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(배터리 관리 시스템 --> 배터리관리시스템) |
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| − | ''' | + | '''배터리관리시스템'''(BMS<!--bms-->; Battery Management System<!--battery management system-->)은 [[배터리]]를 최적으로 관리하여 에너지 효율을 높이고 수명을 연장하기 위한 시스템이다. 이를 통해 배터리의 전압, 전류뿐만 아니라 온도를 실시간으로 모니터링하여 과도한 충전 또는 방전을 미연에 방지하고 배터리의 안전성과 신뢰성을 높일 수 있다. 영어 약자로 '''BMS'''(비엠에스)라고 한다. 배터리관리시스템은 [[전기자동차]] 분야에 적용되며 주행거리 증가를 위한 핵심 요소로서 그 중요성이 점점 높아지고 있다. |
==개요== | ==개요== | ||
| − | + | 배터리관리시스템은 빠르게 성장하고 있는 전기자동차 산업에 적용되며 그 중요성이 점점 높아지고 있다. 전기자동차 이용에 있어서 가장 중요하다고 평가받는 주행거리 증가를 위한 핵심 요소이기 때문이다. 전기자동차에서 배터리는 모터를 구동하기 위한 에너지를 공급하는 핵심 부품으로 성능에 영향을 주는 요소들이 많다. 배터리 종류별 충전방식, 방전율, 온도 등으로 인하여 내부저항에 변화를 가져와 배터리의 성능과 수명에 영향을 미치기 때문이다. 따라서 전기자동차 배터리의 성능과 수명을 향상시키기 위해서는 체계적으로 배터리의 충전, 방전, 상태를 모니터링하고 관리하기 위한 시스템이 필요하다.<ref name="송근수">덕산공조연구소 송근수 책임연구원, 〈[http://www3.konetic.or.kr/include/EUN_download.asp?str=WEBZINE.dbo.TBL_REPORT&str2=1817&str3=view 전기자동차의 배터리 관리 시스템 기술 동향]〉, 《Konetic Report》, 2016-12-02</ref> 배터리관리시스템은 구동 시스템에서 필요로 하는 전력을 공급하는 [[2차전지]]의 안전성과 신뢰를 보증하는 역할을 한다. 배터리관리시스템을 통해 전기자동차 배터리 제어의 최적화를 이뤄냄으로써 주행거리 향상과 안전성을 확보할 수 있다. | |
| − | + | 배터리관리시스템의 기능은 크게 1) 열관리 제어 기술과 2) 배터리 충전상태 제어기술로 나뉜다. 열관리 제어 기술은 열에 약한 배터리를 균등 냉각하여 항상 균일한 성능을 나타낼 수 있도록 하는 기술로서, 시스템의 전압, 전류 및 온도를 모니터링하여 최적의 상태로 유지 관리하며 시스템의 안전한 운영을 위한 경보 및 사전 안전예방 조치를 취할 수 있다. 또한 배터리의 과충전 및 과방전을 억제하여 셀 간의 전압을 균일하게 제어함으로써 에너지 효율 및 배터리의 수명이 연장된다. 경보 관련 이력 상태의 저장과 외부 진단시스템 혹은 모니터링 PC를 통한 [[데이터]]의 보전 및 시스템 진단이 가능하다. 배터리 충전상태(SOC; State Of Charge) 제어기술은 배터리의 각 상태를 판단하여 최적 효율 지점에서 작동하도록 하는 기술이다. 충전상태를 제어하는 기술은 모든 셀을 항상 균등한 충전상태로 유지시켜주는 셀 밸런스를 통해 실현하고 있다. 더욱이 배터리관리시스템은 각종 변화 요소들을 종합 분석하여 남은 주행 가능 거리를 예측하고 그 정보를 상위의 차량 전자제어장치(ECU; Electronic Control Unit)에 제공한다. 차량 내 통신은 일반적으로 ISO 표준 네트워크인 CAN(Controller Area Network)을 활용하는데, CAN이란 차량 내 차량 전자제어장치들 간의 데이터 공유를 통해 보쉬(Bosch)에 의해 개발된 통신 시스템이다. | |
