이재희
(Jae-Hee Lee)
1iD
서창진
(Chang-Jin Seo)
†iD
-
(Dept. of Electrical and Electronic Engineering, Dong-Seoul University, Korea.)
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
Cloud System, Multi-port Charger, PLNetworks, ERD, Electric Vehicle Charger
1. 서 론
전기차 보급이 많아지면서 한 장소에 다수의 전기차 충전기가 설치되는 경우가 늘어나고 있다. 공동주택이 많은 우리나라 주거 특성상 한 장소에 다수의
전기차 충전기가 설치되는 경우가 많이 발생하게 되는데, 기존의 방법대로 하면 충전기용 전력이 충전기 대수에 비례하여 필요하게 된다. 이는 매우 큰
전력량으로 기존 건물의 전기시설에 그 정도 전력의 여유가 있는 경우가 드물다. 따라서 추가의 전력 공급 공사를 해야 하며 이는 많은 공사비와 매월
많은 기본요금을 납부해야 하고 이는 충전기 보급의 걸림돌로 작용하고 있다. 이를 해결하기 기존 방법 대비 절반 이하의 전력만으로도 같은 효과를 기대할
수 있는 지능적인 전기차 충전시스템이 필요성이 증가하는 추세다 (1)(2). 본 논문에서는 한 전력망에 다수의 충전기를 연결하여 운용할 경우 클라우드 시스템 환경에서 서버가 각각의 충전기로부터 충전 정보를 수집하고 충전을
제어하는 클라우드 시스템 기반의 멀티포트 전기차 충전기 시스템을 개발하고자 한다. 전기차 충전기는 IoT 기술을 적용하여 서버에 충전기 정보를 전송하고
서버는 이를 기반으로 개별 충전기의 충전 전력량을 제어하거나 전력을 차단하는 기능을 구현하여 다수의 충전기가 한 지역에 설치, 운영될 때 공급 가능한
전력량을 초과할 경우 발생할 수 있는 전원 차단기가 떨어지는 현상을 피하고자, 같은 전력 노드에 연결된 충전기들의 충전 전력의 합이 전격 용량이 넘지
않도록 실시간으로 감시하여 전력량을 지능적으로 자동 분배되도록 하는 클라우드 시스템 기반의 멀티포트 충전시스템 개발하고자 한다. 그림 1은 클라우드 시스템 기반의 멀티포트 충전시스템 개념도이다.
그림. 1. 멀티포트 전기차 충전기 시스템의 개념도
Fig. 1. Conceptual diagram of multi-port electric vehicle charger system
본 논문에서 진행되는 IoT 기반의 전기차 충전시스템은 사용자 인터페이스(Interface)를 위해 충전기 내에 사용자 인터페이스용 모니터를 내장하지
않고 사용자의 스마트폰을 기반으로 모든 충전 및 과금 절차가 진행되도록 설계하여 전기차 충전기의 단가와 유지비를 최소화하였다
(3).
2. IoT 기술기반의 전기차 충전기 개발
2.1 IoT 기반 전기차 충전기 하드웨어(Hardware) 설계
본 논문에서는 마스터 슬레이브 방식으로 멀티포트 충전시스템을 구현하였다. 각 포트당 32A(7kw)의 전력 공급이 가능하도록 하였고 포트별로 전력량
측정하여 요금 부과가 가능하도록 설계하였다(3). 제안하는 클라우드 시스템 기반의 멀티포트 충전기 시스템의 충전 및 과금 절차도는 그림 2와 같다.
그림. 2. 제안하는 시스템의 충전 및 과금 절차도
Fig. 2. Charging and pay procedure of the proposed system
제안시스템의 개발내용은
그림 3과 같이 IoT 기술기반의 전기차 충전기의 H/W(Hardware), S/W(Software) 부분, 서버의 실시간 전력제어 기술구현 S/W, 충전기
모니터링 시스템 S/W 4가지 부분으로 나눌 수 있다. 포트별로 차량과 독립적인 파일럿 통신이 가능하도록 하였고 블루투스 통신을 통해 소비자의 스마트폰과
통신하여 충전기를 제어할 수 있도록 설계하였다
(4)(5).
그림 4는 IoT 기술기반의 전기차 충전기의 하드웨어 블록도 이고
그림 5는 회로도 일부이고
표 1은 하드웨어 주요규격에 관한 내용이다.
