BMS, 배터리 모니터링으로 최적의 상태 유지
ST L9963 BMS IC, ISO 26262 ASIL-D 만족
15개 데이지 체인 및 듀얼링 아키텍처 통신 가능


온실가스는 기후 변화의 주요 원인 중 하나다. 내연기관차의 배기가스양을 줄이기 위해 전 세계 주요 국가의 정부는 전기차 구매를 장려하는 정책을 펼치고 있다.

국제에너지기구(IEA)에 따르면 지난 2010년, 전 세계의 도로에는 약 1만7천 대의 전기차만 달리고 있었다. 2019년에는 그 수가 720만대로 증가했다. 블룸버그 NEF는 2025년에 1,000만대, 2030년에 2,800만대, 2040년에 5,600만대 이상의 전기차가 판매될 것으로 예측했다.

전기차는 동력계 구조에 따라 △하이브리드 전기차(HEV), △플러그인 하이브리드 전기차(PHEV), △순수 전기차(EV), △수소 전기차(FCEV)로 나뉘며, 뒤로 갈수록 전기가 차지하는 비중이 크다.

배터리는 전기차의 핵심 부품으로, 전기차 종류에 따라서 보조적이냐 중심적이냐의 차이가 있을 뿐, 동력원으로서 기능한다. 전기차가 배터리를 얼마나 잘 활용하는가에 따라서 주행가능거리가 길어질 수도, 짧아질 수도 있다.

내연기관차 대비 1/3 수준인 전기차의 주행가능거리는 소비자가 선뜻 전기차를 구매할 수 없게 만드는 요인으로 꼽힌다. 이러한 한계를 극복하기 위해 자동차 관련 기관이나 기업들은 기존 400V를 넘어선 800V 배터리를 채용한 시스템을 개발 및 채용하고 있다.

전기차 배터리는 셀(Cell), 모듈(Module), 팩(Pack)으로 구성된다. 그리고 배터리 관리 시스템(BMS)은 배터리 셀, 모듈, 팩의 상태를 모니터링하여 배터리를 최적의 상태로 유지하고 관리한다. 이를 통해 배터리 교체 시기 예측 및 문제 사전 발견 등의 역할을 한다.
ST마이크로일렉트로닉스는 2008년부터 전기차 배터리 관리 분야 주요 파트너들과 BMS 비즈니스를 전개하고 있다. ST 코리아에서 오토모티브 파워트레인 및 세이프티 제품 FAE를 담당하는 김진우 대리를 만나 효율적인 전기차용 BMS를 구현하는 데 필요한 역량에 관해 물었다.


Q. 전기차에서 BMS의 역할과 기능은 무엇입니까?
A. 차량용 BMS는 전압, 온도, 전류의 모니터링을 통한 배터리의 충전 상태(State of charge; SOC)와 수명 상태(State of health; SOH)를 관리하고 셀 밸런싱과 같은 주요한 기능들을 구현할 수 있어야 합니다. 전기차에서 BMS의 주요 기능은 크게 3가지입니다.

△첫 번째는 EV가 안전 구동 영역을 벗어났을 때 배터리를 보호하는 기능, △두 번째는 배터리 팩 충전 상태와 수명 상태를 추산하는 배터리 모니터링 기능, △세 번째는 셀 밸런싱 기술로 배터리의 수명과 용량을 늘리고 주행거리를 최대화하는 배터리 사용 최적화 기능입니다.

ST ‘L9963’ BMC IC는 위의 기능들을 구현하기 위해 설계됐습니다.


Q. 경쟁사 BMS IC 대비 L9963의 특장점은 어떤 것입니까?
A. L9963은 모든 셀 채널에 대응하는 전용 16bit 아날로그-디지털 컨버터(ADC)를 포함하고 있으며, 18bit ADC를 이용해 쿨롱 카운터(Coulomb counter) 기능을 사용할 수 있습니다. 개별 ADC로 모든 셀 전압을 같은 시간에 측정할 수 있어 더욱 정확한 SOC 및 SOH 추정이 가능합니다.

또한, ISO 26262 ASIL-D 등급을 만족하는 제품으로, 림프 홈 모드(Limp home mode)와 핫플러그 프로텍션(Hot-plug protection) 등 ‘기능 안전(Safety)’ 측면을 강화한 설계가 가능합니다.

L9963 전용 트랜시버인 ‘L9963T’를 사용하면 듀얼링 아키텍처(Dual-ring architecture)를 구성할 수 있어 데이지 체인(Daisy chain) 구성상 임의의 L9963이 응답하지 않더라도 다른 방향의 통신라인으로 통신할 수 있습니다.


