개요

 

이 글은 타입 2 전기차 충전 장비(electric vehicle supply equipment, EVSE) 설계에 초점을 맞추고 있다. EVSE를 설계할 때 따라야 하는 규정은 IEC 61851-1 표준에 명시되어 있으며, EVSE 타입 2 세부 규격은 보충 표준인 IEC 62752에서 확인할 수 있다. 이 글에서 제시하는 가이드라인은 이들 표준을 따르며, 아나로그디바이스(ADI)의 새로운 레퍼런스 디자인을 예시로 go 구체적으로 설명된다. 충전 세션 동안 전기차(EV)와 EVSE 간의 협상 과정은 제어 파일럿(control pilot, CP) 파형을 통해 나타나며, 표준에서 정의한 상태들을 중심으로 설명된다. 파형과 함께 제공되는 디버그 메시지는 가이드라인의 타당성을 입증하고 EV 충전 과정을 더 잘 이해할 수 있도록 도와주며, 그 결과 설계 과정을 보다 수월하게 만든다.

 

머리말

 

전기차 시장은 기하급수적으로 꾸준히 성장하며, 2030년까지 약 5억 대의 전기차가 도로 위를 달릴 것으로 예상된다. 국제에너지기구(IEA)가 발표한 데이터를 살펴보면, 이러한 수치는 현실적인 수치로 보인다. 예를 들어, 2022년과 2023년 사이 배터리 전기차(BEV)와 플러그인 하이브리드 전기차(PHEV)의 합산 판매량은 1020만 대에서 1380만 대로 35% 증가했다. IEA는 또 이 판매량이 2030년에는 연간 4070만 대, 2035년에는 5650만 대에 이를 것으로 전망하고 있다. 기후 변화와 인구 밀집 지역의 대기 오염 문제는 고효율과 대기오염 물질을 전혀 배출하지 않는 교통수단에 대한 수요를 견인하는 주요한 요인이다. 향후 EV 수의 급속한 증가가 예상되는 만큼, 시장은 단순히 수요에 대응하는 차원을 넘어, 경제성, 안전성, 환경 영향을 모두 고려한 가장 효율적인 충전 솔루션을 제공할 수 있어야 한다.

 

SolarOnEV가 세계 여러 지역을 대상으로 조사한 바에 따르면, 대부분의 자가용 자동차 사용자는 하루 평균 약 30마일 정도만 운전하기 때문에 저전력 충전 수준으로도 충분하다고 평가된다. 미국의 경우, 이 데이터는 스태티스타와 연방 고속도로청(FHWA) 데이터베이스를 기반으로 한다. 자가용 전기차 충전소의 경우, 신차 구매 시 함께 제공되는 케이블 내 제어 및 보호 장치(IC-CPD)는 현실적인 솔루션이 될 수 있다. 이는 고전력 충전 설비의 설치 및 유지에 드는 높은 비용을 줄일 수 있기 때문이다. 현재 충전 솔루션이 점점 복잡해지고 있는 상황에서, 앞으로는 EV 시장뿐만 아니라 충전 장비 시장도 함께 성장할 것으로 보인다.

 

전기차 충전 장비(EVSE)란 무엇이며, 어디에 사용되는가?

 

EVSE는 사용자가 플러그인 하이브리드 전기차(PHEV)나 배터리 전기차(BEV)를 안전하게 충전할 수 있도록 해주는 장치다. EVSE는 충전 출력 수준에 따라 분류되며, 이 충전 수준은 EV 관련 용어에서 전력 공급 방식, 관련 표준, 충전 시스템의 최대 출력 등을 의미한다. 이는 SAE J1772 표준에 따라 정의되며, 국제적으로는 IEC 62196-1을 통해 채택되고 있다.

 

모드 2 표준 기능

 

모드 2는 전기차를 교류(AC) 전원 네트워크의 표준 콘센트에 연결하는 방식으로, 제어 파일럿(CP) 기능과 감전 보호 시스템을 갖춘 AC EVSE를 표준 플러그와 EV 사이에 배치하는 것을 의미한다. IC-CPD로 구현되는 가장 중요한 기능은 감전 보호 기능이다. 이 기능은 적어도 A형 잔류전류장치(RCD)와 직류(DC) 전류 감지를 위한 보조 회로를 통해, 또는 B형 RCD를 통해 구현된다. 이 기능은 충전기가 실외 또는 공공장소에서 사용될 수 있고, 물과 접촉하거나 사람이 의도적 또는 우연히 만질 수 있는 환경에서 사용될 수 있기에 중요하다. 보호 접지(PE)는 반드시 확보되어야 하며, 고장이 발생할 경우 전원은 즉시 차단돼야 한다.

