유연한 EV 충전 시스템을 빠르고 효율적으로 구현하는 방법

e-모빌리티의 향후 추세는 사용자의 가정과 직장에 적합한 충전 시스템을 보강한, 공공 서비스 스테이션의 전기자동차(EV) 충전 인프라에 대해 예상되는 가용성에 달려 있습니다. 핵심 설계 요구 사항은 대체로 일관되지만, 각 시스템 유형의 요구 사항은 특수합니다. 이러한 요구 사항은 통신 플랫폼부터 규정 준수 요구 사항에 이르는 여러 요소의 지역적 차이로 인해 더욱 복잡해집니다.

따라서 충전 인프라 설계자의 과제는 비용과 시장 출시 기간의 균형을 유지하면서도 최대한 광범위한 최종 용도 및 지역 요구 사항을 만족하도록 충분히 유연하게 설계하여 핵심 요구 사항을 충족하는 것입니다.

이 기사에서는 공공 충전소 설계 요구 사항의 다양한 특성에 관해 설명합니다. 그런 다음 이러한 요구 사항을 충족할 수 있도록 설계하는 데 사용할 수 있는 NXP Semiconductors의 유연한 솔루션 플랫폼을 소개합니다.

다양한 설계 과제 충족

EV로의 전환을 가속화하기 위해서는 EV 충전 시스템으로 더 잘 알려진 효율적인 전기자동차 소싱 장비(EVSE)를 즉시 사용할 수 있어야 합니다. 자동차에 내장되어 집 또는 사무실에서의 충전을 지원하는 온보드 AC-DC 충전기로 현지 운전 요구 사항을 충족할 수도 있지만, 이러한 충전 시스템은 EV 보급을 저해하는 요소인 소비자의 EV 주행거리에 대한 불안을 해소할 수 없습니다. e-모빌리티의 주행거리 연장은 내장된 AC-DC 충전기보다 훨씬 빠르게 EV를 충전할 수 있는 공용 EV DC 충전 시스템의 가용성에 달려 있습니다. 동시에 이런 다양한 EV 충전 시스템은 안전, 보안, 개인 정보 보호에 대한 여러 표준 및 규정을 준수해야 합니다.

각 특정 사용 사례에 효과적인 솔루션을 제공할 필요성은 EV 충전 시스템 솔루션의 개발자에게 좋은 기회인 동시에 부담스러운 기술적 과제가 됩니다. 특히, 개발자는 각 애플리케이션의 특정 요구 사항을 충족하면서도 필요한 성능과 효율성을 낼 수 있는 다양한 설계 역량을 발휘해야 합니다. 이러한 요구 사항을 충족하려면 모든 EV 충전 시스템 설계의 기초가 되는 기본 아키텍처를 조정해야 합니다.

기본 EV 충전 시스템 아키텍처의 조정

특정 대상 애플리케이션과 관계없이, EV 충전 시스템은 분리 경계로 구분된 두 개의 주요 서브 시스템, 즉 전력 공급 프런트 엔드와 전력 관리 백엔드 컨트롤러로 구성됩니다(그림 1).

그림 1: EV 충전 시스템의 기본 아키텍처에는 분리 경계로 구분된 전력 소켓 인터페이스와 컨트롤러를 위한 별도의 서브 시스템이 포함되어 있습니다. (이미지 출처: NXP Semiconductors)

자동차와 에너지원이 접하는 프런트 엔드에서 전력 소켓 인터페이스 서브 시스템은 자동차에 공급되는 전력을 관리합니다. 분리 장벽의 다른 쪽에서는 컨트롤러 서브 시스템이 안전, 통신, 기타 고급 기능을 처리합니다. 이러한 서브 시스템의 구현은 일반적으로 각 특정 애플리케이션과 관련된 계측, 제어, 기능적 안전, 보안, 통신에 대한 특정 요구 사항을 충족하기 위한 몇 가지 기본 빌딩 블록에 따라 다릅니다.

각 빌딩 블록은 전반적인 EV 충전 시스템 설계에 중요한 기능을 수행합니다. 계측 장치는 청구용 에너지 측정을 위한 정확성과 부정 조작 방지는 물론이며 안전한 에너지 전송을 보장해야 합니다. 제어 장치는 클라우드 기반 리소스와 통신하는 데 사용되는 안전한 결제 및 통신 프로토콜에 대한 현지 사정과 지역적 특정 요구 사항을 지원하며, 기능적 안전과 보안 역량을 기반으로 다운스트림 에너지 전송 및 업스트림 데이터 전송에 필요한 다양한 프로토콜의 안정적인 실행을 보장합니다.

