[첨단 헬로티]
세계 곳곳의 고속도로 위에서 진화가 이뤄지고 있다. 한 세기를 구가하던 내연기관 자동차에서 깨끗하고 효율적인 전기자동차(EV)로 일대 전환이 일어나고 있는 중이다. EV 시장이 향후 10년 간 지금보다 10배 성장할 것으로 예상됨에 따라 수백만 대의 전기차를 구동하는 고성능 배터리를 모니터링, 관리, 유지해야 할 필요성이 높아지고 있다.
오늘날 배터리 시장은 비용은 물론이고 더 긴 자동차 주행거리, 더 짧은 충전 시간, 그리고 기능 안전에 대한 요건 등이 이 시장을 꾸준히 이끌어가고 있다. 엄격한 배터리 관리 시스템(BMS) 요건은 최고 수준의 표준을 최소의 허용오차로 준수할 것을 요구한다.
배터리가 EV 판매가격의 최대 40%를 차지하는 가운데 성능과 배터리 수명이 EV 브랜드 성공에서 중요한 요소가 됐다. 배터리 관리 시스템의 선도기업으로서 아나로그디바이스(ADI)는 고객과 협력해 EV 배터리를 모니터링 및 관리하고 배터리의 안전과 생산성, 긴 수명을 보장하는 가장 핵심적인 프로세스를 찾고 있다.
보다 우수한 BMS에 대한 투자
BMS는 배터리 수명 동안 전체 배터리 시스템의 충전과 방전이 신뢰할 수 있는 수준으로 이루어지도록 엄격하게 모니터링, 제어, 분배한다. 배터리의 과충전은 화재나 폭발로 이어질 수 있고 저충전(또는 완전 방전)은 배터리를 사용할 수 없게 만들 수 있기 때문에 전류와 전압 프로파일의 정확한 모니터링이 매우 중요하다. BMS 품질은 배터리 1회 충전당 EV의 주행거리에 직접적인 영향을 미치고 배터리 전체 수명을 극대화하므로 소유 비용을 낮출 수 있다.
이러한 상황에서 가격대는 점점 덜 중요해지고 장기적인 가치가 보다 중요한 지표가 된다. 배터리 제품 수명 동안 더 우수한 성능을 뽑아내려는 노력이 지속되고 있기 때문이다. ADI의 마이크 컬트겐(Mike Kultgen) BMS 총괄 매니저는 “특히 차량 수명 동안 정확도에 관한 한 절충의 여지가 없다"면서 "정확도가 높을수록 배터리 셀 상태를 더 잘 이해할 수 있고 더 많은 용량을 끌어낼 수 있으며 배터리 팩이 더 신뢰할 수 있게 동작할 수 있다”고 말했다. 배터리 팩에 대한 투자를 고려할 때 BMS 성능의 가치는 명백하며, 자동차 설계자가 품질 보증과 평생 팩 비용을 고려한다면 이는 더욱 분명해진다.
배터리 관리의 엄격한 요구사항
배터리는 가격, 신뢰성, 안전을 포함해 광범위한 우선순위를 고려해야 하므로 설계팀으로서는 상당한 부담이 될 수밖에 없다. 48V ~ 800V까지 공급하는 EV 시스템을 다룰 때 어떤 것도 위험에 빠뜨릴 수 없기 때문이다.
페달을 밟으면 100kw 이상의 에너지를 공급하도록 기대되는 배터리 시스템은 수백 볼트의 고전압에서 효율적으로 동작해야 한다. 하지만 리튬 배터리 셀은 단지 몇 볼트만 공급한다. 충분한 전력을 끌어내기 위해서는 많은 수의 리튬 배터리 셀을 하나의 긴 스택으로 직렬 연결해야 한다. 일반적인 EV는 100개의 개별 배터리 셀을 탑재하고 스택의 상단에서 350V를 공급한다. 여기에는 몇 가지 까다로운 문제가 있다.
만약 긴 배터리 셀 스택에서 하나의 셀이 죽으면, 사실상 모든 셀을 잃게 된다. 따라서 자동차 수명 동안 매일 모든 셀을 충전하고 방전하면서 모니터링하고 관리해야 한다. 리튬 배터리 셀은 최대 충/방전 제한 범위까지 동작할 수 없다. 리튬 배터리 셀은 15 ~ 85%와 같이 특정 범위 내에서 유지되어야 하며, 그렇지 않을 경우 셀 성능은 약화된다.
