차세대 배터리 관리 시스템(BMS)이 무선화 되면서 전기차 내부의 무거운 통신 배선을 제거하고 주행 거리와 안정성을 높일 수 있게 되었다.
일반 차량과 마찬가지로 전기차에도 안락한 인테리어는 물론 최신 기술을 적용할 수 있지만, 하부 섀시에는 많은 수의 배터리 셀을 탑재해야 하는 점을 고려해야 한다. 더 많은 셀을 탑재할수록 1회 충전으로 더 먼거리를 갈 수 있는데, 이는 고객들에게는 매우 중요한 요소 중 하나다.
하지만 모든 배터리 셀은 모니터에 연결되어 있어야 하며, 동시에 모니터는 배터리 건강과 성능을 극대화하기 위해 중요한 정보를 제어기에 보고해야 한다. 일반 전기차는 100여개 내외의 배터리 셀이 직렬로 연결되어 있는데, 배터리를 관리하는 무거운 구리 배선은 수 미터, 수 킬로 길이로 복잡하게 연결되어 있으며 부피와 무게를 차지한다.
TI의 새로운 무선 배터리 관리 시스템 개념은 이처럼 무겁고 유지보수가 비싼 배선을 제거함으로써 전기자 설계에 새로운 기회를 열었다. 이 개념은 전자 칩 세트인 전용 무선 연결 프로토콜을 포함하며, 업계 최초로 시스템 수준의 기능 안전 수준을 충족했다.
자동차업체가 무선 배터리 관리 시스템을 구축하는데 TI가 어떤 역할을 하는지 살펴보기
연결성 관련 업무에 주력하고 있는 다니엘 토레스(Daniel Torres) TI 오토모티브 제품 마케팅 부문 엔지니어는 “TI의 무선 BMS 시스템을 적용하면 복잡한 배선에 대해 걱정하지 않아도 될 뿐만 아니라, 여분의 공간을 활용해서 크기와 종류가 서로 다른 배터리를 탑재할 새로운 방법을 찾아낼 수 있다.”며 “마치 빈 도화지에 디자인하는 것과 같다”고 설명했다.
무선 배터리 관리 시스템(BMS), 핵심 부품
전기차 오너들은 차의 배터리 관리 시스템(BMS)을 대수롭지 않게 생각할 수 있지만, BMS는 모든 셀의 전압, 전류, 온도를 모니터링하는 주요 부품이다.
안쿠시 굽타(Ankush Gupta) TI오토모티브 배터리 부문 제품 라인 매니저는 “다른 무엇보다 전기차의 성능, 안정성, 수명을 극대화하는 것이 BMS”라면서 “배터리의 충전 및 기타 작동 특성을 신중하게 관리하면, 조기에 셀 충전량이 떨어지거나 손상을 겪지 않도록 보장하는 한편 필요할 때 각 셀에서 더 많은 동력을 얻을 수 있다는 이점이 있다. 또한 통신선을 없애면 차량이 더 가벼워지고 활용할 수 있는 여유 공간이 생기며, 동시에 고급 배터리 기능을 갖춘 전기차를 설계할 수 있는 유연성을 확보할 수 있다”고 전했다.
앤쿠시 매니저와 다니엘 엔지니어는 “기술 개발을 통해 주행 거리에 대한 불안이나 전력 부족에 대한 과제를 해결할 수 있고 말했다. 실제로 많은 소비자들이 이러한 불안 때문에 에너지가 적게 들어가고 배출가스가 없는 전기차로의 전환을 주저했다.”고 말했다.
무선 BMS의 힘
조밀한 배선과 전기차를 제자리에 고정시키는 하네스의 오류 발생 가능성은 전기차의 고질적인 취약점이라 할 수 있는데, 무선화를 통해 이 문제를 해결할 수 있다.
마크 응(Mark Ng) TI 파워트레인 시스템 부문 엔지니어는 “와이어 하네스와 커넥터는 진동, 습도 등의 문제에 노출된 기계적 구성요소이기에 이들 부품은 배터리 자체보다 정비를 해야 할 가능성이 훨씬 높다”고 밝혔다.
전기차 업계는 무선 BMS 도입을 통해 이러한 취약성 문제를 해결하고, 가장 큰 부담이었던 수리비 부담에서 벗어나 더 저렴하고 수월하게 배터리에 접근해서 정비를 할 수 있다는 이점이 있다.
그리고 무선의 장점은 차량 내 배터리의 수명이 다하고 난 이후에도 무궁무진하다.
사용 수명을 다해서 노후화된 전기차 배터리 또한 재활용하면 데이터 센터의 배터리 백업 장치, 또는 태양열이나 풍력 발전 시설에 부착된 에너지 저장소에 다시 활용할 수 있다. 역시 이러한 시설에서는 무선 기능을 활용해서 모니터링 하면 효율적이다.
다니엘 엔지니어는 “배터리 제조 공장 바닥부터 창고, 차량 내부의 수명이 다한 후 저장소에 이르는 라이프사이클 전체를 고려해서 배터리 셀을 모니터링해야 한다”면서 “선을 연결하지 않고도 새로운 상황에서 무선으로 데이터를 읽을 수 있다”고 말했다.
엔지니어링 과제
이러한 작업을 수행할 수 있는 무선 BMS 솔루션을 설계하기 위해서 TI내부의 배터리 관리, 연결성, 자동차 시스템 부문에 전문성을 갖춘 엔지니어 모두의 협업이 필요한 대규모 프로젝트였다. 램 베단탐(Ram Vedantham) TI 2.4GHz 커넥티비티 비즈니스 라인 부문 매니저는 “요구 사항의 대다수가 상충되는 등 비교적 어려움이 많은 프로젝트였다. 사안의 중요성을 고려해서 담당자 모두가 신속한 진행을 염두에 두면서 전체 설계 과정 내내 아이디어를 내고 한데 모으는 데 많은 시간이 투입됐다”고 전했다.
