The Key to Successful eMobility
성공적인 e모빌리티를 위한 핵심 요소
산업 표준 준수하는 충전식 전자장치 개발 및 테스트
2021년 07월호 지면기사  /  글| 아르네 브레머(Arne Brehmer) 항공우주 사업부 책임자 외, Vector Informatik



벡터는 광범위한 테스트 시스템과 고객 맞춤형 LRU 소프트웨어를 통해 충전 컨트롤러, 충전 컬럼 및 유도 충전 시스템의 개발자를 지원하고 있다. 이 글에서는 전기 항공 택시에도 적용할 수 있는 차량의 이모빌리티 분야의 충전 기술 및 컨셉을 다룬다. 

글| 아르네 브레머(Arne Brehmer) 항공우주 사업부 책임자
    디르크 크로스만(Dirk Grossman) 충전 솔루션용 오프보드 전자장치 제품개발 책임자, Vector Informatik   



최근 몇 년간 하이브리드 전기 항공은 신기술 및 모빌리티 컨셉으로 주목받는 혁신 산업으로 발전해왔다. 분산형 전기 구동장치, 자율주행차 제어, 5G 통신 및 차량 공유 서비스 등과 같은 혁신 분야의 급속한 발전은 물론, 대도시의 인구 밀집화 및 대도시권 형성의 증가에 힘입어, 현재 3차원을 포함하는 새로운 도시 모빌리티 컨셉이 등장하고 있다. 각 응용 분야에 적합하고 안전한 항공기 개발과 인증 외에도 최적의 인프라를 제공하는 일 역시 전략적으로 중요하다.

이미 Airbus, Boeing, Kitty Hawk 및 Volocopter에서 제작한 몇몇 유망한 수직이착륙기(eVTOL) 항공기가 있지만, 이보다 더 큰 항공 택시회사 운영 시 수익을 낼 만한 인프라가 아직 갖춰지지 않았다. 말하자면, 도시에 비행 항로와 착륙장을 확장해야 하고, 항공관제 능력을 보장해야 하며, 이용 요금, 이동 시간 및 편안함 측면에서 승객에게 경쟁력 있는 대체 교통수단으로 제공하기 위해 충분한 충전소 또는 연결 서비스를 구축해야 한다. 

항공 택시 운영 시 수익이 발생하려면 평균 반환시간(turnaround time)을 줄이는 게 관건이다. 스마트 로딩 인프라가 격납고에서 빠른 임시 로딩과 항공 택시의 로딩 및 언로딩을 위한 시스템을 가지고 있어야 한다. 좋은 솔루션을 찾기 위해서 도시 지역에서 이미 충전 인프라를 성공적으로 도입한 다른 산업을 벤치마킹할 만하다. 한 가지 예로 전기차 시장을 들 수 있다. 여기서도 역시 규정과 표준을 보완해야 했고 인프라를 확장해야 했으며 무엇보다도 충전 프로세스에서 관련자의 안전을 보장해야 했다. 

벡터는 광범위한 테스트 시스템과 고객 맞춤형 LRU 소프트웨어를 통해 충전 컨트롤러, 충전 컬럼 및 유도 충전 시스템의 개발자를 지원하고 있다. 이 글에서는 전기 항공 택시에도 적용할 수 있는 차량의 이모빌리티 분야의 충전 기술 및 컨셉을 다룬다. 

내연기관 차량에 연료를 공급하는 일은 그다지 대단한 일이 아니며 몇 분 안에 끝낼 수 있다. 반면 전기차의 경우 이에 해당하는 메커니즘이 매우 다르다. 배터리 충전 프로세스를 관리하고 최적화하는 일은 차량 및 충전소 제조업체에서 처리하는 주요 업무 중 하나다. 대체 에너지원과 미래의 스마트 전력 공급망으로의 전환이라는 관점에서 볼 때, 충전 작업은 언뜻 보기와 달리 훨씬 더 복잡하다. 충전소에서 사용 가능한 전력, 배터리 상태 및 충전 수요와 같은 기본 정보를 고려해야 할 뿐만 아니라, 예를 들어 충전 시 사용 가능한 에너지 자원 등 보다 복잡한 정보도 고려해야 한다. 또한 비용 최적화, 결제/청구 방식, 안전은 물론 사용자 인증은 어떻게 할 것인지, 짧은 시간 내에 가능한 한 많은 전기 에너지가 차량에 필요한지, 퇴근 후 또는 장시간 쇼핑이 끝날 때까지 몇 시간에 걸쳐 충전 작업을 연장할 수 있는지 등과 같은 기타 문제와 관련된 측면들도 중요하게 고려해야 할 사안이다. 

