전기차 OEM의 경쟁력을 강화하는 wBMS 기술

테슬라(Tesla)가 배터리 ‘기가팩토리(gigafactories)’에 대대적으로 투자하고 폭스바겐(Volkswagen)이 2030년까지 유럽에 6개의 배터리 전문 생산 공장을 짓겠다고 발표한 것에서 알 수 있듯이1, 배터리는 이제 자동차 산업에서 가장 중요한 전략 부품이 되고 있다.

자동차 제조사들은 배터리가 자동차 수명 전반에 걸쳐서 크기, 무게, 비용 면에 미치는 영향을 줄이고 배터리가 지원할 수 있는 주행 거리를 늘리기 위해 애쓰고 있다. 이러한 노력은 시장 점유율이나 경쟁력과 직결된다. 기존에 판매된 EV들이 점점 더 수명이 다해감에 따라서 자동차 제조사들은 폐차되는 차량으로부터 회수한 ‘세컨드 라이프’ 배터리를 놓고서도 경쟁하게 될 것으로 보인다.

배터리 개발에 관한 뉴스는 오늘날의 리튬 기술보다 더 많은 전하를 저장할 수 있는 새로운 소재 개발에 관한 것이 주를 이루고 있다. 하지만 배터리의 또 다른 중요한 측면 중 하나인 배터리 관리 시스템(BMS)에 대한 관심은 저조한 경향이 있다. BMS를 사용하면 배터리 충전 상태(SOC)와 노화상태(SOH)를 파악할 수 있다. 아나로그디바이스(Analog Devices)가 개발한 새로운 무선 배터리 관리 시스템(wBMS) 기술은 자동차 제조사들이 배터리 모듈을 어셈블리하는 시점에서부터 EV에 사용하고 폐기하는 단계를 넘어서 세컨드 라이프 배터리로 재활용되는 시점에 이르기까지, 배터리 수명 전반에 걸쳐서 새로운 경쟁 우위를 창출하도록 한다. 이 기술은 제너럴 모터스(General Motors, GM)의 얼티엄(Ultium) 배터리에 이미 채택되었다.

wBMS를 적용한 최초의 모델로서 GM이 허머((Hummer) EV를 발표하자², 아나로그디바이스는 선을 없앤 wBMS가 EV 배터리의 설계, 생산, 수리, 폐기 모두에 얼마나 획기적인 변화들을 가져올 수 있는지를 보여주는 양산 프로그램 가동에 들어갔다.

아나로그디바이스가 wBMS 기술을 개발하게 된 것은 기존 EV 배터리 팩에서 통신 배선의 단점을 분석한 것이 계기였다. 이번 분석은 아나로그디바이스의 전문성을 토대로 수행됐다. ADI는 시장에서 가장 정확한 전통적인 BMS를 제공하고 있으며, 무선 통신 분야에서는 5G 무선기술을 선도하고 있다. 또한 산업용으로 전세계에서 가장 강건한 메시 네트워킹 기술을 개발했다.

기존의 EV 배터리는 배터리 팩 내의 각 셀들과 전자제어유닛(ECU) 간의 통신을 위해서 와이어를 사용한다. 여기서 ECU는 자동차에 필요한 전력을 공급하기 위한 동작을 제어한다.

배터리 내부의 이러한 통신 요구 사항에 따라 대형 배터리 팩의 아키텍처 역시 복잡해진다. 배터리 팩은 여러 개의 모듈로 이루어지고, 각각의 모듈은 여러 개의 셀들을 포함하고 있다. 생산 공정은 약간씩의 차이가 있기 마련인데, 이로 인해 각 셀마다 특정한 허용 범위 이내에서 특성 차이가 생기기도 한다. 따라서 배터리 용량, 수명, 성능을 극대화하기 위해서는 전압, 충전/방전 전류, 온도 같은 주요 배터리 동작 파라미터를 모니터링해서 기록할 필요가 있다. BMS에서 이 일을 하는 것이 셀 모니터링 유닛이다.

그런데 각각의 배터리 셀로부터 수집된 데이터는 BMS의 ECU로 전달되어야 유용하게 활용될 수 있는데, 그 이유는 이 ECU가 모듈별로 배터리에 대한 전력의 공급 및 인출을 제어하고 배터리의 안전한 동작을 유지하는 기능을 담당하기 때문이다.

EV 배터리가 각각의 모듈로부터 전압, 전류, 온도를 측정하고 측정한 데이터를 ECU의 프로세서로 전송하기 위한 통신 수단이 필요한 이유가 여기에 있다(그림 1). 기존에는 이러한 통신에 와이어를 사용했는데, 이러한 유선 연결의 장점은 익숙하고 잘 알고 있는 기술이라는 점이다.