 

그림 1은 타입 2 IC-CPD의 일반적인 블록 회로도를 나타낸 것이다. 이를 기반으로 하는 회로도를 활용하면 IEC 61851-1 표준에서 요구하는 모든 필수 기능을 구현할 수 있다. 사용자가 어떤 솔루션을 선호하느냐에 따라 일부 블록은 추가되거나 제외될 수 있다. 예를 들어, 전류 트랜스포머를 통해 전류를 감지하는 경우, 마이크로컨트롤러 유닛(MCU)과의 인터페이스에서 절연 IC는 제외할 수 있다. 마찬가지로, 용접 감지 기능이 내장된 릴레이를 사용할 경우 별도의 용접 감지 회로는 생략할 수 있다.

 

 

ADI의 타입 2 EVSE

그림 2에 소개된 아나로그디바이스(ADI)의 타입 2 EVSE 블록 회로도는 단상 입력 전원의 전압 및 전류를 측정하여 용접 접점을 감지하기 위해 ADE9113 3채널 절연형 시그마-델타(Σ-Δ) ADC가 포함되어 있다. 안전한 작동을 위해 6mA DC/30mArms 수준의 RCD가 적용되어 있으며, 과전압, 저전압, 과전류, 과열, PE 감지, EV 다이오드 존재 여부도 탐지할 수 있다. 절연 기능이 통합되어 있어 마이크로컨트롤러(MCU)와의 연결도 용이하다. 시스템 제어를 위한 로직과 EV와의 CP 인터페이스 통신은 초저전력 Arm Cortex-M4 프로세서인 MAX32655가 담당한다. 또한 이 솔루션은 프로그래밍 및 디버깅 인터페이스도 함께 포함하고 있다. 블루투스 5.2 인터페이스를 통해 외부 기기와 무선 통신도 가능하다. MCU와 ADE9113 간의 통신은 SPI를 통해 구현된다. 

 

EVSE와 EV 간의 통신에 필요한 CP 신호는 MAX32655와 저잡음 제로 드리프트 특성을 가진 연산 증폭기(op amp)인 ADA4523-1을 통해 생성된다. 이 시스템은 단상 230V AC 입력 전원으로 작동한다. 절연형 AC-DC 스위칭 모드 전원공급장치(SMPS)가 사용되어 보드에 12V를 제공하게 되며, 이후 차량용 고효율 듀얼 동기식 벅 컨버터인 MAX20457을 이용해 전압을 5V와 3.3V로 낮춰 보드의 절연 구간에 전력을 공급한다. LT8330은 인버팅 설정에 사용되어 CP 신호의 저전위 측에 필요한 –12V 전압을 생성한다.

 

ADT75 12비트 디지털 온도 센서는 이 디바이스의 온도를 모니터링하며, 과열로부터 보호하기 위해 해당 정보를 MCU로 전송한다. 이 설계에는 오픈소스 소프트웨어 스택과 레퍼런스 애플리케이션이 함께 제공되므로, 사용자는 관련 표준을 충족하도록 검증된 구현을 기반으로 맞춤형 소프트웨어 개발을 바로 시작할 수 있다. 이 시스템은 IEC 61851 및 IEC 62752 표준을 충족하도록 설계되었다.

 

절연형 ADC

 

ADE9113은 션트 전류 센서를 사용하는 다상 에너지 측정 애플리케이션을 위해 설계된 절연형 3채널 시그마-델타 ADC다. 데이터 및 전원 절연은 ADI의 iCoupler 기술을 기반으로 한다. 이 IC는 세 개의 ADC 채널을 갖고 있다. 이 중 하나는 전류 감지를 위한 션트 저항의 전압을 측정하는 데 사용되고, 나머지 두 채널은 일반적으로 저항 분배기를 사용해 감지한 전압을 측정하는 데 사용된다. 이 애플리케이션에서는 전압 채널 중 하나가 릴레이 접점의 용접 여부를 감지하는 데 사용된다.