지금까지 개발자는 일반적으로 광범위한 범용 장치를 통합하는 맞춤형 설계를 사용하여 각각의 필요한 빌딩 블록을 구현함으로써 기본 EV 충전 아키텍처 설계를 요구 사항에 맞게 조정해야 했습니다. NXP의 EV 충전 솔루션 제품군은 효과적인 대안을 제시하여 개발자가 기성 빌딩 블록을 결합하여 광범위한 대상 애플리케이션에 대한 EV 충전 시스템 설계를 빠르게 생성할 수 있도록 지원합니다.

EV 충전 시스템 프런트 엔드 구현

NXP의 EV 충전 솔루션은 EV 충전 시스템 설계와 같은 까다로운 애플리케이션에 필요한 성능과 기능을 제공하도록 특별히 설계된 여러 프로세서 제품군을 중심으로 이루어집니다. 이러한 프로세서 제품군 중, NXP의 Kinetis KM3x 계열 마이크로 컨트롤러(MCU) 제품은 정확하고 인증 가능한 전력 공급 측정을 제공하도록 특별히 설계되었습니다. Arm® 32비트 Cortex® M0+ 코어를 기반으로 하는 Kinetis KM3x MCU는 온칩 플래시, 정적 랜덤 액세스 메모리(SRAM)와 함께 측정, 보안, 통신, 시스템 지원을 위한 광범위한 기능 블록 세트를 통합합니다(그림 2).

그림 2: Kinetis KM3x 계열은 정확하고 인증 가능한 전력 공급 측정을 구현하는 데 필요한 전체 기능 블록을 통합합니다. (이미지 출처: NXP Semiconductors)

계측 구현을 단순화하기 위해 KM35x MCU 측정 프런트 엔드는 고정밀 시그마-델타 아날로그 디지털 컨버터(ADC), 다중 연속 근사화 레지스터(SAR) ADC, 최대 4개의 프로그래밍 가능 이득 증폭기(PGA), 고속 아날로그 비교기(HSCMP), 위상 보상 논리 블록, 저온 드리프트가 있는 고정밀 내부 전압 레퍼런스(VREF)를 통합합니다. 계측 장치의 무결성을 보호하기 위해, 온칩 보안 기능은 타임 스탬프를 통해 능동 및 수동 부정 조작을 감지합니다. 외부 센서, 계전기, 기타 주변 장치와 함께 사용되는 이러한 온칩 블록은 EV 충전 시스템 전력 소켓 프런트 엔드용 복잡한 계측 서브 시스템을 빠르게 구현하는 데 필요한 모든 기능을 제공합니다(그림 3).

그림 3: Kinetis KM MCU를 사용하면, 개발자는 몇 가지 외부 부품만 추가하여 EV 전력 소켓 서브 시스템을 구현할 수 있습니다. (이미지 출처: NXP Semiconductors)

EV 충전 시스템 컨트롤러 구현

위에서 언급한 바와 같이 EV 충전 시스템 컨트롤러는 모든 시스템에 필요한 다양한 기능적 성능을 조정합니다. 이 서브 시스템은 충전 시스템을 정확하게 제어하는 데 필요한 실시간 성능뿐 아니라 설계 실장 면적과 비용을 최소화하면서도 다양한 프로토콜을 지원하는 데 필요한 처리량을 제공할 수 있는 프로세서를 사용해야 합니다.

Arm Cortex-M7 코어를 기반으로 하는 NXP의 i.MX RT 계열 크로스오버 프로세서는 응용 프로세서 수준의 성능으로 내장형 마이크로 컨트롤러의 역량을 실시간 제공합니다. 600MHz의 작동 주파수와 완전한 주변 장치를 갖춘 i.MX RT1064와 같은 i.MX RT 프로세서는 저지연 실시간 응답 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 동시에, 대형 온칩 메모리, 외부 메모리 컨트롤러, 그래픽 서브 시스템, 다중 연결 인터페이스와 같은 특징은 애플리케이션 요구 사항을 충족합니다(그림 4).

