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전기차 배터리의 긴 수명과 효율적 관리를 위한 BMS 활용

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글/아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)

전 세계의 도로 위에서 진화가 이루어지고 있다. 한 세기 동안 화석 연료를 태워 왔던 내연기관 자동차들이 깨끗하고 효율적인 전기 자동차(EV)로 탈바꿈하는 중이다. 향후 십여 년 동안 전기차 시장이 10배 가량 성장할 것으로 예측되는 가운데 수백 만 대의 전기 자동차에 전력을 공급하는 고성능 배터리에 대한 모니터링, 관리 및 유지보수 필요성이 커지고 있다.
오늘날 배터리 시장을 주도하는 것은 단지 비용만이 아니고, 더 긴 주행거리, 더 짧은 충전 시간, 기능 안전성에 대한 요구까지 다양하다. 이처럼 까다로운 배터리 관리 시스템 요구로 인해 허용오차는 최대한 좁히면서 최고 수준의 표준을 준수해야 한다.
EV 가격에서 배터리가 차지하는 비중이 최대 40%에 달함에 따라 EV 성능과 배터리 수명이 전기 자동차 브랜드의 주요 성공 요인이 되었다. 배터리 관리 시스템(BMS)의 선도기업인 아나로그디바이스(ADI)는 고객과 협력하여 전기 자동차 배터리를 모니터링하고 관리하면서 전기차 배터리의 안전과 생산성, 수명을 보장하는 가장 핵심적인 프로세스를 찾고 있다.

개요

- 기업
ADI는 리니어테크놀로지 인수를 통해 2008년에 개발된 최초의 통합 고전압 배터리 스택 모니터를 ADI 제품 포트폴리오에 포함시켰다. 이후 ADI는 최고 성능의 솔루션을 제공하는 데 중점을 두고, 현재 5세대 제품을 개발하고 있다.

- 과제
전기차 시장이 성장함에 따라 배터리 제조사, 공급망, 자동차 브랜드로부터 이러한 요구에 맞는 고품질, 신뢰할 수 있는 배터리 기술에 대한 수요 증가

- 애플리케이션
배터리 모니터링 및 관리

- 우려
자동차 OEM은 배터리 안전, 비용, 효율 및 수명을 민감하게 주시

- 목표
전기차 배터리의 안전 보장, 신뢰성 향상, 수명 연장을 보장하도록 BMS 개선

보다 우수한 배터리 관리 시스템에 대한 투자

BMS는 배터리 수명이 다할 때까지 전체 배터리 시스템의 신뢰할 수 있는 충전과 방전을 정밀하게 모니터링하고, 제어 및 분배한다. 배터리 과충전은 화재나 폭발로 이어질 수 있고 저충전(또는 완전 방전)은 배터리를 쓸모 없게 만들 수 있기 때문에 전류와 전압 프로파일의 정확한 모니터링은 매우 중요하다. BMS의 품질은 전기차의 1회 충전 주행거리에 직접적인 영향을 미치고, 배터리 전체 수명을 극대화하며, 결과적으로 소유 비용을 낮춰준다.
이러한 상황에서 가격은 그 중요성이 점점 더 낮아지고 장기적 가치가 핵심 지표가 된다. 바로 이 점이 배터리 수명 동안 가능한 더 높은 성능을 끌어내고자 하는 이유이다. ADI의 BMS 사업을 총괄하는 마이크 컬트겐(Mike Kultgen) 제너럴 매니저는 “정확도에 관한 한, 자동차 수명이 다할 때까지 타협은 없다”면서 “정확도가 높을수록 배터리 셀 상태를 더 잘 이해할 수 있고, 배터리에서 더 많은 용량을 뽑아낼 수 있으며, 배터리 팩이 더 신뢰할 수 있게 동작한다”고 말했다. 배터리 팩에 대한 투자를 고려할 때 BMS 성능의 가치는 명백하다. 자동차 설계자가 보증과 배터리 팩의 총 수명 비용을 고려한다면 BMS 성능의 가치는 더 분명해진다[1].

