[논문]E-Mobility용 전력변환기의 IoT 모니터링 기술에 대한 연구

이인석; 이주; 강자윤

doi:10.15207/jkcs.2018.9.3.039

E-Mobility용 전력변환기의 IoT 모니터링 기술에 대한 연구
A Study on IoT Monitering Technology of Power Converter for E-Mobility 원문보기

한국융합학회논문지 = Journal of the Korea Convergence Society, v.9 no.3, 2018년, pp.39 - 44

이인석 (한양대학교 전기공학과) , 이주 (한양대학교 전기공학과) , 강자윤 (한양대학교 메카트로닉스공학과)

초록
AI-Helper

논문은 E-Mobility용 전력변환기의 고장 진단을 위해 차량 상태의 모니터링 기술을 IoT 기술을 접목하여 스마트폰으로 연동하여 운용하는 것에 대한 것이다. 중국에서는 EV 규제를 실시하여 기술의 발전과 전기자동차에 대한 시장 변화를 유도하고 있다. 이러한 추세에 맞게 E-Mobility도 적합한 모니터링 기술을 연구해야 한다. 기존 자동차에서 적용하는 OBD-II를 이용한 방법은 유무선 통신 방법이다. E-Mobility에 적용하기 위해서는 추가의 인터페이스 및 통신연동이 필요하다. 본 논문에서는 기존 기술과 IoT를 접목시켜 E-Mobility용 전력변환기의 상태정보를 모니터링 하는 기술을 제안하였다. 이 기술을 통해서 기존 네트워크 프로토콜 및 하드웨어 인터페이스를 간소화 하였고, 사용자가 쉽게 모니터링 할 수 있도록 E-Mobility용 전력변환기와 스마트폰의 연동이 가능함을 확인하였다. 그리고 기능 측면에서 고부가가치 제품 설계가 되도록 연구를 수행하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose a monitoring method of smartphone to integrate IoT technology to monitor the state of the vehicle for fault diagnosis of E-Mobility power converter. In China, EV regulations are being implemented to promote technological development and market changes in electric vehicles. To meet this trend, E-Mobility should study suitable monitoring technology. The OBD-II method used in existing automobiles is a wired / wireless communication method. In order to apply it to E-Mobility, additional interface and communication link are required. In this paper, we propose a technology to monitor the status information of power converter for E-Mobility by combining existing technology with IoT. This technology simplifies the existing network protocol and hardware interface, and confirms that the E-Mobility power converter and smartphone can be interworked for easy user monitoring. And we have done research to make high value product design from the aspect of function.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

E-Mobility는 전세계 시장에서 점차 점유율이 증가할 것으로 예상되고 있으며 최근 IoT/ICT 기술의 대두로 고부가가치 서비스 구현이 가능한 제품의 연구 개발이 시급한 상황이다. 그 중 사용자의 운행 편의성 및 안전성을 고려한 모니터링 시스템을 연구하였고, 본 논문에서는 E-Mobility에 최적화된 모니터링 시스템을 위해서 기존모니터링 방식의 분석을 통해 단점을 보완하면서 E-Mobility용 전력변환기에 맞는 모니터링 시스템을 연구하였다. 기존 차량과의 호환성을 고려하여 OBD-Ⅱ 커넥터로 CAN to 블루투스를 적용한 시제품을 개발하였고 시험결과 기존 모니터링 방식보다 하드웨어적으로 시스템 구성이 간소해짐을 확인하였다.
기존 시스템의 분석을 통해 기존 방법의 장점과 단점을 정리하였다. 그리고 E-Mobility에 적용하기 위해서 개선되어야 할 사항을 알아보았다.
고장 진단은 사용자가 운행함에 있어 사고를 미연에 예방하여 인명 피해 및 재산 피해를 방지할 수 있어 꼭 필요하고 중요한 기술이다. 본 논문에서는 E-Mobility에 적합한 모니터링 기술에 대한 연구를 진행하였다.

