전기 구동 파워트레인이 점점 더 복잡해지면서 더욱 많은 기능을 수행해야 하는 BMX의 역할이 그 어느 때보다 커지고 있다. 간단한 충전 제어기에서부터 복잡한 제어장치에 이르기까지 배터리 관리 시스템(BMS)에 대한 요구는 빠르게 증가하고 있으며, 특히 전기차 분야에서 현저하게 나타나고 있다. 전통적인 충전 상태 모니터링에서와 마찬가지로 BMS는 더욱 엄격해지는 안전 규정을 준수하면서 제어 및 대기 기능, 열관리 또는 순정 OEM 배터리를 보호하는 암호화 알고리즘을 관리해야만 한다. 더욱이 미래에는 차량 제어장치(VCU) 부품과 그 기능까지 BMS로 옮겨올 전망이다.

전원공급, 배터리 관리 시스템의 재정의

BMS는 미래의 전기차에서 중요한 역할을 담당하게 될 것이다. 그러나 개별적인 BMS 하위 기능들은 OEM마다 다르며, 시스템 구성에 따라서는 더 크게 다를 수 있다. 따라서 모든 전기차 제조업체에 적용되는 BMS에 대한 완전한 요구사항 목록을 만드는 것은 불가능하다. 그러나 배터리 관리 시스템이 갈수록 확장되는 작업 범위를 다뤄야 한다는 사실에는 의심의 여지가 없다. BMS의 가장 일반적인 요구사항으로는 안전 요구사항, 제어 및 모니터링 기능, 대기 기능, 열관리, 암호화 알고리즘 및 향후 과제를 꼽을 수 있다(그림 1).

안전 요구사항

ISO 26262 기능안전성 표준의 범위 내에서 BMS와 같은 특정 전기 및 전자 시스템은 상위 안전 범주 ASIL C~ASIL D에 들어간다. 이는 오류 검출 비율이 최소 97~99%임을 의미한다.
배터리 시스템에서 가장 위험한 오류의 원인이 되는 문제들은 낡아서 해진 케이블 또는 사고의 영향으로 자동차 섀시에 존재하는 검출되지 않은 이상 고전압으로부터 발생하는 위험과 고전압 배터리의 화재 또는 폭발에서 오는 위험이다. 이러한 고전압 배터리의 원인으로는, 예를 들어 공중망에서 또는 에너지 복원으로 인한 배터리 과충전, 폭발성 기체의 유출 등으로 인한 배터리의 조기 노후화, 빗물 등에 의한 잘못된 액체 유입 및 단락 회로, 잘못된 수리와 같은 오용, 그리고 냉각이 제대로 이루어지지 않는 열관리 오류 등이다.
안전과 관련해 주 스위치(주 릴레이)는 고전압 관련 사고를 방지하고 BMS 전자장치가 적절한 오류 반응을 갖도록 보장하는데 중요한 역할을 한다. 오류가 발생하면 스위치는 BMS 모듈에 의해 적절한 오류 반응 시간 내에(예, 10 ms 미만) 개방되어야 한다. Non-critical 오류 안전 조건은 BMS 마이크로컨트롤러(MCU)에 장애가 발생하는 경우, 컨트롤러 로직이 완전히 잘못된 경우에도 윈도 워치독과 같은 독립적인 외부 안전 소자가 주 스위치 릴레이로 하여금 안전하게 인버터에 대한 고전압 접점 두 군데(플러스/마이너스)를 모두 개방하는 것을 보장한다는 특징을 갖는다. BMS에는 누설전류 모니터링, 주 스위치 릴레이 모니터링과 같은 다른 안전 기능도 포함돼 있다.


제어 및 모니터링 기능

기타 BMS 기능에는 전기차에 내장되는 고가의 고전압 배터리의 모니터링, 관리 및 유지보수가 있다.
BMS는 배터리 스택에 설치된 전자 밸런싱 슬레이브를 제어하고 모니터링한다. 이들 밸런싱 IC는 BMS로부터 전기적으로 분리된 개별 고전압 배터리 셀의 전자 프론트엔드로 동작하며, 개별 셀 스택의 일반적인 밸런싱과 단일 셀 전압의 정밀한 감지를 수행한다. 밸런싱 IC는 통상 최대 12개의 개별 배터리 셀로 이루어진 클러스터를 관리한다. 직렬로 연결된 관련된 수량의 클러스터는 전기차에서 인버터 전기 구동에 필요한 인버터 제어의 최대 수백 볼트의 높은 중간 회로 전압을 생성한다.
주 스위치에 의한 모든 고전압 배터리 셀의 전체 전류에 대한 동시 측정과 슬레이브 IC를 통한 모든 개별 셀 전압에 대한 셀 정확도 동시 모니터링은 BMS가 배터리 화학 MATLAB Simulink 모델 등을 기반으로 하는 특정 알고리즘을 사용해 배터리 건강 상태 및 충전 상태와 같은 배터리 파라미터를 평가할 수 있게 한다. BMS는 고전압 배터리 자체에 가깝게 설치되지 않으며, 보통 CAN 또는 기타 고유의 차동 버스와 같은 이중 구성의 전기적으로 분리된 버스 시스템을 통해 전자 밸런싱 슬레이브에 연결된다.
BMS는 자동차 전압(12 V 배터리)으로부터 전원을 얻기 때문에 갈바닉 디커플링 수단을 추가하지 않아도 기존 네트워크 구조를 통해 기존 제어장치 클러스터에 통합할 수 있다. 따라서 고전압 배터리 안에서 기계적 또는 화학적 결함이 발생하는 경우에도 BMS가 동작을 계속 유지하고 안전하게 주 스위치를 개방할 수 있어 궁극적인 안전을 제공한다.
배터리에 특정한 화학적/전기적 알고리즘의 복잡성이 증가함에 따라 2.5~4 MB의 플래시 메모리와 강력한 멀티코어 프로세서 구조를 탑재한 AURIX와 같은 마이크로컨트롤러(MCU)가 BMS에 사용될 것으로 예상한다. 이러한 조합은 완벽한 캘리브레이션 파라미터를 위한 충분한 메모리와 충분한 컴퓨팅 성능이 제공되도록 보장한다(그림 2).