그림 4: i.MX RT1064 크로스오버 프로세서는 실시간 실행과 응용 프로세서 수준의 성능을 내도록 설계된 Arm Cortex-M7 프로세서 서브 시스템과 주변 장치, 메모리를 통합합니다. (이미지 출처: NXP Semiconductors)

중대한 실시간 실행과 성능 요구 사항을 충족하는 것 외에도 EV 충전 시스템 설계는 전력 연결, 결제 방법의 부정 조작 감지와 인증을 포함하여 여러 측면에서 보안을 보장해야 합니다. 데이터 보호와 보안 부트, 보안 디버그를 위해 개발자는 고보장 부트, 하드웨어 암호화, 버스 암호화, 비휘발성 스토리지 보안, JTAG 컨트롤러 보안을 포함하는 i.MX RT 프로세서의 통합 보안 기능을 활용할 수 있습니다.

EV 충전 시스템 컨트롤러의 보안을 더욱 강화하기 위해, 일반적으로 NXP EdgeLock SE050 보안 장치를 포함하여 i.MX RT 프로세서의 보안 기능을 보완하도록 설계합니다. 종단 간 수명 주기 보안을 제공하도록 설계된 SE050은 널리 사용되는 다양한 암호화 알고리즘, 신뢰 플랫폼 모듈(TPM) 기능, 버스 트랜잭션 보안, 스토리지 보안을 위한 하드웨어 기반 보안 가속기를 제공합니다. 이 장치를 사용하여 실행 환경에 대한 신뢰 루트(RoT)를 제공함으로써, 개발자는 인증, 온보딩 보안, 무결성 보호 및 증명을 포함한 중대한 작업을 안전하게 보호할 수 있습니다.

개발자는 i.MX RT 프로세서와 EdgeLock SE05x 장치에 몇 가지 부품만 추가하여 고성능, 실시간 운영 체제(RTOS)를 운영하도록 설계된 컨트롤러 서브 시스템을 구현할 수 있습니다(그림 5).

그림 5: 통합된 기능과 성능을 갖춘 i.MX RT MCU는 EV 충전 시스템용 컨트롤러 서브 시스템 설계를 단순화합니다. (이미지 출처: NXP Semiconductors)

다양한 EV 충전 시스템 애플리케이션을 위한 유연한 솔루션

위에서 언급한 전력 서브 시스템 및 컨트롤러 서브 시스템을 결제 및 통신 옵션을 위한 옵션 블록과 결합하여, 개발자는 최대 7kW를 제공할 수 있는 단상 EV 충전 시스템을 빠르게 구현할 수 있습니다(그림 6).

그림 6: KM3 MCU와 i.MX RT 크로스오버 프로세서를 함께 사용하여 EV 충전 시스템을 위한 효율적인 하드웨어 기반을 제공합니다.| (이미지 출처: NXP Semiconductors)

아날로그 프런트 엔드를 상대적으로 약간만 수정하면, 이 동일한 설계는 최대 22kW를 전달할 수 있는 3상 EV 충전 시스템으로 확장될 수 있습니다(그림 7).

그림 7: 개발자는 KM3 MCU와 i.MX RT 크로스오버 프로세서를 기반으로 한 설계를 빠르게 조정하여 다양한 애플리케이션을 지원할 수 있습니다. (이미지 출처: NXP Semiconductors)

KM3x와 i.MX RT의 조합은 많은 사용 사례에 적합하겠지만 다른 EV 충전 시스템 애플리케이션에서는 개발자가 설계의 다른 측면을 최적화해야 할 수도 있습니다. 예를 들어 가정용 충전기는 온보드 충전기보다 더 빠르게 충전할 수 있도록 비용과 실장 면적을 최적화하는 솔루션이 필요합니다. 이러한 애플리케이션의 경우 개발자는 NXP LPC55S69와 같은 비용 효율이 높은 MCU를 사용하여 저가의 보급형 컨트롤러를 구현할 수 있습니다.