제안 방법

또한, 풍력발전기에도 많이 사용된다[12]. 그러나 지그비는 통신 환경이나 전력 소비 등에서 많은 장점이 있으나 별도의 PC나 단말기가 필요하며 인터넷 사용을 위해서는 별도의 비용이 추가적으로 발생하기 때문에 기기간의 무선 연결이 용이한 블루투스를 선정하여 스마트폰 모니터링을 구성하였다. 보통 인버터 모니터링 시스템에서 지그비는 정보들의 자료 저장과 가공을 맡고 있으며, 블루투스는 기기간의 통신을 목적으로 사용한다[3].
기존 표준 커넥터인 OBD-II를 사용하여 IoT 모듈을 구성하였다. 그리고 IoT 모듈의 블루투스를 통해 스마트폰과 연동하였다. 스마트폰 모니터링의 강점으로는 스마트폰 내의 소프트웨어로 정보를 취합하여 진단을 내리기 때문에 차량 내에서 별도로 취합하고 진단할 필요가 없으며, 분석을 위한 인터페이스를 사용자 편의대로 구성할 수 있기 때문에 간단한 네트워크 구성과 하드웨어 비용이 감소하게 되어 기존 방식에 비해 용이해진다.
기존 시스템의 분석을 통해 기존 방법의 장점과 단점을 정리하였다. 그리고 E-Mobility에 적용하기 위해서 개선되어야 할 사항을 알아보았다.
본 논문에서 제안하는 모니터링 방식은 기존 방식과 IoT를 접목시켜 스마트폰으로 모니터링을 하는 방법이다. 기존 표준 커넥터인 OBD-II를 사용하여 IoT 모듈을 구성하였다. 그리고 IoT 모듈의 블루투스를 통해 스마트폰과 연동하였다.
스마트폰 환경은 유지보수 툴로서 대시 보드, 불루투스 페어링, 파라미터 송신(사용자 감성 드라이빙 조절) 등의 기능을 가지고 있다. 대시보드는 기존 상용 차량에서 표시되는 기어정보, 속도, 누적 거리 뿐만 아니라 전기 차량에 특화되어 인버터 및 모터의 온도와 베터리 전압 등의 정보도 함께 표시할 수 있도록 설계하였다. Fig.
0 버전에 적용하였고, 스마트폰 기기로는 Galaxy J3과 Galaxy note 8에 적용하여 구현하였다. 또한 적용한 전력변환기는 E-Mobility에 사용되는 정격 10kW 전력변환기와 모터를 이용하여 연동시험을 진행하였다.
본 논문에서는 OBD-Ⅱ 커넥터를 활용하여 고장 진단에 필요한 정보들을 IoT 기술을 접목시켜 스마트폰으로 모니터링 할 수 있도록 CAN to BlueTooth 모듈을 설계하였다. 이 모듈을 통해 기존보다 하드웨어적으로 가벼운 시스템을 구축하였고, E-Mobility의 고장진단에 필요한 정보들을 최적화하여 모니터링을 할 수 있도록 설계하였다.
5는 IoT 모듈 케이스를 결합한 시제품이다. 소형화와 최적화를 목표로 설계하였으며, 다운로드 핀을 커넥터에 연결하여 유지보수 편의성을 확대하였다.
본 논문에서는 OBD-Ⅱ 커넥터를 활용하여 고장 진단에 필요한 정보들을 IoT 기술을 접목시켜 스마트폰으로 모니터링 할 수 있도록 CAN to BlueTooth 모듈을 설계하였다. 이 모듈을 통해 기존보다 하드웨어적으로 가벼운 시스템을 구축하였고, E-Mobility의 고장진단에 필요한 정보들을 최적화하여 모니터링을 할 수 있도록 설계하였다.

이론/모형

OBD-Ⅱ 커넥터에 CAN to 블루투스 기술을 적용하여 통신환경은 CAN 통신 2.0A(Identifier 11bit) 방식과 Bluetooth 2.0 방식을 이용하였다[13,14]. 스마트폰 OS는 안드로이드 8.

