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전기자동차 충전인프라 표준분석 및 대응전략

페이지 정보

글 : desk(webmaster@global-autonews.com)
승인 2015-02-13 01:35:53

본문

1. 서론

전기자동차 충전인프라 표준을 리드하는 국제표준화 기구 IEC TC 69(Electric Road Vehicles and Electric Industrial Trucks)에서는 충전시스템, 충전인터페이스, 통신프로토콜 등에 관한 사항을 다루고 있다. 또한 다른 TC와의 공동 워킹그룹(Joint Working Group)을 통해서 전력선(Power Line Communication) 통신, 전기자동차용 리튬이온 배터리 등에 관한 사항도 개발하고 있다. 현재 TC 69에서 추진하는 표준개발의 주요사항들은 기술적 사항들이 대부분 제정 작업이 마무리 되어가고 있는 단계이며 특히 전기자동차 충전방식과 충전인터페이스 방법, 통신방법 등 전기자동차 운행 및 소비자의 안전과 밀접한 기술사항을 다루고 있어 각국의 기술을 표준에 반영하는 노력에 따라 표준의 제?개정이 빠른 속도로 진행되고 있다.

글 / 이현기 (한국스마트그리드협회?)
출처 / 오토저널 2014년 11월호

전기자동차의 운행과 관련된 최소한의 기본적 표준(충전방식, 인터페이스 등)이 마무리됨에 따라 TC 69는 무선통신, 배터리 교환방식, V2G(Vehicle to Grid)를 위한 요구사항, 휴대용 충전장치, 충전시스템 모니터링 등 전기자동차 운행에 필요한 서비스 측면의 표준들이 신규로 제안되거나 관련된 프로젝트(Project) 팀이 운영되고 있다. 전기자동차 충전인프라는 전기자동차의 보급?확산을 위해 가장 우선적으로 고려해야할 사항으로 이에 대한 표준마련은 각국의 관심사이자 빠르게 해결해야 할 중요한 사항이다.

본 고에서는 전기자동차 충전인프라 관련 표준들의 주요 내용을 설명하고 향후 추진 예정인 표준들에 대해서도 간략하게 서술하고자 한다.

2. 전기자동차 충전 표준화

2.1 충전시스템

전기자동차를 충전하기 위한 설비 표준은 크게 4종의 표준이 제?개정을 진행하고 있으며 교류/직류 콤보 충전방식 추가로 인하여 기존의 충전시스템을 개선?보완한 표준을 개발하고 있다.

충전시스템의 기본표준인 IEC 61851-1(Electric Vehicle Conductive Charging System - Part1 : General Requirements)은 충전시스템의 정격전압 및 전류, 충전 연결방식, 충전모드, 충전인터페이스 등 일반적 사항을 다루고 있으며 탑재형 충전기의 전기자기 적합성에 관한 표준은 IEC 61851-21-1(Electric Vehicle Onboard Charger EMC Requirements for Conductive Connection to a.c./d.c. Supply)에서, 직류 충전기 전기자기 적합성의 경우 IEC 61851-21-2(EMC Requirements for Off Board Electric Vehicle Charging Systems)에서 각각 다루고 있다.

IEC 61851-23(D.C. Electric Vehicle Charging Station)에서는 Off-Board Charger 충전시스템에 대한 표준이 개발되고 있다. 본 표준은 주로 전기자동차-직류 충전시스템간의 요구사항을 다루고 있으며 전기적 안전, 감전보호, 연결 요구사항, 커플러 특정 요구사항, 케이블 어셈블리 요구사항, 전기자동차 EVSE(Electric Vehicle Supply Equipment) 요구사항, 통신 일부사항을 다루고 있다. 또한 일본 차데모 방식, 중국 방식, 교류/직류 콤보 방식에 대한 충전시스템 및 구성도는 부록으로 구체적으로 다루고 있다.

2.2 충전 인터페이스

전기자동차 충전에 있어 가장 중요하고 해결해야 할 사항은 물리적 인터페이스 형상을 결정하는 것이다. 충전형상(커넥터 및 인렛)의 표준개발 초기에는 교류 충전과 직류 충전 각각의 형상에 대한 표준이 개발이 되었으나 기술개발 과정에서 교류 충전과 직류 충전을 결합한 콤보 형태의 형상이 미국과 유럽에서 제안되어 현재는 다양한 충전형상이 표준화되어 있는 상황이다.

충전형상 표준은 IEC 62196 표준시리즈를 통해 개발되고 있으며 IEC 62196-1(Plugs, Socketoutlets, Vehicle Connectors and Vehicle Inlets - Conductive Charging of Electric Vehicles - Part 1 : General Requirements)에서는 충전인터페이스의 일반요구사항, IEC 62196-2(Plugs, Socket-outlets, Vehicle Connectors and Vehicle Inlets - Conductive Charging of Electric Vehicles - Part 2 : Dimensional Compatibility and Interchangeability Requirements for A.C. Pin and Contact-tube Accessories)는 교류 충전 전용 인터페이스에 대한 요구사항 및 형상치수, 시험방법을 다루고 있고, IEC 62196-3(Plugs, Socket-outlets, Vehicle Connectors and Vehicle Inlets - Conductive Charging of Electric Vehicles - Part 3 : Dimensional Compatibility and Interchangeability Requirements for D.C. and A.C./D.C. Pin and Contact-tube Vehicle Couplers)에서는 교류/직류 겸용 및 직류 충전 전용 인터페이스에 대한 요구사항, 형상치수, 시험방법 등에 대해 다루고 있다.