 

이 ADC는 통합된 절연형 DC-DC 컨버터인 isoPower 디바이스를 포함하고 있다. 이 DC-DC 컨버터는 ADC의 첫 번째 스테이지에서 요구되는 조절된 전력을 공급하며, 외부 DC-DC 절연 블록의 필요성을 없애 준다. 또한, iCoupler 칩 스케일 트랜스포머 기술은 ADC의 첫 번째와 두 번째 스테이지 사이의 로직 신호를 절연하는 데 사용된다. 그 결과, 소형 폼팩터면서 완전한 절연 솔루션을 제공할 수 있게 된다. 이는 ADC 출력, 설정, 상태 레지스터 등에 대한 액세스를 제공하여 마이크로컨트롤러와 연동할 수 있게 해준다. 클럭은 크리스털 또는 외부 클럭 신호로부터 제공받을 수 있다.

 

ADE9113의 핀 입력 범위는 전압 분배기 저항과 션트 저항에 대한 적절한 값을 선택함으로써 충족되어야 한다. 입력 범위는 ADC에 피크 투 피크(p-p) 의사 차동(pseudo-differential) 전압을 인가하여 풀 스케일 출력을 생성하는 데 필요한 값을 의미하며, IM 및 VxM 핀은 AGND(11번 핀)에 연결된다. 이 핀들은 안티앨리어싱 필터를 사용해 AGND에 연결된다.

 

납땜된 릴레이 접점 상태 감지

 

ADE9113의 두 번째 전압 입력은 납땜된 릴레이 접점 상태 감지에 사용된다. 그림 3은 ADE9113의 입력 채널 세 개에 연결된 회로에 대한 단순화된 LTspice 시뮬레이션을 보여준다. 여기서, R_contact는 릴레이 접점 저항값이다(릴레이가 열려 있는 경우는 그림 4, 닫혀 있는 경우는 그림 5 참조. 값은 시뮬레이션된 경우에 따라 달라진다). V1P, V2P, V1M, V2M, IP, IM은 ADE9113 채널의 입력이다. 230V 진폭의 입력 전압과 23Ω 부하가 인가된 경우, 릴레이가 열렸을 때와 닫혔을 때의 릴레이 상태 값은 표 1에 제시되어 있다.

 

릴레이 상태	V1P	V2P	IP
열림	305mV	0mV	0mV
닫힘	305mV	305mV	10mV

표 1 - 릴레이가 열리거나 닫힌 상태에 대한 ADE 채널 전압 및 전류 채널 값

 

 

 

 

그리드 보호 접지(PE) 존재 여부 테스트

그림 6의 회로를 활용하여, 디바이스의 전원이 꺼진 상태에서도 그리드의 보호 접지(PE) 존재 여부와 N상의 역전(phase-neutral reversed) 여부를 감지할 수 있다. 접지가 존재하지 않을 경우, 디바이스는 오류 상태로 들어가며 상태 표시 LED에 오류 메시지가 표시된다. N상의 역전 상태를 감지해야 할 경우에는, 옵토커플러의 두 개 출력과 PE_ERR 신호를 함께 사용하여 이를 판별한다.

 

 

소프트웨어 프레임워크

 

no-OS는 운영체제(OS)를 포함하지 않는 시스템, 즉 베어 메탈 시스템을 위한 아나로그디바이스의 소프트웨어 프레임워크이다. 이 프레임워크는 GPIO, SPI, I2C, RTC, 타이머, 인터럽트 컨트롤러 등 일반적인 베어 메탈 주변장치에 접근할 수 있는 공통 인터페이스(API)를 정의한다. 이 공통 API를 사용하면 다양한 마이크로컨트롤러 플랫폼에서 주변장치를 동일한 방식으로 초기화하고 제어할 수 있다. 현재 이 프레임워크는 인텔과 자일링스의 마이크로프로세서 및 SoC는 물론, 아나로그디바이스의 고정밀 마이크로컨트롤러, 여러 MAX32xx 시리즈 마이크로컨트롤러, ST마이크로일렉트로닉스의 STM32, 라즈베리 파이의 PICO, 그리고 mbedOS 기반 장치들을 지원한다.

 

고유한 코딩 스타일을 따르는 공통 드라이버 API를 사용함으로써, no-OS는 다양한 하드웨어 기반에서 동작하는 아나로그디바이스 평가 보드를 위한 레퍼런스 프로젝트를 제공할 수 있다. no-OS 빌드 시스템 덕분에, no-OS 사용자는 짧은 시간 안에 독립 실행형 레퍼런스 프로젝트를 생성하고, 이를 자신의 개발 작업을 위한 출발점으로 활용할 수 있다. no-OS는 오픈소스 소프트웨어이며, 공식 저장소는 no-OS GitHub 리포지터리이다. 사용자는 라이선스를 준수하는 한 자유롭게 no-OS를 사용 및 배포할 수 있다. 이 펌웨어에 사용되는 주요 no-OS 드라이버는 MAX32655 마이크로컨트롤러, ADE9113 절연형 3채널 시그마-델타 ADC, 그리고 ADT75 온도 모니터링 시스템과 관련한 것들이다.

