e모빌리티 성공의 핵심은 어떤 상황에서도 전기차를 편리하고 안정적으로 충전할 수 있게 하는 것이다. 스마트 충전은 e모빌리티의 미래를 제시한다. Software-in-the-Loop (SIL) 테스트는 스마트 충전과 같은 복잡한 개발 프로세스를 간소화하고 크게 속도를 낼 수 있다.

글 | 더크 그로스만(Dirk Großmann), 파비앙 에이젤(Fabian Eisele), Vector Informatik 


                                     *                                    ** 
* 더크 그로스만
벡터(Vector)의 고위관리자이며 벡터 이모빌리티 솔루션 개발을 담당하고 있다. 슈투트가르트 대학교에서 전기공학을 전공하고 ECU 소프트웨어 분야에서 6년간 자동차 개발 업무에 종사 후 2003년에 벡터 인포매틱에 합류했다.
** 파이앙 에이젤
벡터(Vector)에서 e모빌리티 부문 제품 관리자로 근무하고 있다. 충전소용 소프트웨어 라이브러리 컬렉션인 vSECClib를 담당하고 있으며, 2018년부터 ISO 내 ISO 15118-2 및 ISO 15118-20 담당 프로젝트팀의 프로젝트 관리자로 근무하고 있다.







지금 미래의 자동차 기술이 개발되고 있으며, 이는 특히 전기차로의 전환과 관련된다. 예를 들어, 미래에는 ISO 15118 스마트 충전을 준수하는 지능형 충전이 당연시되고 있다. 차량과 충전소 간 통신과 전력의 분배와 공급은 해결해야 할 주요 과제 중 하나다.
전력의 분배와 공급 문제는 더 많거나 높은 전력이 필요한 경우, 예를 들면 메가와트 충전 시스템(Megawatt Charging System, MCS)을 통해 전기트럭, 버스, 상용차를 충전하는 경우에 해당한다. 

벡터 e모빌리티 심포지엄 2023에서는 MCS, 양방향 전력전송(Bidirectional Power Transfer, BPT), 스마트 그리드 및 ISO 15118에 따른 규정준수 테스트 가능성과 결합 충전시스템(Combined Charging System, CCS) 등을 주요 주제로 다뤘다. 10주년 행사는 이모빌리티, 대체 에너지 생성, 전력망을 스마트 그리드로 전환하는 분야에서의 큰 발전과 관련한 의견교환과 네트워킹의 장이 됐다. 자동차 업계와 공급업체, 인프라 제조업체, 에너지 공급업체, 반도체 산업, 과학 및 연구 분야의 참가자들도 소통과 연결의 기회가 됐다.
e모빌리티 성공의 핵심은 어떤 상황에서도 전기차를 편리하고 안정적으로 충전할 수 있게 하는 것이다. 스마트 충전이라는 용어는 충전의 미래를 제시한다. 차량이 충전소에 연결되면 즉시 차량과 인프라 간의 통신이 시작되고, 시스템은 요금, 지불 방식, 충전 파라미터를 결정하고 자동으로 에너지를 전송하기 (자동과금충전) 시작한다. 당연히 운전자의 요구사항, 예를 들어 휴식 시간이나 원하는 충전 전력을 고려해서 말이다.




그림 1 | 벡터 이모빌리티 심포지엄은 이모빌리티 분야 최신 발전 동향에 대한 정보교환을 위해 열린다.



전력망에 에너지가 일시적으로 부족하게 되면 충전 전력이 감소하거나 충전이 일시 중단된다. 병목 현상이 끝나면 지능형 시스템이 자동으로 충전 프로세스를 재개한다. 미래에는 전기차가 전력망에 에너지를 다시 공급할 수도 있게 된다. 예를 들어 정전 시 집에 전력을 공급하거나 에너지 부족 시 전력망을 안정화시킬 수 있다.


CCS 충전통신: ISO 15118-2에서 ISO 15118-20까지   

위에서 설명한 이야기는 아직은 대부분 미래에 대한 비전이지만, 기술적 프레임워크가 이미 정의돼 있기 때문에 곧 현실이 될 수 있다. 이를 위한 선행조건은 차량 및 인프라의 광범위한 표준화다. 

지금까지 유럽과 북미에서는 하나의 통일된 플러그 연결을 통해 AC충전(단상 ~ 3상)과 더 높은 전력의 DC충전을 모두 지원하는 결합 충전시스템(Combined Charging System, CCS)에 대한 합의가 이뤄졌다. 미국에서 테슬라가 제안한 북미 충전 표준(NACS)은 커넥터에서 CCS1과 다르지만 동일한 통신 프로토콜인 DIN SPEC 70121 및 ISO 15118을 기반으로 한다. 사용자 단체인 CharIN e.V.는 CCS의 유지관리 및 추가 개발을 담당한다. CCS의 고급 통신은 ISO 15118에서 표준화됐었으나 ISO 표준은 차량과 충전소 간의 통신으로 제한된다.

