에어럴 리안6 (Errol Leon6), TI EV 충전 및 스마트 미터 시스템 엔지니어링 & 마케팅 매니저) / 지나 한 (Gina Hann), TI 선임 마케팅 매니저
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상업용 및 주거용 모두 사용 가능한 일반적인 전기차(EV) 충전소 설계에는 에너지 계량, AC 및 DC 잔류 전류 감지, 안전 규정을 준수하기 위한 절연, 드라이브가 있는 릴레이 및 접촉기, 양방향 통신, 서비스 및 사용자 인터페이스가 포함되어 있다. 전기차 충전소의 목표는 차량에 효율적으로 전력을 전달하는 것이지만, 전력 전달을 구현하는 것은 그 역할의 시작에 불과하다.
IHS Markit의 최신 보고서에 따르면 2030년까지 2,000만 개의 공용 전기차 충전소가 그리드에 연결되고, 수요에 맞춰 주거지의 충전소가 대폭 늘어날 것으로 예상된다. 전기차 충전소 설계에는 고유한 과제들이 뒤따른다. 그리드 통합의 미래에 발맞추기 위해 EVSE(Electric Vehicle Supply Equipment)는 통신, 안전 및 보안을 포함하는 동시에 간편한 업그레이드 경로를 제공해야 한다. 본 글에서는 레벨 2 AC EV 충전소를 위한 TI의 Sitara AM625 프로세서를 사용하는 확장 가능한 하드웨어 및 소프트웨어 데모에 사용되는 세 가지 설계 고려 사항을 간단히 소개할 예정이다.
첫번째 고려사항: 미래 통신 표준 및 그리드 통합의 이해
미래의 전기차는 수요가 많아지거나 정전이 발생하면 저장된 에너지를 그리드로 다시 환원하며 에너지원 역할을 할 것으로 예상된다. 이러한 잠재적인 에너지 교환을 관리하는 것은 그리드 통합의 한 측면으로 볼 수 있으며, ‘통신’은 전기차 충전소를 설계시 핵심 고려사항이 된다. 프론트 엔드 및 백 엔드 통신 설계는 ‘차량 충전 지점과 그리드간 연결’ 및 ‘충전소와 클라우드간 연결’ 양쪽 모두에 대해 그림 1 과 같이 충전 프로세스에서 데이터, 안전 및 보안 표준을 충족해야 한다.
그림1: V2G 기술
ISO(국제 표준화 기구) 15118 표준은 차량 식별, 충전 제어 및 충전 상태에 대한 정보를 교환하여 플러그와 충전과 같은 기능을 지원하는 전기차와 충전소 사이의 양방향 통신 프로토콜을 다룬다. ISO 15118 표준에 맞춰 프론트 엔드 및 백 엔드 통신 요구사항을 충족하면 오늘날의 규정을 준수하는 것은 물론, 그리드 통합의 미래에 대응할 수 있는 설계를 구현할 수 있다.
오늘날 적절한 수준의 프로세서 통합 및 소프트웨어 기능을 선택하면 향후 그리드 통합을 위한 간단한 최적화가 가능하다. 그림 2 에 나와 있는 전기차 충전 설계에 사용되는 Sitara AM625에는 효율적인 유지 관리 및 간소화된 업데이트를 보장하기 위해 표준 소프트웨어 개발 키트와 함께 메인라인 Linux ® 커널이 포함되어 있다. AM625 프로세서는 또한 내장 하드웨어 보안 모듈(HSM)을 통해 IP 보호용 보안 부팅을 지원하며, 유휴 시 시스템 전력 소비를 최적화하기 위해 첨단 전원관리 지원을 제공한다.
그림 2: AC 충전 블록 다이어그램; DC 충전 블록 다이어그램
두번째 고려사항: 모듈 기반 설계를 활용하여 유연한 AC 또는 DC 충전 옵션 지원
전기차 충전기를 위해 가장 적절한 연결 솔루션을 결정하려면 사용 사례, 설치 환경, 그리드 통합을 위한 확장 등을 고려해야 한다. 상업용 전기차 충전기는 일반적으로 과금 청구 분배와 차량 데이터 인사이트를 관리하기 위해 클라우드 연결이 필요하며, 여러 충전 지점 간에 한 데 모아 중앙 집중식으로 데이터를 관리하는 방법도 잠재적으로 고려해볼 수 있다. 가정용 충전기는 궁극적으로 스마트 홈의 연장선이 될 것이며, 기존의 유선 및 무선 네트워크와 통합해야 할 것이다.
