■  BMS, 관심 적지만 배터리 혁신 위해 지원 必

승용차와 상용차의 전동화가 새로운 국면에 접어들고 있다. 기술의 타당성 입증 단계를 넘어 고급차 양산 단계로의 전환이 뚜렷하게 나타난다. 기술의 상용화는 더 최적화되고 저렴한 차량의 출시로 이어진다.

그럼에도 아직까지는 대부분의 전기차(EV)들이 기존 내연기관 차량에 비해 여전히 비싸거나 덜 매력적인 것으로 간주된다. 따라서 성공적이고 지속 가능한 시장 성장을 보장하려면 비용 절감과 성능 향상이 핵심이다.

크기와 무게, 비용을 줄이면 차량의 전체 수명 주기 동안 배터리 시스템의 경쟁력을 높일 수 있다. 주행 거리의 확장 또한 차량의 매력도와 경쟁력에 커다란 영향을 미친다. 다른 한 편에서는 점점 더 많은 수의 전기차가 수명이 다함에 따라 자동차 제조사들은 폐기된 차량에서 회수한 2차 수명 배터리로부터 가치를 끌어내기 위한 경쟁을 벌이고 있다.

배터리 혁신에 관한 뉴스는 새로운 배터리 패키징 컨셉트와 오늘날의 리튬 기술보다 더 많은 전하를 저장할 수 있는 신소재를 소개하는 데 많은 비중을 두고 있는 편이다.

반면 배터리의 다른 측면인 배터리의 충전 상태(SOC)와 노화 상태(SOH)를 모니터링하는 배터리 관리 시스템(BMS)에 대한 관심은 적은 편이지만 배터리 혁신을 추구하고 지원할 필요가 있다.

아나로그디바이스(ADI)가 개발한 새로운 무선 BMS(wBMS) 기술을 제너럴모터스(GM)가 선도적으로 모듈형 얼티엄(Ultium) 배터리 플랫폼에 탑재해 양산 출하하고 있다.

무선 BMS는 배터리 모듈이 처음 조립되는 시점부터 시작하여 전기차에 사용되고, 폐기 단계를 지나, 필요 시 배터리의 2차 수명에 이르기까지 배터리 수명 전체에 걸쳐 자동차 제조사에게 새로운 경쟁 우위를 제공한다.

■ 유선 배터리 연결 - 높은 비용과 무게, 복잡한 연결 방식

무선 BMS 기술은 기존 전기차 배터리 팩에 대한 통신 배선의 단점 분석을 기반으로 개발되었다. 이 분석은 무선 통신 분야에서 가장 정확한 BMS IC를 제공하는 ADI의 전문 기술력을 토대로 이루어졌다. 또한 ADI는 산업 환경용으로 세계에서 가장 견고한 메시 네트워킹 기술을 개발했다.
기존의 전기차 배터리 팩에서는 각각의 셀이 배터리 관리 IC에 의해 측정된다. 배터리 관리 IC에서 측정된 데이터는 배선을 통해 배터리 팩 ECU로 전달된다. 대형 배터리 팩의 구조가 복잡한 것은 이러한 배터리 내부의 통신 요구사항이 반영된 결과이다.

배터리 팩은 통상적으로 모듈로 구성되며, 각 모듈은 여러 개의 셀을 포함한다. 자연적인 생산의 차이로 인해 각각의 셀마다 지정된 허용오차 범위 내에서 약간씩 특성 차이가 발생한다. 배터리 용량과 수명, 성능을 극대화하려면 배터리 동작의 주요 파라미터(전압, 충/방전 전류, 온도)를 각각의 모듈마다 개별적으로 모니터링하고 기록해야 한다.
 
이러한 이유로 전기차의 배터리는 각 모듈이나 셀에서 전압과 온도를 측정하고, 측정된 데이터를 ECU 프로세서로 전달하는 수단을 필요로 한다(그림 1). 전통적으로 이러한 연결은 유선 방식을 사용해 왔는데, 유선 연결은 익숙하고 이해하기 쉽다는 장점이 있다.

■ 유선 BMS의 단점

하지만 유선은 여러 가지 단점도 가지고 있다. 구리 배선 하네스는 무게와 공간을 더 늘린다.

만약 이 공간을 배터리 셀로 채운다면 에너지 용량을 더 제공할 수 있을 것이다.