이와는 대조적으로, 공공 서비스 스테이션을 위한 상업용 EVSE 충전기는 고속 애플리케이션 처리 및 실시간 성능 측면에서 더욱 엄격한 요구사항을 동반합니다. 이는 400V ~ 1000V 범위에서 작동하고 충전 수준이 350kW 이상인 배터리 저장 시스템을 안전하게 제어하는 데 필요합니다. 여기서 애플리케이션 수준 소프트웨어와 실시간 소프트웨어를 모두 실행할 수 있는 능력은 성능과 기능에 매우 중요합니다. 이러한 시스템의 경우 NXP i.MX 8M 프로세서와 같은 프로세서를 사용하면 개발자가 이러한 복잡한 설계에 필요한 Linux 기반 애플리케이션 처리와 RTOS 지원 실시간 성능을 모두 제공할 수 있는 충전 솔루션을 더욱 쉽게 구현할 수 있습니다(그림 8).

그림 8: 초고속 EV 충전과 같은 더 복잡한 애플리케이션의 경우, 개발자는 복잡한 컨트롤러 요구 사항을 지원하기 위해 i.MX 8M 프로세서와 같은 고성능 프로세서를 사용하여 기본 EV 충전 아키텍처를 확장할 수 있습니다. (이미지 출처: NXP Semiconductors)

클라우드 기반 EV 충전 시스템의 빠른 구현

Kinetis KM3x, i.MX RT, LPC55S69, i.MX 8M을 포함한 NXP 프로세서는 다양한 EV 충전 시스템 애플리케이션의 특정 요구 사항을 충족하기 위한 유연한 플랫폼을 제공합니다. 그러나 더 복잡한 애플리케이션의 경우 하드웨어 기반 배포가 지연되면 종단 간 EV 충전 시스템 애플리케이션 개발에 상당한 지연이 발생할 수 있습니다.

이러한 지연을 방지하기 위해 NXP는 앞서 설명한 장치를 기반으로 하는 일련의 보드 및 평가 키트를 사용하여 빠른 개발 경로를 제공합니다. 예를 들어, NXP TWR-KM34Z75M 모듈은 완전한 지원 부품을 갖춘 Kinetis MKM34Z256VLQ7 계측 MCU와 결합하여 완벽한 계측 플랫폼을 제공합니다. 마찬가지로 NXP의 i.MX RT1064 평가 키트는 MIMXRT1064DVL6 프로세서와 256Mbits의 SDRAM, 512Mbits의 플래시, 64Mbits의 쿼드 SPI(QSPI) 플래시를 모두 4층 보드에 적재하고 아두이노 인터페이스를 포함한 광범위한 주변 장치 커넥터 세트를 갖추고 있습니다. 또한 NXP의 OM-SE050ARD 보드는 EdgeLock SE050에 즉시 액세스할 수 있으며, NXP의 PNEV5180BM 평가 기판은 드롭인 NFC 프런트 엔드 개발 보드를 제공합니다.

계측용 NXP TWR-KM34Z75M 보드, 제어 기능용 i.MX RT1064, OM-SE050ARD, PNEV5180B 보드를 조합하여, 개발자는 EV 충전 시스템 애플리케이션을 구축하기 위한 만능 하드웨어 플랫폼을 빠르게 구현할 수 있습니다(그림 9).

그림 9: 개발자는 Microsoft Azure와 같은 가용 클라우드 서비스가 포함된 NXP 보드와 평가 키트를 사용하여 완전한 종단 간 EV 충전 솔루션을 빠르게 구현할 수 있습니다. (이미지 출처: NXP Semiconductors)

Microsoft Azure 클라우드 서비스와 함께 사용되는 NXP의 보드 수준 솔루션을 통해 개발자는 완전한 종단 간 EV 충전 시스템 솔루션을 빠르게 프로토타입으로 제작할 수 있으며 플랫폼을 더욱 특수한 애플리케이션 설계를 위한 기반으로 사용할 수 있습니다.

결론

EV 충전 시스템의 준비된 가용성은 e-모빌리티의 핵심 원동력이지만 가정, 사무실 및 공공 서비스 스테이션에 필요한 다양한 솔루션을 비용 효율이 높게 구현하는 것은 여전히 장벽으로 남아 있습니다. NXP Semiconductors의 특수 장치 및 보드 솔루션 플랫폼을 사용하여, 개발자는 모든 범위의 EV 충전 애플리케이션을 충족하는 데 필요한 성능과 새롭게 부상하는 요구 사항에 적응할 수 있는 유연성을 갖춘 설계를 빠르게 구현할 수 있습니다.