TI가 말하는 무선 BMS의 가치

차세대 배터리관리시스템(Battery Management Systems, BMS)이 무선화하면서 무거운 통신 배선이 제거돼 전기자동차의 주행거리 연장과 안정성을 높일 수 있게 되었다.



전기자동차(Electric vehicles, EV) 배터리팩에 무선 BMS(wireless BMS)를 적용하면, 엔지니어들은 더 가볍고 한 번 충전으로 더 먼 거리를 이동하며 까다로운 기능안전(functional safety, ISO 26262) 기준까지 충족하는 EV를 설계할 수 있다.

EV는 안락한 실내와 훌륭한 기술을 자랑할 수 있지만, 하부 섀시에는 많은 배터리 셀이 탑재돼 있다. 더 많은 셀은 더 큰 충전 용량을 의미하고 동시에 더 먼 거리를 이동할 수 있다는 의미이다.

모든 배터리 셀은 모니터에 연결돼 있어야 하며, 모니터는 배터리 건강과 성능을 극대화하기 위해서 중요한 정보를 제어기에 보고한다. 일반 EV는 100여 개 내외의 배터리 셀이 직렬로 연결돼 있으며, 배터리를 관리하는 무거운 구리 배선은 미로같이 수 미터, 수 킬로미터 길이로 연결돼 무게와 부피를 차지한다. 

TI의 새로운 무선 BMS 개념은 이처럼 무겁고 유지보수 비용이 많이 드는 배선을 제거함으로써 EV 설계에 새로운 기회를 제공한다. 이 개념은 전자 칩세트인 전용 무선 연결 프로토콜을 포함하며, 업계 최초로 시스템 수준의 기능안전 기준을 충족한다. 

연결성 관련 업무에 주력하고 있는 TI 오토모티브 제품 마케팅 부문 엔지니어 다니엘 토레스(Daniel Torres)는 “TI의 무선 BMS를 적용하면 전선에 대해 걱정하지 않아도 될 뿐만 아니라, 여분의 공간을 활용해 크기와 종류가 다른 배터리를 짜 맞출 새로운 방법을 찾아낼 수 있다”며 “마치 빈 도화지에 디자인하는 것과 같다”고 말했다.

EV 차주는 BMS를 대수롭지 않게 생각할 수 있지만, BMS는 모든 셀의 전압, 전류, 온도를 감시한다.
 
TI 오토모티브 배터리 부문 제품 라인 매니저 안쿠시 굽타(Ankush Gupta)는 “그 무엇보다 전기자동차의 성능, 안정성, 수명을 극대화하는 것이 BMS이다. 배터리의 충전 및 기타 작동 특성을 신중하게 관리하면 조기에 셀 충전량이 떨어지거나 손상을 입지 않도록 보장하는 한편, 필요할 때 각 셀에서 더 많은 동력을 얻을 수 있다는 이점을 기대할 수 있다. 또한, 통신선을 없애면 차량이 더 가벼워지고 활용할 수 있는 여유 공간이 생기며 고급 배터리 기능을 갖춘 전기자동차를 설계할 수 있는 유연성을 확보할 수 있다”고 말했다.

안쿠시와 다니엘은 기술 개발을 통해 주행 거리 불안이나 전력 부족에 대한 두려움 해소에 직접적인 도움을 줄 수 있다고 전했다. 실제로 많은 소비자가 이러한 불안과 두려움에 에너지를 적게 소비하고 배출가스가 없는 EV로의 전환을 주저하고 있다.

무선 BMS의 장점

조밀한 배선과 하네스의 잠재적인 오류 발생 가능성은 EV의 고질적인 취약점이라 할 수 있다.

TI 파워트레인 시스템 부문 엔지니어 마크 응(Mark Ng)은 “와이어 하네스와 커넥터는 진동, 습도 등에 노출되는 기계 부품으로, 배터리 자체보다 서비스를 받아야 할 가능성이 훨씬 크다”고 강조했다.

EV 업계는 무선 BMS 도입을 통해 이러한 취약점을 해소하고 수리비 부담에서 벗어나 더 저렴하고 쉽게 배터리에 접근해 정비를 할 수 있다는 이점이 있다.

무선의 장점은 차량 내 배터리의 수명이 다하고 나서도 이어진다.

차량에서 수명을 다해 노후화된 배터리는 데이터센터의 배터리 백업 장치를 비롯해 태양열이나 풍력발전 시설에 부착된 에너지저장장치(ESS)에 재활용할 수 있다.

