[오토모티브 특집] 빠른 전기차 시장 진입 돕는 NI의 소프트웨어 기반 배터리 테스트 솔루션

[테크월드뉴스=내쇼날인스트루먼트] 전기자동차는 기존의 내연기관 자동차에 비해 훨씬 적은 부품으로 만들어진다. 그리고 적은 수의 부품 중 가장 큰 비중을 차지하는 것은 바로 배터리다.

배터리는 전기자동차에서 파워트레인으로 분류될 만큼 핵심적인 위치를 차지하고 있는 반면, 모든 전기자동차 제조업체들이 어려움을 겪고 있는 부분이다.

특히 배터리 테스트는 전기자동차의 성능과 안전성에 직결된 문제임에도 불구하고 많은 시간과 노력, 인력이 필요한 복잡한 작업이라고 알려져 있다.

불과 2~3년 전만 하더라도, 전기차(EV) 관련 기술은 아직 자동차 시장에서 막연한 미래의 기술에 가까웠다. 다양한 매체에서 전기차에 대한 불안감, 그리고 충전과 같은 EV 관련 인프라의 부족에 대한 내용을 주로 다루고 있었으며, 결과적으로 EV 시대로의 전환에 대해 대부분의 사람들이 신중한 모습을 보여왔다.

그러나 최근 EV 기술의 발전은 하루가 다르게 매우 빠른 속도로 발전하고 있으며, 글로벌 자동차 회사들 또한 EV 시장 진출을 위한 투자를 아끼지 않고 있다. 결국 얼마나 빠르게 시장에 진입하고, 또 급격한 변화의 한 가운데 있는 EV 기술의 변화를 얼마나 빠르고 효율적으로 적용할 수 있느냐가 성공의 관건이 될 것이다.

예를 들어, 현대자동차는 2030년까지 전기차 라인업을 총 17개(현대자동차 11종, 제네시스 6개) 이상의 차종으로 구축할 계획이며, 판매 187만대, 점유율 7%를 바탕으로 영업이익률 10% 이상의 수익성을 확보하겠다고 밝혔다.

GM(General Motors)은 캐딜락 브랜드의 모든 차량을 2030년까지 모두 전동화하겠다고 발표했으며, 혼다는 2022년 이후 유럽 시장을 대상으로 EV와 하이브리드 차량만 판매할 것이며, 내연기관 차량을 단계적으로 줄여 나가 2040년에는 완전히 단종시킬 것이라고 밝혔다. 또한 올해 초 개최된 CES 2022에서도 곧 출시될 EV에 대한 중요한 발표와 관련 행사가 연일 이어졌다.

글로벌 자동차 회사들이 이렇게 EV를 향한 강력한 전략적 움직임은 새로운 기술 혁신을 앞당기기 위해 막대한 투자를 이끌어 내고 있으며, 이는 바로 시장의 변화로 이어지고 있다. 하지만, 새로운 EV 기술을 발전시키고, 제품 개발과 출시 일정을 앞당기면서 품질을 극대화하기 위해서는 또 다른 요인이 필요하다.

수많은 과정 거쳐 이뤄지는 배터리 테스트

전기차의 핵심은 바로 모터와 배터리다. 특히 배터리는 기존 자동차에서 화석연료가 차지하는 것 이상의 비중을 차지한다. 전기차 가격 중 단일 부품 기준으로 가격과 무게 비중이 가장 크며, 전기차 충전의 소요 시간을 고려하면, 이동 거리의 한계가 바로 배터리로 인해 정해지기 때문이다.

이처럼 배터리가 전기차의 성능에 직접적인 영향을 줄 뿐 아니라, 차량의 안전성에까지 문제가 될 수 있기에, 자동차 업체들은 배터리의 검사 과정에 더욱 많은 시간과 노력을 할애하고 있다. 배터리는 이런 중요성과 다양한 환경에서 다양한 항목에 대한 검사가 이뤄져야 하기 때문에 제조업체에게 큰 부담이 되고 있다.

전기차 업체는 배터리 테스트를 위한 대규모 워크인 챔버를 구성해 요량, 피크 전력, 열 폭주, 과충전, 온도 특성, 보호 시스템, 고전압, 압력 붕괴, 불균형 전하, 단락 등과 같은 수십가지 변수를 다양한 온도 범위에서 테스트해야 한다. 여기에 IEC 62660, SAE J2464 등 국가별로 상이한 표준 규정의 준수 여부까지 테스트 해야 한다. 문제는 이런 테스트 항목이 워낙 많다보니, 이 항목을 관리하는 것 자체가 문제가 된다.

EV 제조업체들은 테스트 셀 복합체(Complex Test Cell)와 멀티셀 랩(Multi-cell Lab)사이에서 고민에 빠져 있다. EV 제조업체의 주요 관심사 중 하나는 배터리 팩과 모듈에 대한 메가와트 수준의 전력, 서로 다른 테스트를 실행하는 여러 개의 배터리들, 높은 채널 카운트, 테스트 셀 제어, 테스트 설비로부터 얻어진 결과 데이터, 그리고 테스트 실행 조정(때로는 6개월 이상의 장기 테스트가 진행되기도 한다)을 관리하고 확장해 나가는 것이다. 이런 상황에서 엔지니어는 다음과 같은 질문에 직면하고 있다.

