시장에 도입되고 있거나 소개될 예정인 하이브리드 카(HEV) 및 전기차(EV) 대수가 빠르게 증가하고 있다. 바야흐로 자동차의 전동화가 중요한 분기점을 맞고 있다.
EV의 성공에 큰 걸림돌은 역시 배터리다. 최근 리튬이온 배터리 기술이 진척되면서 배터리 셀의 출력 및 에너지 밀도가 증가하고 가격이 떨어지고 있다. 그러나 초기 EV 채택을 가로막았고 잠재 고객들이 가장 우려하고 있는 “주행거리에 대한 걱정”을 덜기 위해서는 추가 개선이 필요하다.
배터리팩은 EV 부품 중 가장 고가이면서 잠재적으로 가장 불안정한 부품이다.
현재 고성능 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)은 HEV와 EV 배터리팩의 약점에 대한 해결책으로 부각되고 있다. Chevy Volt 설계 팀의 다음과 같은 언급은 이러한 추세를 잘 대변하고 있다.
“개발 과정을 거치면서 배터리 관리 시스템이 배터리에서 최고의 수명과 성능을 이끌어내는 열쇠라는 점을 알게 됐다.”
(http://green.autoblog.com/2009/11/17/gm-provides-update-on-volt-vehicle-and-battery-development/)

과제와 수동 밸런싱 솔루션
배터리팩 관리 시스템 설계자가 맨 처음 직면하는 문제는 대용량 셀 배열을 충전하면서 개별 셀의 과충전을 방지하는 것이다. 리튬이온 배터리는 셀 성능이 저하되어 파괴되는 결과를 초래할 만큼 과전압에 민감하다. 각 셀들은 파라미터 측면에서 근본적으로 다르다. 또한 충전 전에 셀마다 남아 있는 잔류 전하량도 다를 수 있다. 그 결과 일부 셀은 다른 셀보다 먼저 최대 전압에 이르게 된다. 이로 인해 일부 셀은 과전압 상태가 되어 결국 파괴된다.
모든 셀이 완전 충전상태(State Of Charge, SOC)에 이를 수 있도록 하기 위해 바이패스 레지스터로 전류를 우회(divert)시키는 방법이 도입됐다. 수동 밸런싱이라고 알려진 이 방법은 과잉 에너지를 레지스터에서 열로 소모시켜 셀의 과충전을 방지한다. 전력 소모는 셀로부터 우회가 가능한 전류의 양을 제한한다.
“가장 약한” 셀이 고갈되었을 때 팩의 방전은 멈출 수밖에 없다. 그 결과 배터리의 “강한” 셀에는 아직 전력이 남아 있어서 상당한 가용 에너지가 있음에도 사용하지 못하는 상황이 벌어진다. 이는 소비자에게 EV 구입을 꺼리게 하는 가장 큰 원인 중 하나인 주행거리 불확실성과 “주행거리에 대한 걱정”의 주된 원인을 제공한다.
방전 과정에서 수동 밸런싱은 무력함을 드러내기 때문에 다른 대안이 요구된다. 완벽한 균형을 유지하고 있는 셀이라도 충전량은 차이가 있다. 이러한 현상을 용량 불일치라고 한다. 초기 용량이 동일한 셀이라도 대규모의 내부 손실로 인해 유효 용량에서 차이를 보일 수 있다. 셀은 제조 과정부터 근본적으로 서로 다른 파라미터를 가지고 출고된다. 일반적으로 셀 및 배터리팩 제조업체는 셀을 배터리팩으로 조립하기 전에 최적으로 일치시키기 위해 셀을 선별하고 선택하는 과정을 밟는다. 이 때 테스트와 부적합한 셀을 제외시키는 추가 공정으로 인해 비용이 상승하게 된다. 셀을 사용하면서도 용량이 조금씩 줄어들어 파라미터가 더욱 큰 차이를 보이게 된다. 셀 수명이 일정치 않게 줄어드는 것은 일반적으로 배터리팩 내의 온도 기울기 때문이다. 열 관리는 매우 중요하지만 많은 비용을 수반한다.
유효 용량이 낮은 “약한” 셀이 가장 심하게 요동한다. 이러한 셀은 항상 낮은 SOC까지 전하를 끝까지 짜내야 하기 때문에 시간에 따라 수명 단축이 가속화하고 용량 감소폭이 더욱 커진다. 이러한 셀은 수명이 더 짧으며 전체 배터리팩의 수명도 짧다.