다니엘은 “공장 현장에서 보관창고, 차량 내, 수명이 다한 후 보관에 이르는 배터리 전체 수명주기 동안 셀을 모니터링해야 한다”면서 “선을 연결하지 않고도 각각의 새로운 상황에서 무선으로 셀 데이터를 읽을 수 있다”고 말했다. 

엔지니어링 과제

이 작업을 수행할 수 있는 무선 BMS 솔루션을 설계하는 것은 TI 내부의 배터리 관리, 연결성, 자동차 시스템 부문의 전문성을 갖춘 엔지니어를 한데 모으는 대규모 협업 프로젝트였다

TI 2.4GHz 연결성 비즈니스 라인 부문 매니저 램 베단탐(Ram Vedantham)은 “대다수 요구사항이 상충되는 등 어려움이 많은 프로젝트였다. 사안의 중대성을 고려해 모든 담당자가 신속한 진행을 염두에 두면서 전체 설계 과정 내내 아이디어를 짜내고 한데 모으는 데 많은 시간을 보냈다”고 말했다.

예를 들어, 이 솔루션에는 가혹하고 노이즈가 심한 환경에서 2mV의 정확도, 1,000만 패킷 당 1의 오류율과 함께 수 밀리초 이내에 100여 개의 셀에서 데이터를 수집하는 높은 처리능력을 요하는 까다로운 작업이었다. 또한, 칩은 주차된 차량의 열관리를 모니터링하는 동안 배터리 소모를 방지하기 위해 더 낮은 전력으로 작동해야 했다.

이러한 설계 과제를 해결하기 위해 연결성 팀은 2.4GHz 무선 네트워크의 실시간 가용성이 중요한 환경에서 통신을 쉽게 하는 안정적인 전용 무선 프로토콜을 개발했다. 운전자가 EV를 작동시키자마자 시스템에서 배터리를 감시 및 관리하고 실시간으로 교신할 수 있도록 네트워크를 즉시 사용할 수 있어야 했기 때문이다. 

램은 “이것은 차가 출발할 때마다 버튼만 누르면 네트워크가 모든 필요한 부품을 연결한다는 개념”이라며, “여기서 안정성과 성능을 갖춘 TI의 새로운 전용 무선 프로토콜이 작동한다. TI 팀은 프로토콜 기능으로 시스템 요구사항을 충족할 수 있는 최적의 성능, 전력, 기능을 제공하기 위해 최신 무선 기술 사양을 완벽하게 결합한 혁신적인 솔루션을 모색했다”고 말했다.

안쿠시는 팀이 무선 연결의 한계를 극복했기에 안정성을 희생하지 않고 배터리의 성능 수준을 높일 수 있었다고 강조했다.

팀의 업무를 검증하기 위해서 기능안전 평가기관인 TÜV-SÜD에 솔루션 평가를 의뢰한 결과, TI 칩 솔루션은 ASIL D까지 시스템 수준의 기능안전 준수를 입증한 업계 최초의 무선 BMS 개념이 되었다. 또한, 이 개념은 산업용 애플리케이션에서 SIL 3 준수 여부를 평가하고 입증했다. 
마크는 “TI 고객은 시스템이 안전하고 신뢰할 수 있는지 관심을 기울인다”면서 “시스템 수준의 개념은 최고의 기능안전 평가 기관의 독립적 평가를 통해 ASIL D까지 충족했다”고 덧붙였다.

구현의 용이성

무선 BMS는 많은 배선이나 재구성이 필요하지 않기에 손쉽게 구현할 수 있다.

램은 “신형뿐 아니라 구형의 자동차 모델에 무선 BMS를 빠르게 추가하고 있으며, 이로 인해 TI 고객은 설계 공간을 절약할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다. 

무선 BMS는 소비자에게 잠재적으로 더욱 환경친화적인 차량을 제공함과 동시에 주행 거리 연장과 높은 신뢰성, 비용 절감 효과를 가져다줄 수 있다.

램은 “TI의 무선 BMS 솔루션은 이러한 사용사례에 맞춰 개발한 새로운 무선 연결성 프로토콜을 사용해 성능과 안전성 측면에서 EV 산업을 주도하고 있다”면서 “이것은 곧 자동차 제조사가 이 기술을 소비자에게 그 어느 때보다도 빠르게 선보일 수 있음을 의미한다”고 말했다.

다니엘은 “현시점에서 대다수 사람이 EV를 구매하기로 한다면 제품 및 인프라 등 다양한 측면에서 비용 효율적이지 않을 수 있다. 혹은 전력 부족 현상을 초래할 수 있다. 하지만, 무선 BMS 도입은 EV 보급 확산을 촉진할 수 있는 효과적인 방안이 될 수 있다”고 말했다. [AEM]

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