대기 기능

전기차 제조업체는 주기적으로 배터리와 개별 셀의 충전 상태를 모니터링하기를 원한다. 따라서 BMS는 밸런싱 IC를 통해 BMS 동작 모드에서 특정 개별 배터리 셀 데이터를 기록하기 위해 μA 범위의 매우 낮은 MCU 소비 전력을 필요로 하면서 타이머와 같은 방법으로 시스템을 간단히 깨울 수 있는 특수한 저전력 기반의 대기 기능을 제공해야 한다. 웨이크업 타이머를 사용해 BMS에 대한 주기적 웨이크업을 제공하기 위해 일부 AURIX 마이크로컨트롤러 제품에는 8비트 대기 MCU가 개별적인 저전력 영역에 단일 칩 방식으로 동일한 실리콘에 통합돼 있다.

열관리

설계상의 이유로 고전압 배터리 모듈은 종종 겨울용 히터나 여름용 냉각 시스템과 같은 능동 열관리 기능을 포함하고 있다.
이 기능들은 공기 냉각 또는 수냉식 냉각을 기반으로 할 수 있다. 두 경우 모두 BMS를 사용해 배터리의 관련 온도 데이터를 감지하고 능동적으로 팬 모터 또는 워터 펌프와 같은 액추에이터를 작동시키고 제어한다. 내장된 디지털/아날로그 컨버터와 다양한 타이머 기능 덕분에 AURIX 마이크로컨트롤러는 이러한 작업을 수행할 수 있다.

암호화 알고리즘

전기차의 순정 OEM 배터리는 서드파티에 의한 인증받지 않은 개입으로부터 보호돼야 한다.
배터리 제조업체의 보증 기간은, 예를 들어 “애프터 서비스” 제공자에 의한 임의적 조작을 배제할 경우에만 보장할 수 있다. 배터리 클러스터에서 개별 셀을 교체하거나 해체된 개별 부품에서 가져온 중고 배터리를 조립하는 행위는 안전과 관련된 오류나 심지어 폭발 또는 화재와 같은 잠재적 위험을 감춘다. 인피니언의 Origa 칩과 같은 적절한 보호 모듈을 개별 셀 클러스터에 직접 설치할 수 있다. 그러나 저가형 대안으로 하드웨어 보안 모듈(HSM) 형식으로 배터리 개별 데이터에 대한 논리적 보호를 MCU에 통합할 수 있다.
이 경우 AURIX에 통합되는 HSM은 배터리 마스터로, 위에서 언급한 개별 파라미터를 검출하고 그것을 안전한 HSM 보호 데이터 메모리에 저장하는 효과적인 역할을 할 수 있다. 예를 들어 개별 배터리 셀의 상태를 서비스 수명 동안 이와 같은 방식으로 AES 암호화 프로파일로 저장함으로써 이러한 데이터를 기초로 개별 셀에 대한 인증받지 않은 교체를 검출할 수 있다. 일반적인 배터리 클러스터 프로파일은 지문과 같아서 개별 배터리마다 다르기 때문에 교체된 클러스터는 쉽게 알아낼 수 있다.
그 밖에 암호화 알고리즘을 위한 다른 애플리케이션 영역으로 충전 모니터링과 더불어 외부 제공업체에 의해 청구된 충전 양과 BMS에 의해 실제로 측정된 충전 양의 비교가 있다.

향후 과제

전기차에서 제조업체에 특정한 전자 토폴로지 선택에 따라 인버터 제어장치와 보다 높은 수준의 운전 전략을 위한 별도의 제어장치인 VCU를 이미 모두 탑재한 시스템을 사용할 수 있다. 이러한 시스템은 전체 토크 제어 시스템 뿐 아니라 지능형 에너지 관리자와 같은 다른 첨단 기능도 갖추고 있다. 에너지 관리자는 통합된 내비게이션 장치를 통해 계획된 자동차 루트를 고려함으로써 루트에 특정한 방식으로 전체 에너지 시스템을 최적화하고 이를 통해 배터리의 운전 거리 범위를 증가시키는 데 도움을 준다.
개별 OEM들은 이제 전기차에서 차지하는 전자장치의 전체 비용을 줄이기 위해 이전 VCU의 모든 부품들을 BMS 및 인버터 제어 장치로 옮기는 것을 고려하고 있다. VCU 제거를 위한 선결 요건은 궁극적으로 BMS에서 마이크로컨트롤러에 특정한 파라미터를 나타낼 수 있는 여부에 있다. 이러한 파라미터에는 성능, 플래시 및 SRAM 용량, 실시간 기능과 관련한 개별 제어장치 기능의 독립성, 그리고 확장 가능한 방식으로 공유된 멀티프로세서 구조에 안전 관련 소프트웨어 기능(QM에서부터 ASIL D까지)의 매끄러운 통합 등이 있다.
인피니언은 이러한 특별한 경우를 위해 TriCore 기반 AURIX 멀티코어 구조의 형식으로 컨트롤러 하드웨어 내에서 미래의 BMS 고객 개발의 모든 요구사항을 통합해 주는 설비를 제공하고 있다.