전원 소스의 모니터링과 관리
ADI의 BMS는 팩이 제조되는 시점에서부터 폐기될 때까지 정확한 셀 측정 결과를 제공한다. 전자장치가 스택의 각 셀에 직접 부착되어 셀 전류와 함께 조정되는 전압과 온도를 보고한다. 이 시스템은 충전 상태와 건전성 상태를 파악한다. 모든 셀의 전류와 온도는 중앙 프로세서에서 복잡한 알고리즘을 통해 모니터링되어야 한다. ADI는 모듈형 설계(아키텍처)를 허용하면서 견고한 통신 인터페이스를 구축한다. 이는 다양한 고객 기반에서 완벽하게 확장 가능하다.
“BMS는 지속적으로 셀을 모니터링하면서 시간, 온도, 동작 조건에서 신뢰할 수 있는 측정 정확도를 제공한다. BMS는 매순간 무슨 일이 일어나는지 알며, ADI 칩으로부터 수신하는 정보에 100% 의존한다”
마이크 컬트겐 ADI의 BMS 사업 총괄 매니저
핵심 가치: 정확성, 신뢰성, 안정성
ADI의 배터리 관리 시스템 전문가와 긴밀한 협력을 통해 얻을 수 있는 이점은 단순히 광범위한 부품 및 제품 포트폴리오에 접근하는 것을 넘어선다. 이러한 긴밀한 협력은 OEM이 ADI의 시스템 수준의 전문성, 각 영역별로 깊이 있는 이해, 다년간의 실제 BMS 설계 경험에 접근할 수 있게 한다. OEM은 충전당 주행거리의 효율을 높일 수 있고, 배터리 수명을 늘리고 안전을 보장하며 브랜드 신뢰도를 높일 수 있다.
패트릭 모건(Patrick Morgan) ADI AUTG 부사장은 “고객이 우리 제품을 사용할 때 신뢰가 필요하다고 하면 회사나 공장에서 기술 회의 자리를 마련해 ADI의 주요 설계자와 애플리케이션 엔지니어들이 고객측과 만나 논의할 수 있게 한다. 하루나 이틀에 걸쳐 로드맵과 해결해야 할 과제를 검토한 다음, 고객의 구체적 문제에 우리가 어떻게 접근할 것인지 논의한다. 우리는 협업에 초점을 맞춤으로써 신뢰를 구축한다”고 말했다.
문제 해결 및 솔루션 찾기
ADI의 쿠일러 라토하카(Cuyler Latorraca) 애플리케이션 매니저는 “아시아 지역의 한 고객사로부터 구식 제품에 새로운 BMS를 설계해 달라는 요청을 받은 적이 있다”며 “우리는 고객이 추정하고 있는 점들과 시스템 요건, 운영 환경을 살핀 결과, 업계에서 흔히 발견되는 문제인 접지방식에서 구조적인 측정 오차가 있는 것을 발견하고 이러한 오차를 제거하는 조치를 취했다”고 설명했다.
고성능 전기 하이퍼카인 리막 C_Two(Rimac C_Two)는 1,914 마력을 자랑하고, 0-60마일(0km/h에서 약 97km/h까지 가속하는 데 걸리는 시간) 속도가 1.85초이며, 최고 속도는 258mph(약 415km/h)에 이른다. 리막의 기술력을 보여주는 이 완벽한 전기 하이퍼카는 6,960개의 리튬망간니켈 셀로 구성된 배터리 팩을 장착하고 있으며, 진정한 혁신과 열정을 통해 이루어 낼 수 있는 수준이 어디까지인지를 보여준다.
하이퍼카를 구동하는 ADI의 고성능 BMS
10여 년 전 크로아티아의 차고에서 21살의 발명가에 의해 설립된 리막 오토모빌리(Rimac Automobili)는 현재 600명의 사원을 둔 최강의 기술 기업으로 성장했다. 오늘날 리막은 전기 하이퍼카와 글로벌 자동차 회사를 위한 고성능 전기 시스템을 설계, 개발 및 생산한다.