하지만 유선 기술의 단점도 적지 않다. 구리 배선 하네스는 무겁고 공간을 많이 차지한다. 이 공간에 배터리 셀을 더 채운다면 배터리 용량을 높일 수 있을 것이다. 또한 커넥터가 기계적 고장을 일으킬 수 있다. 정리하자면, 유선 와이어는 개발 작업을 가중시키고 제조 비용과 무게를 늘리며 기계적 신뢰성을 낮추고 활용 가능한 공간을 줄인다. 이는 다시 주행 거리 단축으로 이어진다. 따라서 배선 하네스를 제거하면 자동차 제조사들이 배터리 팩의 폼 팩터를 차량 설계에 맞춰 유연하게 설계할 수 있다는 이점이 생긴다.

배터리의 복잡한 배선 하네스는 배터리 팩의 어셈블리 작업도 까다롭게 하고 비용 또한 증가시킨다. 유선 팩은 어셈블리와 배선 종단을 모두 수작업으로 해야 한다. 이는 비용이 많이 들고 위험할 수도 있다. 고전압 EV 배터리 모듈은 충전된 상태로 공급되기 때문이다. 어셈블리 공정에서 안전을 유지하고 생산 라인 작업자들을 보호하기 위해서는 안전 프로토콜을 엄격하게 적용해야 한다.

모듈화되고 확장이 용이한 wBMS 시스템 플랫폼은 배터리 팩 어셈블리 공정을 완벽하게 자동화할 수 있다. (신호) 배선 하네스를 없앤 다음, 배터리 모듈에 전원 단자를 연결하기만 하면 되는데, 이 작업도 로봇을 활용하여 자동화 공정으로 처리할 수 있다. 수작업이 필요 없기 때문에, OEM 입장에서는 어셈블리 라인 작업자들의 안전을 보장할 수 있다(그림 2).

GM의 경우, 확장이 용이한 얼티엄(Ultium) 모듈의 아키텍처 덕분에 배터리 팩 비용을 낮출 수 있게 되었다. 얼티엄 배터리는 2021년에 첫 선을 보였으며, 대형 차량뿐만 아니라 고성능 차와 프리미엄 모델에서부터 소형차까지 GM의 다양한 차량 모델에 적용될 예정이다. GM의 글로벌 전동화 및 배터리 시스템 사업을 총괄하는 켄트 헬프리치(Kent Helfrich) 선임 디렉터는 2020년 9월 기자회견에서 “얼티엄 배터리의 핵심 가치는 확장성은 높이고 복잡성은 낮추는 것이다. 이것이 가능하도록 핵심적 역할을 하는 것이 바로 무선 배터리 관리 시스템이다”라고 밝힌 바 있다.³

아나로그디바이스 wBMS 기술의 이점은 신차가 매장에 전시될 때만 강조되는 것이 아니라, 다음과 같은 측면에서 그 이후에도 계속해서 부각된다:

• 수리:보안이 강화된 무선 연결 기능을 지원하므로, 배터리 팩에 손을 대지 않고도 공인 정비소에서 진단 장비를 사용해서 배터리 팩 상태를 편리하게 분석할 수 있다. 만약 이상이 감지되면 결함이 있는 모듈을 손쉽게 제거하고 교체할 수 있다. 무선 구성 덕분에 배터리 시스템에 새로운 모듈을 설치하는 것도 간편하다.
• 폐기:배터리 팩에 사용된 재사용 가능 금속 소재나 유해한 물질은 정해진 규정에 따라서 폐기해야 한다. 무선 시스템은 배선이 단순하고 통신 배선 하네스가 없어 유선 배터리보다 배터리 모듈 제거 작업이 더 쉽고 빨라진다.
• “세컨드 라이프” 재사용:미래에는 EV 배터리의 수명이 차량의 수명을 능가할 것이다. 테슬라의 일론 머스크(Elon Musk)는 배터리가 완전히 고장날 때까지 통상적인 수명이 ‘1백만 마일’에 이를 것이라고 말했다. 이에 따라서 폐차하는 EV로부터 회수된 세컨드 라이프 배터리를 둘러싸고 새로운 시장이 형성되고 있다. 이러한 배터리는 재생 에너지 저장 시스템(ESS)이나 전동 공구 같은 애플리케이션에 재사용될 수 있다. 이는 폐차되는 EV의 배터리를 재활용 또는 폐기해야 할 책임이 있는 EV 제조사들에게 새로운 수입원을 창출할 것이다.