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IEC 62196-2의 Type 1은 한국, 일본, 미국 그리고 유럽의 일부지역에서 적용됨을 알 수 있으며 직류 커넥터는 한국과 일본이 IEC 62196-3에 나타난 제품을 사용하고 있고 미국은 새로운 형태인 콤보 1을 채택하고 있다. 유럽은 콤보 2 방식을 채택하고 있으며 미국과 유럽은 CCS(Combined Charging Systems)을 발족하여 콤보 방식에 통신방식을 PLC(Home Plug Green Phy)로 통일하 여 추진하고 있다.

2.3 충전 프로토콜

전기자동차 충전시에는 소비자의 안전에 관한 사항과 서비스 제공을 위하여 표준화된 통신방식이 필요로 하게 된다. 충전 프로토콜은 크게 차데모 방식에서 활용하는 CAN 통신 방식과 콤보방식 등에서 활용될 PLC 방식의 두가지 방식의 표준개발이 진행되고 있다.

차데모 방식의 CAN 통신은 IEC 61851-24를 통해서 국제표준이 완료된 상태이며, ISO/IEC JWG 15118 표준에서는 이를 V2G 통신인터페이스 표준으로 개발이 진행되고 있다. 15118 표준은 기능적인 측면에서는 Low-level 전기자동차 통신, High-level 전기자동차 통신, 교류 충전통신, 직류 충전통신으로 나눠서 고려할 수 있다.
Low-level 전기자동차 통신은 PWM에 기반으로 최대로 가용한 전류 정보를 전송하기 위한 것으로 전기자동차 충전에서 가장 기본적인 통신 방식이다. 대다수의 초기 전기자동차 충전은 이러한 충전 통신 방식을 사용할 것이며, 상호운용성 확보를 위해서 전기자동차에서 반드시 지원되어야 하는 최소한의 기능이라 할 수 있다. 

High-level 전기자동차 디지털 통신은 전기자동차 충전과 관련된 다양한 응용들(충전의 시작(초기화)과 종료, 통신채널 설정, 과금 및 지불, 인증 및 보안, 충전 제어 및 스케쥴링, 차량 부가서비스)에 필요한 데이터 교환을 위해 정의하고 있다. 또한 전기자동차의 배터리 시스템과 그리드 입장에서 최적화된 전력 송수신, 그리고 더 나아가 그리드와의 실시간 전력 수요/공급 조절 등을 가능하게 해 줄 것이다. ISO/IEC JWG 15118의 표준 V2G 통신 프로토콜의 특성은 다음과 같다.

① Layer 7 : 응용계층으로 스마트 충전을 위한 메시지를 정의하며, SEP 2.0의 전기자동차 관련 응용 프로토콜에 대비되는 기능을 가짐
② Layer 6 : XML 혹은 JSON을 적용하여 메시지를 표현하며, 이들의 압축을 위해 EXI를 고려함
③ Layer 5 : 세션계층으로 IP 기반의 자동차 진단을 위해 정의된 DoIP(ISO 13400)를 약간 변형하여 적용함
④ Layer 3, 4 : 통상의 TCP/IP 스택과 함께 전기자동차와 충전시스템 사이의 종단 간 연결의 보안성을 확보하기 위해 TLS를 채택함
⑤ Layer 1, 2 : 물리 및 데이터 링크계층으로 PLC 기술을 적용

ISO/IEC JWG 15118 표준은 8개의 파트로 나눠서 표준이 개발완료 또는 개발 중에 있다. 15118-1(Road Vehicles - Vehicle to Grid Communication Interface - Part 1 : General Information and Use-case Definition)에서는 일반적인 정보와 활용사례를 정의하고 있으며 주로 통신개념, 사용자 요구사항, 제조사 요구사항, 전력회사 요구사항을 다루고 있고, 활용사례 관련해서는 충전 프로세스의 시장, 통신 Set-up, 인증, 사용자 인증, 충전 스케줄링, 충전제어 및 재 스케줄링, 부가서비스, 충전 프로세스 종료 등에 관한 활용사례를 정의하고 있다.

15118-2(Road Vehicles - Vehicle-to-Grid Communication Interface - Part 2 : Network and Application Protocol Requirements)에서는 OSI 7 Layer 중 3~7계층에 관한 요구사항을 정의하고 있으며 주요내용은 RFC 사용, XML 스키마 다이어그램, V2G 통신 기본 요구사항, 보안,Data link, Network, Transport, V2G Transfer, Presentation, Application Layer에 대한 요구사항을 다루고 있다.