2022년에 담당 위원회는 ISO 15118-2를 계승한 ISO 15118-20을 발표했다. 이 표준은 미래 e모빌리티에 필수적인 추가 기능으로 기존 표준을 보완한다. 여기에는 전력망으로 에너지를 다시 공급할 수 있는 양방향 전력전송(Bidirectional Power Transfer, BPT), 케이블 없이 유도충전을 하기 위한 무선 전력전송(Wireless Power Transfer, WPT), 자동 연결장치 팬터그래프(Automatic Connection Device Pantograph, ACDP)가 포함된다. 

ACDP는 전기버스와 같이 팬터그래프를 통해 고전력 전도성 충전을 제어한다. ISO 15118-20의 또 다른 혁신은 TLS 1.3을 통한 예약, 동적 제어 모드, 통신 필수 암호화다. WPT 및 ACDP는 무선통신으로만 구현할 수 있으므로 물리 계층의 옵션은 IEEE 802.11n에 따라 WiFi로 보완됐다(그림 2). MCS의 경우 Differential HomePlug-GreenPHY 및 IEEE 802.3cg(10BASE-T1S) 기술이 현재 물리 계층에 대한 추가적인 유선 옵션으로 평가가 진행중이며 작업그룹에서 등급을 검토하고 있다.




그림 2 | ISO 15118-2와 ISO 15118-20의 비교



MCS 충전전력 증가      

매우 높은 충전 용량이 필요한 상황에 대해 현재 표준으로 자리 잡고 있는 메가와트 충전 시스템(MCS)이 주로 고려되고 있다. 중량물/장거리 운송의 경우, MCS는 무공해 운송물류의 핵심 역할을 한다. MCS는 CharIN에서 출시했으며, 기술적으로는 CCS와 관련 있지만, 자체 플러그를 갖춘 독립적인 시스템을 말한다. 사양은 현재 신속히 정하려고 하고 있다. 

즉, MCS는 플러그 연결을 통해 최대 1,250V DC 및 최대 3,000A 전류로 충전을 가능해야 하며, 따라서 미래 세대 차량에도 대응할 수 있어야 한다. CharIN 웹사이트에서 다운로드할 수 있는 MCS 백서에서는 차량 제조업체가 커넥터(그림 3)를 차량 오른쪽 허리 높이에 배치할 것을 권장한다. 이 시스템은 예를 들어 로봇 팔을 사용해 플러그 연결이 자동화될 수 있도록 설계해야 한다. CSS와 달리 IEC는 차량과 충전소 간의 MCS 통신을 위한 물리적 계층으로 10BASE-T1S를 선택했다. MCS의 사용 사례로는 대형 차량 외에도 전기선박, 항공기, 광산 차량 등이 있다.
2039/2040년부터 트럭 제조업체는 무배출 차량만 판매한다는 계획이다. 주행거리가 400 km가 넘는 전기트럭이 2024년 초에 유럽 시장에서 출시될 예정인데, 몇 년 전만 해도 상상도 할 수 없던 이야기였다. MCS가 최대 3.75 MW의 충전 전력을 공급할 수 있어 운전자가 의무적으로 휴식을 취하는 동안 40톤 트럭을 30 ~ 40분 안에 충전할 수 있다. 유럽의 3대 트럭 제조업체인 Daimler Truck, Volvo Truck, Traton은 2040년까지로 계획한 목표를 달성하기 위해 2022년 7월 공동으로 Milence를 설립했다. 




그림 3 | MCS 커넥터의 예상 기하학적 구조



Milence는 장거리 운행용 트럭 인프라의 구축, 운영, 전기화를 가속화하는 것을 목적으로 한다. 이 인프라에는 MCS 충전소는 물론 주차장과 충전공원을 갖춘 완전한 트럭 휴게소, 식당, 휴식 시설이 포함되며, 운전자가 가능한 한 쾌적하게 정차하여 충전 중 휴식을 취하게 하는 것을 목표로 한다. 또, 이를 통해 장거리 트럭 운전사라는 직업의 매력을 다시 높이고자 한다. 사실, 전문가 부족 현상과 마찬가지로 유럽 전역에서 트럭 운전사가 부족한 상황이다. Milence는 설립 후 5년 안에 MCS 표준을 준수하는 충전소를 최소 1,700개 설치할 계획이다. 교통 허브에는 최대 64개의 주차 공간이 있는 시설을 계획하고 있으며, 그리드 연결 용량은 40 MW 정도가 될 것이다.


The Smart Grid Needs BPT      

충분한 전력을 안정적으로 공급하는 것은 앞으로 해결해야 할 주요 문제 중 하나이며, e모빌리티가 이에 중요한 역할을 할 것이다. 전력망은 주어진 시점에 발전기가 소비자 측에서 소비한 에너지만큼을 공급한다는 원칙을 기반으로 운영된다. 재생 에너지원이 충당하는 비율이 증가함에 따라 바람이 불지 않거나 날씨가 매우 좋지 않을 때 부족하게 되는 에너지를 어떻게 보충할 것인가에 대한 문제가 발생한다. 전력망 자체로는 전기를 저장할 수 없기 때문에 외부 저장 솔루션이 필요하다.