예를 들어, 이 솔루션에는 가혹하고 시끄러운 환경에서 2mV의 정확도, 1,000만 패킷 중 1개의 오류율과 함께 수 밀리초 이내에 100여 개 셀에서 데이터를 모으는 높은 수준의 처리능력을 요하는 까다로운 작업이었. 또한, 주차된 차량 내 열관리를 모니터링하는 동안 배터리가 빨리 소모되는 것을 방지하기 위해 더 낮은 전력에서 칩을 작동해야 했다.
이러한 설계 과제를 해결하기 위해 연결성 팀은 2.4GHz 무선 네트워크의 실시간 가용성이 중요한 환경에서 통신을 용이하게 해주는 안정된 전용 프로토콜을 제작했다. 운전자가 전기차를 출발하자 마자 시스템에서 실시간으로 배터리를 모니터링, 관리 및 교신할 수 있으려면 네트워크가 즉시 사용 가능한 상태여야 하기 때문이다.
램 매니저는 “이는 차가 출발할 때마다 버튼만 누르면 네트워크가 모든 필요한 부품을 연결한다는 개념”이라 설명하며, “여기서 안정성과 성능을 갖춘 TI의 새로운 전용 무선 프로토콜이 작동한다. TI 팀은 프로토콜 기능으로 시스템 요구 사항을 해결할 수 있는 최적의 성능, 전력, 기능을 제공하기 위해 최신 무선 기술 사양을 완벽하게 결합한 혁신적인 솔루션을 모색했다”고 전했다.
“TI 팀은 무선 연결성의 한계를 뛰어넘어야 했다. 그래야 안정성을 떨어뜨리지 않고도 배터리의 성능 수준을 끌어올릴 수 있었다”고 안쿠시 매니저가 전했다.
기능 안전 관련 이점
팀의 업무를 검증하기 위해 최고의 기능 안전 평가 기관인 TÜV-SÜ에 솔루션 평가를 의뢰한 결과, TI의 솔루션은 ASIL D(자동차 기능 안전성 국제표준 ISO 26262의 최고 수준의 인증이며 전기차 제조업체에도 중요한 고려사항)까지 시스템 수준의 기능 안전 준수에 대한 지원을 업계 최초로 증명한 무선 BMS 개념이 되었다. 또한 이 개념은 산업용 및 응용 분야에서 SIL 3 인증을 획득했다.
마크 엔지니어는 “TI의 고객들은 시스템이 안전하고 신뢰할 수 있는지에 많은 관심을 기울인다”면서 “그리고 시스템 수준의 개념은 최고의 기능 안전 평가 기관의 독립적 평가를 통해 자동차 기능 안전성 국제 최고 수준의 인증인 ASIL D까지 충족했다”고 전했다.
구현의 용이성
무선 배터리 관리 시스템은 많은 배선이나 재구성이 필요하지 않아 손쉽게 구현할 수 있다.
“무선 BMS를 신형과 구형 모델 차량에 매우 빠르게 탑재하고 있으며, 이로 인해 TI의 고객들은 차량 설계 시 공간을 절약할 수 있을 것으로 예상한다”고 램매니저는 말했다. 그 결과, 자동차업체들은 앞으로 몇 년 후 생산이 시작되는 차세대 차량에 무선 BMS 솔루션을 포함시킬 계획을 수립, 채택하기 위해 발 빠르게 움직이고 있다.
무선 BMS는 소비자들에게 잠재적으로 더욱 환경 친화적인 차량을 제공함과 동시에 더 높은 수준의 신뢰성 및 비용절감 효과를 가져다 줄 수 있다.
램 매니저는 “TI의 무선 BMS 솔루션은 이러한 사용 사례 맞춰 개발한 새로운 무선 연결성 프로토콜을 사용하여 성능과 안전 면에서 전기차 산업을 주도하고 있다”면서 “이는 곧 자동차 제조업체들이 이 기술을 소비자들에게 예전보다 더 빠르게 선보일 수 있음을 의미한다”고 전했다.
다니엘 엔지니어는 “현재 시점에서 대다수의 사람들이 전기차를 구매한다면 제품 및 인프라 등 다양한 측면에서 비용 효율적이지 않을 수 있을 뿐더러, 전력 부족 현상을 초래할 수 있다. 하지만, 무선 BMS 도입은 전기차 보급 확산에 가속도를 낼 수 있는 효과적인 방안이 될 수 있다”고 말했다.
더 나은 세상을 만들고자 하는 열정
고객들이 무게는 덜 나가고 더 멀리 주행하는 전기차를 마주할 수 있도록 무선 배터리 관리 시스템(BMS) 구현에 쏟는 TI의 열정은, 어떻게 반도체를 통해 합리적인 가격의 전자 제품을 만들어서 더 나은 세상을 실현하고자 하는 TI의 혁신정신의 예시라고 할 수 있다. 더 작고 더 효율적이고 더 신뢰할 수 있고 더 합리적인 가격의 기술을 만들어 새로운 시장을 개척하고 모든 분야의 전자 제품에 반도체가 들어갈 수 있도록 지난 세대의 혁신을 발판으로 새로운 세대의 혁신을 이끌고 있다. TI는 이것을 엔지니어링 진보라고 말한다. 이것이 TI가 수십 년 동안 전문성을 가지고 수행해온 일이다.