wBMS 기술은 각각의 모듈로부터 배터리의 주요 데이터를 손쉽게 읽을 수 있다. 이 데이터를 사용해서 모듈의 SOC(state of charge)와 SOH(state of health)에 대한 정보를 얻을 수 있다. 모듈을 생산할 당시의 데이터에 이 데이터를 결합하면 ‘세컨드 라이프’ 모듈의 활용을 극대화할 수 있으며, 재사용 용도로 판매할 때에도 각 모듈에 대한 구체적인 정보를 제공함으로써 모듈의 재판매 가격을 높이는 데도 유리할 것이다.

wBMS 기술은 아나로그디바이스가 센싱 및 측정과 RF 통신 분야에서 오랫동안 쌓아온 전문성을 바탕으로 한다. wBMS 기술이 전체적인 솔루션을 제공하므로 자동차 제조사들은 자사 배터리 팩 설계에 편리하게 통합할 수 있다. 솔루션에는 각 배터리 모듈을 위한 무선 셀 모니터링 컨트롤러(wCMC)와 통신 네트워크를 제어하기 위한 무선 매니저 유닛이 포함된다. 무선 매니저 유닛이 여러 배터리 모듈을 무선으로 ECU와 연결한다.

각각의 wCMC는 무선 섹션과 함께 동급 최상의 배터리 관리 시스템(BMS)을 포함하고 다양한 배터리 파라미터를 매우 정확하게 측정한다. 이 데이터를 사용해서 애플리케이션 프로세싱 유닛이 배터리의 SOC와 SOH를 분석한다.

아나로그디바이스가 wBMS 시스템에 구현한 무선 네트워크 프로토콜은 자동차 업계의 신뢰성, 안전성, 보안 요구를 완벽하게 충족한다. 블루투스나 와이파이 같은 컨수머 지향적 무선 기술과 달리, wBMS 솔루션은 네트워크 차원의 시간 동기화 기술을 사용해서 어떠한 동작 조건에서든 신뢰할 수 있고 보안상 안전한 통신을 달성한다.

GM은 자사의 양산 EV에 wBMS를 채택함으로써 열악한 환경에서 이 기술의 신뢰성을 입증했다. wBMS 기반 배터리를 탑재한 100대 이상의 테스트 차량이 사막에서부터 혹한의 북부 지역들까지 포장도로와 비포장도로 할 것 없이 매우 가혹한 조건에서 수십만 킬로미터를 주행했다. 신뢰성을 입증하고 자동차 업계의 모든 보안 및 견고성 요건에 대한 시험을 성공적으로 통과함으로써 조만간 다양한 승용차 모델에 이 기술이 사용되는 것을 보게 될 것이다.

또한 아나로그디바이스는 자동차 제조사들이 wBMS와 관련해 ISO 26262 기능 안전 기준을 충족하도록 지원한다. 잡음이 심한 환경에서도 복원력이 뛰어나도록 무선 기술과 네트워킹 프로토콜을 개발했으며, 정교한 암호화 기술을 사용해서 모니터링 유닛과 매니저 유닛 사이에 보안 면에서 안전한 통신을 제공한다. 또한 무선 네트워크로 전송되는 데이터에 대해서 범죄자나 해커로부터 스푸핑 (Spoofing) 공격을 방어할 수 있는 보안 조치들을 포함한다. 이는 데이터의 온전한 수신과, 메시지가 신분이 확인된 출처로부터 전송되었다는 것을 수신자가 확신할 수 있도록 보장한다.

wBMS를 활용하면 배터리 팩의 어셈블리, 사용, 폐기, 세컨드 라이프 재사용까지의 전체 수명 주기 동안 자동차 제조사와 차량 소유자가 손쉽게 배터리 상태를 추적하고, 성능과 안전을 유지하고, 가치를 극대화할 수 있다. 아나로그디바이스의 이 기술은 배터리 모듈의 셀 모니터링 유닛과 ECU 사이의 상호작용을 포함한 전체 시스템을 제공한다.

또한 아나로그디바이스는 wBMS 기술을 지원하기 위해서 배터리 라이프사이클 인사이트 서비스(BLIS)를 제공한다. 이 서비스가 제공하는 에지 및 클라우드 기반 소프트웨어를 사용해서 추적, 생산 최적화, 보관과 운송 시의 모니터링, 조기 결함 감지, 수명 연장이 가능하다.

wBMS와 BLIS를 통해, 자동차 OEM들은 배터리 팩 개발 및 생산으로부터 투자 회수를 극대화하고, 전기차 사업의 경제성을 높이며, 지속가능한 저탄소 미래를 향한 전환을 가속화할 수 있을 것이다.