이런 측면에서 ISO 15118-20과 함께 도입된 BPT가 필요하게 된다. ISO 15118-20을 준수하는 지능형 충전을 통해 그리드 운영자는 충전 프로세스를 조절하거나 일시 중지하거나 완전히 중지할 수 있다. 이제 BPT를 통해 차량 배터리에서 그리드로 다시 전력을 공급할 수도 있다. 비상시 차량의 배터리가 방전되지 않도록 하기 위해 하한을 설정할 수도 있다. 즉, 최소 범위 내에서는 항상 사용할 수 있다. 차량 소유자가 BPT를 사용함으로써 얻을 수 있는 보상은 좋은 가격으로 충전할 수 있고 전기가 부족할 때 더 높은 가격으로 에너지를 판매하여 전기 비용을 줄이는 것이다. 또, BPT는 정전 시 스마트 홈에 비상 전원을 공급하거나 도로변에서 배터리가 방전된 전기차를 지원할 수 있다.
BPT만으로는 스마트 그리드를 운영하기에 충분하지 않지만, 바이오가스 플랜트, 양수식 발전소, 연료전지 등 다른 분산형 저장 시스템과 결합하면 그리드를 안정화하는 데 크게 기여할 것이다. 

칼스루에 공과대학(Karlsruhe Institute of Technology, KIT)의 과학자들은 미래의 전력망을 어떻게 구성할지와 그 기능을 자세히 연구하고 있다. 칼스루에 공과대학의 에너지 랩 2.0은 학제간 인프라를 갖춘 연구 프로젝트이다. 태양광 발전소, 지열 에너지, 다양한 합성 및 전기 분해 플랜트를 활용하여 에너지를 생산하고 변환할 수 있다. 또, 배터리, 가스(메탄, 수소), e퓨얼, 플라이휠 저장장치와 같은 다양한 에너지 저장기술이 있다. 연구원들은 개별 장치 또는 시설의 디지털 모델을 만들고 더 큰 전반적인 시스템 또는 마이크로그리드에서 이런 장치의 동작을 시뮬레이션하고 있다.


개발자를 위한 변경       

ISO 15118-2의 단점은 소위 스키마라고 하는 메시지 구조에 작은 변경사항이 있으면 다른 버전 간의 비호환성을 초래한다는 것이다. 그 이유는 Efficient XML Interchange(EXI) 기술 때문인데, ISO 15118-20을 사용하면 각 로딩 유형(AC, DC, WPT 등)에 대해 다른 스키마에 종속성이 없는 별도의 스키마가 사용되므로 이런 문제가 많이 줄어든다. 따라서 서로 독립적으로 업데이트할 수 있게 된다. 예를 들어 AC를 사용하는 BPT에 파라미터를 추가해야 하는 경우 이 스키마만 업데이트하면 된다. AC를 사용하지 않는 모든 시스템은 이런 변경으로부터 영향을 받지 않는다. 또, 기존 로딩 유형에 영향을 주지 않고 향후에 로딩 유형을 추가할 수 있다.


SIL 테스트를 활용한 합리적인 개발      

일반적인 절차라는 것은 보통 스마트 충전을 위한 개발 프로세스가 연장된다는 것을 의미한다. 공급업체는 소프트웨어의 새로운 버전을 만들어 제어장치에 설치하고 테스트한다. OEM도 소프트웨어를 받은 후 제어장치에 통합해 테스트해야 한다. OEM이 오류를 발견하면 공급업체는 처음부터 다시 시작해야 하며, 이 과정은 여러 번 반복될 수 있다. 

Software-in-the-Loop (SIL) 테스트를 통해 스마트 충전과 같은 복잡한 개발 프로세스를 간소화하고 크게 속도를 낼 수 있다. SIL 테스트를 통해 개발 프로세스에서 훨씬 빠른 시점에 하드웨어 없이 가상 ECU에서 소프트웨어를 테스트할 수 있으므로 HIL 테스트를 최적으로 보완할 수 있다. Vector CANoe Test Package EV 또는 EVSE로 만든 테스트 케이스는 CI/CT 상황에서 SIL 테스트와 수용 테스트(HIL 테스트)에 모두 적용할 수 있다. CANoe Test Package EV 또는 EVSE는 전기차 및 충전소의 적합성 및 상호운용성 테스트를 위한 것이며 CCS, NACS, GB/T, CHAdeMO 표준에 대응한다.


개발자를 위한 새로운 사용자 그룹

업계의 많은 개발자가 현재 ISO 15118-20을 구현하기 시작했으며, 많은 질문과 의문사항이 있다. 이에 따라 특히 ISO 15118-20를 둘러싼 문제에 대해 새로운 사용자 그룹이 만들어졌다. 모든 개발자와 관심 있는 분은 아래 주소를 통해 무료로 가입한 후 질문, 토론 등을 통해 그런 문제와 의문을 해결할 수 있다: https://iso15118.elaad.io/pt2/15118-20/user-group/