전기차(EV)의 충전 솔루션 설계 시, 시스템 아키텍처는 중요한 문제가 된다. 이제는 차별성의 확보 및 새로운 비즈니스 사례의 구현을 위해 필요한 전문성을 구축할 시기이다.
e-모빌리티의 성장
전 세계적으로 차량 전동화가 증가 추세에 있다. 환경 영향 감소, 적은 운영 및 유지 보수 비용, 그리고 정부의 금전적 & 비금전적 보조금 정책 등의 영향으로, 더 많은 개인 및 사업체들이 기존의 내연 기관 구동 자동차보다 전기차를 선택하고 있다.
전기차 생산으로의 전환 및 모델의 다양화를 통해 정부의 다양한 전기차 정책에 부응하고 있는 차량 제조사들의 마케팅 전략 또한 해당 기술의 수요와 대중의 수용성을 증진시키고 있다. ABI 리서치(ABI Research)에 따르면, 2030년까지 전체 차량의 10%에 달하는 약 1억 1,500만 대의 차량이 전기차가 될 것이라고 한다.
전기차의 비중은 여전히 낮게 유지되고 있지만, 카쉐어링 시책, 택시 및 렌터카의 전기차 전환 등에 힘입어, 재래식 차량 대비 누적 주행 거리는 급속히 증가할 것으로 예상된다. 전통적인 내연기관 차량의 자율성, 이동 거리 및 연료 공급의 용이성은 전기차에 대한 기준을 높였다. 이러한 기대를 충족하기 위해서는 전기차 충전소 망을 확대하고, 충전 속도를 향상시키며, 사용자 경험을 개선해야 한다. 예를 들어, 무료 충전소를 확충하고, 결제 절차를 간소화하며, 다양한 부가 가치 서비스를 제공하는 전략이 도움이 될 것이다.
그 결과, 전기차 충전소의 수요는 증가하고 있으며, 2018년부터 2023년까지 연평균 성장률(CAGR)이 16.3%를 기록할 전망이다. 아시아 태평양 지역이 2019년 현재 전기차 시장을 주도하고 있다. 일례로, 중국의 경우, 2017년 말 기준 이미 약 50만 개의 전기차 충전소를 확보하고 있었으나, 추가로 480만 개의 충전소를 신설하겠다는 목표를 발표한 바 있다. 유럽 연합은 유럽 내의 충전소를 현재 14만 개에서 2020년까지 50만 개까지 확충할 계획이다.
차세대 EV충전소는 고속 무선 방식의 충전 제공
기술의 발전과 새로운 비즈니스 모델의 등장은 전기차 시장의 성장을 촉진하는 주요한 요인이 될 것이다. 오늘날 전기차의 충전은 모두 유선 방식인데 전기 소켓에 충전 케이블을 연결하여 충전하는 AC 충전 방식이다. 이는 충전기가 차량에 위치하게 되며, 충전 비용을 충전소가 아닌 해당 차량으로 전달한다.
앞으로는 더 빠른 충전을 특징으로 하는 DC 충전 방식으로의 전환이 예상되며, 2030년까지 공공 충전소의 70% 이상을 차지하게 될 것으로 보고 있다. 더 빠른 충전은 운전자의 시간 절약을 의미하며, 주행 중 충전이 편리하기 때문에, 전기 차량의 이동 거리가 증가할 수 있다는 의미가 된다.
무선 충전소는 전기차 충전의 편의성을 높인다. 충전 준비 시간이 감소할 뿐만 아니라(무선 충전소에 차량을 주차하면 되는 방식) 충전 케이블이 필요 없어 더 안전하며, 수분이나 먼지의 영향을 받지 않는 에너지 전송 자기장 방식으로 유지보수가 더 쉬워진다. 무선 전송의 효율에 관한 우려가 분명 존재하지만, 현재의 유선 충전 방식과 거의 유사한 수준이라고 제조사들은 이야기하고 있다. ABI 리서치에 따르면, 2030년까지 전 세계의 무선 충전소는 2,500만 개 이상으로 증가할 것이다.
