자동차 제조업체들이 새로운 전기차 배터리 화학 물질을 고려하면서 첨단 반도체 기술을 도입한 배터리 관리 시스템(BMS)이 어느 때보다 중요해졌다.
TI는 배터리 관리 시스템을 지속적으로 혁신함으로써 자동차 제조업체들이 더 안전하고 합리적인 전기차를 구현하는데 도움이 되는 새로운 배터리 화학 물질에 적합한 BMS 아키텍처를 설계할 수 있도록 지원하고 있다.
최근 전기차 수요가 높아지면서 선진화된 배터리 관리 시스템(BMS)은 전 주행 거리, 안전성, 성능, 신뢰성, 비용 등 전기차로의 전환을 가로막는 주요 요인을 극복하는 데 도움을 주고 있다. 이런 BMS 시스템의 핵심은 반도체다.
TI에서 전기차 배터리 모니터링 제품 개발팀을 이끄는 샘 웡(Sam Wong)은 “반도체 기술은 내연기관차보다 전기차에서 훨씬 더 큰 부분을 차지한다”면서 “TI 칩은 배터리 팩 비용의 극히 일부만으로 엄청난 이점을 가져올 수 있다”고 말했다.
전기차용 지능형 배터리 관리와 충전에 대해 자세히 알아보기
최근 BloombergNEF 보고서에 따르면 전 세계 승용차 시장에서의 전기차의 비중은 5%에 채 못 미친다고 한다. 그러나 대부분의 주요 자동차 제조업체가 앞으로 5~10년 내에 전기차 라인업으로 대거 전환하여 더 친환경적이고 더 지속 가능한 미래로 나아가겠다고 약속하면서 시장 점유율을 빠르게 증가하고 있다. 배터리 기술의 발전은 전기차의 주 소비자에게 핵심적인 요소다. TI는 엔지니어가 다양한 전기차 배터리 화학 물질과 구성을 다룰 수 있도록 지원하는 새로운 기술로 차량 혁신을 주도하고 있다. 이러한 발전은 이미 기존 및 최첨단 배터리 기술에 녹아들어 전기차의 가격, 성능 및 신뢰성을 개선하고 있다.
배터리 전압으로 주행 거리 예측
새로운 배터리 화학 물질로부터 이러한 혁신이 시작된다. 대부분의 전기차는 공급량이 부족한 희토류 금속인 코발트를 사용하는 리튬 이온 배터리를 장착하고 있다. 그러나 이제 전기차 산업 대부분이 코발트를 대체할 배터리 화학 물질인 리튬인산철(LFP)을 채택하기 시작했다. 리튬인산철(LFP)은 코발트 대비 원자재가 더 풍부하고 더 지속 가능하고 작업하기 용이할 뿐만 아니라 훨씬 저렴해서 효율적인 대안이 될 수 있다.
LFP는 철의 저렴한 가격과 공급량에 힘입어 지속 가능한 선택지가 될 수 있지만, 이 화학 물질에는 단점이 있다. 전기차는 잔여 배터리 용량과 앞으로 주행 가능한 거리를 파악하기 위해 배터리 전압 강하를 측정해야 한다. 방전되면서 전압이 꾸준히 떨어지는 코발트 기반 배터리와 달리 LFP 배터리는 얼마 지나지 않아 완전 방전될 상황에서도 전압 강하가 미미하기 때문에 예측이 어렵다.
마크 응(Mark Ng) TI의 BMS 시스템 매니저는 “LFP는 방전 속도가 일정하기 때문에 최신 반도체 기술에서 구현할 수 있는 최대한의 맞는 전압 측정 정확도를 필요로 한다”고 말했다.
기존의 BMS 장치는 배터리 전압을 5mV 수준의 정확도까지 측정하지만 LFP 배터리는 주행 가능 거리에 약 25% 오차가 발생할 수 있는 불확실성이 존재한다. 고속도로 한가운데서 배터리가 방전되어 운전자가 놀라는 상황을 방지하기 위해 차량이 실제 주행 가능한 거리보다 25% 짧은 수준으로 알려주는 경우가 많다.
바로 이 부분에 TI의 최첨단 기술이 적용될 수 있다. 자동차 제조업체들은 TI의 고정밀 배터리 모니터를 활용하여 더 정확한 주행 거리를 안내할 수 있다.
마크 응 매니저는 “차량에서 TI 칩을 사용하면 실제로 250마일이 남은 상황에서 200마일이 남았다고 알려주는 대신 비교적 더 정확한 수치인 230마일이 남았다고 알려줄 것”이라면서 “BMS는 기본적으로 동일 배터리의 동일 충전량으로 주행 거리를 30마일가량 확장했다”고 설명했다.
추가된 거리는 LFP 배터리의 실행 가능성을 보장하기에 충분할 수 있기에 자동차 제조업체들은 새로운 화학 물질로 전환해서 더 합리적인 가격의 더 지속 가능한 전기차를 만들 수 있다.