이 밖에 배선은 배터리 하우징 구조물에 고정해야 하므로 커넥터가 특히 진동과 충격으로부터 기계적 고장을 일으킬 가능성이 항상 잠재돼 있다.

다시 말해, 유선은 개발 노력과 제조비용, 무게는 늘리면서 기계적 신뢰성과 사용 가능한 공간은 줄인다. 이는 주행거리를 단축하는 결과를 낳는다. 배선 하네스를 제거할 경우, 자동차 OEM은 배터리 팩의 폼팩터에 대한 설계 요구사항을 만족하는 새로운 유연성을 얻을 수 있다.

배터리 유선 하네스의 복잡성은 배터리 팩 조립을 어렵게 만들 뿐 아니라 비용도 높인다. 유선 배터리 팩은 조립과 연결 종단을 수작업으로 처리해야 한다. 이는 비용이 많이 들 뿐 아니라 위험한 공정이다. 고전압 전기차 배터리 모듈이 충전된 상태로 제공되기 때문이다. 조립 공정의 안전을 유지하고 생산 라인 작업자를 보호하기 위해, 안전 규칙들이 엄격하게 적용된다.

자동차 OEM이 새로운 전기차 배터리 시스템 플랫폼에 견고한 무선 기술을 도입해야 하는 강력한 이유가 바로 여기에 있다.

■ 무선 BMS - 새롭고 스마트한 방식

무선 BMS는 자동차 OEM이 배터리 팩 설계에 쉽게 통합할 수 있는 완전한 솔루션이다. 무선 BMS는 각 배터리 모듈마다 무선 셀 모니터링 컨트롤러(wCMC) 장치를 포함하고 있고, 통신 네트워크를 제어하는 무선 매니저 유닛을 가지고 있어 여러 배터리 모듈을 무선으로 ECU에 연결한다.

무선 섹션 외에도 각 wCMC 장치에는 다양한 배터리 파라미터에 대한 매우 정확한 측정을 수행하는 BMS를 포함하고 있어 애플리케이션 프로세싱 유닛이 배터리의 SOC와 SOH를 분석할 수 있다.

무선 BMS 기술은 배선 하네스 설계 및 조립과 관련한 이슈를 완전히 없앨 뿐 아니라, 배터리 수명주기 동안 다음과 같은 분야에서 추가적인 가치를 만들어낸다.

▷배터리 조립 - 배터리 모듈에서 필요로 하는 유일한 연결은 전원 연결이다. 이 연결은 고도로 자동화된 공정으로 쉽게 만들 수 있다. 또한 조립과 테스트의 수작업을 제거함으로써 조립 라인 작업자의 안전성도 높인다(그림 2). 뿐만 아니라 모듈을 배터리 내에 설치하기 전 테스트하고 정합할 수 있다.
 
▷수리 - 보안 무선 기능을 제공하므로, 배터리 팩을 물리적으로 확인하지 않고도 공인 정비소에서 진단 장비를 사용하여 배터리 팩의 상태를 편리하게 분석할 수 있다. 이상이 발견되면, 문제가 있는 모듈을 쉽게 제거하고 교체할 수 있다. 무선 구성은 배터리 시스템에 새로운 모듈의 설치를 간소화한다.

▷2차 수명 - 전기차가 늘어나면서 폐기된 전기차로부터 배터리를 회수하여 재생 에너지 저장 시스템과 전동 공구와 같은 애플리케이션으로 용도를 변경하는 2차 수명 배터리 시장이 새롭게 떠오르고 있다. 무선 BMS는 모듈을 2차 수명 애플리케이션용으로 보다 쉽게 통합할 수 있게 하므로 폐기된 전기차에서 배터리의 재활용 또는 폐기를 책임져야 하는 전기차 제조사들에게 추가적으로 새로운 가치를 창출할 수 있게 한다.

▷폐기 - 배터리 팩 내부의 재활용 가능한 금속 또는 유해 물질은 규정된 폐기 절차에 처리되어야 한다. 연결이 간단하고 통신 배선 하네스가 없기 때문에 유선 배터리보다 배터리 모듈을 더 쉽고 빨리 제거할 수 있다.

