[테크월드뉴스=텍사스 인스트루먼트] 전기자동차의 핵심은 배터리다. 많은 자동차 제조업체들과 배터리 제조업체들은 배터리의 혁신을 통해 성능 향상 혹은 원가 절감을 꾀하고 있다.
최근 전기차 산업에서는 리튬인산철 배터리를 사용하기 시작했다. 리튬인산철 배터리는 작업성이 좋고 저렴하지만 전압 강하 측정이 쉽지 않다는 단점이 있다. 이러한 상황에서 TI의 배터리 관리 시스템(BMS)은 효율적인 솔루션이 될 수 있다.
BMS는 각 셀의 전압, 전류, 온도를 감지하는 모니터링을 제공하여, 자동차 업체들과 배터리 제조업체들이 이를 통해 다양한 실험을 시도하는데 도움을 주고 있다.
배터리 관리 시스템(BMS)
텍사스 인스투르먼트(이하 TI)는 배터리 관리 시스템을 지속적으로 혁신해 자동차 제조업체들이 더 안전하고 합리적인 가격의 전기차를 구현하는 BMS 아키텍처를 설계 및 지원하고 있다. BMS는 주행 거리, 안정성, 성능, 신뢰성, 비용 등 내연기관차에서 전기차로의 전환을 가로막는 주요 요인을 해결하는데 도움을 주고 있다.
샘 웡 TI 전기차 배터리 모니터링 제품 개발팀장은 “반도체 기술은 내연기관차보다 전기차에서 훨씬 더 많은 부분을 차지한다”며 “TI칩은 배터리 팩의 일부에 해당하는 비용 만으로도 엄청난 이점을 가져올 수 있다”고 말했다.
블룸버그NEF(New Energy Finance) 보고서에 따르면, 글로벌 승용차 시장 점유율에서 전기차의 비중은 5% 정도라고 한다. 그러나 대부분의 자동차 제조업체들이 앞으로 5~10년 내에 전기차 라인업으로 전환할 예정이다. 자동차 제조업체들이 ESG 경영을 약속하면서 전기차의 시장 점유율은 빠르게 증가하고 있다.
배터리 기술의 발전은 전기차 소비자들에게 핵심적인 요소다. TI는 엔지니어가 다양한 전기차 배터리 화학소재와 구성을 다룰 수 있도록 지원해 차량 혁신을 주도하고 있다. 이러한 발전은 이미 기존 및 최첨단 배터리 기술에 녹아들어 전기차의 가격, 성능 및 신뢰성을 개선해 나가고 있다.
밀리볼트 단위의 정확도로 주행거리 연장
새로운 배터리 화학 소재로부터 이러한 혁신이 시작된다. 대부분의 전기차는 공급량이 부족한 희토류 금속인 코발트에 의존하는 리튬 이온 배터리를 장착하고 있다. 그러나 최근 전기차 산업에서는 코발트를 대체할 배터리 화학 소재인 리튬인산철을 사용하기 시작했다. 리튬인산철은 코발트에 비해 원자재가 수급이 원활하며 가격도 저렴하다. 또 가공성까지 좋아 리튬 이온 배터리의 효율적인 대안이 될 수 있다.
리튬인산철은 저렴한 가격과 공급량에 힘입어 지속 가능한 선택지가 될 수 있지만, 단점도 존재한다. 전기차는 잔여 배터리 용량과 앞으로 주행 가능한 거리를 파악하기 위해 배터리 전압 강하를 측정해야 하는데, 방전되면서 전압이 계속해서 떨어지는 코발트 기반 배터리와 달리 리튬인산철 배터리는 곧 완전 방전될 상황에서도 전압 강하가 미미하기 때문에 배터리 전압 예측이 어렵다.
마크 응 TI BMS 시스템 매니저는 “리튬인산철 배터리는 방전 속도가 일정하기 때문에 최신 반도체 기술에서 구현할 수 있는 최대한의 전압 측정 정확도를 필요로 한다”고 말했다.
기존의 BMS 장치는 배터리 전압을 5mV 수준의 정확도까지 측정했지만, 리튬인산철 배터리는 주행 가능 거리에서 25%까지 오차가 발생할 수 있다. 리튬인산철 배터리를 사용하는 차량은 고속도로 한가운데서 배터리가 방전되어 운전자가 놀라는 상황을 방지하기 위해 실제 주행 가능한 거리보다 25% 짧은 수준으로 표기되는 경우가 많다.
바로 이 부분에서 TI의 기술이 적용될 수 있다. 자동차 제조업체들은 TI의 고정밀 배터리 모니터를 활용하여 더 정확한 주행 거리를 안내할 수 있다.