능동 밸런싱 솔루션
능동 밸런싱은 리튬이온 배터리팩의 문제점을 해결할 수 있는 열쇠다. 셀을 우회하여 전력을 발산시키는 대신, 능동 밸런싱 시스템은 DC-DC 컨버터를 이용해 셀 간에 전하를 전달한다. 충전, 방전 또는 대기 상태(idle state)에서 전하의 전달이 가능하다. 또한 셀을 항상 균형 상태로 유지할 수 있다. 능동 밸런싱은 수동 밸런싱의 경우와 달리 전하의 전달 효율이 매우 높아 높은 밸런싱 전류를 얻을 수 있다. 셀이 보다 빠르게 균형 상태에 도달하고 높은 충전 전류에 도달하는 속도가 빨라진다.
대기 상태에서 완벽한 균형을 유지하고 있는 셀이라도 온도 기울기로 인한 내부 누설전류의 차이로 인해 방전 속도에 차이가 생긴다. 자체 방전 속도는 셀 온도가 10 ℃ 증가할 때마다 두 배가 된다. 능동 밸런싱을 사용하면 대기 상태에서 셀의 균형이 다시 조정된다. 셀의 균형을 지속적으로 유지하는 일은 배터리팩에 저장된 모든 에너지를 완벽하게 사용하기 위해 매우 중요하다.
그림 1은 용량이 서로 다른 셀의 밸런싱을 비교해 능동 셀 밸런싱의 장점을 보여주고 있다. 수동 밸런싱에서는 최대 셀 용량과 낮은 셀 용량 사이의 차이에 해당하는 전체 에너지가 충전 중에 발산된다.
셀은 가장 낮은 용량의 셀에 의해 결정되는 레벨까지만 방전될 수 있기에 나머지 셀에 남아 있는 에너지는 사용할 수 없게 된다. 그 결과 배터리팩의 유효 충전용량(SOC)이 줄어든다.
능동 밸런싱 방법은 전력 컨버터의 높은 효율 덕분에 용량이 서로 다른 셀이 최소한의 전력 손실만으로 완전한 SOC까지 충전될 수 있도록 해준다. 수동 밸런싱 중 발산되는 전하는 더 높은 용량을 가진 셀로 전달된다. 마찬가지로 방전 중에도 더 큰 용량의 셀 에너지가 낮은 용량의 셀로 재분배될 수 있어 배터리팩에 남아 있는 전하 없이 모든 셀이 전하를 완전히 방출할 수 있다. 능동 밸런싱을 적용한 배터리팩의 유효 SOC는 수동 밸런싱을 적용한 팩보다 크다.
능동 밸런싱 시스템의 성능은 배터리팩의 충전 및 방전 속도에 상대적인 밸런싱 전류의 양에 의해 결정된다. 셀의 불균형이 심하고 충전 또는 방전 속도가 빠를수록 더 많은 밸런싱 전류가 필요하다. 그림 2는 일정한 밸런싱 전류를 가정하고 능동 BMS를 이용해 충전 또는 방전 중에 보상할 수 있는 셀 용량의 불일치 정도를 보여준다.

능동 BMS의 필요성
경우에 따라서 수십, 수천 개의 셀로 구성된 배터리팩을 충전하는 과정에서 어떤 셀도 과충전되지 않도록 하면서 충전, 대기 및 방전 상태에서 모든 셀의 균형을 유지하고 셀 충전 및 용량 불일치의 영향을 줄이기 위해서는 능동 BMS가 필요하다.
능동 BMS는 셀 간의 파라미터 변화와 불균일한 수명 단축 문제를 해결하기 위한 방편으로 팩 크기를 과도하게 증가시키는 방법에 대안을 제시함으로써 배터리팩의 전반적 비용을 줄여준다. 이 기술은 오래된 셀을 새로운 셀로 교체해 팩의 균형이 깨지는 시점에서 진가를 발휘한다. 또한 큰 폭의 셀 파라미터 변화가 수용되므로 생산 수율도 증가한다. 보증 및 유지관리 비용도 감소한다. 능동 BMS는 배터리팩의 성능, 안정성 및 안전을 강화하는 동시에 비용을 절감시켜준다.
능동 셀 밸런싱
최초의 리튬이온 배터리 셀 밸런싱 방식은 셀의 과충전 방지라는 가장 첨예한 문제만을 해결했다. 가장 간단한 솔루션은 충전 전류의 대체 경로를 제공해 과충전된 셀로부터 전류를 우회시켜 과잉 에너지를 발산시키는 것이었다. 수동 밸런싱 방식은 이 원리에 따라 개발되었다.
다음 단계는 과잉 전하를 발산시키는 대신, 다른 셀로 재분배시켜 과충전 보호의 효율성을 개선시키는 것이다. 이 원리에 따라 능동 셀 밸런싱이 등장했다.
최초의 BMS 토폴로지가 일반적으로 3~12개의 소수 저용량 셀을 관리하려는 목적으로 설계됐다는 사실은 BMS 발전에 큰 영향을 미쳤다. 소용량 배터리팩용으로 개발된 집적회로(IC)는 대용량 EV 배터리팩이 제기하는 문제를 해결하기에 효과적이지 않다. 이에 따라 다른 솔루션이 요구된다.
약 12개 이하의 셀로 구성된 배터리팩에서는 한 셀의 전하를 용량성 및 유도성 전하 저장 소자(capacitive and inductive storage element)로 전달한 후 다시 충전이 덜 된 셀로 전달하는 원리에 따라 작동하는 “전하 교환(charge shuttling)” 방식이 이용된다. 저장 소자는 트랜지스터 스위치 매트릭스를 통해 여러 셀에 연결된다. 스위치의 수를 제한하기 위해 전하 전달은 일반적으로 인접 셀로 국한된다. 이 방식은 셀의 수가 증가하면 효율성이 떨어진다.
예컨대 한 전하 전달의 효율이 85%이고 전하를 12번째 셀로 이동시켜야 한다면, 이런 전하 전달의 전체 효율은 0.8511 = 0.167 = 16.7%가 된다. 에너지의 83% 이상이 열로 소실된다.
용량성 교환(capacitive shuttling)에서는 셀 전압의 차이가 작을 때 프로세스 효율이 크게 떨어진다. 일부 셀의 화학적 작용으로 전압 특성이 저하되면 문제는 더욱 커진다.
일반적으로 전하 교환 방식은 개수가 적은 소용량 셀에만 적합한 낮은 밸런싱 전류를 특징으로 한다.
트랜스포머 절연 전하 전달은 양방향 DC-DC 컨버터를 사용한다. 스위치 매트릭스가 밸런싱이 필요한 셀과 컨버터를 연결한다. 개별 셀과 전체 셀 그룹(배터리 모듈) 사이에서 어떤 방향으로도 전하가 전달될 수 있다.
이 방식이 훨씬 더 효율적이다. 모듈에서 셀의 위치에 관계없이 두 번의 단계만 거치면 셀 사이에서 전하가 전달된다. 트랜스포머 크기와 스위치를 선택해 밸런싱 전류의 크기를 쉽게 확장시킬 수 있다. 이 토폴로지는 대용량 자동차 배터리팩에 더욱 적합하다.
스위치 매트릭스의 복잡성으로 인해 하나의 컨버터가 수용할 수 있는 셀의 수가 실용적 차원에서 아직 12개 이하로 제한되고, 일부 토폴로지에서는 최대 트랜스포머 권선 수도 제한된다.

