스마트 충전, 성공적인 E-Mobility 위한 핵심 요소

표준 규격 준수하는 충전식 전자장치 개발 및 테스트
  • 글│더크 그로스만✽ (Dirk Grossmann), 하이네르 힐드✽✽ (Dr. Heiner Hild)
  • 2015-06-16 오전 11:38:26



상용화가 완료된 2014년 봄 이후, 교류(AC) 충전식 전기차에는 ISO/IEC 15118 국제 표준 규격을 적용하고 있다. 직류(DC) 충전식 전기차의 경우, 예비 표준 규격인 DIN SPEC 70121의 일부를 적용하는 것에 대한 업계 차원의 합의가 도출됐다. 이 기사에서는 해당 표준 규격들을 자세히 살펴보고, 전기차 및 충전소 제조사들이 새로운 규격에 부합하는 제품을 빠르고 효과적으로 개발하고 테스트하는 방법을 제시한다.

내연기관 기반의 자동차를 주유하는 과정은 몇 분 이내에 간단히 끝나지만, 전기차의 충전은 이처럼 간단하지 않다. 배터리 충전 프로세스 관리 및 최적화는 자동차 및 충전소 제조업체들이 직면하고 있는 주요 과제다. 대체 에너지원과 미래 스마트그리드로 전환되는 추세에서 충전 작업은 생각보다 훨씬 복잡하다. 충전소에서 사용 가능한 전력량, 배터리 상태, 충전 수요 등과 같은 기본 정보뿐 아니라, 충전 시점에서 사용 가능한 에너지 자원과 같이 복잡한 정보 역시 고려돼야 하기 때문이다. 또한, 비용 최적화,지불/청구 방식, 안전성과 더불어 다음과 같은 질문들도 함께 고려해야 한다:

어떻게 사용자를 인증할 것인가? 자동차는 짧은 시간에 가능한 많은 전기 에너지가 필요한 것인가? 퇴근 이후나 쇼핑 이후에도 충전상태가 유지될 수 있을까? 차량 소유주, 에너지 공급업체, 충전소 제조업체, 그리고 환경적인 측면에서, ISO/IEC 15118에 따른 스마트 충전은 상기 언급된 문제들을 가장 효과적으로 해결할 수 있는 대안으로 간주되고 있다. 사용자가 단순히 자동차를 사용 가능한 전력 공급장치에 연결해 해당 자동차를 최대로 충전하는 비제어식 충전 프로세스는 앞으로 찾아보기 힘들 것이다.

전기차 충전에는 상대적으로 많은 전력이 소모되기 때문에, 충전 수요가 많은 주차장과 같은 장소의 경우 상당한 전력 수요가 발생할 것이다. 지능형 충전 프로세스는 이러한 이슈를 반영해 지속적으로 변하는 부하 상태에 적절히 대응할 수 있는 시간을 전력 공급업체 혹은 스마트그리드에 제공한다. 이를 통해 최대 부하 시의 정전 현상을 예방할 수 있다.

HomePlug Green PHY:에너지 및 데이터 겸용 단일 케이블

스마트 충전을 위한 기본 전제조건은 자동차와 충전소 간의 안정적인 정보 교환이다. 이와 관련해, ISO/IEC 15118에서는 물리 계층으로서 HomePlug Green PHY를 제시한다. 이는 HomePlug Green AV를 기반으로 한 PLC(Power Line Communication) 방법이다. PLC는 기존의 가정용 전기 배선을 통해 컴퓨터 및 음향/영상 기기들을 연결하는 가정용 통신 네트워킹 기술로 이미 널리 활용되고 있으며, TCP, UDP, IPv6, DNS, DHCP, TLS 등과 같이 잘 알려
진 인터넷 프로토콜을 모두 지원한다. PLC의 초기 연결 설정에 대한 자세한 사항은 다음 단락에서 다룬다.

SLAC을 통한 안정적인 연결 설정

ISO/IEC 15118에 따라 상위 계층의 통신 영역에서, 자동차와 충전소 간의 초기 연결 설정은 매우 중요하다. 일단 자동차와 충전소 간의 통신이 구축
되고 나면, 가장 먼저 안전한 AV 논리 네트워크(AVLN)에 연결해야 한다. 각각의 AVLN에는 개별 네트워크 ID(NID)가 할당된다. 또한, 암호화된 통신을 위해 AVLN의 각 노드에 해당 NID에 매칭되는 네트워크 멤버십 키가 필요하다.

