Configuration and Diagnosis about Control Pilot and Protective Earth Line for Electric Vehicle Charging Communication

Abstract

환경오염, 특히 대기 오염을 방지하기 위해 자동차의 배출가스 제한과 연비 개선에 대한 사회적 요구가 거세짐에 따라, 전기 자동차와 같은 친환경 차량이 많은 관심을 받고 있다. 배출가스의 주 요인인 기존의 내연기관 자동차는 동력의 전동화 추세에 따라 하이브리드 자동차(HV), 플러그인 하이브리드 전기차(PHEV), 순수전기차(PEV)로 발전해왔다. 특히, 전력을 주 동력으로 사용하는 PEV와 근거리에서는 전지의 전력을 이용하고 원거리나 고속 등, 필요할 때에 내연 기관을 사용할 수 있는 PHEV의 경우에 동력원으로의 사용을 위한 전지의 충전은 매우 중요하다. 이를 위해서 국제 전기기술 위원회(International Electrotechnical Committee)와 국제 표준화 기구(International Organization for Standardization)에서는 전기차의 안전한 충전 제어를 위해 충전제어통신에 대한 표준을 제정하였고, 이 두 기구에 의해 제정된 전기차 충전시스템 표준(IEC61851-1)과 그 외 부속 표준 그리고 자동차로부터 전력망으로의 통신 인터페이스에 대한 표준 (ISO 15118)이 발행되었다. 본, 연구는 위 두 개의 표준에 대한 적용 모델을 고찰하고 제어통신라인의 구성과 설치 시 나타날 수 있는 문제점과 이를 개선하기 위한 방안과 사용자의 안전한 충전을 위한 접지 선로의 진단방법을 연구하여 제안하였다. 충전 통신용 제어 파일럿(CP)의 PLC신호 채널과 이 CP신호의 복귀 경로이며 동시에 접지 경로인 보호 접지선(PE) 구성으로 CP와 PE로 구성된 한 쌍의 직선 방식과 한 가닥의 CP 선로와 PE를 접지평면으로 적용하는 형태를 의사 실험과 실제 구현 실험을 통해서 결과를 비교한 바, ISO15118에서 권장하는 모델의 경우, 선로의 길이가 1.5m를 넘어가서 2m에 다다르는 경우 27Mhz 지점에서 매우 깊은(-30dB) 열화 점을 보이고 이 CP와 PE 신호선의 길이가 더 길어질수록 HPGP 대역폭(1.8MHz ~ 28MHz)의 낮은 대역으로 열화점이 침범하여 내려가는 반면, CP 선로를 신호 경로로 사용하고 차량의 샤시로 가정된 접지 평면 전체를 PE로 활용한 모델과 CP와 PE 의 두개의 선을 사용하되, 소스와 타겟 포트의 PE선로 양쪽 모두를 접지한 경우에는 전송특성에서 HPGP 전송 대역과 그 보다 넓은 주파수 범위에서 1m ~ 4m의 선로 길이를 적용하여도 -0.6dB ~ -1.5dB보다 좋은 매우 평탄한 S21 응답특성을 보였다. 또한, 본 모델에서 PE의 접지 평면의 결속 여부를 진단하기 위한 결합 불량 진단 회로의 의사 실험과 구현을 통해서, 본 연구에서 제안하는 모델이 ISO15118과 IEC61851-1의 요구사항을 만족할 수 있음을 보였다.; Eco-friendly vehicles such as electric cars are receiving a great deal of attention in response to the growing social demand for improved car emissions and fuel efficiency to prevent environmental pollution. Existing internal combustion engine cars, which are major contributors to emissions, have been developed into hybrid cars (HVs), plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs), and pure electric vehicles (PEVs) depending on the trend in power generation. In particular, in the case of a PEV that uses electric power as the main power and a PHEV that can use the electric power of the battery in a short distance and use an internal combustion engine when necessary, such as long-distance or high speed, charging of the battery for use as a power source is very important. To this end, the International Electrotechnical Commission established standards for charging control of electric vehicles and electric vehicle charging systems (IEC 61851-1), while the International Organization for Standardization released other standards for the communication interface from the vehicle to power grid equipment to charge electric vehicles (ISO 15118). In this study, application models for the above two standards are proposed and examined by studying problems that may arise in the composition and installation of control communication lines. Strategies to improve the models and methods for the diagnosis of a protective earth path for safe charging by users are also described. To improve charging communication performance, simulations and experiments were performed. The results for the case of a programmable logic controller (PLC) signal channel configured by the straight-pair of a control pilot (CP) and PE (Protective Earth (PE): Return Path CP) are compared with those from a signal channel configured by a CP and PE ground plane. Based on the obtained findings, the model recommended by ISO 15118 showed a very deep (-30dB) degradation point at 27 MHz when the path length exceeded 1.5 m and reached 2 m. In this case, as the lengths of the CP and PE signal lines became longer, the degradation point moved to a lower band of the HPGP bandwidth (1.8 MHz to 28 MHz). However, for the model that applies grounding on both ports (the source and target ports) of the PE line while using a pair of CP and PE lines, and the model that uses the CP line as the signal path while employing the entire PE ground plane as the vehicle chassis, very flat S21 responses better than -0.6dB to -1.5dB were observed even in the HPGP transmission band and wider frequency range. In addition, through simulations and the implementation of a binding defect diagnostic circuit to diagnose binding of the PE grounding plane, the models proposed in this study were shown to meet the requirements of ISO15118 and IEC 61851-1.