Q. 전기차 배터리는 안전하고 튼튼해야 합니다. L9963은 BMS의 안정성을 어떻게 높입니까?
A. L9963은 앞서 언급한 기능 안전 등급인 ISO 26262 ASIL-D 요건을 충족하기 위해 림프 홈 모드를 지원하고, 안전성을 향상하는 완전히 독립적인 2개의 같은 셀 측정 경로를 가지고 있습니다. 즉 한 셀의 전압이 문제가 있을 때 인접 셀의 ADC를 이용하여 모니터링할 수 있습니다. 자동차 안전 요건을 충족하는 포괄적인 결함 감지 및 알림 기능도 내장하고 있습니다.

또한, 모든 셀 채널에 핫플러그 프로텍션 기능이 내장되어 있습니다. 따라서 내장된 64V/3A 다이오드로 클램핑(Clamping)이 가능해 배터리 탈착 때 순간적으로 발생하는 서지(Surge)로부터 IC를 보호할 수가 있습니다. 채널별 별도의 제너(Zener) 다이오드 설계가 필요 없어 시스템 비용을 절감할 수 있습니다.


Q. 최근 400V 전기차 시스템이 800V로 대체하려는 움직임이 있습니다. 이에 대한 ST의 대응이 무엇인지 설명해주십시오.
A. 현재 출시된 L9963은 한 디바이스 당 14개의 셀을 연결할 수 있고 15개의 데이지 체인 연결이 가능하여 3.7V 기준으로 최대 777V 전기차 시스템에서 사용할 수 있습니다.

최근 적격성 평가를 마치고 양산 준비에 들어간 ‘L9963E’ BMS IC는 데이지 체인 연결이 31개로 확장되어 1,600V 전기차 시스템에서도 사용 가능합니다. 버스바 커넥션(Bus-bar connection) 및 미사용 셀(Unused cell) 등을 고려해도 1,000V 이상의 시스템에서 충분히 사용할 수 있습니다.


BMS는 개개의 배터리 셀을 모니터링하여 획득한 정보를 토대로 충전 및 방전 제어, 과방전 및 과충전 등 위험 상황에 대한 진단과 보호를 수행해야 한다. 따라서 ISO 26262 ASIL-D를 충족해야 한다. ST는 이를 구현하기 위해 L9963과 같은 수준의 기능 안전 대응이 가능한 MCU, 컨트롤 릴레이(Control relay), PMIC 등을 공급하고 있다.

SPC58NN MCU 제품군은 ASIL-D를 충족하기 위한 락스텝 코어(Lock step Core) DMA, 인터럽트 컨트롤러(Interrupt controller) 기능을 지원한다. 그리고 보안 요구 사항인 ‘EVITA Medium’을 지원하는 HSM이 내장되어 있다.

전기차 배터리 팩과 연결되어 배터리 전원을 공급 또는 차단하는 경로인 파워 릴레이 어셈블리(PRA) 내 컨트롤 릴레이에는 기능 안전 대응이 가능한 하이 사이드(High side), 로우 사이드(Low side) 또는 기능 안전 등급을 더욱 높인 하프브리지 드라이버(Half-bridge driver)가 필요하다.

L9301은 하이 사이드, 로우 사이드, 하프브리지 구성 가능한 8채널 IC로, 다양한 구성의 컨트롤 릴레이를 ASIL-D 규격에 맞게 설계할 수 있다. ST는 또한 ASIL-D 규격이 필요한 제동과 조향 시스템을 타깃으로 하는 L9369, L9001 PMIC를 제공하고 있다.


Q. L9963을 채택한 전기차 배터리 시스템 설계자들을 위한 ST의 지원책은 무엇입니까?
A. ST는 L9963 단품의 성능을 검증할 수 있는 평가 보드(Evaluation board)뿐만 아니라, 실제 시스템 적용에 유용하도록 시스템 사양을 구현한 시스템 보드를 GUI와 함께 제공합니다. 이 시스템 보드는 ST의 통합 BMS 솔루션으로, ST의 MCU, PMIC, BMS IC, 트랜시버로 구성되어 있으며 시스템 검증이 쉽습니다.


Q. 향후 BMS 시장에 대한 전망, 그리고 ST의 목표는 어떤 것입니까?
A. ST는 미래에 요구될 고효율 저비용 배터리와 수소연료전지의 전기적, 화학적 특성 을 지속해서 연구할 것이며, 이를 통해 고객과 시장의 요구를 만족하는 차세대 모니터링 IC를 개발할 방침입니다. 또한, 더 높은 전압을 사용하는 에너지 저장 시스템(ESS)에 적합하도록 데이지 체인을 더욱 늘린 BMS IC를 준비 중입니다.