통신 설정 초기 단계에서, 자동차는 이더넷(Ethernet) 브로드캐스트 메시지를 가능한 모든 네트워크 노드에 전송한다. 해당 메시지를 수신한 모든 충전소는 이더넷 유니캐스트 응답 메시지를 전송한다. 하나의 전력 케이블이 여러 충전소에 전력을 공급할 수 있기 때문에, 프로토콜을 통해 해당 자동차가 연결된 충전소를 식별할 수 있어야 한다. 하지만 불행히도 원치 않은 간섭으로 인해 해당 자동차에 물리적으로 연결되지 않은 충전소도 응답할 수 있다.



HomePlug Green PHY의 SLAC(Signal Level Attenuation Characterization)을 통해 이를 방지하고, 물리적으로 연결된 충전소만 정확하고 안정적으로 식별할 수 있다. SLAC은 항상 전기차에서 전송되는 요구사항을 반영한 ‘요청/응답 방식‘에 따라 작동하며, 동시에 동일한 SLAC 세션 내의 모
든 메시지에 공통으로 포함되어 있어야 하는 고유 식별자인 RunID 로 자동차와 충전소가 접속하게 된다.

SLAC을 통한 연결 설정은 “Sounding Phase”,“Attenuation Characterization Phase”, “Validation Phase”, “Matching Phase” 및 “Amplitude Map Exchange Phase”와 같은 여러 단계를 차례대로 거쳐 실행된다. SLAC 메커니즘을 이용해, 자동차는 다양한 수준의 시그널 감쇠율을 기반으로 응답하는 충전소 중에서 물리적으로 연결된 해당 충전소를 정확히 식별할 수 있다.

대상 충전소가 식별되면, 전기차와 충전소가 상위 프로토콜 계층이 암호화된 정보가 교환되는 공유 AVLN을 구성한다.



ISO/IEC 15118 충전 컨트롤러를 위한 임베디드 시스템


한편, 자동차 제조업체 및 충전 인프라 업체가 직면하고 있는 주요 과제는 ISO/IEC 15118에 부합하는 제품을 설계하는 것이다. 자동차 제조업체가 충전 ECU 개발 시 유 의미한 결과를 도출할 수 있는 가장 빠른 방법은 벡터의 MICROSAR V2G(Vehicle-to-Grid)와 같이 검증되고, 사용하기 쉬운 임베디드 솔루션을 사용하는 것이다.

MICROSAR V2G (그림 1)는 Basic Software (BSW) 모듈로 구성돼 있으며, AUTOSAR와 호환 가능한 제품으로, 이를 이용해 사용자는 요구사항에 맞게 ECU 소프트웨어 패키지를 조합할 수 있다. MICROSAR V2G는 다양한 ISO OSI 계층에서 모든 기술 및 프로토콜을 지원하는데,이 때 ISO OSI 계층은 ISO/IEC 15118 및 DIN 70121에 따라, 교류(AC)/직류(DC) 전압 전류를 이용해 충전하는데 필요하다.

또한, MICROSAR V2G는 HomePlug Green PHY에 대한 적절한 하드웨어의 지원 및 IPv6 및 IPv4 전용 미래형 TCP/IP 듀얼 스택의 구현도 지원한다. 충전
소 제조업체를 위한 스마트 충전 통신에 상응하는 것이 vEVSE이다. 임베디드 리눅스에 기반을 두며, vEVSE에는 ISO/IEC 15118 및 DIN 70121와 관련한 SLAC, EXI, 메시지 순서와 같은 모든 컴포넌트를 포함한다.

개발된 스마트 충전 기술을 테스트하는 데는 각별한 주의가 필요하다. 충전 ECU는 ISO/IEC 15118 및 DIN 70121의 규격에 부합해야 할 뿐 아니라, 차량에 내장된 다른 전장부품과 오류 없이 통합될 수 있어야 한다. 또한, 충전 ECU는 사실상 외부에 개방돼 있어, 다양한 전력 업체 및 제조업체가 관련된 충전 인프라의 변화에 직면하게 될 것이다.