ADI의 정밀 BMS IC는 리막의 EV에 채택돼 고도로 정확한 배터리 셀 측정을 제공함으로써 배터리의 에너지와 용량을 최대치로 끌어낸다. 정교한 진단 기능은 시스템이 셀 특성, 전압, 온도를 모니터링하고 어떤 시점에서도 충전 상태를 결정할 수 있게 한다.
패트릭 모건 ADI 자동차 전장 및 인포테인먼트 담당 부사장은 “정밀한 정확도는 빠른 충전 시간과 함께 배터리 용량과 주행 거리의 극대화로 직접 변환된다”고 설명했다.
메이트 리막(Mate Rimac) 리막 CEO는 “리막은 고성능 전기차 분야의 최강 기술 기업이다. 우리는 많은 글로벌 자동차 회사를 위한 주요 전기 시스템을 개발 및 생산하고 있으며, 자체 하이퍼카로 고성능 EV의 기준을 높였다”면서 “우리의 BMS 애플리케이션은 세계에서 가장 까다로운 애플리케이션의 하나로서 최고 정확도를 요구하며 매우 짧은 시간에 엄청난 전류와 전압을 끌어와야 할 뿐 아니라 배터리 관리 제어 시스템 내에서 신속한 동적 조정을 필요로 한다. 리막은 전체 제품 라인에 아나로그디바이스의 배터리 관리 IC 포트폴리오를 채택하기로 결정했다. 우리는 시장에 출시된 다양한 IC 제품들을 평가했으며, 결국 자동차 수명 동안 탁월한 정밀한 측정 정확도와 제품 견고성을 제공하는 아나로그디바이스를 선택했다”고 말했다.
미래를 염두에 둔 개선
ADI의 그레그 짐머(Greg Zimmer) BMS 마케팅 매니저는 “고전압 배터리 시스템 기술은 끊임없이 변하고 있다"면서 다음과 같은 질문을 던졌다. “업계는 배터리 용량과 수명을 늘려야 한다는 요구에 직면해 있다. 이를 어떻게 달성할 것인가? 어떻게 해야 배터리 수명을 10년 간 지속시키면서 배터리 팩에서 더 많은 에너지를 얻어내고, 차량 주행거리를 늘리고, 충전 시간을 더 짧게 단축하고, 중앙집중적인 모듈형 설계를 개발할 수 있을까?”
ADI는 고객들이 현재 당면하고 있는 과제뿐 아니라 보다 먼 미래까지 내다보면서 지속적인 향상에 초점을 맞춘다. ADI는 충전당 주행거리를 극대화하고, 전체 무게와 전체 배터리 시스템 비용을 절감하는 솔루션으로 앞으로도 계속 업계를 선도할 것이다. ADI의 깊이 있는 시스템 수준의 경험과 방대한 제품군(단일 IC로 3 ~ 18셀 지원. 어떤 경쟁사보다 더 많은 셀 수 옵션 지원)은 타의 추종을 불허한다.
최고의 BMS 구현을 위한 혁신 노력
자동차 OEM과 협업을 통해, ADI는 전력 밀도, 정확도, 중량 과제를 해결할 수 있도록 아키텍처를 혁신해 나갈 것이다. ADI는 끊임없이 혁신하고 있으며, 5세대 BMS는 조만간 자동차 생산용으로 본격적인 궤도에 올라설 것이다.
ADI BMS 기술의 이점
ADI는 BMS 기술을 선도해 오고 있으며 EV 시장에서 점점 더 커지고 있는 안전, 고품질, 고성능 배터리에 대한 요구를 충족한다. 자동차 업계의 고객들은 이제 시스템 수준의 깊이 있는 경험과 가장 방대한 부품을 보유하고 있는 ADI로부터 다음과 같은 다양한 이점을 누릴 수 있다.
- 탁월한 정확도와 안전성
- 단일 부품과 간소화된 설계로 전체 ASIL D 지원
- 고속, EMI 견고성, 전기적 절연, 장애 조건에 대비한 이중화 구조의 저렴한 데이지 체인 구성
- 현 시장에 4세대 제품이 실제 적용되고 있는 대규모 제품 설치 기반
- 시스템 수준의 솔루션을 제공하는 BMS 제품군
