테슬라 전기차 충전 표준 (NACS)

테슬라는 2012년 테슬라 전용 충전 커넥터를 만들어 Model S, Model 3, Model X, Model Y 등의 전기차 충전을 위해 사용했습니다. 2022년 11월 테슬라는 전용 충전 커넥터의 이름을 NACS (North American Charging Standard)로 명명하였으며, 테슬라 차량뿐만 아니라 타 메이커의 전기차도 테슬라 충전기를 이용할 수 있도록 표준을 공개했습니다. 테슬라가 NACS 표준을 공개한 배경에는 미국 정부 보조금에 대한 지원과 전기차 충전 시장 점유율을 늘리기 위함으로 추정하고 있습니다. 테슬라는 NACS가 CCS1에 비해 사이즈가 더 작고, 테슬라 전기차가 CCS를 적용한 전기차 보다 많으며, NACS가 적용된 충전 스탠드가 더 많기 때문에 표준이 되어야 한다고 주장하였습니다. 결국 2023년 6월 27일 SAE (Society of Automotive Engineers) International에서 테슬라의 NACS를 표준화하겠다고 발표했습니다. 포드, GM, 리비안 등 향후 미국에서 판매하는 전기차에는 NACS를 적용하겠다고 선언했습니다.

그림 1에서 검은색 커넥터가 테슬라의 NACS, 투명한 커넥터가 CCS1으로 NACS가 훨씬 작은 것을 확인할 수 있습니다.

CCS1은 완속충전(AC) 시에는 N과 L1을 사용하고, 급속충전(DC) 시에는 DC+, -를 사용하는 방식으로 경로가 분리되어 있습니다. 그에 반해 NACS는 완속충전 단자와 급속충전 단자를 공용으로 사용하고 있습니다. 이 부분이 커넥터의 차이의 가장 큰 요인이며, 케이블의 전체 굵기도 NACS가 가느다란 이유 중 하나입니다.

그림 3은 NACS의 회로 인터페이스입니다. 좌측이 충전 스탠드, 우측이 테슬라 차량입니다. 차량 측의 K3, K4가 완속/급속 경로를 전환해주는 역할을 합니다. 급속 충전 시에는 K3/K4가 close 되어 차량 배터리와 직접 연결되며, 완속 충전 시에는 K3/K4가 open 되어 AC-DC 컨버터인 OBC (On Board Charger)를 통해 전력변환을 하게 됩니다. CCS1 또는 CCS2를 사용하는 차량에서는 급속 라인과 완속 라인이 독립적으로 분리되어 있는 반면, NACS는 급속 라인과 완속 라인을 공용으로 사용하고 있기 때문에 K3/K4를 통해 차량 내에서 분리합니다.

다음으로 CP (Control Pilot) 신호는 CCS1에서 사용하는 표준과 동일하며, IEC 61851-1에 기반하여 설계되었습니다. 기본적으로 충전 스탠드에서 차량쪽으로 1kHz의 구형파를 전달하며, CP 전압에 따라 state를 구분하고 CP duty는 전류량 정보를 나타냅니다. 또한, 1kHz의 구형파에 수 MHz의 PLC (Power Line Communication, 전력선 통신) 신호를 중첩하여 더 복잡한 통신을 수행합니다.

참고로 CCS1과 NACS의 통신 표준이 동일하기 때문에 한국에서 테슬라 고객이 어댑터만 가지고 CCS1 충전 스탠드를 사용할 수 있는 것입니다.

PP (Proximity Pilot)은 충전건의 체결 유무와, 충전 케이블의 용량을 구분하는 역할을 합니다. 충전 커넥터 내부에 있는 저항 R1, R2 그리고 스위치 S1의 조합을 통해 차량측에서 이를 측정합니다.

Ground는 용어 그대로 접지 역할을 합니다. 충전 스탠드의 접지와 차량의 바디 접지를 연결하여 전위차를 맞춥니다.

NACS의 충전 시퀀스를 살펴보면 CCS1과 유사합니다. 충전 커넥터를 차량 충전구에 체결하면, PP가 이를 감지합니다. CP 신호를 통해 통신을 시작하고 충전 커넥터가 빠지지 않게 잠급니다. 충전 스탠드에서 K1/K2를 close 하고 K3/K4를 close 하여 급속 충전을 시작합니다.

NACS에서 완속 충전 시퀀스는 급속 충전 시퀀스와 유사하며, K3/K4가 open으로 유지된다는 점이 다릅니다.

NACS의 특징을 정리해 봤을 때, 전기차 충전 표준을 CCS1에서 NACS로 변경하기 위해서는 다음과 같은 부분들을 고려할 것으로 예상됩니다.

▶완속/급속 라인 분리되어 있지만, NACS에서는 차량 내부에서 분리되어야 합니다.
▶슈퍼차저는 400V 급속 충전만 가능하기 때문에 800V 시스템을 사용하는 차량은 400V 충전만 가능하다는 아쉬움이 있습니다.
▶테슬라 차량은 슈퍼차저와 PnC를 통해 즉시 충전이 가능하지만, 타 OEM은 슈퍼차저와 PnC가 가능한지 호환성을 확인해 봐야 합니다.