그림. 3. 연구개발 분야의 블록도
Fig. 3. Block diagram of research and development
그림. 4. IoT 기술기반의 전기차 충전기 H/W 블록도
Fig. 4. Block diagram of electric vehicle charger H/W based on IoT technology
그림. 5. IoT 기술기반의 전기차 충전기 회로도
Fig. 5. Circuit diagram of electric vehicle charger based on IoT technology
2.2 IoT 기술기반의 전기차 충전기 펌웨어(Firmware) 설계
IoT 기술기반의 전기차 충전기의 펌웨어 블록도는 그림 6과 같다. 그리고, IoT 기술기반의 전기차 충전기 펌웨어의 주요모듈별 기능에 관한 내용은 표 2와 같다.
2.3 IoT 기술기반 전기차 충전기와 서버와의 통신프로토콜
IoT 기술기반의 전기차 충전기와 서버 간의 통신프로토콜의 동작도와 규약은 그림 7, 표 3과 같다. 본 논문에서 IoT 기술기반의 전기차 충전기를 “eCarPlug”라고 칭하고 서버를 “eCarPlug Server”라고 명명하기로 한다(6)(7).
표 1. IoT 기반의 전기차 충전기 시스템의 하드웨어 주요규격
Table 1. Major hardware standard of IoT-based electric vehicle charger system
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주요항목
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모델명
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주요특성
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MCU
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STM32F103VDT
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Ultra-low-power platform
Core: 32-bit ARM® Cortex®-M3 CPU
Up to 51 fast I/Os
Pre-programmed bootloader
Seven DMA controller channels
Eight communication interface peripherals
CRC calculation unit
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통신 모듈
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BT1010
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Bluetooth® Class 2 v2.1+EDR system
Enhanced Data Rate (EDR) compliant for both
2Mbps and 3Mbps modulation modes
Full speed Bluetooth operation with full Piconet
1.8V core, 1.8 to 3.6V I/O
Interfaces: PIO, AIO, UART, USB
Support for 802.11 coexistence
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전류측정 모듈
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78M6610+LMU
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Four Configurable Analog Inputs for Monitoring
Any Single-Phase Circuit(2/3-Wire)
Supports Current Transformers (CT) and
Resistive Shunts
Flexible SPI, I2C, UART Interface Options with
Configurable I/O Pins for Alarm Signaling,
Address Pins, or User Control
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차량통신 모듈
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DG408DY-T1-E3
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Low On-Resistance - rDS(on): 100 Ω
Low Charge Injection - Q: 20 pC
Fast Transition Time - tTRANS: 160 ns
Low Power - ISUPPLY: 10 µA
Single Supply Capability
44 V Supply Max Rating
TTL Compatible Logic
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표 2. IoT기술기반의 전기차 충전기 펌웨어의 주요모듈별 기능
Table 2. IoT technology-based electric vehicle charger firmware's main module functions
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펌웨어 모듈명
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주요 기능
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Evse
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충전 기능 통합 관리
하위 EvComm, AcControl 모듈을 사용하여 충전 기능 수행
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EvComm
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전기차와의 통신 담당
Proximity 검출에 따른 최대 전력량 설정
Pilot 상태 검출 및 전력량 설정에 따른 Pilot Duty 제어
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AcControl
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AC 관련 전원 관제 및 관리
MC 제어 및 RCD 제어
전압, 전류, 전력량, MC, RCD 동작 상태 관제
안전과 관련된 과전압, 저전압, 과전류, MC고장 등 이상상태 검사
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EvseComm
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서버와 통신 및 충전기 제어
충전기 상태 정보 송신
충전 시작/중지, 전력량 설정 제어- 서버와 통신 및 충전기 제어
충전기 상태 정보 송신
충전 시작/중지, 전력량 설정 제어
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기타 하드웨어 제어를 위한 driver
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FLASH, RTC, GPIO, TIMER, PWM, ADC등 MCU 내장 주변장치 드라이버
I2C, UART, SPI등 MCU 내장 I/F 드라이버
HTS221, LoRa IOT, MX25L등 외부 칩셋 드라이버
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그림. 6. IoT 기술기반의 전기차 충전기 펌웨어 블록도
Fig. 6. Block diagram of electric vehicle charger firmware based on IoT technology
표 3. IoT 기반의 전기차 충전기와 서버간의 통신프로토콜
Table 3. Communication protocol between IoT-based electric vehicle charger and server
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구분
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값
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비고
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Message 전송시간
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최대 10초
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PLNetworks
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Request Message 송신후 Response Message 수신경과 시간
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최대 30초
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Request Message 송신후 Response Message 수신되지 않을 시 재시도
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주기
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30초
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최대 1분 30초
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횟수
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3회
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새로운 Request Message 송신주기
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2 ~ 10분
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충전상태 변경시 즉시
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2.4 실시간 전력량제어 기술
실시간 전력량제어 기술의 동작 원리는 동일한 전원을 공유하는 충전기 그룹에서 충전 중 다른 충전기에서 새로 충전을 시도하면 서버에서 전체 전원에 이상
없도록 기존 충전 중인 충전기들의 전류를 1/n으로 제어하여 안전에 이상 없음을 확인 후 새로 충전 시도한 충전기에 1/n 전류 제어 및 충전 시작
명령을 통해 전력을 분배한다. 그림 8은 실시간 전력량 제어기술의 블록도이다.