마크 응 매니저는 “차량에 TI 칩을 적용하면 실제로 250㎞가 남은 상황에서 200㎞가 남았다고 알려주는 대신 비교적 더 정확한 수치인 230㎞가 남았다고 알려줄 것”이라며 “동일한 배터리의 동일한 충전량으로 30㎞ 정도 확장된 주행 거리를 제공하는 것”이라고 설명했다.
이렇게 확장된 주행 거리는 리튬인산철 배터리의 실현 가능성을 충분히 뒷받침해준다. 자동차 제조업체들은 새로운 화학 소재로 전환할 수 있다는 확실을 가지고 보다 지속 가능하며 합리적인 가격의 전기차를 생산할 수 있다.
배터리 셀 밸런싱
차량의 배터리 팩에 들어가는 약 200개의 셀 각각의 안전성과 내구성을 위한 정확한 모니터링도 중요하다. 한 셀이 다른 셀보다 빠르게 방전되면, 나머지 팩에 전력이 남아 있어도 셀이 방전될 수 있다. 셀을 방전 직전까지 방치하면 셀이 영구 손상되어 전하를 유지할 수 없는데, 이로 인해 셀 전체를 영구적으로 사용하지 못하게 될 수도 있다. 충전 중에 특정 셀이 다른 셀보다 빠르게 용량에 도달하는 경우에도 셀이 과충전될 위험이 있으며, 과열로 인한 위험한 상황이 초래될 가능성도 존재한다.
TI의 배터리 모니터는 정확도가 높아 셀이 과방전 또는 과충전될 위험을 조기에 감지하고 셀을 분리해 과방전 및 과충전을 방지한다. 또, 전체 팩이 주행 및 충전 중에 균형을 유지할 수 있도록 하며 배터리 온도 상승도 함께 모니터링한다.
샘 웡 매니저는 “BMS는 각 셀의 전압, 전류, 온도를 감지하는 정교한 모니터링 네트워크를 제공한다. 이를 통해 시스템에서 배터리를 차단하거나 시스템에 유입 및 배출되는 전류를 조절할 수 있다”고 설명했다.
BMS는 두 개의 독립적인 센서를 통해 전압을 측정하고 불일치하는 경우 시스템에 플래그를 지정한 방식으로 이중화를 제공한다.
시스템에서 배터리를 차단하는 작업조차도 그에 따른 해결 방안이 있다. 더 높은 배터리 전압 스택 업, 더 빠른 충전에 대한 요구 사항, 더 강력한 트랙션 모터는 모두 차세대 전기차의 전력 분배, 견고성, 안정성 측면에서 시스템 분리 작업에 문제를 야기한다.
혁신을 위한 유연성
제조업체들이 새로운 배터리 화학 소재, 더 강력한 팩, 개별 셀의 다양한 구성을 도입하는 가운데 그 중 상당수는 각각 다양한 조합을 활용하여 전기차 제품 라인을 출시하고 있다.
TI의 포트폴리오는 동일 패키지에서 다중 채널 옵션, 핀 대 핀 호환성 및 기존 소프트웨어의 완전한 재사용이 가능하도록 한다. TI 포트폴리오의 핵심은 배터리 화학 또는 구성 제조업체들이 채택하는 거의 모든 배터리 화학 물질과 구성에 활용이 가능하며, 이를 통해 R&D 비용과 시간을 절약할 수 있다는 것이다.
마크 응 매니저는 “여러 화학 소재와 구성을 다루는 제조업체의 경우 동일 제품군에 다양한 배터리 모니터링 디바이스 옵션을 제공하는 것이 가장 중요하다”며 “이를 통해 플랫폼 간 확장성을 제공하여 전기차의 비용은 낮추고 출시 기간은 앞당길 수 있다”고 밝혔다.
BMS는 더욱 많은 혁신이 일어날 것이다. TI은 전압 측정 정확도의 한계를 뛰어넘어 각 칩에 더 많은 제어 기능을 통합하여 자동차 제조업체들이 잠재력을 최대한으로 발휘할 수 있도록 돕고 있으며, 새로운 유형의 배터리에 최적화된 BMS 솔루션을 활발하게 연구하고 있다. 샘 웡 매니저는 “업계에서 검토중인 다른 배터리 화학 소재가 수백가지 이른다. TI의 BMS 제품은 그중 어떤 화학 소재든 최대한으로 활용할 수 있는 유연성을 제공하는 것이 목표”라고 밝혔다.
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