| − | 한편 | + | 한편 배터리관리시스템은 전기자동차뿐만 아니라 [[에너지 저장시스템]](ESS; Energy Storage System)를 구성하는 핵심 요소 중 하나로써 사용된다. 전력가격의 차이를 이용한 충방전을 통해 경제적 이득을 얻을 수 있음은 물론이고, 최근에는 FR, 신재생 에너지의 버퍼, 부하 평준화 및 무정전 전원장치([[UPS]]; Uninterruptible Power Supply) 역할 등 다양한 분야로 그 용도를 확장시켜 나가고 있다. 작게는 수 kWh부터 크게는 수 MWh의 대용량 배터리를 제어해야 하기 때문에 그 중요성은 점차 증대되어 가고 있다. 때문에 배터리관리시스템을 어떻게 설계 및 구현하여 보장되는 동작 가능범위 내에서 배터리의 성능을 최대한 이끌어낼 것인가에 대한 기술적 이슈는 현재 진행형이며 이에 대한 학계 및 산업계에서의 다양한 연구가 활발히 이루어지고 있다.<ref name="최요환">최요환, 김홍석, 〈[https://www.cheric.org/PDF/PIC/PC18/PC18-5-0047.pdf 전기화학 모델을 활용한 배터리 관리 시스템 제어]〉, 《서강대학교 전자공학과》, 2015</ref> |
==등장배경== | ==등장배경== | ||
산업혁명 이후 화석연료 사용량의 급격한 증가로 인해 기후변화와 이산화탄소(CO2) 농도의 상승은 인류의 생존에 심각한 위협을 가하고 있으며, 그 정도 또한 매우 심각한 수준이다. 전 세계적으로 이산화탄소 배출량 증가에 따른 기후 변화에 대한 우려가 그 어느 때보다 높은 와중에, 지난 40만 년 동안 대기 중 이산화탄소 농도 변화를 분석한 결과, 최근 100여 년 동안 수직에 가깝게 치솟아 이산화탄소 농도가 400 피피엠(ppm)에 도달했다는 연구결과가 발표되기도 했다. 농도가 450 피피엠 도달하면 지구 온도가 산업혁명 전보다 2도 증가해서 동식물의 20~30%가 멸종 위기에 놓이게 되고, 빙하가 녹아 해수면이 상승하여 적도 부근 섬들이 잠기게 된다. 실제로 증가하는 속도가 멈추거나 조금도 느려지지 않고 지금과 같은 속도를 유지한다면 20년 내에 이러한 상태에 도달하게 된다. 국제에너지기구(IEA)의 2013년 보고서에 따르면, 운송분야에서의 이산화탄소 배출량은 연간 6.9 기가톤(Gton)으로 전 세계 배출량(31.2 기가톤)의 약 22%나 차지하고 있다. 때문에 내연기관을 기반으로 하는 것이 아닌, 새로운 동력원을 사용하는 이동수단 기술의 개발은 선택이 아닌 필수로 인식되고 있으며 그 결과로써 전기자동차가 출현하게 되었다.<ref name="최요환"></ref> | 산업혁명 이후 화석연료 사용량의 급격한 증가로 인해 기후변화와 이산화탄소(CO2) 농도의 상승은 인류의 생존에 심각한 위협을 가하고 있으며, 그 정도 또한 매우 심각한 수준이다. 전 세계적으로 이산화탄소 배출량 증가에 따른 기후 변화에 대한 우려가 그 어느 때보다 높은 와중에, 지난 40만 년 동안 대기 중 이산화탄소 농도 변화를 분석한 결과, 최근 100여 년 동안 수직에 가깝게 치솟아 이산화탄소 농도가 400 피피엠(ppm)에 도달했다는 연구결과가 발표되기도 했다. 