전기차 충전 제어 방식 대한민국 전기자동차 충·방전 시스템 제정 표준방식(KC 61851-1)에 따라 구현하였다. KC 61851-1 표준안 동작
블록도는 그림 9와 같다(8)(9).
한 노드에 연결된 충전기에서 요청한 충전량이 기준치를 넘으면 각 충전기의 충전량을 재설정하여 각 충전기에 전송방식으로 실시간 전력량제어 기술을 구현하였다.
2.5 IoT 기반의 전기차 충전기 관리 서버 모듈개발
IoT 기반의 충전기를 등록하여 각 충전기로부터 오는 충전기 정보를 DB(database)에 저장하고 모니터링 기능을 서버 모듈로 구현하였다. 서버
UI(User Interface) 웹 애플리케이션은 향후 호환성과 기술 추이에 맞추어서 Java 언어를 이용하여 구현하였다. 서버의 플랫폼은 성능적인
측면에서 linux를 사용하였고 DBMS(database Management System)는 mySQL을 사용하여 경제성과 안정적인 측면을 고려하였다.
ERD(Entity Relationship Diagram)를 활용하여 DB의 테이블설계 및 속성을 구성하고 테이블 간의 관계를 설정하여 DB 설계의
효율성을 검증하였다(10).
그림. 7. IoT 기반의 통신프로토콜 동작도
Fig. 7. Diagram of communication protocol operation
그림. 8. 실시간 전력량 제어기술 블록도
Fig. 8. Real-time power control technology diagram
그림. 9. KC 61851-1 표준안 동작 블록도
Fig. 9. KC 61851-1 standard operation block diagram
3. 연구결과
3.1 IoT 기반의 전기차 충전기 구현 결과
본 논문에서는 구현한 IoT 기반의 전기차 충전기의 외형 및 내부 모형은 그림 10과 같다.
그림. 10. IoT 기반의 전기차 충전기의 외형 및 내부 모형
Fig. 10. External and internal model of IoT-based electric vehicle charger
3.2 실시간 전력량제어 기술 구현 결과
동시에 3대 자동차에 충전하였을 경우를 가상하여서 한 충전기에 3개의 부하를 동시에 주었을 때 3곳에 균등하게 전력이 배분되어 충전되는지를 검증하기
위하여 그림 11과 같은 실험환경을 구축하였고 실험결과 균등하게 전력이 배분되어 충전되는 결과를 그림 12, 그림 13, 그림 14로 실시간 전력량 제어기술 구현의 성능을 검증하였다.
