전기차를 지원하는 인프라로 미리 충전하기

  • 2017년 07월호
  • 매트 페이트, C2000™ 마이크로컨트롤러 프로덕트 마케팅 엔지니어 마리아 호, Sitara™ 프로세서 마케팅 매니저 텍사스 인스트루먼트


배터리 용량이 커지고 배터리 비용이 낮아지면서 전기차가 점점 대세가 되고 있다. 기존의 자동차는 더 많은 주유소를 필요로 했는데, 전기차 또한 더 많은 공공의 충전 옵션을 요구할 것이다.

전기차(Electric Vehicle: EV) 충전소의 배치는 쉽지 않지만 이는 새로운 기회다. 가능한 많은 충전소를 배치하기 위해 충전소에 들어가는 기술은 효율적이고 경제적이어야 하며, 안전한 결제 기능을 갖추고 고객에게는 전반적으로 뛰어난 경험을 제공해야 한다. 또한 오늘날 대부분의 로컬 여행은 짧고 가정용 충전기보다 더 빠르게 충전되기 때문에, 오늘날의 대용량 배터리팩 충전 시 소요되는 시간도 낮춰주는 충전 인프라를 구축해야 한다.

이번 백서에서는 전기차 충전소 설계를 발전시키고, 보다 종합적인 지원 인프라 확장에 영향을 줄 시장에 대해 알아보고자 한다.

서론 

전기차 공급 장치(EVSE)는 지역마다 다르지만, IHS 마켓 리서치에 따르면 전 세계 충전소의 수는 2014년 100만 개에서 2020년에는 1,210만 개로 늘어날 전망이다. 국가가 지원하는 배치 전략 덕분에 아시아와 유럽이 선두에 나서고 있다. 예를 들어, 중국은 2020년까지 400만 개 충전소 네트워크를 시행하기 위해 노력하고 있으며, 독일 정부는 2023년까지 내연기관 자동차를 전기차로 대체한다는 목표를 설정했다.

물론 이러한 목표를 달성하려면 개방적이고 편리하며 이용이 간편하면서도 최적의 고객 경험을 제공하는 광범위한 충전 지원 인프라가 필요하다. 다른 어느 나라보다 전기 자동차가 많은 미국은 현재 지방 자치 단체들과 전기차 제조사, 민간 사업자를 중심으로 접근하고 있다.

이 규모를 키우기 위해서는 충전소 설계의 혁신을 장려하고, 종합적인 전기차 지원 인프라의 배치 속도를 높여야 한다.

전기차 충전기의 유형 

충전소는 집 연결된 개인 차고나 식당 또는 사무실 근처의 공공 주차장, 편의점이 있는 상가의 여러 다양한 환경에 설치되어 있다. 현재 자동차 엔지니어 협회(SAE)는 EVSE의 단계를 다음 세 가지로 정의하고 있다.

레벨 1
EVSE는 미국에서는 표준 AC 전류를 사용하며, 그 밖의 곳에서는 12~16A에서 단상 120V를 사용한다. AC/DC 전력 변환은 차량 내에서 이루어지며, 이러한 비교적 저렴한 충전소는 완전히 방전된 24 kWh 용량의 전기차 배터리를 약 17시간가량 충전한다.

레벨 2
충전소는 레벨 1과 비슷한 기술에 기반하고 있지만, 15~80A에서 보다 강력한 208~240V 다상 입력 라인을 사용할 수 있다. 이것은 완전히 방전된 배터리의 충전 시간을 8시간까지 낮춰준다.

레벨 3
레벨 3은 AC/DC 전력 변환이 충전소에서 이뤄지므로 고전압 DC 라인을 배터리에 공급할 수 있어 충전 시간을 더 단축할 수 있다는 점에서 레벨 1및 2와는 다르다.