15118-3(Road Vehicles - Vehicle to Grid Communication Interface- Part 3 : Physical Layer and Data Link Layer Requirements)에서는 전기자동차-전기자동차 충전시스템간의 PLC 통신 중 물리계층 및 데이터 링크 계층의 요구사항을 다루고 있으며 통신은 HPGP(Home Plug Green Phy)를 사용하는 것으로 추진되고 있는 상태이다.

3. 전기자동차 관련 신규 표준

전기자동차의 운행을 위해서는 위에 언급한 바와 같이 충전시스템, 인터페이스, 관련 통신방식을 개발하면 되지만 전기자동차는 단순 전기를 충?방전하여 사용하는 자동차의 의미뿐만 아니라 분산에너지와 같은 역할, 계통으로의 역 전송 등을 수행할 수도 있다. 미국, 중국, 독일, 덴마크 등에서는 이에 대한 많은 R&D 및 실증들이 진행되고 있고 국제표준에서도 이와 관련된 신규 표준들이 제안 및 개발되고 있다. IEC TC 57에서는 전기자동차를 유틸리티(Utility) 측면에서 접근하여 전기자동차를 전력계통과 연계하기 위한 표준이 진행되고 있다.

IEC 61850-90-8(IEC 61850 Object Models for Electrical Mobility)로 개발되는 표준은 전기자동차를 전력계통에서 활용되는 IEC 61850 통신프로토콜과의 연계를 위한 표준이 제정되고 있고, 또한 전기자동차의 배터리를 분산형 전원으로 활용하여 계통으로 역전송하기 위한 표준(Electric Vehicles Conductive Charging Systems - Part 2x : Bi-directional D.C. Charging Station)을 중국에서 제안하여 현재 NP(New Work Items)가 투표 중에 있다.

본 표준은 직류 충전기를 통해서 계통으로 역전송하기 위한 요구사항을 다루고 있으며 주로 충방전 제어, 양방향 전송, 계통 인터페이스, 보호기능, 적합성 테스트 등에 관한 표준을 다룰 예정이다. 전기자동차의 보급 및 확산이 됨에 따라 충전시스템을 유지?관리하고 소비자의 최적의 서비스를 제공하기 위해서는 충전시스템의 모니터링 시스템이 필요로 하게 된다. 모니터링 시스템에는 충전데이터 수입 및 상태정보, 원격제어 및 파라메터 수치화, 데이터의 처리, 저장, 관리에 대한 부분, 이벤트 기록, 소비자 관리, 시간동기화 등 소비자의 편의를 위한 표준내용들이 반영될 것으로 예상되고 있다.

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마지막으로 전기자동차 휴대용 충전장치에 대한 표준이 개발?진행되고 있다. 현재의 전기자동차는 별도의 충전기를 통해서만 충전이 가능하지만 현재 개발되는 표준은 가정, 직장, 주차장 등에서 일반 콘센트에서 충전할 수 있도록 충전장치를 개발하고 있다. IC-CPD(In-Cable Control and Protection Device for Mode 2 Charging of Electric Road Vehicles)의 명칭으로 개발되는 표준은 충전케이블에 제어 및 보호장치를 장착하여 충전기가 아닌 일반 콘센트에서 충전이 가능하도록 하는 표준이다. 본 표준은 케이블을 담당하는 IEC SC 23E 위원회에서 담당하고 있으며 현재 CDV(Committee Draft for Vote) 단계를 진행하고 있다.

4. 결론

전기자동차는 각국의 연비규제 강화에 따른 환경변화에 대한 대응책이자 테슬라 전기자동차 비즈니스 전략 성공 등 자동차 산업의 새로운 비즈니스 발굴이 가능한 산업이다. 또한 자동차산업 뿐만아니라 다른 주변산업과 융합하여 새로운 가치를 창출할 수 있는 매력적인 산업으로 거듭나고 있다. 또한 전기자동차는 다른 산업과 달리 소비자와 아주 밀접하게 연관이 있는 산업으로 성공여부는 전적으로 소비자의 선택에 달려있다.

표준개발에 있어서도 모든 주요 관점은 소비자의 안전을 고려함은 물론이고 소비자의 기대치에 부응할만한 서비스 발굴이 필요해 보인다. 전기자동차 보급?확산에 필요한 1차적 표준은 대부분 제정이 완료 또는 완료예정 단계로 이제는 소비자 니즈에 부합할 수 있는 서비스 모델 발굴이 필요한 시점이라 생각된다. 신규 표준개발 현황을 보더라도 대부분의 표준들이 전기자동차를 활용한 타 분야와의 연계, 소비자를 고려한 편의성 중심의 서비스 표준임을 알 수 있다. 국내 전기자동차 이해관계자들도 서비스 표준기반의 비즈니스 모델 발굴을 위한 방향성 전환이 요구되며 그 시작은 지금 표준화 회의에 참여하는 것이다.
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