배터리 관리의 엄격한 요구사항

배터리는 가격, 신뢰성, 안전을 포함하여 광범위한 우선순위를 고려해야 하기 때문에 설계팀에게는 까다로운 과제이다. 48V~800V를 공급하는 전기차 시스템을 다룰 때, 어떤 것도 소홀히 할 수 없다.
페달을 밟으면 100kW 이상의 에너지를 공급하게 되는 배터리 시스템이 효율적이려면 수백 볼트로 동작해야 한다. 그러나 리튬이온 셀은 단지 몇 볼트 정도만 공급할 뿐이므로 충분한 전력을 추출하기 위해서는 많은 수의 배터리 셀을 하나의 긴 스택이 되도록 직렬로 연결해야 한다. 일반적인 전기차는 100개의 개별 배터리 셀을 사용하여 스택의 끝에서 최대 350V를 공급한다. 여기에는 몇 가지 해결해야 할 과제가 있다.
긴 배터리 셀 스택에서 셀 하나가 기능을 상실하면, 사실상 모든 셀을 사용할 수 없게 된다. 따라서 자동차 수명이 다할 때까지 매일 모든 배터리 셀을 충전하고 방전하면서 모니터링하고 관리해야 한다. 리튬 배터리 셀은 충전과 방전을 해당 범위의 최대치까지 할 수 없다. 리튬 배터리는 예컨대 15~ 85% 같이 매우 특정한 범위를 유지해야 한다. 그렇지 않으면 배터리 셀이 약화한다.

전원의 모니터링 및 관리

ADI의 BMS는 팩이 생산될 때부터 폐기될 때까지 정확한 셀 측정을 제공한다. 스택을 구성하는 각 셀에는 전자장치가 직접 부착되어 셀 전류를 조정하면서 역전압과 온도를 보고한다. 이 BMS는 충전 상태와 건강 상태를 파악한다. 모든 셀의 전류와 온도는 중앙 프로세서에서 복잡한 알고리즘을 통해 모니터링해야 한다. ADI는 견고한 통신 인터페이스를 구축하고 모듈형 설계(아키텍처)를 제공하므로 이 시스템은 다양한 고객층에 맞춰 완벽하게 확장이 가능하다.

“이 BMS는 지속적으로 셀을 모니터링하면서 시간, 온도, 동작 조건에 대해 신뢰할 수 있는 측정 정확도를 제공한다.
BMS는 매순간 진행 상태를 알고 있으며, ADI 칩으로부터 수신하는 정보에 100% 의존한다.”
마이크 컬트겐, ADI BMS 제너럴 매니저

핵심 가치: 정확성, 신뢰성, 안전성

ADI의 BMS 전문가와 긴밀히 협력한다는 것은 단순히 광범위한 부품 및 제품 포트폴리오에 접근하는 것을 넘어 ADI의 시스템 수준 전문지식과 깊이 있는 전문성, 다년 간에 걸친 실제적인 BMS 설계 경험을 자동차 OEM이 활용할 수 있다는 것을 의미한다. 이를 통해 OEM은 1회 충전 주행거리에서 높은 효율을 달성하고, 배터리 수명을 연장하며, 안전을 보장하고, 브랜드 신뢰도를 높일 수 있다.
ADI의 패트릭 모건(Patrick Morgan) AUTG 부사장은 “고객이 우리 제품을 사용할 때 확신이 필요하면, 우리는 고객사나 당사 공장에서 기술회의를 마련하고 우리의 주요 설계자와 애플리케이션 엔지니어들이 고객 팀을 만나도록 한다. 하루나 이틀에 걸쳐 로드맵과 해결해야 할 과제들을 검토한 다음 특정 과제에 어떻게 접근할 것인지 논의한다. 우리는 협력에 초점을 맞춤으로써 신뢰를 구축한다”고 말했다.

