배터리 모니터링 시스템(Battery Monitoring System, BMS)의 주요 기능은 안전한 충·방전을 유지하여 셀의 성능 저하, 손상, 화재의 위험을 줄이는 것이다. 이 외에도 여러 가지 혜택이 있다. Dukosi가 제안한 솔루션은 로컬 프로세싱을 통해 셀을 개별적으로 모니터링 해 판독값을 해석하고 자체 임베디드 소프트웨어가 생성한 히스토그램 형태로 시간 경과에 따라 즉각적으로 집계된 데이터를 무선으로 전송하는 최신 ‘엣지’ 컴퓨팅 개념을 채택했다.

글 | 김완근 대표, Dukosi Korea













배터리 모니터링은, 특히 전기자동차(EV)의 안전성과 최상의 배터리 수명 성능을 위해 필수라는 것은 널리 알려진 사실이지만, 현재의 모니터링 방법은 여전히 기존 기술에 기반하고 있다. 두코지(Dukosi)는 빠르고 유연한 에지 컴퓨팅의 장점을 활용하는 새로운 무선 방식의 배터리 모니터링 기술을 어필하고 있다.



배터리 모니터링:
필요하지만 고가의 오버헤드 수반 

배터리 모니터링은 치과 검진과 비슷하다. 큰 비용이 들고, 특별히 아무런 문제가 없다는 것만 알고 싶을 뿐이다. 더 안 좋은 것은 치아 상태가 나빠지지 않았다는 확신을 얻으려면 계속 검진을 받아야 한다는 것이다. EV에서는 치과용 의자에 해당하는 모니터링 하드웨어를 항상 탑재하고 다녀야 하기 때문에 배터리 셀을 더 넣을 수 있는 공간을 차지하게 된다. 또한, 하드웨어와 와이어 하네스(Wire harness) 케이블은 비용을 상승시키고 무게를 늘려 주행거리에 영향을 미친다. 

하지만 어떤 비용 보험이 있을까? 배터리 모니터링 시스템의 주요 기능은 안전한 충·방전을 유지해 셀의 성능 저하, 손상, 심지어 화재의 위험을 줄이는 것이다. 배터리 팩의 충전상태(State of Charge, SoC)를 정확하게 알면 차량의 주행 가능 거리를 파악할 수 있기 때문에 ‘주행 거리 불안’을 낮추고 충전 시간을 단축할 수 있다. 동시에 시간 경과에 따른 온도, 전압, 충전/방전 주기와 같은 모니터링된 정보의 축적은 배터리 잔존수명(State of Health, SoH)을 나타낼 수 있다. 전기 차량이 노후화됨에 따라, 배터리의 SoH는 중고차 거래나 그리드 에너지 저장과 같이 부담이 덜한 다른 용도로 배터리 팩 용도를 변경하는 등 ‘Second Life’ 사용에 있어 걸림돌이 될 수 있다. 배터리 수명을 극대화하면 배터리 수명 비용을 절감하고 재활용 빈도와 비용이 최소화해 일반적으로 운송이 환경에 미치는 영향을 줄일 수 있다. 







배터리 고장의 주요 원인  
‘케이블 단선’

따라서 배터리 모니터링은 안전 필수 시스템의 백업이 중요한 산업 및 통신 분야에서 수십 년 동안 인정받은 기능이다. 서버 팜(server farm)의 무정전 전원 공급장치(Uninterruptible Power System, UPS)에 전원을 공급하는 48V 납산 배터리 어레이는 부피가 큰 중앙 집중식 모니터링 하드웨어를 각 셀에 연결하는 와이어 하네스를 감당할 수 있지만, 격리된 협소한 공간과 가혹한 환경에서 최대 800V 셀 스트링이 있는 EV에 이 원리를 적용하는 것은 바람직하지 않다.

현재 BMS는 일반적으로 이러한 방식으로 구현되고 있지만, 고전압과 진동으로 인한 와이어 마모 위험으로 인해 스트링의 셀에 연결되는 케이블은 신호 전송에 맞게 대형화되어야 하며, 설치 비용은 물론 무게와 공간에 따른 불이익이 따른다. 