ISO/IEC 15118에 따른 스마트 충전의 경우, 차량 소유자, 에너지 공급업체, 충전소 제조업체, 그리고 환경까지 모두 고려한 최선의 방법을 제시하고 있다. 사용자가 차량을 가능한 최대 전력으로 충전하기 위한 단순한 충전 프로세스는 이제 곧 사라지거나, 남더라도 웃돈을 붙여줘야 이용할 수 있는 프로세스가 될 것이다. 전기차를 충전하려면 상대적으로 많은 양의 전력이 필요하기 때문에 주차장과 같이 수용률이 높은 장소에서는 상당한 양의 전력 수요가 발생하게 된다. 지능형 충전 프로세스에서는 이러한 점을 고려하여 전력 공급회사나 스마트 전력 공급망이 전력 수요에 따라 원활하게 대응할 수 있도록 공급에 필요한 시간을 제어하게 된다. 이러한 방식을 통해 부하가 최고치에 도달하는 시간대에 정전을 발생하지 않도록 할 수 있다. 


단 하나의 케이블 

스마트 충전에서 기본적으로 필요한 조건은 차량과 충전소 간의 신뢰할 수 있는 정보 교환이다. 이와 관련해 ISO/IEC 15118은 물리 계층으로서 HomePlug Green PHY를 제공한다. 이는 HomePlug AV에서 파생된 것이 전력선 통신(PLC) 방식이다. Home\-Plug AV는 가정에서 기존의 전기 배선을 통해 컴퓨터 및 오디오/ 비디오 구성요소를 네트워크로 연결할 때 널리 사용된다. TCP, UDP, IPv6, DNS, DHCP, TLS 등과 같이 IT 세계에서 잘 알려진 인터넷 프로토콜들이 모두 여기에 탑재된다. 전력선 통신을 위한 초기 연결 설정은 다음에서 자세히 설명하도록 한다. 


연결 설정 

ISO/IEC 15118에 따른 높은 수준의 통신 범위 내에서 차량이나 항공기와 충전기 간의 초기 연결 설정은 매우 중요한 이벤트이다. 운전자가 자신의 차량을 충전기에 연결하자마자 원하는 초기 목표는 보안 AVLN(AV 논리 네트워크)에 가입하는 것이다. 각 AVLN는 NID(네트워크 ID)로 표시된다. NID 외에도 AVLN의 각 노드에는 암호화된 통신을 위해 NID 매칭 네트워크 멤버십 키가 필요하게 된다. 

통신 설정을 시작할 때 차량은 가능한 모든 네트워크 노드에 Ethernet 브로드캐스트 메세지를 전송한다. 이 신호를 수신하는 모든 충전기는 Ethernet 유니캐스트 확인으로 이에 응답한다. 단 하나의 물리적 공급 케이블이 여러 충전기에서 사용될 수 있기 때문에 프로토콜을 통해 차량과 연결된 해당 충전기를 찾게 된다. 또한 차량과 물리적으로 연결되지 않은 다른 충전기도 원하지 않는 누화로 인해 응답할 수도 있다.

HomePlug Green PHY의 소위 SLAC(신호 레벨 감쇠 특성화) 메커니즘은 물리적으로 연결된 충전소를 식별하기 위해 정확하고 신뢰할 수 있는 프로세스를 보장한다. SLAC는 요청이 항상 전기차에서 전송되고 이에 대한 요청/응답 방법에 따라서만 작동한다. 동시에 차량과 충전기는 동일한 SLAC 세션의 모든 후속 메시지에 포함되어야 하는 고유한 식별자인 RunID를 통해 서로를 확인하게 된다. 