문제 해결 및 솔루션 탐색

ADI의 카일러 라토라카(Cuyler Latorraca) 애플리케이션 매니저는 “아시아의 한 고객사로부터 기존 시스템에 새로운 BMS를 설계해 달라는 의뢰를 받았다. 우리는 고객의 시나리오, 시스템 요건, 운영 환경을 검토한 후 그들의 접지 방식으로 인해 구조적인 측정 오차가 발생한다는 것을 알게 됐다. 이는 업계의 흔한 문제로서 우리는 이러한 오차를 제거하는 조치를 취했다”고 설명했다.

하이퍼카에 동력을 공급하는 ADI의 고성능 BMS

리막(Rimac)의 고성능 하이퍼카인 ‘C_Two’는 1,914마력을 자랑하고, 1.85초만에 정지 상태에서 60mph 마일로 가속해 258mph의 최고 속도를 낸다. 리막의 기술력을 보여주는 이 순수 전기 하이퍼카는 6,960개의 리튬 망간 니켈 셀로 구성된 배터리 팩을 탑재하고 있으며, 진정한 혁신과 열정이 자유롭게 발산할 때 어디까지 가능한지를 보여준다.
크로아티아의 한 차고에서 21살 발명가에 의해 설립된 리막 오토모빌리(Rimac Automobili)는 10년도 되지 않아 600명의 직원을 둔 기술 최강 기업으로 성장했다. 현재 리막은 전기 하이퍼카와 전 세계 자동차 회사를 위한 고성능 전력 공급 시스템을 설계, 개발 및 생산한다.
ADI의 정밀 BMS IC는 배터리 셀 측정 정확도가 뛰어나 리막의 전기차가 배터리로부터 최대치의 에너지와 용량을 추출할 수 있게 한다. 이 BMS 시스템은 정교한 진단 기능을 통해 배터리 셀 특성, 전압, 온도를 모니터링하고 어떠한 특정 시간에도 충전 상태를 확정할 수 있다. 아나로그디바이스의 자동차 전기화 및 인포테인먼트 사업을 총괄하는 패트릭 모건 부사장은 “정밀한 정확도는 빠른 충전 시간은 물론 배터리 용량 및 주행거리 극대화에 직접 영향을 미친다”고 말했다.
리막의 메이트 리막(Mate Rimac) CEO는 “리막은 고성능 전기차 기술 분야의 최강 기업이다. 우리는 전 세계 많은 자동차 제조사를 위한 주요 전력 공급 시스템을 개발하고 생산하며, 자체적인 하이퍼카를 통해 고성능 전기차의 기준을 높이고 있다”면서 “리막의 BMS 애플리케이션은 세계에서 가장 까다로운 편이라 최고의 정확도는 물론, 매우 짧은 동안 대량의 전류 및 전압 소모, 배터리 관리 제어 시스템 내에서 신속한 동적 조정을 필요로 한다. 우리는 전체 제품 라인에 아나로그디바이스의 배터리 관리 IC 포트폴리오를 채택하기로 결정했다. 시중에 나와 있는 다양한 IC 제품들을 비교 검토한 후, 자동차 전체 수명 동안 초정밀 측정 정확도와 제품 견고성을 제공하는 아나로그디바이스를 선택한 것이다”라고 말했다.

미래 지향적인 연구개발

ADI의 그레그 짐머(Greg Zimmer) BMS 마케팅 매니저는 “고전압 배터리 시스템 기술은 끊임없이 변하고 있다”면서 다음과 같은 질문을 던졌다. “용량과 수명을 늘리라는 압박이 점점 더 커지고 있다. 어떻게 해야 이를 달성할 수 있을까? 어떻게 해야 배터리를 10년 동안 지속시키면서 배터리 팩에서 더 많은 에너지를 얻고, 주행거리를 늘리고, 충전 시간을 단축하고, 중앙집중적인 모듈형 설계를 개발할 수 있을까?”
ADI는 고객의 당면 과제뿐 아니라 미래를 내다보면서 끊임없이 향상을 추구한다. ADI는 1회 충전 주행거리를 극대화하고, 전체 무게를 줄이고, 전체 배터리 시스템 비용을 낮출 수 있는 솔루션을 제공함으로써 업계를 지속적으로 주도할 것이다. 깊이 있는 시스템 수준 경험과 방대한 제품군(단일 IC로 3~18셀 측정이 가능하므로 다른 어떤 경쟁사보다 더 많은 배터리 셀 수 옵션 지원)은 ADI의 차별화된 경쟁력이다.