그 결과 레벨 3 충전소의 비용이 크게 증가했고, 최대 400A에서 300~600V까지 어디에서나 공급이 가능하다. 대략적인 충전 시간은 30분으로 전기차 충전에 하룻밤이 걸리는 일반적인 주거지의 레벨 1 및 2와는 달리, 좀 더 비싼 레벨 3의 고속 DC 충전소는 공공의 환경에서 주로 볼 수 있다.

레벨 1 및 2 충전소의 한계와 낮은 비용을 감안해 일부 지역은 EVSE 배치에 대한 새로운 접근 방식을 생각했다. 전기 스쿠터가 대중적인 아시아 국가 중 한곳에서는 스쿠터 배터리 교환 프로그램을 만들었다. 배터리 충전을 기다리는 대신, 사용자는 지역 편의점에서 방전된 배터리를 완충된 배터리로 교환하는 것이다. 스마트폰 앱을 사용하면 충전된 배터리를 언제 어디에서 구할 수 있는지 운전자가 알 수 있다.

충전소에 들어가는 기술은? 

고속 DC 충전소에서의 AC/DC 전력 변환을 제외하고 대부분의 전기차 충전소는 동일하거나 비슷한 서브시스템으로 이루어져 있다.


[그림 1] AC/DC EVSE 시스템 블록 다이어그램

전력 스테이지 외에도 이 아키텍처는 마이크로컨트롤러(MCU)나 마이크로프로세서(MPU)와 같은 중앙 처리 장치(CPU)와 내부 데이터 교환 및 외부 통신을 위한 통신 서브시스템, 휴먼 머신 인터페이스(HMI)로 이루어져 있다. 충전소에 들어가는 보다 정교한 CPU 중에는 디지털 신호 처리(DSP) 코어가 포함된 멀티 코어 디바이스도 있다.

즉 가정용 충전 시스템의 유저 인터페이스는 매우 단순하지만, 소비자가 자동차, 배터리, 충전 경험에 대해 더 많은 데이터나 피드백을 원한다면 이를 더 발전시킬 수도 있다. 공공 또는 상업 지역 내 하이 엔드 충전소의 경우에는 정보를 효과적으로 전달하고 안전하게 결제하며, 최종 사용자와 보다 원활한 상호 작용을 하기 위해서는 그래픽 HMI가 필수적이다.

전력 스테이지
충전소 전력 스테이지의 가장 중요한 요소 중 하나는 그리드의 AC 전력을 전기차 배터리 충전에 필요한 DC 전력으로 변환하기 위한 효율성이다. 따라서 충전소의 일반적인 용례에 맞는 가장 효과적인 변환 토폴로지를 선택해야 한다. 하이 엔드 레벨 3 고속 DC 충전 시스템의 경우, 토폴로지에는 스위치 모드 정류기나 비엔나 정류기, 인터리브드 역률 보정(PFC)이나 부스트 컨버터와 함께 CCM(Continuous Conduction Mode)이 있다. 다른 고려사항으로는 전력을 얼마나 빨리 그리드에서 끌어와 배터리로 전달하는가 인데, 이것은 전력 변환에 대한 3단계 접근방식을 구현한 것이다.

대부분의 경우, 고속 레벨 3 EVSE의 토폴로지는 3단계 비엔나 정류기 방식이다. 비엔나 정류기는 통신 전원 공급 장치, 무정전 전원 공급 장치, AC 드라이브 컨버터 시스템에서 사용된다. 이러한 정류기는 단반향 3단계 펄스 폭 변조(PWM) 정류기로, 부스트형 PWM 정류기와 비교했을 때 비엔나 토폴로지는 2배 더 전력 효율적이면서 제어 체계는 덜 복잡하다. 어떤 경우에는 비엔나 정류기의 효율이 98% 이상으로 확인된 적도 있다.

유저 인터페이스
특정 충전소의 유저 인터페이스는 여러 개의 LED 조명으로 전체 화면의 그래픽 터치스크린처럼 간단하다. 전자는 보다 단순한 충전 장치에 더 적합할 수 있다(예: 주거지 차고용). 하지만 시간이 지나면 최종 사용자는 배터리 및 충전 체감에 대해 더 많은 정보와 데이터, 분석을 원하게 될 것이다.