- 단일 테스트 셀에서 대규모 다중 사이트의 복잡한 테스트 환경으로 확장하려면 어떻게 해야 하는가?

- 분석이나 의사 결정을 위한 테스트 결과 추적성 수준이 적절한가?

- 수 년 후 다시 실행할 수 있는 수준으로 테스트를 반복할 수 있는가?

- 테스트 셀을 새 배터리 또는 더 많은 배터리로 효율적으로 재설정할 수 있는가?

- 최대한 효율적으로 테스트를 진행하고 있는 것인가? 아니면 기존의 기술과 프로세스에 발목을 잡혀 있는 것은 아닌가?

이런 문제에 대해 기업과 엔지니어가 어떻게 접근하는가에 따라 연구, 검증, 생산 기간을 단축함으로써 제품 출시를 앞당기고 시장 점유율을 향상시킴으로써, 경쟁의 승패가 결정될 수 있다. 하지만 안타깝게도 많은 기업들은 기존의 박스형 계측 장비를 배터리 셀에서부터 배터리 팩에 이르는 전 공정에 적용함으로써 작업 속도와 신뢰성이라는 측면에서 높은 비효율성이라는 문제에 봉착해 있다.

배터리 테스트 위한 소프트웨어 기반 단일 플랫폼

NI는 이런 EV 시장과 제조업체의 상황을 이해하고, 관련 업체들이 보다 쉽고 빠르게 EV 시장으로 진입할 수 있도록 돕기 위해 기존의 다분화된 배터리 테스트 단계를 유연하고 확장 가능한 단일 플랫폼으로 구축하는 방법을 제시하고 있다.

일반적인 배터리 랩 설정은 개별적으로 운용되는 다양한 장비들로 구성된다. 예를 들면 사이클러로 배터리를 충전하고 방전시키는 간단한 작업에서부터, 환경 챔버의 내부 조건, 시험 절차, 데이터 수집, 측정과 BMS(Battery Management System)과의 통신의 동기화는 테스트의 성공을 위한 필수조건이다.

[그림 4]와 같은 NI의 BTS(Battery Test System)는 커스터마이징과 자동화가 가능한 측정기기 랙과 소프트웨어로 구성돼 있다. NI 시스템링크(NI SystemLink)와 NI BTS 소프트웨어, 데이터 분석 툴이 동시에 구동됨에 따라, 전체 배터리 테스트 과정에서 테스트 결과에 대한 검증이나 테스트의 반복 수행 등에 있어 보다 향상된 관리 기능을 제공할 수 있다.

또한 배터리 사이클러에서부터 측정기기에 이르는 전 과정에서 NI의 소프트웨어가 결함이 치명적인 문제로 발전하기 전에 확인할 수 있도록 돕기 때문에 결과적으로 제품 디자인 품질은 물론이고 안전과 전체적인 품질까지 보장할 수 있다.

NI는 최근 EV 시장과 제조업체들이 요구하는 주요 솔루션 중 하나인 전력 레벨 테스트 포트폴리오 확장을 위해 NHR(NH Research)를 인수하고, 이를 통해 배터리 테스트, 배터리 에뮬레이션, 그리드 시뮬레이터, AC/DC 부하와 소스 기능까지 솔루션 범위를 확장했다. NHR의 전력 테스트 장비는 성능, 모듈화, 안전성, 유연성, 그리고 확장성을 통해 앞에서 언급했던 대부분의 문제를 해결할 수 있을 것이다.

NI는 이미 테스트의 자동화와 커스터마이징, 데이터 분석 등을 위한 소프트웨어와 기능을 제공하는 측정기기를 제공하고 있지만, 이번 NHR과의 통합을 통해 더욱 영역을 넓혀, 다음과 같은 분야에서 배터리와 배터리 관련 시스템을 테스트하는데 필요한 소프트웨어 커넥티드 툴체인이 적용된 전력전자 기기를 제공할 수 있게 됐다.

NI의 유연한 소프트웨어 기반 EV 테스트 플랫폼과 NHR의 전문화된 전력변환, 전기화 테스트 시스템에 대한 기술을 결합함으로써, 변화하는 테스트 요구에 신속하게 대응하면서 품질을 유지할 수 있으며, 엔지니어에게는 주어진 테스트 과제를 극복할 수 있는 역량을 제공할 수 있다.

NI는 EV 제조업체들이 제품의 개발과 검증을 효율적으로 진행하고 더 빠르게 시장에 제품을 출시할 수 있도록 진입 시간을 최소화할 수 있도록 돕는 것을 목표로 하고 있다.

NI 또한 장기적으로 EV 시장의 성장을 믿고 있으며, EV 시장의 성장에 도움이 될 수 있도록 자동차 제조업체들과 마찬가지로 지속적인 투자를 아끼지 않고 있다.