모듈 밸런싱
EV 배터리팩은 최대 수백 개의 셀을 포함하며 여러 개의 모듈로 나뉜다. 모듈 파라미터의 불일치, 성능에 영향을 미치며 불균일한 수명 감소를 일으키는 온도 차, 그리고 유지관리를 위해 구형 모듈을 새 모듈로 교체해야 하는 필요성 등의 요인들로 인해 모듈 밸런싱은 샐 밸런싱 만큼이나 중요하다. 모듈 사이의 전하 전달은 앞서 설명한 밸런싱 방식으로 해결되지 않는다.
모듈 밸런싱 기능을 제공하는 한 가지 방식은 각 모듈의 회로를 인접 모듈의 한 셀에 연결해 전하 전달의 통로를 열어주는 것이다. 이 방식의 경우 전하가 한 셀로 전달된 후 모듈의 모든 셀로 재분배되어야 하기 때문에 비효율적이다. 전하를 더욱 멀리 있는 모듈로 전달하기 위해서는 여러 단계를 거쳐야 하므로 효율성이 더욱 떨어진다.

모니터링
우수한 BMS 성능을 구현하는 열쇠는 셀 전압 측정의 정확도와 속도에 있다.
셀 전압은 빠르게 변화하는 전류에 의해 영향을 받는다. 충전상태 및 작동상태(State-of-Health, SOH) 예측의 정밀도를 보장하기 위해서는 전체 팩 셀의 전압을 거의 동시에 측정하는 것이 중요하다.

능동 밸런싱 BMS 솔루션
내셔널 세미컨덕터는 대용량 리튬이온 배터리팩에 최적화된 시스템 수준의 능동 밸런싱 BMS 솔루션을 공급한다.
BMS에는 여러 계층의 진단 및 장해 탐지 시스템이 갖춰져 있다. 셀 과소전압, 과대전압, 통신 장해, 감지 라인 개방 및 셀 과열 등의 장해가 탐지되고 메인 컨트롤러로 보고된다. 별도의 중복 장해 탐지 회로가 메인 하드웨어 및 펌웨어 채널과 독립적으로 장해를 보고한다. 펌웨어에서 프로그램 할 수 있는 임계값을 기준으로 파라미터를 비교하고 독립된 비교기 기반의 장해 탐지기를 이용해 이러한 파라미터를 모니터링 한다.
각 보드에는 멀티드롭 방식의 전기 절연 CAN 버스 인터페이스가 장착돼 있어 다른 모듈 및 메인 컨트롤러와의 고속 통신이 가능하다. CAN 버스를 이용한 광범위한 진단, 프로그램 및 구성 기능이 제공된다.
BMS가 실현하는 정밀한 밸런싱과 정확한 SOC 예측은 배터리팩에 저장된 에너지를 완벽하게 활용할 수 있도록 해주고 주행거리를 연장시키며 안정적 연료 측정으로 “주행거리에 대한 걱정”을 해소시킨다.