[그림 2] 비엔나 정류기 블록 다이어그램

후자의 완벽한 터치스크린을 가진 인터페이스는 공공 상업용의 전기차를 지원하는 인프라가 확장되면 정교한 고속 충전소가 등장하면서 보다 보편화될 것이다. 이러한 확장에서 중요한 요소 하나가 서로 다른 결제 시스템의 안전한 결제다. 터치스크린은 고속 충전 사이클이 끝나는 동안 첨단 영상 그래픽과 디지털 신호계 디스플레이로 발전할 수 있다.

그래픽 HMI를 구현할 때에는 어떤 종류의 프로세서로 서브시스템을 구동할 것인지도 생각해야 한다. 일부 멀티 코어 프로세서의 확장된 성능은 고속 충전소의 HMI 필요성을 충족할 뿐만 아니라, 새로운 특성과 기능이 필요할 때 서브시스템을 개선하는 능력까지 갖추고 있다.

물론 정전식 터치스크린은 거의 모두 소비자와 상호 작용할 수 있는 표준 방식이 됐다. 앞으로의 특징과 기능에는 신용카드 리더기나 청구 시스템 또는 광고용 비디오 피드 등이 포함될 것이다. 어떤 기술 공급자는 시스템 설계자가 적합한 성능의 디바이스를 선택하도록 완벽하게 갖춰진 프로세서 라인을 제공하기도 하지만, 소프트웨어 및 하드웨어 설계 관점에서는 별다른 영향 없이 쉽게 확장 가능한 성능의 향상은 아직 장담할 수 없다.

효과적인 그래픽 터치스크린 인터페이스의 개발을 단순화하기 위해서는 HMI 프로세서의 프로그래밍 기능과 그에 따른 소프트웨어 개발 툴이 필수적이다. 일부 멀티 코어 프로세서에는 그래픽 가속기와 사전에 프로그래밍 된 터치스크린 기능이 있어 개발 사이클을 크게 단축시켜 준다.

물론 보안은 사실상 모든 전자 시스템에 있어 항상 중요한 문제이며, 유저 인터페이스는 특히 공격에 취약한 지점이 될 수 있다. 강력한 하드웨어 기반 보안 기능은 사실상 시스템의 지식 재산권(IP)과 결제 단말기에서의 거래 과정에서 교환되는 재무 정보를 보호하는데 필수적이다.

프로세서
충전소가 매우 단순한 것에서부터 복잡한 것에 이르기까지 확장되면서 동시에 실행되는 프로세서와 서브시스템을 제어 및 관리하는 고성능 MCU 또는 프로세서에 대한 필요성이 대두되었다. 특히 고속 DC 충전소는 여러 가지 전원 모듈로 이루어진 랙에 의존하며, 전력 출력을 모아 배터리에 고속 충전을 한다.

예를 들어 어떤 충전소를 30개의 10 kW 전원 모듈로 구성할 수도 있다. 각 모듈에는 하나 이상의 MCU가 필요할 것이며, 서로 충전소의 MCU나 CPU와 인터페이싱을 할 것이다. 이러한 분배 계층형 프로세싱 환경에서 MCU와 CPU는 배터리를 과충전하거나 손상시키지 않으면서 빠르게 배터리를 재충전하는데 필요한 전력량을 서로 긴밀하게 조율해야 한다. 배터리 셀 고장이나 제어 불능의 충전 상태와 같은 안전 문제를 피하려면, 전체 충전 프로세스를 꼼꼼하게 모니터링해야 한다.