와이파이가 전기차 충전 생태계를 바꾼다
와이파이를 사용하여 전기 차량, 사용자 및 충전 인프라 간의 무선 통신을 구현할 경우, 충전소는 충전소 이상의 역할을 하게 된다. 유선(AC/DC) 및 무선 충전소 모두에 있어서, 와이파이는 충전 절차를 관리하는 가장 효율적인 방법이다. 동시에 와이파이는 인포테인먼트 시스템과의 연결, 충전 인프라에 대한 정보 제공 및 안전한 결재 처리 등 다양한 새로운 사용자 서비스를 가능하게 한다.
충전소의 통신 기술로 와이파이를 선택하는 이유는 다양한데, 우선 인증 및 암호화 기능을 통해 보안이 강화되고, 사용자 장비와 충전소 간에 요구되는 물리적 근접성은 해커가 원거리에서 충전소를 공격하는 것을 어렵게 만든다. 와이파이는 스마트폰에서 이미 이용 중인 세계적으로 표준화된, 고도로 성숙한 기술이다. 이는 제조사의 입장에서 볼 때, 다양한 국가 및 지역에 대한 별도 인증 및 망 운영 주체를 고려할 필요 없이, 세계 시장을 대상으로 한 서비스로 솔루션을 확장할 수 있다는 의미가 된다. 필요한 라이선스가 없으므로 사용자들은 무료로 사용이 가능하다. 또한 지점 간(point-to-point) 통신이 가능하다는 점은 외부 통신 인프라와 독립적인 운영이 가능하다는 사실을 의미한다.
와이파이는 ISO 15118 표준에서 V2G(Vehicle-To-Grid: 전기차 배터리에 저장된 전력을 전력망에 보내는 기법) 통신에 적용하는 기술로 지정된 바 있다. ISO 15118은 유/무선 충전 프로세스를 조율하기위해 전기 차량과 충전소 간에 사용되는 통신 프로토콜의 개요를 설명하고 있다.
EV 및 충전소를 위한 와이파이 설계
EV 충전 솔루션 제공 업체들이 내려야 할 가장 중요한 결정은 하드웨어에 와이파이를 구축하는 방법이다. 기존 유선 충전 솔루션에 와이파이를 추가할 것인지, 아니면 설계 단계에서 보다 면밀하게 통합시킬 것인지를 결정해야 한다. 또한 전기 차량 하드웨어의 요구사항과 충전소 요구사항이 어떻게 다른지도 고려해야 한다.
전기 차량이나 충전소에 와이파이 기능을 통합하기 위해 다양한 하드웨어 아키텍처를 채택하는 기업이 증가하고 있다. 이러한 아키텍처는 개발 비용이나, 필요로 하는 전문 기술의 측면에서 뿐만 아니라, 개발 기업이 보유하게 되는 소유권의 문제나, 구현 가능한 솔루션의 범위의 측면에서도 고려할 사항이 많다. 아직까지는 지배적인 아키텍처가 확립되지 않았지만, 설계 단계에 일반적으로 적용되는 유효한 설계 원칙은 몇 가지로 압축된다.
먼저 충전소를 살펴보자. 일부 기업의 경우, 빠른 개발과 낮은 수준의 기술 투자를 고려하여, 독립형의 산업용 와이파이 통신 모듈을 통해 와이파이 연결성을 기존의 유선 솔루션에 추가 적용하고 있다. 이러한 모듈은 와이파이 소프트웨어 스택이 탑재된 형태로 제공되며, 기본적인 통신 서비스와 와이파이 액세스 포인트(access point)를 기본으로 지원한다. 현재 시장에 있어서 대부분은 이 방식을 채택하고 있다.
보다 야심찬 다른 방식은 제조사들이 추구하는 방식으로, 무선 통신 스택을 차량 자체의 하드웨어에 통합하여 와이파이 모듈에 대한 의존을 최소화하고, 이를 통해 산업용 등급의 호스트 기반 2.4GHz 와이파이 모듈을 구현하는 것이다. 다른 일부 제조사들은 801.11ax나2.4GHz 및 5GHz 와이파이용 듀얼 코어를 지원하는 보다 최신의 와이파이 모듈을 채택하여 보다 미래 지향적인 개발을 위한 수순을 밟고 있기도 하다.
전기 차량과 관련한 개발은 크게 세 개의 방식이 존재한다. 먼저 일부 기업의 경우, 차량과 충전소 사이의 통신을 사용자의 스마트폰으로 위임하는 방식을 추구한다. 다른 방법은 자동차의 텔레매틱스 컨트롤 유닛(TCU)에서 EV 충전 시스템을 실행하는 방법이다. 이 솔루션에서 와이파이 통신은 전장급 호스트 기반 와이파이 모듈을 통해 이뤄진다.
