넥터를 가정용 고성능 충전 장치로 사용할 것을 권장한다. 월 커넥터의 경우 대부분의 전원에 맞춰 설정할 수 있는 특징을 갖고 있기 때문에 비교적 빠른 차량의 충전이 가능하다. 따라서 가정용으로 사용하기에 가장 편리하며 적합하다. 또 다른 온보드차저인 이동식 커넥터는 주행 시 보조 충전기로 차량의 트렁크에 보관할 것을 권장하고 있으며 이동식 커넥터 케이블은 220V 콘센트에 연결해서 보조 충전 수단으로 사용할 수 있다.

특징

온보드차저는 차량의 모터를 구동시켜주는 고전압 배터리로 충전할 수 있는 충전장치로 전기자동차에 반드시 필요한 장치이다. 전기차의 충전은 완속 충전과 급속 충전으로 나누어져 있다. 우선 완속 충전은 20V 교류 전원을 이용하여 온보드차저를 통해 DC로 변환하여 배터리를 충전하는 방식이다. 일반적으로 완충하는데 소요되는 시간이 4~5시간 정도이다. 그에 반해 급속 충전은 온보드자처를 거치지 않고 직류 고전압을 이용하여 바로 고전압 배터리를 충전하는 방식이다. 이는 일반적으로 완충하는데 소요되는 시간이 25분내외로 완속 충전에 비해 굉장히 빠른 편이다. 전기차에 탑재된 온보드차저는 완속 충전 시 외부 교류 전원을 승압하고 직류전원으로 변환하여 배터리를 충전시킨다.

구조

온보드차저는 크게 피에프씨(PFC), 풀 브리지 컨버터(Full bridge converter), 풀 브리지 렉티피어(Full bridge rectifier) 3가지의 부분으로 이루어져있다. 먼저 피에프씨는 220V AC가 브릿지 다이오드를 통해 전파 정류되며 정류된 전압은 부스트 컨버터 회로를 통해 역률을 높이고 전압을 승압시키는 역할을 한다. 또한 가정에서 사용하는 교류 전력을 직류 전력으로 바꾸는 과정에서 생기는 전력손실을 줄일 수 있다. 그리고 피에프씨는 패시브방식과 액티브방식 2가지가 있으며 액티브방식이 더 좋은 효율을 갖는다. 피에프씨를 사용할 때 기대할 수 있는 효과로는 전자파를 줄일 수 있고 불필요한 전력의 소비를 줄일 수 있으며 불필요한 전류가 열로 전환되어 생기는 온도 상승을 억제할 수 있다. 또한 이때 낮아진 온도로 인해 팬의 속도가 줄어들어 소음 유발을 감소시킬 수 있다. 다음으로 풀 브리지 컨버터는 풀 브리지 회로를 통해 고주파의 AC로 변환시킨. 고주파의 교류 전압은 트랜스포머를 통해 높은 전압으로의 변압이 가능하며 변압기를 사용함으로써 220V AC와 고전압 배터리를 물리적으로 절연시킬 수 있다. 그 이유 때문에 풀 브리지 컨버터는 하프 브리지 컨버터 보다 큰 출력을 가진 시스템에 주로 사용된다. 마지막으로 풀 브리지 렉티피어는 고전압의 교류 시 풀브릿지 회로를 통해 정류되며 정류된 파형은 LC 필터 회로를 통해 DC 전압으로 변환되어 배터리에 충전된다.

전망

중국 전기차 배터리 기업 CATL이 "배터리와 섀시를 '합체'하는 방법으로 전기차 주행거리를 10년내 800km 이상으로 늘리겠다"고 밝혔다. 14일 중국 언론을 종합하면 CATL의 쩡위친(曾毓群) 회장은 이번주 중국에서 열린 한 자동차 포럼에서 CTC(Cell to Chassis) 기술을 발표하고 "이 기술을 채용하면 전기차의 주행거리가 800km를 넘을 것"이라며 "CATL은 2030년 이전 이 기술을 출시할 것"이라고 말했다. 배터리 셀(Cell)과 섀시를 결합해 일체화하면서 모터, DC/DC, 온보드차저(OBC) 부품 도 통합하는 구조다. 이를 통해 동력 분배를 최적화하고 전력 소모를 낮추면서 주행거리를 800km 이상으로 늘릴 수 있다는 것. 배터리를 자동차의 프레임에 직접적으로 통합하면 체적을 줄일 수 있고 더 많은 배터리를 전기차에 실을 수 있다. CTC 기술이 전기차가 원가 측면에서 화석연료 자동차와 직접적으로 경쟁할 수 있게 해주면서 승차 공간은 늘려줄 것이란 분석도 나왔다. 종전에 CATL이 발표했던 CTP(cell to pack) 기술에서 한 단계 더 진화한 셈이다. CTP는 배터리 셀을 팩으로 통합해 중간 모듈을 줄인 것이다. 이번에 발표된 CTC 기술은 전기차 산업의 패러다임 변화 역시 가져올 수 있다. 이 CTC 구현을 위해선 배터리 제조 기업이 초기 단계에서 차량의 설계에 참여해야 하기 때문이다. 최근까지는 주로 전기차 브랜드가 전기차 배터리 모듈을 '구매' 하는 방식이었다. 하지만 CTC 기술이 상용화하면 전기차 산업에서 배터리 기업의 주도권이 한층 커질 수 밖에 없다. 이날 쩡 회장은 "2025년이 되면 전기차의 원가가 일반 차량 수준이 될 것"이라며 "이때가 되면 전기차의 전면적인 보급이 이뤄지면서 글로벌 전기차가 2025년 1200만 대 이상 판매될 것"이라고 봤다.

참고자료

• 〈전기차 백과사전 A to Z – 3: 전기차 오너라면 반드시 알아야 할 전기차 충전의 모든 것〉, 《현대자동차그룹 공식 블로그》
• TESLA㈜ 공식 홈페이지 - https://www.tesla.com/ko_KR/support/home-charging-installation

같이 보기

• 전기자동차
• 배터리

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