하나 이상의 범용 RISC(Reduced Instruction Set Computing) 코어로 구성된 멀티 코어 MCU 뿐만 아니라 계산 집약적인 실시간 처리 기능이 더 빠른 DSP 코어는 시스템이 마이크로 초 단위로 반응할 수 있고, 충전소나 전기차 어느 쪽에도 손상을 일으키지 않게 하는 가장 효과적인 방법이다. 일부 첨단 MCU에는 고성능 아날로그 디지털 컨버터가 있는데, 제어 루프를 효과적으로 모니터링 하는데 필수적이다.

통신 서브시스템
유무선 통신은 충전소와 전기차 지원 인프라에서 여러 가지 역할을 하고 있지만, 일반적으로 와이파이(Wi-Fi)®, 블루투스(Bluetooth)®, 지그비(Zigbee), 근거리 통신(NFC), 6LoWPAN, Sub-1GHz와 같은 무선 기술은 앞으로 배치 속도를 앞당겨줄 몇 가지 장점을 가지고 있다.

기본적으로 충전소는 충전 프로세스를 시작하기 전에 차량과 통신을 할 수 있어야 한다. 처음에는 충전소의 플러그와 호환되는 전기차의 전기 콘텐트가 있는지를 확인해야 한다. 전기차는 배터리 종류와 상태를 알려 충전소가 진행 방법을 알 수 있게 해야 한다. 현재 시중에 나와 있는 전기차의 배터리 용량은 6 kWh에서 100 kWh 이상으로 매우 다양하다. 또한 충전소는 충전 프로세스를 최적화할 수 있도록 배터리 내 각각의 잠재적인 셀 용량을 확인해야 한다.

현재 충전 프로세스를 초기화하는데 필요한 정보의 대부분이 CAN(Controller Area Network) 프로토콜을 이용한 유선 통신 링크를 통해 전달되는데, 이것이 무선 링크가 안 될 이유는 없다. 사실 유선 통신을 무선 커넥티비티로 대체해야 할 근거는 많이 있다. 예를 들어, NFC를 이용해 이 정보를 전달할 수도 있다.

운전자가 플러그를 차량 가까이 가져가면, NFC가 플러그의 종류를 충전소에 전송하고, 차량의 콘센트와 호환되는지를 확인할 수 있다. 통신 인터페이스에 상관없이, 텍사스 인스트루먼트(TI)의 솔루션은 유무선 모두를 지원한다.

그러면 와이파이나 블루투스 저에너지와 같은 무선 통신 프로토콜은 배터리의 특성을 충전소로 전송할 수 있다. 사실, 와이파이나 블루투스 저에너지는 유선 통신 네트워크가 시스템의 고전압 구역과 저전압 통신 네트워크 사이의 장벽으로써 비싼 아이솔레이터 디바이스를 사용해야 하기 때문에, 비용상의 이점을 가지고 있다. 무선 커넥티비티를 이용하면, 이러한 절연 디바이스는 필요하지 않다.

BOM(Bill Of Materials) 외에도 스마트폰, 가정용 네트워킹, 홈 자동화 시스템, 스마트 파워 그리드 및 기타 애플리케이션에 와이파이, 블루투스, 지그비 등 기타 기술이 폭넓게 채택되어 하나 이상의 무선 기술이 충전소와 EVSE 인프라에 대해 앞으로 향상시킬 수 있을 것이다. 예를 들어, 블루투스를 통해 운전자의 스마트폰을 충전소와 연결해 청구 프로세스를 진행할 수도 있다.

또는 와이파이를 통해 주거지 주차장에 있는 충전소를 홈 자동화 시스템에 연결하고 지그비를 가정용 전기 계량기에 연결할 수 있다. 그러면 충전소는 전기 요금이 낮은 한밤 중이 될 때까지 또는 주택의 전기 사용량이 낮은 구간이 될 때까지 충전 프로세스를 지연시킬 수 있다. 사용자는 충전 프로세스의 진행 과정을 홈 자동화 시스템을 통해 업데이트 받을 수도 있다. 또한 홈 자동화 시스템은 정전이 발생하면 가정의 전원을 그리드에서 전기차 배터리로 자동 전환할 수도 있다. 무선 통신은 분명히 발생할 다른 새로운 특성 및 기능과 이러한 일들의 중추를 형성할 수 있다.

또한 충전소 설계자는 모든 무선 통신 채널의 보안을 고려하여, 모든 무선 인터페이스 칩을 강력한 암호화, 보안된 저장, 완전한 보안 부트 프로세스 등 가장 강력한 보안 툴로 구비하고 지원해야 한다.

EV 충전 솔루션 

텍사스 인스트루먼트는 현재 부상하고 있는 전기차 및 EVSE 인프라 시장의 주요 공급업체이다. 이미 오토모티브 산업의 헌신적인 공급업체로서 오랜 경험을 갖고 있다.


[그림 3] TIDM-1000 3상 비엔나 정류기

TI는 디바이스의 수면 연장과 튼튼한 안정성 및 내구성 등의 철저하나 기술 지원 덕분에, 오토모티브 산업에서 선도적인 기술 공급업체 중 하나가 되었다. 예를 들어 C2000™ MCU는 전체 32bit 마이크로컨트롤러 라인을 대표하는 것으로, 전기차 충전소에서 작동하는 다양한 프로세스 및 서브시스템을 관리하고 제어한다.

실제로 많은 C2000 MCU가 집적 ADC(Analog-to-Digital Converters)와 첨단 PWM(Pulse Width Modulator) 하드웨어를 갖추고 있고, 배터리 관리 애플리케이션에서 중요한 제어 프로세서로서 다수의 전기차에 폭넓게 사용되고 있다. 32bit C28x DSP 코어는 C2000 MCU에 융통성과 강력한 처리 성능, 평균 이상의 산술 능력을 제공해, 3상 정류기와 관련된 충전 프로세스를 실시간으로 제어하면서 장비의 안전까지 보장한다. 전력 변환 애플리케이션에서 C2000 MCU는 업계에서 가장 전력이 효율적이고 손실이 적은 디바이스 중 하나다.

산업용 HMI 애플리케이션에서 가장 널리 사용되는 프로세서 중 하나인 Sitara™ AM335x 프로세서와 나머지 시타라 프로세서 시스템온칩(SoC) 디바이스 제품군은 충전소의 유저 인터페이스에 적합한 리소스를 가지고 있다. 또한 AM335x 프로세서의 사용하기 편리한 프로그래밍 툴과 온칩 기능 포트폴리오도 설계자가 EVSE 개발 프로젝트에서 유리한 위치를 점할 수 있게 해준다. AM335x 프로세서는 이미 주요 아시아 국가에서 EVSE용 표준 HMI 프로세서로 사용되고 있다.

ARM® Cortex®-A8 프로세싱 코어를 기반으로 하는 시타라 AM335x SoC는 3D 그래픽 가속기뿐만 아니라 듀얼 코어 PRU(Programmable Real-Time Unit)을 갖고 있다. 또한 확장형 시타라 프로세서 제품군은 보안 부트 및 통합 PoS 보안 기능을 갖춘 Cortex-A9 기반 AM43x 프로세서와 고화질 영상 기능을 갖춘 Cortex-A15 기반 AM57x와 같이 추가 성능과 기능을 위한 옵션도 제공한다.


[그림 4] Sitara™ AM438x HMI 시스템과 EVSE용 통합 결제

시간이 지나도 프로세서의 성능을 소모하지 않고 충전소의 HMI 서브시스템의 새로운 특성과 기능을 쉽게 추가할 수 있다는 확신을 준다. 예를 들어, 충전소의 HMI 및 청구 시스템을 AM43x 기반 솔루션에 쉽게 통합하여 설계를 단순화하고 보안을 강화하며 전체적인 BOM 비용을 낮출 수 있다. 

