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직류 충전장치 기술
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승인 2015.03.30  
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지능형 운송의 핵심 부분인 전기자동차의 보급을 위해 반드시 필요한 충전인프라 구성요소 중 직류충전장치에 대해 그 중요성이 크게 부각되고 있다.

직류충전장치의 요소 기술은 교류 입력전력을 직류전력으로 높은 효율로 변환시키는 전력변화 power module 설계기술과 전력제어기술 및 주변 부대 장치로서 사용자 편리성을 위한 운영시스템과 연동을 위한 유/무선 통신 장치 등이 있다.
이런 충전장치를 직접 구성하는 것과 별개로 충전장치와 차량을 연결하는 충전 커플러 역시 중요한 요소 기술이다.

전력변환부의 power drive unit은 크게 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)를 사용한 방식과 FET (Field Effect Transistor)를 사용한 방식으로 나뉜다.

최적화된 시스템 설계를 위하여 power module과 전력제어기술이 결합되어 최적의 변환효율 및 전력계통에서 요구하는 역률, 고조파, 발열 등의 특성을 만족시키고 있다.

각 소자를 활용한 기술개발은 시스템 layout, package에 따라 선택될 수 있으며 FET를 활용한 power module 구성은 소용량의 power stack을 구성하는 것이 이점이 있으므로 여러개의 동일 power module을 병렬로 연결하고 고용량 출력을 내는 시스템을 구축하기 용이하다.

예를 들어 50kW의 출력을 내는 직류충전장치를 구성하기 위하여 10kW의 FET power module을 개발하고 이를 병렬로 구성하여 운영하는 제어기술을 개발 및 적용한다면 50kW 출력 장치를 수성할 수 있다.

또한 power module, 전력제어기술 개발에 있어서 고려해야 할 점은 양방향 전력흐름 제어에 대한 요구이다.
즉, V2G (Vehicle to Grid)는 일반적으로 차량에 탑재되어 있는 양방향 OBC (On-board charger)와 교류충전시스템 사이에서 이루어지는 기능이나 양방향 OBC가 장착되지 않은 전기자동차에서 V2G를 구현하는 방안으로 직류충전장치를 활용할 수도 있다.

충전 인프라 시스템 구축을 위해서는 충전장치가 기본적으로 갖추어야 할 성능 특성 이외에 충전을 가능하게 하는 부가 장치 등의 개발이 필수이다.

즉, 사용자가 쉽게 충전장치를 조작할 수 있도록 하는 사용자 인터페이스를 구성하는 것과 충전된 전기요금을 결제하기 위한 사용자 인증시스템/카드 결제 시스템, 그리고 충전인프라 운영을 위한 센터와의 통신을 위한 H/W, S/W 기술 등이 있다.

지금까지 보급 및 실증사업을 통해 대부분의 기술에 대한 시험 및 검증 작업이 진행되어 왔으며 사용자 인증, 충전요금 결제에 대한 방안도 마련되고 있다. 이것은 국가 충전인프라 구축을 위해 필요한 시스템 공용성 및 일반성을 달성하기 위한 과정으로 국내 소액결제 카드 시스템과 연관된 문제이기도 하다.
또한, 차량과의 연결을 담당하는 충전커플러 장치는 100~200A의 전류 및 500V급의 직류전압을 안전하게 연결시켜야 한다.

직류충전장치와 비교하여 교류충전장치는 시스템 구성이 간단하지만 전력망에 영향을 미치는 전력 품질과 차량에 적용해야 하는 장치가 필요하는 등의 문제점들이 있다.

직류충전장치의 기술을 충전장치와 부가장치로 나누면 충전장치는 고효율화, 경량화, 소형화 및 안전성 확보를 위한 설계, 스마트그리드 시스템에 부합하기 위해 양방향 기능 등 전력망 운영의 한축으로 활용될 수 있도록 운영시스템과 연동되어 스마트하게 기능을 구현하는 방향으로 진화할 것이다.

또한, 배터리 기술의 발전에 따라 전기자동차의 문제점인 충전 주행거리를 증가시키기 위해 탑재되는 배터리의 용량을 늘리는 추세이므로 보다 큰 용량의 충전장치의 개발이 요구되고 있다.
다음 호에는 비접촉 충전장치 기술에 대하여 기고하겠다.
 

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