SLAC를 통한 연결 설정은 예를 들어 ‘사운딩 단계’, ‘감쇠 특성화 단계’, ‘검증 단계’, ‘매칭 단계’ 및 ‘진폭 맵 교환 단계’와 같은 다양한 단계를 통해 순차적으로 진행된다. 차량은 SLAC 매커니즘을 이용해 다양한 수준의 신호 감쇠를 기반으로 응답하는 여러 충 전소 중에서 자신이 물리적으로 연결돼 있는 충전소를 식별할 수 있다. 이 프로세스가 끝나면 전기차와 충전소가 공유 AVLN을 형성하고, 이를 통해 상위 프로토콜 계층이 암호화된 정보로 교환한다.
 

임베디드 시스템 

자동차 산업과 충전 인프라 제조업체의 주요 과제는 ISO/IEC 15118을 준수하는 제품을 설계하는 일이다. 자동차 제조업체가 충전 LRU를 개발할 때 기능적 결과를 가장 빠르게 얻을 수 있는 방법은 벡터의 MICROSAR.Charge와 같이 기성품이면서 현장 테스트를 거친 임베디드 솔루션을 사용하는 것이다. MICROSAR. Charge(그림 1)는 기본 소프트웨어 모듈들로 구성된 클러스터로서 AUTOSAR와 호환된 제품군의 일부이기 때문에 사용자는 자신의 정확한 요구사항에 맞춰 LRU 소프트웨어 패키지를 조합할 수 있다. 



그림 1 | MICROSAR.Charge에는 차량과 전력공급망 간의 통신을 위한 소프트웨어 모듈이 포함되어 있다.



MICROSAR.Charge는 다양한 ISO OSI 계층에서 모든 기술 및 프로토콜을 지원하는데, 이 경우 ISO/IEC 15118 및 DIN 70121에 따라 AC 및 DC 전압으로 충전할 때 ISO OSI 계층이 필요하다. 여기에는 HomePlug Green PHY에 대한 적절한 하드웨어 지원과, 미래에도 사용이 보장되는 IPv6 및 IPv4용 TCP/IP 이중 스택의 구현도 포함된다. 충전소 제조업체에서 사용하는 스마트 충전 통신을 vSECClib라고 한다(그림 2).




그림 2 | vSECC는 ISO/IEC 15118 준수 충전 통신을 사용하는 인프라용 충전 컨트롤러이다. 


임베디드 리눅스에 기반한 vSECClib 는 모든 ISO/IEC 15118/DIN 70121 관련 구성요소(SLAC, EXI 및 메시지 시퀀스)를 포함한다. 자체적인 하드웨어 개발을 원치 않는 고객에게는 충전 컨트롤러 vSECC가 이상적인 솔루션이다. 이는 차량용 ISO/IEC 15118 및 DIN 70121을, 백엔드용 OpenCharge\-PointProtocol (OCPP) 2.0.1를, 그리고 전력 전자장치용 Ethernet 또는 CAS에 기반한 PowerElectronicProtocol을 지원한다(그림 3)



그림 3 | 시뮬레이션된 충전소를 가지고 실시할 온보드 충전기 LRU에 대한 자동화된 테스트 셋업의 예 



스마트 충전 개발품을 테스트할 때는 특별한 주의를 기울여야 한다. ISO/IEC 15118 및 DIN 70121에 따른 충전 LRU는 오류 없이 차량 자체 전자장치에 통합되어야 할 뿐만 아니라 사실상 외부에 개방되어 있어 다른 전력회사 및 제조업체들이 관련된 다양한 충전 인프라와 직면하게 될 것이다. 완전히 호환되지 않는 시스템으로 인한 충전소 간의 ‘교착 상태’는 매우 비생산적이며 이모빌리티 활성화에 심각한 장애가 될 수 있다. 발생 가능한 모든 오류와 비호환성을 가려내려면 테스트 범위가 넓으면서 심층적인 테스트가 요구된다. 이러한 테스트는 예를 들어 벡터의 CANoe Test Package EV와 같은 강력한 테스트 툴을 사용해야만 가능하다.
 