‘무선’은 다양한 분야에서 널리 적용되는 기술이며 EV 배터리 모니터링은 유력한 후보이다. 스트링에 있는 여러 셀의 전압을 모니터링하는 구형 모듈식 아키텍처에서 발전한 솔루션이 존재한다. 여기서 아날로그값은 배터리 팩에 내장된 여러 모듈 중 하나에서 다중화 해 ‘디지털화’ 된 다음 RF 링크를 통해 중앙 프로세서로 전달된다.

모니터링되는 셀의 개수는 일반적으로 12개 또는 14개이며, 멀티플렉서의 정격 전압에 따라 제한되며 각 셀의 정격 전압은 약 3.7V이다. 필요한 멀티플렉서 개수를 줄이기 위해 모니터링되는 셀 수를 16개 이상으로 늘릴 수 있지만, 그러면 IC 제조 공정에서 고전압 기술을 사용해야 할 필요성이 커질 뿐이다. 따라서 중앙에서 수행해야 하는 로컬 데이터 집계 및 처리를 쉽게 통합할 수 없어 RF 연결에 병목현상이 발생할 수 있다.

더 큰 단점은 다중화된 각 셀 전압의 측정 정확도가 스트링으로 올라갈수록 떨어지고 각 셀에 더 긴 물리적 와이어 연결이 필요하므로 ‘무선’ 솔루션이라고 보기 어렵다는 점이다. 노이즈 픽업은 또 다른 문제이다. 모든 모듈이 중앙 리시버에 ‘가시선(line-of-sight, LoS)’을 확보할 수 있도록 RF 안테나의 위치에 세심한 주의를 기울여야 하며, 복잡하고 예측할 수 없는 메시 네트워크를 구축해야 하므로 데이터 속도와 대기 시간을 예측할 수 없게 된다. 



‘에지’ 컴퓨팅 활용한 솔루션  

Dukosi가 제안한 새로운 솔루션은 로컬 프로세싱을 통해 셀을 개별적으로 모니터링 해 판독값을 해석하고 자체 임베디드 소프트웨어가 생성한 히스토그램 형태로 시간 경과에 따라 즉각적으로 집계된 데이터를 무선으로 전송하는 최신 ‘엣지’ 컴퓨팅 개념을 채택했다.

초저전력 하드웨어는 모니터링되는 배터리 셀로 구동되는 초소형 CMOS 칩이므로, IC 기술은 일반적인 프로세서 코어 및 메모리와 호환된다. 아날로그 신호 다중화가 필요하지 않으므로 정밀도가 최적화되고, 칩이 배터리 셀에 직접 탑재되어 전압과 국부 온도의 측정 정확도가 극대화된다. 안테나 연결 문제는 특허받은 NFC 기술을 사용해 해결했다. 

'비접촉식' 결제를 위한 유도 루프와 유사하게, 얇은 저전압 단일 와이어 루프가 배터리 팩 주위에 배치되어 각 Dukosi 셀 모니터 IC에 가깝게 연결되며, 몇 밀리미터의 물리적 거리를 두고 센서의 루프에 비접촉으로 연결된다. 이것은 빠르고 견고한 데이터 연결을 보장하는 동시에 최고 배터리 팩 전압에 필요한 전기적 절연을 쉽게 제공하기에 충분하다. 각 IC에는 고유한 ID가 있으며, 통신 프로세스를 제어하고 차량 관리 전자장치에 데이터를 전달하는 무선 관리자가 NFC 연결을 통해 폴링한다. 전체 시스템은 ASIL D 등급 배터리 팩에 대해 ASIL C 구성 부품으로서 안전하게 설계됐다.

배터리 팩에 ‘올웨이스 온(always-on)’ 인텔리전스를 탑재하면, EV를 사용하지 않을 때도 사용량과 성능 데이터를 장기간 기록할 수 있으며, 이를 통해 배터리 수명주기의 어느 시점이든 SoH를 해석하고 유지 관리할 수 있다. 하드웨어, 케이블 연결 및 설치 비용이 절감되는 Dukosi 시스템은 모든 전기 차량 유형은 물론, 더 광범위한 에너지 저장 애플리케이션에 적용될 수 있다.