세 번째 방법은 전기차 충전 시스템을 AUTOSAR(개방형 자동차 표준 소프트웨어 구조) 기반의 MCU(마이크로 컨트롤러 유닛)에 의해 관리되는 전용 전기차 충전 컨트롤러에서 구동하는 방식을 사용한다. 와이파이의 처리를 위해서는 직렬 인터페이스를 통해 연결된 전장급 독립형 와이파이 모듈이 필요하다. 그러나 현재 이러한 기능을 제공하는 칩셋은 출시된 바가 없다. 대안적으로 와이파이는 호스트 기반 와이파이 모듈을 이용하여 구현되며, 전용 MCU를 사용하여 와이파이 스택을 구동하는 방식이 채택된다. 일부 제조사의 경우, SPI 또는 SDIO를 AUTOSAR 기반의 MCU 위에서 구동하는 방식을 평가 중이기도 하다. 현재 이 방식은 특정한 아키텍처 상의 제약으로 인해 아직 평가 단계에 머물고 있다.
미래 지향적 설계의 핵심은 아키텍처
앞서 살펴본 방식은 장/단기적 관점에서 서로 다른 장단점을 가지고 있다. 예를 들어, 와이파이 통신을 독립형 와이파이 모듈(충전소에 구축) 또는 사용자 기기(차량에 구축)로 아웃소싱하는 방법은 충전소와 전기 차량 간의 충전 정보를 교환하는 소위 Day 1 응용(1차 응용)에 충분할 것이다.
그러나 소위 Day 2(2차 응용)와 관련한 비즈니스의 창출을 고려해보면, 와이파이 통신 스택을 완전히 소유하고 있는 전기차 충전 설비 및 전기 차량 제조사가 서드 파티 하드웨어에 와이파이 통신 기능을 위임하는 다른 제조사들에 비해 누릴 수 있는 이점이 더 많다. 예를 들어, 2.4GHz에서 2.4 및 5GHz로 솔루션을 업그레이드하는 결정은, 해당 서드 파티의 지원 여부에 좌우될 수 밖에 없다.
많은 Day 1 응용에 있어서, 독립형 와이파이 모듈(단거리 트랜시버와 소프트웨어 스택이 호스트 프로세서와 분리된 구조)에 기반한 아키텍처는 특별히 부족함이 없어 보인다. 그러나, 보다 진보된 Day 2 응용을 염두에 둔다면, 호스트 애플리케이션과 통신 스택 사이의 더 면밀한 통합이 불가피하다.
앞으로 충전소는 두 가지 방향으로 발전할 것으로 보인다. 시장 선점을 중요시하는 기업은 일반적으로 독립형 모듈 기반의 솔루션을 선택할 것이다. 다른 기업들은, 소프트웨어 스택에 대한 투자를 늘리는 대신 기술적인 자립을 구축할 수 있도록 호스트 기반의 솔루션을 선택할 것이다.
차량 측면에서 현재 전장급 독립형 와이파이 모듈이 존재하지 않는다는 사실은 각 제조사들이 결국에는 아키텍처 요건에 따라 자체적인 하이브리드 또는 호스트 기반의 솔루션을 개발하게 될 것이라는 의미로 해석된다.
AUTOSAR 환경을 토대로 개발된 솔루션은 MCU가 RTOS(실시간 운영체제)를 구동하는 인터페이스를 가진 하이브리드 아키텍처를 필요로 하거나, 호스트 기반 인터페이스를 AUTOSAR에 통합하는 최적화를 필요로 하게 될 것이다. 대안으로는, TCU에 위치한 솔루션은 호스트 기반의 리눅스 또는 안드로이드 기반의 아키텍처를 필요로 하게 될 것이다. 소유권의 확장을 위한 조기의 노력은 궁극적으로 전문 지식의 구축, 기술의 준비도 및 유연성이라는 차원의 보상을 가져다 줄 것이다. 어떤 아키텍처를 선택하든, 당신의 경쟁사들은 이미 시장 출시를 위해 빠르게 움직이고 있다는 사실을 기억하기 바란다.
김백규 유블럭스 이사, 필드 애플리케이션 엔지니어