OCPP(Open Charge Point Protocol)는 충전 스테이션과 데이터 교환을 관리하는 충전소 네트워크 간에 정의된 통신 표준이다. 이 프로토콜을 설계하려면 여러 연결을 위한 옵션이 필요하며 이더넷, 셀룰러, Wi-Fi ® 또는 Sub-1GHz 신호로 달성할 수 있다.
OCPP 준비로 유연성의 과제를 해결하려면 전기차 충전소에는 여러 연결 옵션이 필요합니다. 예를 들어 WiFi는 유비쿼터스하다. 따라서 전기차 충전기를 기존 인프라에 연결하거나 유선 연결을 구현할 수 없는 경우 충전소 네트워크를 위한 로컬 연결을 제공하는 데 사용할 수 있다. 전기차 충전기가 지하 주차장과 같은 까다로운 RF 환경에 배포될 경우, Sub-1GHz와 같은 저주파 통신이 LTE보다 좋아 연결 안정성을 확보할 수 있다. 설계가 상업용 또는 주거용 또는 충전기의 위치에 관계 없이 유연하고 안정적인 커넥티비티 솔루션이 필요하다.
올바른 연결 솔루션을 선택하는 것은 곧 큰 온도 변화가 일어날 수 있는 혹독한 환경에서도 안정적인 연결을 보장할 수 있도록 더 높은 작동 온도 범위를 지원하는 것을 말한다. 또, 상용 및 홈 네트워크와의 상호 운용성도 보장해야 한다. TI의 WL1837MOD WiLink 8 모듈은 탁월한 RF 성능과 다른 WiFi 장치와의 견고한 상호 운용성을 제공한다. 또한 블루투스가 통합되어 있어 프로비저닝 및 배포가 간편합니다. WL1837MOD는 Phytec의 생산 준비가 완료된 Phycor-am62x 멀티코어 Arm ® 기반 프로세서 SOM(system-on-module)과 함께 사용하면 타사 소프트웨어 통합을 위한 에코시스템 소프트웨어 호환성과 OCPP 2.0.1 이상의 향후 마이그레이션 및 최적화를 위한 업그레이드 경로를 제공한다.
세번째 고려사항: 보안 및 안전 옵션으로 수명 관리
ISO 15118과 OCPP 2.0.1의 미래가 차량과 사용자 데이터 모두에 대한 데이터 인사이트를 증가시키는 방향으로 진화함에 따라 이제 연결과 통신 모두에 보안 소프트웨어는 필수 요소로 자리매김했다. 프로세서는 데이터 품질 및 충전 수준을 위한 시스템 모니터의 조합 역할을 하고, 결제 및 차량 데이터에 대한 고급 정보를 위한 안전한 게이트웨이를 제공하는 전기차 충전의 확장 가능한 미래를 가능하게 하는 데 중요한 역할을 할 것이다.
ISO 15118의 응용 프로그램 및 전송 계층 모두 데이터 보안을 활성화한다. TLS(Transport Layer Security) 1.2 이상이 전송 계층 통신을 암호화한다. 플러그 앤 전하 식별 메커니즘을 사용할 때만 ISO 15118-2의 TLS를 필수적으로 사용하는 것은 아니지만, TLS는 향후 ISO 15118-20 표준에서 모든 사용 사례와 모든 식별 메커니즘에 필수적인 사항이다. AM625에는 다음과 같은 온보드 HSM 보안 기능이 있다.
- 보안 부팅
- 자체 프로그래밍 가능한 하드웨어(eFuse) 키.
- 암호화 및 인증 부팅 지원
- 디버깅(Joint Action Group) 포트:
- 보안 수준이 높은 장치에서는 기본적으로 닫힘
- 영구 폐쇄를 지원하는 eFuse 설정 지원
모든 전기차 충전 설계에는 보안 케이블 연결, 접지 결함 모니터링, 릴레이 구동 및 고전압 절연을 포함하여 안전의 여러 측면이 있다. TI의 DRV8220 모터 드라이버 통합 회로에는 플러그 잠금, 접지 고장 모니터링 및 릴레이 드라이버의 간단한 구현을 지원하는 통합 H 브리지, 로직 제어 및 보호 기능이 있다.
결론
전기차 충전 산업은 발전하여 더 표준화되고 지능적이며 효율적이 되고 있다. 설계자는 그리드와의 장기적인 통합을 위해 유연한 연결성 및 보안을 포함해야 한다. 올바른 프로세서 기반 설계를 선택하려면 데이터 처리 요구사항의 증가와 안정적인 소프트웨어 스택의 필요성을 반드시 고려해야 한다.
애플리케이션 브리프, 데모 영상 및 TI 레퍼런스 디자인을 통해 레벨 2 AC 충전 설계에 대해 자세히 알아보기:
전기차 충전 관련 참고자료:
