[Tech Report] 로터스 자동차의 고성능 EV에 탑재된 ADI의 무선BMS

[테크월드뉴스=장민주 기자] 전 세계적으로 자동차 업계에서는 전기차(EV)가 앞으로 나아가야 할 방향으로 받아들이고 있으며, 갈수록 더 많은 신차 모델이 ‘전동화’로 전환하고 있다. 고성능 차량 회사들도 이 대열에 합류하면서 전동화를 서두르고 있다.

EV 기술은 더 빠르게 가속하고 높은 마력이 가능하다. 또 전기 모터는 최소한의 회전 부품만을 포함해 신뢰성이 높고 유지보수가 거의 불필요하며 트랙션과 안정성 제어가 매우 정밀하다. 마찰이나 발열도 더 적어 효율이 높고 냉각 요건도 줄일 수 있다. 이처럼 많은 장점들 가운데, 딱 한 가지 예외가 존재한다. 바로 배터리 무게다.

이 문제를 극복하기 위해 아나로그디바이스(ADI)는 배터리 하네스와 케이블링을 제거함으로써 EV 배터리의 무게를 줄이고 신뢰성을 높이는 혁신 기술 무선 배터리 관리 시스템(wBMS)을 개발했다.

고성능 차량으로 명성을 쌓아온 로터스 자동차(Lotus Cars)는 차량 경량화와 완전 전동화를 실현하기 위해 향후 5년 안에 출시 예정인 자사의 양산 EV 차량에 ADI의 wBMS를 채택했다. ADI와 로터스는 EV 업계의 게임 체인저가 될 만한 기술로서, 초경량 파워트레인 아키텍처용 무선 배터리 관리 시스템(wBMS)을 함께 개발했다.

이로써 자동차 설계 유연성, 확장성, 정비 용이성을 높였다. 향후 로터스의 EV 가속화를 뒷받침하기 위해 개발된 이 엔지니어링 혁신은 지속가능성을 높이고 더 건강한 지구 환경을 만드는 데 기여할 것이다.

“형태는 기능을 따른다(form through function)”라고 하는 한 사람의 철학으로부터 탄생한 로터스 자동차는 차세대 운전자들에게 영감을 주는 경이로운 엔지니어링 진보를 이뤄왔다. 또 한 번의 커다란 진보로서 지속가능한 완전 전기차의 미래로 나아가기 위해서 노력하고 있다.

로터스는 자사의 EV 양산 차량에 사용하기 위한 새로운 경량 파워트레인 아키텍처로서 무선 BMS를 세계 최초로 채택했다. 일체의 하드웨어, 소프트웨어, 보안 솔루션을 포함하는 wBMS를 사용하면 수리와 유지관리의 용이성을 극대화한다, 뿐만 아니라 배터리 수명을 연장과 자동차의 가치를 높인다.

로터스의 전기차 제품 라인에 유연하고 확장성 뛰어난 wBMS를 통합함으로써, 무게와 복잡성을 낮추고 배터리 밀도와 정비 용이성을 높인다.

wBMS: 완전 통합 시스템

ADI의 wBMS는 40개의 하드웨어 부품으로 이루어졌다. 이 포괄적 시스템은 턴키 소프트웨어, 극히 견고하고 보안이 강화된 네트워크, 배터리 셀 모니터링 소프트웨어 일체를 포함한다.

이 시스템에 채택된 부품 중 ADBMS6815는 배터리 셀과 팩의 충전 상태(SOC)를 정확하게 측정한다. LT8618은 전원 관리를 위한 소형의 고속 고효율 동기식 모놀리식 스텝다운 스위칭 레귤레이터다. ADRF8800은 견고하고 신뢰할 수 있는 무선 커넥티비티를 제공한다.

신속한 평가

ADI 오토모티브 테크놀로지 그룹의 셰인 오마호니(Shane O’Mahony) 제품 마케팅 엔지니어는 “wBMS의 무선 네트워크를 얼마나 빠르게 실행하고 테스트할 수 있는가? 고객들이 가장 먼저 묻는 질문이다. 만약 이 시간이 몇개월씩 걸린다면 고객들은 그 솔루션을 사용하지 않을 것이다. 우리는 바로 이 걸림돌을 제거했다”고 말했다.

ADI의 wBMS 평가 키트는 고객이 포장 상자에서 제품을 꺼내자마자 곧바로 시스템을 실행하고 테스트할 수 있다. 이 평가 키트는 여러 개의 보드, 소프트웨어, 사이버 보안을 포함하는 포괄적인 wBMS 시스템을 제공한다. 셰인 오마호니는 “여러 회사 부품을 사용해서 개발하려고 한다면 프로토타입을 설계하고 가동하기까지 수개월이 걸릴 것”이라고 말했다.

로터스의 경량화, 정비 용이성, 유연성 요구

로터스는 도로 위와 레이싱 경기장 안에서 혁신을 선도해 왔으며 ADI의 혁신적인 wBMS 기술을 도입함으로써 계속해서 고성능 차량을 선도하면서 전기차로의 전환을 가속화하고 있다.

전 세계가 팬데믹 상황에 놓인 2020년에 로터스는 자사의 양산 EV 차ㄴ량 개발과 관련해 ADI 엔지니어들에게 연락했다. 로터스는 자사의 새로운 경량 퍼포먼스 차량에 ADI의 무선 배터리 관리 시스템을 도입하기를 원했다. 퍼포먼스 자동차 분야를 선도하는 이 회사로부터 ADI가 부여받은 임무는 경량 wBMS를 제공하는 것뿐 아니라 수리와 유연성 요건에 부합하도록 매끄럽게 통합될 수 있어야 한다는 것이었다.

로터스의 경량 EV 파워트레인 아키텍처와 ADI의 wBMS를 가지고 어떻게 설계를 간소화하고 복잡성을 줄이고 무게를 좀더 줄일 수 있을지 논의를 이어갔다.

wBMS는 자동차 업계의 진정한 게임 체인저로서, 표준 유선 BMS에서 필수인 배터리 하네스와 다수의 배선, 커넥터를 제거할 수 있게 해준다. ADI의 무선 BMS는 배터리 팩 배선을 90%까지 줄이고 체적을 15%까지 줄인다.

배선을 제거함으로써 자동차 무게와 원자재 비용을 줄이고 부가적인 이점으로서 배터리 안전, 신뢰성, 정비 용이성을 높인다. 로저 킨 총괄 매니저는 “wBMS 덕분에 배선 하네스를 제거함으로써 무게를 경량화하면서 성능을 극대화하는 솔루션을 사용해서 로터스의 브랜드 명성에 걸맞은 뛰어난 성능을 제공하게 됐다”고 말했다.

양사의 협력

ADI의 기술 전문가들은 로터스의 설계 엔지니어들과 협력해서 LEVA(Lightweight Electric Vehicle Architecture)라고 하는 로터스의 새로운 파워트레인 아키텍처에 wBMS를 통합했다.

로터스의 추진과 섀시 엔지니어링을 총괄하는 리처드 라이블리(Richard Lively) 디렉터는 “ADI와 우리 회사의 새로운 LEVA 파워트레인 아키텍처에 wBMS를 통합했다”며, “앞으로 로터스의 모든 EV 차량이 LEVA 아키텍처를 기반으로 할 것이다”이라고 말했다.

이어 “wBMS 덕분에 베선 하네스를 제거함으로써 무게를 경량화하고 성능 역시 극대화했다”며, “로터스의 명성에 걸맞은 뛰어난 핸들링으로 강력한 성능의 퍼포먼스 차량을 제공할 수 있다”고 밝혔다.

성공적인 디자인을 달성하기 위해서는 설계 유연성이 중요하다. ADI는 로터스의 바로 이러한 요구를 충족한다. wBMS는 배터리 설계와 제조 공정을 단순화하고, 배터리 팩 어셈블리를 용이하게 한다. wBMS의 무선 특성은 로터스가 향후 자사의 다양한 EV 차량 모델들에 설계를 쉽게 재사용할 수 있다.

유연성이 뛰어난 LEVA 아키텍처

로터스의 LEVA 파워트레인 아키텍처는 미드 엔진 퍼포먼스 차량용으로 설계했다. 운전자는 콘솔과 운전대 바로 뒤에 앉는다. 그 외의 모든 것은 운전자 뒤에 위치한다. 차량 무게의 대부분이 4개 차축 중앙에 자리잡고 있어서 무게를 분산시키고 안정성과 핸들링을 향상시킨다. 이 설계의 또 다른 장점은 안전성을 강화하고 마모를 줄인다는 것이다. 로터스는 자사의 향후 양산 모델들에 유연한 LEVA 아키텍처를 적용할 계획이다.

경량화가 경쟁 우위

엔지니어링 혁신을 통해 로터스는 차량의 무게를 줄이고 뛰어난 성능을 달성했다. 차량의 경량화는 운전 경험을 향상시키는 데 매우 효과적인 수단을 제공한다. 셰인 오마호니는 마케팅 엔지니어는 “로터스가 ADI와 협력하면서 가장 중점을 두었던 것은 배선를 제거하고 무게를 줄이면서도 최상의 BMS 성능을 달성하는 것이었다”고 말했다.

배터리 팩의 배선 하네스를 제거하고 배선과 커넥터를 제거하면 전기차의 무게를 줄일 수 있고, 배터리 팩의 신뢰성 또한 높일 수 있다. 케이블과 커넥터는 고장이 주로 발생하는 지점들이기 때문이다. 또 배선 하네스를 제거함으로써 얻을 수 있는 부가적인 이점 중에는 설계 유연성이 높아지고 확장이 용이하다는 점도 있다.

설계 유연성

차량이 최고의 성능을 달성하도록 전체 아키텍처를 최적화했다면 그 다음에는 배터리 팩을 어떻게 설계할 것인가를 고민해야 한다.

엔지니어가 공기역학적 형태로 세련된 디자인의 EV를 설계하고자 한다면, 배터리 재구성에 있어서 유연성은 매우 중요하다. wBMS는 범용성, 확장성, 최적화를 용이하게 할 뿐만 아니라, 배선 하네스를 제거함으로써 생기는 여유 공간에 더 많은 배터리를 채울 수 있게 해준다. 배터리 팩에 더 많은 배터리를 포함할 수 있다면 필요한 상황에서 출력을 높이고 자동차 주행 거리를 늘릴 수 있다.

로저 킨 총괄 매니저는 “이전까지 배터리 하네스의 제약 안에서 설계해야 했던 것과 달리, 이제 로터스 엔지니어들은 자신들이 구상하는 디자인을 자유롭게 설계할 수 있다”고 말했다.

모니터링·보안은 높이고, 복잡성은 낮추고

배터리 팩 내 수백 개의 셀들 각각에 양극(+) 단자와 음극(-) 단자에 배선을 연결하려면 작업이 엄청나게 복잡하다. 따라서 유선 배터리 관리 시스템은 제한적인 셀 배선만을 사용할 수밖에 없으며 각 셀을 모니터링하는 것은 거의 불가능하다.

셀 각각의 노후 상태(SOH)를 측정할 수 없으므로 단지 전체적인 배터리 충전 상태를 확인해서 유추할 수 있을 뿐이다. 특정 셀에 대해 전하량이 감소하거나 불량 상태가 되는 것을 감지하지는 못한다.

무선 BMS는 배터리 셀들이 무선 신호를 전송하므로, 이 데이터를 클라우드로 보안적으로 전송하고 저장할 수 있다. 따라서 로터스 기사나 정비소의 정비사는 배터리 팩 내의 각 셀의 충전 상태와 노후 상태를 비롯한 모든 정보를 랩톱PC 상에서 확인할 수 있다.

또 자동차 제조사는 배터리 소프트웨어를 쉽고 빠르게 업그레이드할 수 있다. 그러므로 wBMS는 복잡성을 높이지 않으면서 모니터링과 보안을 향상시킨다.

