GN⁺: 우리는 전기차를 잘못 충전하고 있습니다

"복잡하고 비용이 많이 드는 충전 인프라가 전기차(EV) 도입을 제한하고 있음"

• 전기차로의 전환을 가속화하기 위해 가장 중요한 것은 강력한 공공 EV 충전 인프라를 구축하는 것이지만, 공공 전기차 충전소는 건설 비용이 매우 높음
  • 소비자들은 전기차가 기존 차량처럼 장거리 여행을 포함한 모든 요구를 충족하기를 기대함
• 현재 선진국에서는 약 90%의 충전이 자택서 이루어지지만, 나머지 10%의 공공 충전이 전기차 운전자에게는 매우 중요함
  • 배달 트럭, 택시, 아파트 거주자, 학생, 여행 가족 등에게 공공 충전 인프라 부족이 문제로 작용함
  • 2022년 Forbes 조사에 따르면, 전기차 소유자의 62%가 충전 문제로 인해 여행 계획을 변경한 경험이 있음
• 국제에너지기구(IEA) 보고서에 따르면, 중국에서는 충전 인프라에 대한 투자가 전기차 성공에 있어 보조금보다 4배 더 효과적임

전기차 충전의 원리

• 충전소는 AC 전력을 DC 전력으로 변환해 배터리에 공급하는 역할 수행
• 충전 시 다음 조건이 충족되어야 함
  • 배터리 전압이 임계치를 초과하지 않아야 함
  • 배터리 온도가 설정된 한계를 넘지 않아야 함
  • 전력망에서의 전류가 일정 값을 초과하지 않아야 함
• 전기 충격 방지를 위해 접지(grounding)가 중요함
  • 접지가 깨지면 충전 포트는 갈바닉 절연(Galvanic Isolation)을 통해 안전 보호함
  • 갈바닉 절연은 전류가 회로 간에 흐르지 않도록 회로를 물리적으로 분리함
• 충전소의 갈바닉 절연은 변압기(transformer)로 수행됨
  • 변압기는 고주파 교류(AC)로 변환된 전력을 통해 절연 수행

갈바닉 절연은 매우 비쌈

• 갈바닉 절연이 충전 장비 비용의 약 60%를 차지함
  • 300kW 포트당 전력 전자 장치 비용: 약 $90,000
    • 그중 $54,000이 갈바닉 절연 비용에 해당
  • 4포트 충전소의 전력 전자 장치 총 비용: 약 $360,000 (절연 비용만 $200,000 이상)
• 갈바닉 절연은 충전 장치의 크기와 무게를 증가시킴
• 온보드 충전기(OBC)에서 고속 충전이 어려운 이유도 갈바닉 절연의 크기와 비용 때문임

갈바닉 절연을 제거할 수 있을까?

• 갈바닉 절연을 제거하면 충전 장비 비용 및 에너지 손실이 절반 이상 감소 가능
• 문제 해결 방안:
  • 이중 접지(double ground) 적용
    • 두 개의 접지선을 사용해 하나의 접지가 끊어져도 다른 접지가 보호 역할 수행
    • 접지 연속성 감지 회로 추가 → 접지 손상 시 충전 중단
  • 버크 레귤레이터(Buck Regulator) 적용
    • 입력 전압이 배터리 전압보다 높을 경우 전류 과부하 방지
    • 버크 레귤레이터는 기존 갈바닉 절연 비용의 10% 미만, 전력 손실은 20% 미만

공공 전기차 충전의 미래

• 현재 온보드 및 공공 충전 방식은 복잡하고 비용이 과도하게 높음
  • 기존 4단계 충전 과정에서 3단계 제거 가능
    • 활성 정류기(active rectifier) 단계만 유지하고, 필요 시 저비용 버크 레귤레이터(buck regulator) 추가 가능
  • 안전성 강화:
    • 이중 접지(double ground) 및 접지 연속성 감지 추가
    • 기존 갈바닉 절연 수준 이상의 안전성 확보 가능
• 직접 전력 변환(DPC, Direct Power Conversion) 방식의 장점
  • 장비 비용 절감: 충전 장비 비용이 50% 이상 감소
  • 에너지 효율 개선: 2~3% 개선
  • 충전소 설치 및 유지 비용 감소 → 수천 개의 충전소를 몇 년 내 확충 가능
  • 충전 인프라 확충으로 전기차 보급 촉진
• 갈바닉 절연 제거 논의 필요
  • 전기차 충전 과정의 간소화와 비용 절감이 필수적임
  • 기술 커뮤니티에서 갈바닉 절연 제거에 대한 논의가 필요함
  • 갈바닉 절연 제거는 전기차 충전 인프라 강화의 첫 단계가 되어야 함