성능/효과

위와 동일한 방식으로 CAN 데이터를 분석해 보면, ID는 0x023이며 Data 내용은 0x60, 0x00, 0x00, 0x03, 0x00 ‥ 이 수신되었다는 것을 확인하였다. 10진수로 변환하였을 때는 각 데이터를 96, 0, 0, 3에 해당하면 3장에서 정의한 데이터 구성과 비교하여 보면 배터리 96%이며 Fault로 인한 차량 정지 상태인 것을 확인하였다.
CAN이 동일 신호가 5비트 반복되면 반대 비트를 삽입한다는 점을 고려해 보았을 때, ID는 0x023이며 Data 내용은 0x61, 0x1B, 0x32, 0x00, 0x00 ‥이 수신되었다는 것을 확인하였다. 10진수로 변환하였을 때는 각 데이터를 97, 27, 50에 해당하면 3장에서 정의한 데이터 구성과 비교하여 보면 배터리 97%, 차량속도 27km/Hour, 모터온도 50℃, 정상동작 중 인 것을 확인하였다.
6은 진단 및 계측장치에서 수신된 CAN 데이터를 나타낸 것이다. CAN이 동일 신호가 5비트 반복되면 반대 비트를 삽입한다는 점을 고려해 보았을 때, ID는 0x023이며 Data 내용은 0x61, 0x1B, 0x32, 0x00, 0x00 ‥이 수신되었다는 것을 확인하였다. 10진수로 변환하였을 때는 각 데이터를 97, 27, 50에 해당하면 3장에서 정의한 데이터 구성과 비교하여 보면 배터리 97%, 차량속도 27km/Hour, 모터온도 50℃, 정상동작 중 인 것을 확인하였다.
그 중 사용자의 운행 편의성 및 안전성을 고려한 모니터링 시스템을 연구하였고, 본 논문에서는 E-Mobility에 최적화된 모니터링 시스템을 위해서 기존모니터링 방식의 분석을 통해 단점을 보완하면서 E-Mobility용 전력변환기에 맞는 모니터링 시스템을 연구하였다. 기존 차량과의 호환성을 고려하여 OBD-Ⅱ 커넥터로 CAN to 블루투스를 적용한 시제품을 개발하였고 시험결과 기존 모니터링 방식보다 하드웨어적으로 시스템 구성이 간소해짐을 확인하였다. 시제품을 제작하여 정상 동작과 fault 동작일 경우 통신연동이 잘 됨을 확인하였다.
2는 기존 구성과 제안한 구성의 차이점을 나타낸 블록도이다. 기존과 제안한 스마트폰의 모니터링의 차이점은 ECU에 의해 수행되는 기능이 생략되었다. ECU는 차내 통신망 CAN을 통하여 전달받아 제어하거나 관리하는 정보를 실시간으로 수집 및 가공하여 저장한다.
8은 배터리 97%, 차량속도 27km/Hour, 50, 정상 동작 중인 조건에서 진단 및 계측장치가 송신한 블루투스 데이터이다. 수신된 CAN데이터가 블루투스 데이터로 에러 없이 전송된 것을 확인하였다.
기존 차량과의 호환성을 고려하여 OBD-Ⅱ 커넥터로 CAN to 블루투스를 적용한 시제품을 개발하였고 시험결과 기존 모니터링 방식보다 하드웨어적으로 시스템 구성이 간소해짐을 확인하였다. 시제품을 제작하여 정상 동작과 fault 동작일 경우 통신연동이 잘 됨을 확인하였다. 향후에는 차량의 모니터링 시스템에서 더 나아가 스마트폰과 서버 간의 네트워크를 구성하여 각각의 차량에 대한 유지 보수 측면에서 서비스를 원활하게 받을 수 있도록 제작 및 정비 등의 관계 업체들과 연계하여 다양한 서비스를 주고 받기 위한 기술을 연구할 예정이다.
데이터 및 Fault 신호를 CAN통신으로 넘어오는 것을 확인하였다. 이후 블루투스 데이터를 PC상에서 확인할 수 있는 X-CTU라는 프로그램을 이용하여 진단 및 계측장치로 전송된 데이터가 Bluetooth 통신으로 정상적으로 전송되는 것을 확인하였다.

후속연구

시제품을 제작하여 정상 동작과 fault 동작일 경우 통신연동이 잘 됨을 확인하였다. 향후에는 차량의 모니터링 시스템에서 더 나아가 스마트폰과 서버 간의 네트워크를 구성하여 각각의 차량에 대한 유지 보수 측면에서 서비스를 원활하게 받을 수 있도록 제작 및 정비 등의 관계 업체들과 연계하여 다양한 서비스를 주고 받기 위한 기술을 연구할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	E-Mobility의 장점은 무엇인가?	이러한 영향은 글로벌 시장에도 영향을 미치게 될 것이며 EV에 대한 기술 발전의 요구가 중요하게 될 것이다. E-Mobility는 EV의 카테고리 중 하나로 경량화와 소형화에 중점을 두고 있으며, 경제적인 차량의 가격으로 소비 점유율이 증가하고 있는 장점을 갖고 있다. 그러나 경제적인 제작의 결과 일반 차량에 대비하여 기능들이 크게 축소되었다.
	고장 진단이란?	그 중 고장 진단을 위한 모니터링 기술이 대폭 축소되었다. 고장 진단은 사용자가 운행함에 있어 사고를 미연에 예방하여 인명 피해 및 재산 피해를 방지할 수 있어 꼭 필요하고 중요한 기술이다. 본 논문에서는 E-Mobility에 적합한 모니터링 기술에 대한 연구를 진행하였다.
	OBD-II의 단점은 무엇인가?	그러나 단점으로는 이 기술은 내연기관에만 적용되어있고, 복잡한 네트워크 구성으로 인한 하드웨어 증가로 비용이 크다. 그리고 CDMA 모뎀이 내장된 경우에는 이동통신사의 별도 가입이 필요하여 추가 비용이 발생한다. 또한 차량 진단 장치와 유선으로 연결하는 경우 와이어링 하네스에 의한 각종 노이즈가 유입되어 정보 전달의 신뢰성이 저하될 수 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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