▷데이터 관리 - 무선 BMS 기술은 각 지능형 모듈로부터 중요한 배터리 데이터를 쉽게 읽을 수 있게 해준다. 이는 배터리 상태를 개별적으로 확인할 수 있다는 것을 의미한다. 이러한 데이터는 모듈의 SOC와 SOH 같은 정보를 제공할 수 있으며, 이를 모듈의 처음 생산 당시의 데이터와 연계하면 2차 수명 애플리케이션에서 사용을 최적화하고, 판매 모듈에 대한 개별적인 세부 사양을 제공할 수 있다. 이러한 데이터를 쉽게 사용할 수 있게 됨으로써 모듈의 재판매 가치도 높아진다.

■ ADI의 완벽한 무선 BMS 솔루션

ADI가 무선 BMS 시스템에 구현한 무선 네트워크 프로토콜은 전체 네트워크의 시간 동기화 기술을 기반으로 모든 동작 조건에서 신뢰성, 안전성, 보안성에 대한 자동차 업계의 요구사항을 충족한다. 무선 BMS는 GM의 양산 전기차에 적용되어 가장 혹독한 환경에서 무선 BMS의 신뢰성을 입증했다. 무선 BMS 기반 배터리는 100대가 넘는 테스트 차량에 탑재되어 포장도로와 비포장도로에서, 사막에서부터 얼어붙은 북극까지, 매우 열악한 환경에서 수십만 킬로미터를 달렸다.

무선 BMS와 관련하여, ADI는 또한 ISO 26262 기능 안전 표준에 따라 자동차 제조사의 프로그램을 지원한다. 무선 기술과 네트워킹 프로토콜은 잡음이 많은 환경에서 시스템이 탄력적으로 작동하고, 정교한 암호화 기술을 통해 모니터링 장치와 매니저 사이에서 안전한 통신을 제공하도록 개발되었다. 보안 조치는 무선 네트워크에서 전송되는 데이터에 대해 범죄자나 해커 같이 데이터 수신 자격이 없는 고의적인 공격자들로부터의 스푸핑을 방지한다. 뿐만 아니라 전송되는 데이터는 컨텐츠 수정 없이 수신되며, 정해진 수신자들은 메시지의 정확한 출처를 알 수 있다.

■ 배터리 가치의 수명 관리

초기 조립에서부터 폐기를 지나 2차 수명에 이르는 배터리 팩의 전체 수명 주기 동안, 배터리 팩에 내장된 무선 BMS 기능은 차량의 제조사와 소유자가 배터리 상태를 쉽게 추적하고 성능과 안전을 유지하며 가치를 극대화할 수 있도록 보장한다. 배터리 모듈의 셀 모니터링 장치와 ECU 간 상호작용을 포함한 전체 시스템은 ADI의 기술에 의해 처리되며, 구성 설정은 자동차 OEM에 의해 정의된다.

또한 무선 BMS 기술은 ADI의 BLIS(battery lifecycle insight service) 기술에 의해 지원된다. 이 기술은 에지 기반 및 클라우드 기반 데이터 소프트웨어를 통해 추적, 생산 최적화, 저장 및 이동 시 모니터링, 초기 고장 탐지, 수명 연장 등의  기능을 제공한다. 무선 BMS 및 BLIS 기술은 자동차 OEM이 배터리 팩 개발과 생산에서 투자 수익을 높이고, 전기차 사업 전략의 경제성을 향상하며, 퍼스널 모빌리티를 위한 저탄소 및 지속 가능한 미래를 향한 전환을 가속화하도록 도와준다.

무선 BMS를 사용하여 이러한 배터리 솔루션을 설계하고 구현하는 핵심은 시스템에 대한 이해와 함께, 앞서 설명한 설계와 기술을 지원하는 방법과 도구에 있다. AVL은 고객과 함께 이러한 혁신을 성공적으로 추진하고 전략적 생산으로 제품을 시장에 출시할 수 있도록 폭넓은 시뮬레이션, 테스트, 엔지니어링 기능 및 경험을 제공한다. AVL은 배터리 수명과 성능을 높이기 위해 가상 개발 및 차량과 배터리 데이터를 활용한 데이터 분석 방법론, 예측 기능을 개발하여 배터리 생태계 솔루션을 만들어 나가고 있다.

AVL과 ADI는 양사의 강점을 결합하여 전 세계 고객에게 보다 스마트한 BMS 솔루션을 제공하기 위해 노력하고 있다.

※ 저자
- 스테판 프뤼플링(Stephan Prufling) AVL 배터리 관리 시스템 제품 매니저
- 노르베르트 빌러(Norbert Bieler) 아나로그디바이스(ADI) E-모빌리티 사업 개발 디렉터