배터리 셀 밸런싱
차량의 주행 거리를 확장하는 것 외에 전기 배터리 팩에 들어가는 약 200개 셀 각각의 안전성과 내구성을 위한 정확한 모니터링도 중요하다. 한 셀이 다른 셀보다 빠르게 방전되면 나머지 팩에 전력이 아직 남아 있어도 셀이 방전될 수 있다. 방전 직전까지 방치하면 셀이 영구 손상되어 전하를 유지할 수 없으므로, 셀 전체를 영구적으로 사용하지 못하게 될 수도 있다. 충전 중에 특정 셀이 다른 셀보다 더 빨리 용량에 도달하는 경우에도 셀이 과충전될 위험이 있으며 위험한 과열 상황을 초래할 수 있다.
정확도 높은 TI의 배터리 모니터는 셀이 과방전 또는 과충전될 위험의 조기 징후를 감지할 경우 셀을 분리해 과방전 및 과충전을 방지한다. 또, 전체 셀 팩이 주행 및 충전 중에 균형을 유지할 수 있도록 한다. 이 장치는 과충전이나 기타 문제의 또 다른 징후가 될 수 있는 배터리 온도 상승도 감시한다.
샘 웡 매니저는 “BMS는 각 셀의 전압, 전류, 온도를 감지하는 정교한 모니터링 네트워크를 제공한다”면서 “그러면 시스템에서 배터리를 차단하거나 시스템에 유입 및 배출되는 전류를 조정할 수 있다”고 설명했다.
BMS는 두 개의 독립적인 센서를 통해 전압을 측정하며 불일치하는 경우 시스템에 플래그를 지정하는 방식으로 리던던시(redundancy, 이중화)를 제공한다.
시스템에서 배터리를 차단하는 작업조차도 그에 따른 어려움과 해결 방안이 있다. 더 높은 배터리 전압 스택업(stack up, 반도체를 쌓아 올리는 기술), 더 빠른 충전 요구 사항, 더 강력한 트랙션 모터 모두 차세대 전기차의 전력 분배, 견고성, 안전성 측면에서 이러한 시스템 분리 작업에 고유한 문제를 야기한다.
혁신을 위한 유연성
제조업체들이 새로운 배터리 화학 물질, 더 강력한 팩, 개별 셀의 다양한 구성을 도입하는 가운데 그중 상당수는 각각의 다양한 조합을 활용하여 전기차 제품 라인을 출시하고 있다. TI의 포트폴리오는 동일 패키지의 다중 채널 옵션, 핀 대 핀 호환성, 기존 소프트웨어의 완전한 재사용을 제공한다. 따라서 TI의 장치 포트폴리오의 핵심은 자동차 제조업체들이 선택하는 거의 모든 배터리 화학 물질이나 구성에 활용 가능하며, 이를 통해 R&D 비용, 소프트웨어 개발 비용과 시간을 절약할 수 있다는 것이다.
마크 응 매니저는 “여러 화학 물질과 구성을 다루는 제조업체의 경우 동일 제품군에 다양한 배터리 모니터링 디바이스 옵션을 제공하는 것이 가장 중요하다”면서 “이렇게 플랫폼 간에 확장성을 제공하게 되면 개별 전기차의 비용을 줄이고 자동차 출시 속도를 앞당길 수 있다”고 밝혔다.
앞으로 더 많은 BMS 혁신이 일어날 것이다. TI는 전압 정확도의 한계를 뛰어넘어 각 칩에 더 많은 제어 기능을 통합하여 자동차 제조업체들의 잠재력을 최대한으로 발휘할 수 있도록 돕고 있다. 또한 TI는 새로운 배터리 유형에 최적화된 BMS 솔루션을 활발하게 연구하고 있다. 샘 웡 매니저는 “업계에서 검토 중인 다른 배터리 화학 물질이 수백 가지에 이른다. TI는 BMS 제품을 통해 그중 한 가지의 화학 물질을 최대한 활용할 수 있는 유연성을 제공하고 싶다”고 말했다.
더 나은 세상을 만들고자 하는 열정
자동차 제조업체가 더 합리적인 가격의 더 안전한 전기차를 만들 수 있도록 돕는 것은 TI의 혁신가들이 반도체를 통해 더 합리적인 가격의 전자 제품을 만들어 더 나은 세상을 만들고자 하는 열정을 실천하는 한 가지 방법이다. TI는 더 작고 더 효율적이며 더 신뢰할 수 있고 더 합리적인 가격의 기술을 만들어 전 세대의 혁신을 발판으로 새로운 세대의 혁신을 이끌고 있다. 우리는 이것을 엔지니어링의 진보라고 생각한다. 이것이 TI가 수십 년 동안 해온 일이다.
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