 

상태 머신

 

IC-CPD의 기능은 그림 7에 제시된 상태 머신을 통해 설명된다. 구현된 상태 머신은 IEC 61851-1 가이드라인을 따르고 있다. 펌웨어는 세 가지 열거형을 사용해 상태 전이 로직을 구현한다. 첫 번째는 charger_state_e로, 가능한 모든 상태를 포함하며, 이 상태들은 CP 값에 따라 달라진다. 두 번째는 state_machine_events_e 열거형으로, 발생 가능한 모든 이벤트를 포함하고 있으며, 상태 로직을 구현할 때 사용된다. 마지막으로 interface_err_status_e 열거형은 오류 해석에 사용된다.

 

 

테스트 결과

 

테스트는 플루크의 FEV300 EV 충전 스테이션 어댑터와 다양한 부하(그림 8)를 사용하거나, 동일한 부하 또는 실제 전기차를 이용하여 타입 2 케이블 커넥터를 통해 수행되었다.

 

 

정상 작동 조건(충전 상태 머신) 및 RCD 오류 감지 결과

 

그림 9와 그림 10은 그림 8의 테스트 벤치를 사용해 수행한 두 가지 테스트 측정의 파형을 보여준다. 그림 9는 전원 인가 후 EV가 연결되지 않은 상태(이 경우 저항성 부하)부터 충전 상태까지의 상태 머신 전체 흐름을 나타내며, 여기서 각 상태는 CP 파형 위에 강조되어 표시된다. 그림 9와 그림 10의 차이라면, 그림 10에서는 상태 C(전기차가 충전 중인 상태)에서 AC RCD 인터럽트가 발생했다는 점이다. 이 현상은 세 번째 파형에서 확인할 수 있다. IC-CPD는 릴레이를 개방하여 전류 흐름을 차단하고, LED에 오류 메시지를 표시한다.

 

 

 

그림 11의 메시지는 그림 9에 해당하는 사례로, 전원 인가부터 충전, EV 연결 해제까지의 전체 충전 세션을 보여준다. 디버그 메시지에는 입력 전압 값, 인클로저 내부의 전류 및 온도, 특정 시점의 활성 상태에 대한 정보도 포함돼 있다.

 

 

CP 오류

 

CP 오류가 발생하면, IC-CPD는 릴레이를 열어 차단하고 LED 상에 CP 오류를 표시한다.

 

보호 접지(PE) 오류

 

상태 C에서 보호 접지(PE) 오류(EVSE와 EV 사이에 PE가 누락)가 발생하면, 릴레이가 열리고 LED 상에 오류가 표시될 것이다. 만약 PE 오류가 상태 A나 상태 B에서 발생할 경우, IC-CPD는 이를 EV가 분리된 상태로 간주하고 상태 A에 머무르거나 진입한다(오류가 발생했을 때의 상태에 따라 달라짐). 이 경우, CP 레벨은 상태 C 값에 도달할 수 없으며, PE 연결이 복구될 때까지 릴레이는 개방된 상태로 유지된다.

 

결론

 

이 글에서는 케이블 내 제어 및 보호 장치(IC-CPD)에 초점을 맞춰, EV 충전 시스템의 평가 및 프로토타입 제작을 위한 완전한 타입 2 EVSE 3.6kW 충전 케이블 솔루션인 ADI의 AD-ACEVSECRDSET-SL 레퍼런스 디자인을 소개했다. ADE9113 절연형 ADC는 통합된 isoPower 기술과 내부 절연 덕분에 외부 구성요소 수를 줄이도록 해준다. BLE와 ADC 채널을 통합하는 MAX32655 마이크로컨트롤러(MCU)는 IEC 61851-1 표준에 정의된 상태 머신 구현을 간소화한다.

 

또한, no-OS 프레임워크와 오픈소스 코드 기반 접근 방식은 소프트웨어 개발을 보다 쉽게 만들어주며, 이 글에서 언급한 IEC 표준 가이드라인에 따라 소프트웨어를 개발할 수 있는 훌륭한 출발점을 제공한다. 본문에서 제시한 플로우차트, 디버그 메시지, 그리고 FEV300을 통한 설계 검증은 전체 설계를 보다 잘 이해하고 평가하는 데 도움이 된다.

 

헬로티 서재창 기자 |