TI, 무선 BMS 솔루션 공개

전기차 확산의 걸림돌 중 하나가 한 번 충전 시 이동거리이다. 이동거리를 늘리기 위해서는 결과적으로 배터리 용량을 늘려야 한다. 배터리 용량을 늘리는 방법은 배터리의 에너지 밀도를 높이거나 개수를 늘려야 한다. 시스템 관점에서 너무 많은 전지를 통합하게 되면, 문제는 각 전지를 지속적으로 모니터링하여 이상을 감지하는 동시에 상태와 성능을 최적화해야 한다는 것이다. 

일반적인 BMS에는 각 노드가 물리적으로 모니터에 연결되어 있다. 상황에 따라 표준 EV 배터리에는 100개 이상의 전지가 들어간다. 이와 같은 시스템에 유선 BMS를 사용하려면 상당한 양의 케이블이 필요하다. 대부분의 BMS가 구현되는 방식이다. 케이블과 커넥터는 케이블 결함의 주된 원인이다. 이것은 수백 개의 노드가 있는 유선 BMS가 배터리 고장에 더 취약함을 의미한다. 

무선 BMS(wBMS)는 반도체 제조업체들이 5년 전부터 제안해온 솔루션이다. wBMS에서 무선 인터페이스는 배터리 노드 모니터에서 호스트 MCU로 데이터를 전송하는 데 사용된다. 당연히 케이블이 필요 없다는 장점이 있다. 배선을 제거하면, 무게와 설치 공간이 줄고 이론상 신뢰성과 효율을 높일 수 있다. 또한, 특정 통신 시스템을 개발하거나 새로운 차량마다 복잡한 와이어 하네스를 재설계할 필요 없다. 
wBMS 솔루션 업계에 따르면, wBMS는 기존 와이어 하네스를 제거해  최대 90%의 배선과 최대 15%의 배터리팩 부피를 줄일 수 있다.

그러나 무선 인터페이스에 따른 예상 가능한 문제가 있다. 무선 솔루션이 효과적이려면 실시간으로 정확하게 모니터링해야 한다. 즉 매우 높은 처리량과 낮은 오류율로 무선 데이터를 송수신하면서 정확한 측정값을 수집해야 한다. 그러나 고온에 노이즈가 심한 자동차 환경에서 쉬운 일은 아니다. 

최근 텍사스 인스트루먼트(TI)가 이러한 연결 문제를 해결할 수 있는 무선 프로토콜을 포함한 자체 wBMS 솔루션을 발표했다. 이 솔루션은 2.4 GHz SimpleLink CC2662R-Q1 무선 MCU와 16채널 ASIL-D 준수 BQ79616-Q1 배터리 모니터링 및 밸런싱 디바이스를 결합했다. 
TI는 CC2662R-Q1 무선 MCU에 채택된 무선 프로토콜이 ±2mV 정확도와 10^-7 미만의 네트워크 패킷 오류 발생률, 99.999% 이상의 네트워크 가용성을 달성했다고 주장한다. 또한 최대 300 ms 속도로 네트워크의 재시작이 가능하다. 높은 처리량과 네트워크 가용성은 데이터의 지속적인 가용성을 보장하므로 안정적인 실시간 배터리 모니터링을 의미한다. 

이 무선 프로토콜은 전자파 간섭을 최소화하기 위해 주파수 호핑(frequency hopping) 기술과 함께 시분할 다중화(TDM) 방식을 결합해 스타 토폴로지에서 결정론적 통신을 제공한다. 
무선 기술의 취약점 중 하나는 잠재적 보안 위협이다. 자동차가 점점 무선 연결되면서 사이버 보안 문제가 중요한 화두가 되었다. TI는 ▲키 교환 및 업데이트, ▲고유 디바이스 인증, ▲디버그 보안, ▲JTAG 잠금 방식을 통한 소프트웨어 IP 보호, ▲128비트 AES(Advanced Encryption Standard) 암호 가속화, ▲메시지 무결성 검사 등을 통해 잠재적 보안 위협을 방지할 수 있다고 주장했다.

전기차 배터리팩 제조업체들은 단일 CC2662R-Q1 무선 시스템온칩을 다수의 BQ79616-Q1 배터리 모니터링 디바이스와 연결해 16셀, 32셀, 48셀, 64셀 시스템 같은 다양한 구성을 지원하는 배터리 모듈을 개발할 수 있다. 이 시스템은 최대 100개 노드를 지원하도록 설계됐으며, 노드 당 2 ms 미만의 낮은 지연시간과 모든 노드에 걸친 시간 동기화 측정 기능을 제공한다. CC2662R-Q1 무선 MCU는 개별 셀 모니터링 유닛을 분리해 잡음이 심한 통신 라인이 필요 없고 데이지 체인 절연 부품들을 제거함으로써 비용을 절감시켜준다. BQ79616-Q1 배터리 모니터링 및 밸런싱 디바이스는 동일한 패키지 타입으로 다양한 채널 옵션을 제공하며, 핀-투-핀 호환이 가능하고 모든 플랫폼에 걸쳐 기존에 개발된 소프트웨어와 하드웨어를 100% 재사용할 수 있도록 지원한다. 
현재 시장에서는 TI 외에도 아나로그디바이스(ADI)와 인피니언 등이 wBMS 솔루션 플레이어로 참여하고 있다. 나비타스솔루션스(Navitas Solutions)는 특허받은 wBMS 아키텍처와 자체 통신 프로토콜인 WiBaAN™(Wireless Battery Area Network)를 제공한다. 이미 wBMS를 도입한 자동차 제조사도 있다. 제너럴모터스(GM)는 자동차 업계 최초로 wBMS를 도입했다. GM는 비스티온(Visteon), ADI(Analog Devices)와 wBMS를 공동 개발했다. ADI는 BMW 및 전기슈퍼카 개발사 리막(Rimac)과도 협력하고 있다.

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