시스템 간의 호환성 부재로 인해 충전소에서 발생한 “Impasse situation”은 역효과를 낳을 수 있으며, E-Mobility 활성화를 가로막는 심각한 장벽으로 작용할 수 있다. 발생 가능한 오류 및 비호환성 요소를 모두 식별하려면, 고차원적이고 심층적인 테스트가 요구된다. 이는 강력한 HIL(Hardware in the Loop)을 이용해 체계적이고 자동화된 테스트를 통해서만 가능하다.



새로운 종류의 테스트 요구사항 마스터하기

스마트 충전에는 테스트 시스템에 필요한 다양한 신기술들이 접목돼 있다. 스마트 충전은 ISO/IEC 15118에 사용된 방식에 대해 모든 하드웨어 및 소프트웨어를 지원해야 하며, 이때 필요한 다양한 테스트 케이스를 지원해야 한다. 이는 전력선, HomePlug Green PHY 및 SLAC에 맞춰진 PWM 시그널의 물리적인 계층에서부터 Internet/Ethernet 기술에 이르기까지 모든 ISO OSI 계층들로 확대돼 적용된다.

고성능 HIL 시스템은 테스트 대상 시스템(System Under Test, SUT)을 위해 실제와 가장 가깝고 완벽한 시뮬레이션 환경을 제공한다. PLC 및 SCC(Smart Charging Communication) 기술과 더불어, 센서 및 액추에이터의 디지털 및 아날로그 값은 반드시 시뮬레이션 돼야 하는데, 이는 충전소나 자동차가 지정된 사양에 따라 작동되는 지를 확인하기 위해서이다. 또한, 효과적인 잔여 버스 시뮬레이션은 기초적인 ECU 로직과 함께 CAN과 같은 자동차 버스 상에서 추가로 이벤트도 생성한다.

ISO/IEC 15118 및 DIN 70121 개발을 위한 테스트를 목적으로, 벡터는 VT System HIL 테스터 전용 특수 플러그인 SCC 보드를 제공하고 있다. VT7870 보드(그림 2)는 두 가지 작동 모드를 제공하며, 전기차와 충전소 모두를 테스트하는 데 적합하다. 자동차가 테스트 중일 때, HIL 시스템은 충전소를 시뮬레이
션하고, 충전소가 테스트 중일 때는 차량 전자 장치
를 시뮬레이션한다.

해당 보드는 QCA7000 칩이 내장된 Devolo d L A N G r e e n PHY 모듈로 구성돼 있는데, 이 모듈은 Control Pilot과 변조된 PLC 통신의 시그널 수신뿐 아니라 생성에도 사용된다. VT System은 모듈 기반으로 설계됐기 때문에, 유연한 확장성과 더불어 오류, 단선 및 합선에 대한 다양한 시뮬레이션이 가능하다.

실제 전류 및 전압으로 충전 테스트를 할 경우, 제어 가능한 전력 공급 장치와 전기 부하 장치를 연결할 수 있다. CANoe 소프트웨어, 이더넷 그리고 SCC 애드온 패키지가 내장된 PC를 사용해 테스트 스크립트 설정, 테스트 시퀀스 제어, 보고서 생성, 결과 분석 등을 실행할 수 있다. 또한, 필요할 경우 CANoe를 통해 잔여 버스 시뮬레이션도 가능하다. 효과적인 테스트 설계 및 편집 지원 프로그램인 vTESTstudio를 활용해 자동화 테스트 케이스를 정의할 수도 있다(그림 3).

전기 자동차와 충전소의 보급률 증가가 예상됨에 따라, 상위 계층 통신의 증가가 동반될 것이며, 이에 따라 관련 기술들의 복잡성이 상당히 증가할 것이다. 이에 따라, 표준 규격 준수 및 충전소와 자동차의 정보 처리 상호 운용에 관한 운용성 측면에서 새로운 과제들이 부상하게 될 것이다. 이러한 과제들을 성공적으로 극복하려면, 신뢰성 있고 잘 짜여진 제품 및 테스트 전략, 그리고 컴포넌트 및 툴이 필요하다. 벡터에서 제공하는 제품과 서비스를 통해 성공적인 E-Mobility 환경을 구축할 수 있을 것이다.

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