BMS를 위한 끊임없는 혁신

자동차 OEM과 협력을 지속하면서 ADI의 구조적 혁신은 향후 전력 밀도, 정확도, 무게와 관련한 과제들을 해결하고 소통하는 방식을 향상해 나갈 것이다. ADI는 혁신을 멈추지 않으며, 5세대 BMS가 내년도 자동차 생산을 위해 본격적인 궤도에 올라설 것이다.

BMS: ADI의 경쟁력
ADI는 EV 배터리와 관련하여 시장에서 점점 더 높아지는 고품질, 고성능, 안전성 요구를 충족하면서 BMS 기술을 선도해 왔다. 고객은 이제 깊은 시스템 수준 경험과 가장 방대한 부품을 제공하는 파트너와 협력하면서 다음과 같은 이점을 누릴 수 있다.
• 업계 선도적인 탁월한 정확도와 안정성
• 단일 부품과 간소화된 설계로 완전한 ASIL D 지원
• 고속, 견고한 EMI 내성, 전기적 절연, 저가 데이지 체인 및 고장에 대비한 이중화 구성
• 4세대 제품이 시장에서 이미 사용되고 있는 대규모 제품 설치 기반
• 시스템 수준 솔루션을 제공하는 BMS 제품군

산업, 환경, 세계적인 건전성에 미치는 영향

일반 소비자들이 흔히 전기차에 대해 갖고 있는 오해 중에는 성능이 높지 않고 내연기관의 성능을 따라가지 못할 것이라는 선입견이 있다. ADI와 리막은 이러한 오해를 불식시키고, 오늘날 고성능 자동차가 무엇을 달성할 수 있는지를 재정의하고 있다. 리막 C_Two 고성능 하이퍼카는 ADI의 고성능 BMS를 적용하고 경이로운 1914마력, 1.85초만에 달성하는 0~60mph 가속, 그리고 258mph의 최고 속도를 자랑한다.
ADI와 리막은 고성능 자동차에 대한 새로운 이정표를 세웠을 뿐 아니라 소비자를 설레게 만들고 고성능 전기차와 일반 전기차의 사용자 채택률을 높이는 데 기여했다.
세계보건기구에 따르면 대기오염은 매년 420만 명의 목숨을 앗아가는 침묵의 살인자로 지목되고 있으며, 기대 수명을 1.8년 낮추는 것으로 나타났다. ADI는 리막과 그 밖에 다른 전기차 제조사와 협력하여 장벽을 허물고 탄소배출량을 감소시킴으로써 더 깨끗하고 더 지속 가능한 환경을 만들고 있다.
더 푸른 환경을 만들고 전 세계 사람들의 건강을 향상시키기 위한 지속적인 노력의 일환으로 아나로그디바이스의 BMS 제품은 2019년에 6000만 톤의 이산화탄소 배출을 막았으며, 앞으로 자동차 이산화탄소 배출량을 매년 30%씩 지속적으로 줄일 계획이다. 6000만 톤의 이산화탄소 배출량은 약 7000만 에이커의 성숙림에 해당한다.

[1] 배터리 팩의 예상되는 생산량이 엄청남에 따라 재활용해야 할 폐배터리 팩 또한 대량으로 발생할 것이다. 배터리 셀을 전체 수명 동안 잘 관리한다면 용량이 줄더라도 못 쓰게 되는 것은 아니다. 자동차 이외에 에너지 저장장치를 위한 잠재적 재사용(2차 수명)은 전체 소유 비용의 일부로 간주되어야 한다.

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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