[neo]

Hacker News 의견

• 기사 속 깊이 묻혀 있는 클릭베이트 헤드라인이 암시하는 바: 자동차 충전기는 너무 복잡하고 비쌈. 더 간단하고 저렴하게 만들면서 안전성을 유지할 수 있음. 이렇게 하면 더 많은 충전소를 건설할 수 있음
• 빠른 충전 문제 대신 표준화된 배터리 팩에 초점을 맞추면 좋겠음. 50-100kWh 배터리를 소유하고 싶지 않음. 그 안의 충전을 사용하고 그에 대해 기꺼이 비용을 지불하고 싶음
• 일반인에게는 설득력 있게 들릴 수 있음. 하지만 규제나 다른 엔지니어링 전통이 갈바닉 절연이 안전에 필요하다고 결정하지 않았다면 이 기사를 쓸 필요가 없었을 것 같음
  • 갈바닉 절연은 물리적으로 안전하고, 접지 감지는 능동적인 안전 조치임
  • 현재 시스템에서도 두 개의 접지선을 넣을 수 있음
  • 접지선이 끊어져도 신호를 가질 수 있는 방법이 있는지 궁금함
  • 칩이 안전하지 않은 방식으로 고장 날 수 있는지 궁금함
• 기사를 읽으면서 왜 시장에서 성공하지 못했는지 궁금함. 저자가 언급했듯이, 20년 전에 프로토타입으로 기술이 있었음. 왜 Tesla와 다른 전기차 제조업체들이 다른 방향으로 갔는지 궁금함
• 농업과 석유를 보조하는 방식으로 이 인프라에 대한 보조금을 설정할 수 있다면 좋겠음
• 큰 문제는 새로운 빠른 충전 표준이 필요하다는 것임. 이는 추가 접지 연결로 인해 기존의 빠른 충전 표준과 호환되지 않음. 전 세계적으로 이미 도로에 있는 4천만 대의 전기차에 쓸모없게 만듦
• 모든 두 주차 공간마다 gfci와 차단기를 재설정할 수 있는 방법이 있는 동전 투입식 120V 콘센트를 요구해야 함. 많은 이점이 있음
  • 어디를 가든지 밤새 충전할 수 있는 곳이 있을 것임
  • 설치된 장소당 가장 저렴하여 훨씬 더 많은 장소를 제공함
  • 임차인도 전기차를 안전하게 구입하고 가정 충전을 할 수 있음
  • 동전 투입식 120V는 귀중한 구리로 된 케이블보다 훨씬 견고함
  • 과도한 주차를 억제함
• 두 개의 접지선이 필요하지 않음. CP는 PE(접지)로 2.74K의 직렬 저항을 가진 다이오드를 가짐. EVSE가 CP를 통해 푸시/풀 파형을 보내고 푸시만 읽으면(다이오드 기억) 올바르게 연결되었음을 알 수 있음
  • 파일럿 전류의 반환 경로는 PE 접촉을 통해 이루어짐. PE가 저항이 낮다는 것을 감지하고 이중으로 확인할 수 있음. 이상적으로는 훨씬 작은 직렬 저항을 원할 것임
• 기본적으로 절연 변압기를 제거하고, 라인 전압(약 7.2kV)을 간단한 벅 컨버터를 통해 자동차에 공급함
  • 갈바닉 절연 대신 연속성을 모니터링하는 중복 접지 커넥터를 사용함
  • 이에 동의하지 않음. EVSE 측에 너무 많은 책임을 부여함. 만약 문제가 발생하면 이를 차단할 수 있어야 함. 비상 피로 디스커넥트 같은 것이 의무화된다면 조금 더 신뢰할 수 있을 것 같음
• 갈바닉 절연 충전 포트의 자재 및 조립 비용을 킬로와트당 약 $300으로 추정함. 공공 충전소의 단일 300-kW 포트에는 약 $90,000의 전력 전자 장치가 포함되며, 이 중 약 $54,000은 절연 링크에 해당함
  • 샘플 빌드의 구체적인 BOM과 이를 뒷받침하는 mouser 링크를 보고 싶음
  • 군사/우주 등급 프리미엄을 지불하거나 규모의 경제가 비용을 낮추지 않는 매우 틈새 부품을 사용하는 것처럼 보임