사람의 손길 불필요

기존의 유선 BMS는 사람이 배선과 커넥터를 일일이 수작업으로 연결해야 했기 때문에 배터리 모듈들 사이에 여유 공간이 필요했다. 무선 BMS 모듈은 2개 단자만 연결하는 만큼 모듈들을 좀더 빽빽하게 탑재할 수 있어 배터리 팩의 밀도를 높이고 폼 팩터를 줄일 수 있다. 또 정교한 로봇 장비를 사용해서 단자들을 손쉽게 연결한다.

어셈블리 공정에 로봇을 활용해 배터리 팩을 더 촘촘하게 탑재할 수 있다. 또 배터리를 재사용할 경우 로봇을 통해 배터리 분해와 재조립 작업을 더 빠르고 안전하게 할 수 있어 EV 제조사들은 시간과 비용을 절약할 수 있다.

정비 용이성: 배터리 재활용이 아닌 재사용으로

배터리 팩은 몇 년 동안 사용한 후 용량이 감소해 더 이상 EV용으로는 부적합하게 되면 전력망의 에너지 저장 시스템 같은 또 다른 용도로 재사용할 수 있다. 이를 ‘세컨드 라이프 애플리케이션’이라고 한다. 이처럼 EV에서 퇴출되는 배터리는 태양광이나 풍력 발전의 에너지 잉여분을 저장하는 용도로 재사용함으로써 지속가능한 미래 실현에 일조할 수 있다.

리차드 라이블리 로터스 섀시 엔지니어링 총괄 디렉터는 “하나의 셀 혹은 일련의 셀들이 용량이 감소할 때마다 전체 배터리 팩을 교체해야 한다면 이는 결코 지속가능한 비지니스 모델이 아니다’라며 “ADI의 wBMS는 우리 회사의 정비 용이성 요구를 충족하는 쉽고 빠르며 비용적으로도 경제적인 솔루션을 제공한다”고 말했다.

wBMS는 더 쉽고 빠른 정비가 가능하게 해준다. 배터리 모듈에 2개 단자(양극과 음극)만 연결하면 되고 소프트웨어도 OTA(over-the-air) 방식으로 빠르고 편리하게 업데이트할 수 있다. 셀 컨트롤러가 배터리 모듈과 함께 수명을 같이 하고 정비 작업을 할 때에도 단일 유닛으로 취급하기 때문에 이 점은 정비를 간편하게 한다.

사실 정비라는 사업 모델은 전혀 새로운 것이 아니다. 오늘날에는 가전기기부터 치아 복원에 이르기까지 거의 모든 산업 분야에서 정비가 중요한 요소로 자리잡고 있다. EV 배터리 정비 역시 정비소, 부품 판매처, 자동차 제조사들에게 귀중한 사업 기회를 창출한다. 이는 지속가능한 환경에 기여한다.

셰인 오마호니 마케팅 엔지니어는 “어떤 BMS 경쟁사도 ADI만큼 편리하게 배터리를 정비할 수 있게 하지 못한다. 이 같은 정비 용이성은 로터스를 다른 EV 제조사들과 차별화하고 6톤에 달하는 탄소 배출을 줄이도록 함으로써 환경 보호에 기여할 것이다. 무엇보다 중요한 점으로서, 로터스 차를 구매한 소비자들은 수십 년에 걸쳐서 최상의 운전 경험을 즐길 수 있게 할 것”이라고 말했다.

지속가능한 미래

소비자들의 환경에 대한 인식이 높아지고 있다. 이러한 추세에 발맞춰서 제품 수명을 늘리고 우수한 성능을 달성하기 위해 ADI와 로터스는 경량화, 정비 용이성, 지속가능성에 중점을 두고 협력했다.

양사가 함께 엔지니어링 혁신을 이룸으로써 시스템 풋프린트를 줄이고, 케이블을 제거해 배터리 팩 체적을 줄이고, 설계 유연성을 높이고, 배터리 팩을 손쉽게 확장하고, 빠르고 안전하게 조립하고 해체할 수 있다. 이는 자동차 업계가 새로운 사업 기회들을 창출할 수 있게 해 줌으로써 청정하고 건강한 지구 환경을 만드는 데에도 기여할 것이다.

과감한 혁신과 사고의 전환으로 로터스는 혁신을 향해 크게 한 발 더 내딛고, 자사 역사에서 흥미로운 새 장을 열었다.