새로운 테스트 요구사항을 마스터하기 

스마트 충전에는 테스트 시스템이 처리해야 하는 몇 가지 신기술이 포함돼 있다. 스마트 충전은 ISO/IEC 15118에서 사용되는 모든 방법에 대해 하드웨어 및 소프트웨어 지원이 가능해야 하고, 이러한 조건에서 필요한 모든 테스트 케이스를 처리할 수 있어야 한다. 스마트 충전은 전력선, HomePlug Green PHY 및 SLAC와 같은 메커니즘용으로 변조된 PWM 신호의 물리적 계층부터 인터넷 및 Ethernet 기술에 이르기까지 모든 ISO OSI 계층에 걸쳐 확장된다. 고성능 HIL 시스템은 SUT(테스트 대상 시스템) 를 테스트하기 위해 실제와 같이 완전한 시뮬레이션 환경을 제공할 수 있다. PLC 및 SCC(스마트 충전 통신) 방법 외에도 센서 및 액추에이터의 디지털 및 아날로그 값을 시뮬레이션해야 하는데, 이는 충전소나 차량이 사양에 따라 작동하는지 확인해야 하기 때문이다. 강력한 네트워크 시뮬레이션에서는 기본 LRU 로직과 함 께 CAN과 같은 차량 버스 상에서 추가로 이벤트를 생성한다. 

ISO/IEC 15118 및 DIN 70121에 따른 개발품을 테스트하기 위해 벡터는 VT System HIL 테스터용 플러그인 SCC 보드를 제공하고 있다. VT7870 보드(그림 4)는 두 가지 작동 모드를 제공하며, 전기차와 충전소 모두를 테스트하는 데 적합하다. 차량을 테스트할 때 HIL 시스템은 충전소를 시뮬레이션하는 한편, 충전소를 테스트할 때는 차량 전자장치를 시뮬레이션한다. 보드에는 QCA7000 칩셋이 탑재된 Devolo dLAN Green PHY 모듈이 포함되어 있는데, 이 모듈은 제어 파일럿을 위해 변조된 전력선 통신의 신호를 수신할 뿐만 아니라, 이 신호를 생성하는 데도 사용된다. VT System은 모듈식으로 설계되었기 때문에 유연하게 확장할 수 있고, 오류 시나리오, 단선 및 단락을 시뮬레이션할 수 있다. 실제 전류 및 전압으로 충전 테스트를 할 경우 제어 가능한 전원 공급장치와 전자 부하를 연결할 수 있다. CANoe.Ethernet 소프트웨어와 CANoe.SmartCharging 소프트웨어가 설치된 PC가 CANoe Test Package EV를 실행하는 데 사용된다. 필요한 경우 CANoe도 통신 버스 시뮬레이션을 수행한다. 자동화된 테스트 케이스는 강력한 테스트 설계 및 저작 툴인 vTESTstudio로 관리할 수 있다. 




그림 4| VT7870은 충전 통신의 ISO/IEC 15118에 따라 충전 통신을 테스트하는 스마트 충전 통신 모듈이다. 



혼합형 도시 항공 택시회사 운영에서 수익을 내는 데 성공하기 위한 핵심 요소 중 하나는 충전 프로세스의 표준화이다. SAE-AE7D와 같은 표준화 활동에 항공 시장의 리더들이 참여하고 있다는 것은 그들이 입증된 자동차 기술의 활용을 목표로 삼고 있음을 보여준다. 전기차와 충전소 시스템 모두에서 예상되는 성장이 통신 보급률이 고공 성장과 결합되면서 이들 조합으로 인한 복잡성 역시 가파르게 증가하고 있다. 그 결과 충전 컬럼과 차량 간의 상호 운용성과 적용 가능한 표준 준수에 대한 과제가 발생하고 있다. 이러한 과제를 해결하려면 신뢰할 수 있고 성숙한 제품 및 테스트 전략과 함께 테스트를 거쳐 조정된 구성요소와 툴이 필요하다. 벡터가 제시한 포트폴리오에서 E-모빌리티의 성공적인 확산을 보장하는 일관된 접근방식을 볼 수 있다.  [AEM] 

<저작권자(c)스마트앤컴퍼니. 무단전재-재배포금지>

PDF 원문보기

본 기사의 전문은 PDF문서로 제공합니다. (로그인필요)
다운로드한 PDF문서를 웹사이트, 카페, 블로그등을 통해 재배포하는 것을 금합니다. (비상업적 용도 포함)

  • 100자평 쓰기
  • 로그인


TOP