그림. 11. 실시간 전력량제어 기술 성능검증을 위한 실험환경
Fig. 11. Establish experiment environment for real-time power control technology
performance verification
그림. 12. 1개의 부하를 주었을 경우 파형 (32[A], 53.3%)
Fig. 12. Charger waveform when one load is applied (32 [A], 53.3%)
그림. 13. 2개의 부하를 주었을 경우 파형 (16[A], 26.6%)
Fig. 13. Charger waveform when two load is applied (16 [A], 26.6%)
그림. 14. 3개의 부하를 주었을 경우 파형(11[A], 17.7%)
Fig. 14. Charger waveform when three load is applied (11 [A], 17.7%)
그림 12,
그림 13,
그림 14는 IoT 기반의 전기차 충전기에 1개에서부터 3개까지의 부하를 주었을 경우의 실시간으로 전력 분배가 이루어지는 각 IoT 기반의 전기차 충전기의
출력 파형 결과이다. 이는 동일 전력망 내에 연결된 다수의 충전기를 효율적으로 관리할 수 있으며 전기차 충전을 위한 기본요금을 50% 이상 절감할
수 있다.
4. 결 론
현재 국가가 고비용으로 전기자동차의 무인 충전시스템의 경비를 지원하여 설치하고 있다. 전기차 시장을 활성화하는 동시에 국가의 재정적인 부담을 감소시켜
전기자동차 시장이 신속하고 안정적인 운영환경을 구축하는데 이바지하고자 본 논문에서 IoT 기술기반의 전기차 충전기를 개발하였고 IoT 기반의 전기차
충전기로부터 실시간으로 정보를 수신하고 DB에 저장하는 클라우드 시스템 환경에서 동작하는 서버 모듈을 개발하여 새로운 기능의 충전서비스를 제공할 수
있는 클라우드 시스템 기반의 멀티포트 전기차 충전시스템을 제안하였다. 동일 전력망 내에 연결된 다수의 충전기를 효율적으로 관리하여 충전기 설치 건물의
전기 기본요금을 50% 이상 절감할 방안을 제시하였고 시스템 개발 및 성능검증 실험을 통해 그 결과를 입증하였다. 클라우드 시스템 기반의 전기차 충전시스템
환경을 제안하고 실제로 구축함으로써 사용자 및 충전서비스 사업자에게 경제적 이익과 부가적인 서비스를 제공할 수 있는 환경을 제공하였다. 본 논문의
결과를 기반으로 지속적인 연구를 진행한다면 향후 국내 전기차 충전기 시스템 인프라를 기존방식보다 더 저렴하고 신속하게 구축하는 데 이바지함으로써 다가오는
전기차 시대를 보다 효율적으로 대비할 수 있을 것으로 판단된다.
Acknowledgements
본 연구는 동서울대학교 연구지원센터의 연구비 지원으로 진행되었습니다.
References
J. H. Kim, 2011, A Study on the criteria of support for the supply of electric cars
and demand for instruction, Department of the Environment
S. W. Cho, 2011, Domestic/(France and EU area) Electric car's the latest technology
trends, KOSEN Report, Vol. 37
J. H. Lee, C. J. Seo, K. S. Shin, 2016, The Development of a Multi-port Slow Charger
for Electric Vehicles, Indian Journal of Science and Technology, Vol. 9, No. 24
2011, The final report of eCar ICT System Architecture for Electromobility Project,
Federal Ministry of Economics and Technology, Germany
https://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/516849/STMIC ROELECTRONICS/STM32F103VDT6.html
S. Y. Lee, S. J. Park, 2011, Trends in standardization in the electric car and ICT
fusion technology, Electronics and Telecommunications Trends, Vol. 6
ISO TC 22/SC 3 IEC TC69 JWG 15118-3, , Vehicle to grid Communication Interface: Physical
layer and data link layer requirements
http://www.kats.go.kr/cwsboard/board.do?mode=dow nload&bid=155&cid=16853&filename=16853_201411271654378922.pdf
Focus Group on European Electro-Mobility, 2011, Standardization for road vehicles
and associated infrastructure, CEN/CENELEC
https://www.egovframe.go.kr/wiki/doku.php?id=ego vframewo rk:dev:imp:editor: erd_editor
저자소개
광운대학교 전자통신과 박사
1987∼1993년 : 국방과학연구소 연구원
1999년 3월∼현재 : 동서울대학교 정보통신과 교수
관심분야 : Embedded System, Ubiquitous Network, Mobile IPTV, 전기자동차
E-Mail : ljh7314@dsc.ac.kr
부산대학교 멀티미디어 박사
2013년 3월∼현재 : 상명대학교 정보보안공학과 교수
관심분야 : Object Detection, Artificial Vision, Deep Learning, Security
E-Mail : cjseo@smu.ac.kr