앞서 말했듯이, 여러 가지 무선 통신 기술이 충전소와 EVSE 인프라를 지배하고 있다. 와이파이, 블루투스, 지그비, NFC, Sub-1GHz, 기타 무선 기술이 모두 자체적으로 역할을 수행할 것이다. TI는 이러한 요구를 충적시킬 수 있는 가장 폭넓은 무선 솔루션 포트폴리오를 갖추고 있다.


[그림 5] SimpleLink CC1310 무선 MCU의 블록 다이어그램

TI의 포트폴리오에는 고성능의 설계가 편한 단일 프로토콜 디바이스 외에도, 여러 무선 기술을 지원하는 많은 무선 MCU가 있다. 예를 들어 SimpleLink™ 초저전력 무선 MCU 포트폴리오는 2.4 GHz 무선 주파수(RF) 대역의 무선 프로토콜을 다수 지원하고 있다. SimpleLink CC2630 디바이스는 6LoWPAN과 지그비를 지원하고, SimpleLink CC2640R2F 무선 MCU는 블루투스 저에너지를 지원한다. CC1310 무선 MCU와 같은 기타 심플링크 디바이스는 Sub-1GHz 커넥티비티를 지원하고, CC1350 무선 MCU는 Sub-1GHz와 블루투스 저에너지의 연결을 모두 지원한다.

WiLink™ 8 무선 커넥티비티 칩 제품군의 디바이스에는 2.4 GHz와 5 GHz 대역을 위한 RF 프론트엔드가 있다. 이 제품군은 와이파이, 블루투스 클래식, 블루투스 저에너지 프로토콜을 지원한다. CC32xx 제품군의 와이파이 디바이스는 802.11 b/g/n을 지원하고 100 Mbps 속도가 가능하다.

TI는 SimpleLink와 WiLink의 칩과 모듈을 설계하고 통합 프로세스를 간소화해 제품 개발자는 RF 전문가가 아니더라도 무선 커넥티비티를 설계에 넣을 수 있다. 무선 프로토콜을 비롯한 모든 필요한 리소스는 이미 개발 사이클을 단순화하고 단축하기 위해 온칩에 통합되어 있다. 무선 인터페이스 디바이스를 가진 모듈 중에는 안테나와 그 밖에 구현 준비가 완료된 무선 통신 서브시스템 전체를 구성할 수 있는 리소스까지 집적된 것도 있다.

충전소와 EVSE 인프라 전반에 여러 가지 무선 인터페이스가 존재할 경우, 보안은 끊임없이 중요한 관심사가 되어야 한다. TI의 모든 프로세서에는 보안 부트, 보안 코 프로세서(Security Co-Processors)로 실행되는 고속 인증 프로세스, 암호키 보안 저장 등 종합적인 보안 툴과 기능이 있다. 또한 무선 커넥티비티 칩은 WiLink 8 디바이스에서 와이파이 보호 액세스 2(WPA2)와 셋업(WPS)과 같은 동급 최강의 보안 기능을 구현하고 있다.

결론 

전기차가 현재 어느 정도 이용 가능하지만, 그 한계점과 완벽한 지원 인프라의 부재로 인해 잠재적인 사용자를 더 이상 늘리지 못하고 있다. 두 가지 요소 모두 해결 과정에 있으며, 앞으로는 극복될 것이다. 한 번의 충전으로 전기차가 이동할 수 있는 거리도 늘어나고 있으며, 점점 더 많은 충전소가 전략적인 위치에 배치되고 있다. 그렇다 하더라도, 완벽한 충전 인프라를 갖추기까지는 아직 멀었다.

전문가는 충전소 숫자가 앞으로 10년 동안 크게 늘어나면서 충전 장비 공급자에게 흔치 않은 기회가 창출될 것이라 전망하고 있다. 자동차 및 전기차 산업에 대한 폭넓은 경험과 종합적인 기술 포트폴리오를 가진 기술 공급자와 제휴하는 것이 올바른 방향으로 나아가기 위한 첫 걸음일 것이다.  

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