농도가 450 피피엠 도달하면 지구 온도가 산업혁명 전보다 2도 증가해서 동식물의 20~30%가 멸종 위기에 놓이게 되고, 빙하가 녹아 해수면이 상승하여 적도 부근 섬들이 잠기게 된다. 실제로 증가하는 속도가 멈추거나 조금도 느려지지 않고 지금과 같은 속도를 유지한다면 20년 내에 이러한 상태에 도달하게 된다. 국제에너지기구(IEA)의 2013년 보고서에 따르면, 운송분야에서의 이산화탄소 배출량은 연간 6.9 기가톤(Gton)으로 전 세계 배출량(31.2 기가톤)의 약 22%나 차지하고 있다. 때문에 내연기관을 기반으로 하는 것이 아닌, 새로운 동력원을 사용하는 이동수단 기술의 개발은 선택이 아닌 필수로 인식되고 있으며 그 결과로써 전기자동차가 출현하게 되었다.<ref name="최요환"></ref> | ||
| − | 석유 에너지가 가장 많이 쓰이는 자동차 산업은 배기가스 배출량이 높고, 대기 오염 및 지구온난화의 가장 큰 원인으로 꼽히곤 한다. 따라서 국가적인 차원에서 자동차 배기가스 규제를 강화하고 있으며 이를 대처하기 위한 자동차 개발 연구에 힘쓰고 있다. 그중에 전기자동차는 환경오염의 주범인 이산화탄소와 배기가스 등 공해물질을 배출하지 않는 친환경적인 자동차이다. 각 국가에서도 대체 에너지와 함께 꾸준히 개발하기 위해 노력하고 있다. 전기자동차는 값싼 전기를 이용하고, 운행비용이 많이 절감되며, 윤활유 및 필터 등 소모품의 주기적인 교환이 없어 자동차 유지비가 절감된다. 또한 가솔린에 비해 저속에서의 출력 성능이 우수하고 소음과 진동이 적다. 하지만 아직 개선해야 할 부분들이 많다는 게 현실이다. 전기자동차의 경우, 1회 충전 거리가 짧고 충전 인프라가 없으면 장거리 주행이 불가능하여 근거리에서만 사용할 수 있다.<ref name="송근수"></ref> 전기 자동차의 핵심은 동력원으로 이용되는 대용량 배터리와 이를 관리하는 | + | 석유 에너지가 가장 많이 쓰이는 자동차 산업은 배기가스 배출량이 높고, 대기 오염 및 지구온난화의 가장 큰 원인으로 꼽히곤 한다. 따라서 국가적인 차원에서 자동차 배기가스 규제를 강화하고 있으며 이를 대처하기 위한 자동차 개발 연구에 힘쓰고 있다. 그중에 전기자동차는 환경오염의 주범인 이산화탄소와 배기가스 등 공해물질을 배출하지 않는 친환경적인 자동차이다. 각 국가에서도 대체 에너지와 함께 꾸준히 개발하기 위해 노력하고 있다. 전기자동차는 값싼 전기를 이용하고, 운행비용이 많이 절감되며, 윤활유 및 필터 등 소모품의 주기적인 교환이 없어 자동차 유지비가 절감된다. 또한 가솔린에 비해 저속에서의 출력 성능이 우수하고 소음과 진동이 적다. 하지만 아직 개선해야 할 부분들이 많다는 게 현실이다. 전기자동차의 경우, 1회 충전 거리가 짧고 충전 인프라가 없으면 장거리 주행이 불가능하여 근거리에서만 사용할 수 있다.<ref name="송근수"></ref> 전기 자동차의 핵심은 동력원으로 이용되는 대용량 배터리와 이를 관리하는 배터리관리시스템이다. 배터리는 비선형적 특성을 가진 내부의 화학적 작용을 통해 전기 에너지를 발생시키는 메커니즘을 가지고 있으며 100년이 넘게 검증되어온 내연기관의 성능 및 안정성과 비교했을 때 많이 뒤처지고 있다. 특히 비선형적 특성으로 인한 성능 및 안정성의 불확실성은 배터리를 보수적으로 디자인하게 만들고 이로 인한 경제적 손실을 발생시킨다.<ref name="최요환"></ref> 이에 따른 배터리관리시스템 연구가 더욱 필요한 상황이다. |
==적용 분야== | ==적용 분야== | ||
| − | 에너지 관리 시스템의 적용 분야로는 크게 자동차, 고정형(Stationary), 기타 분야로 구분할 수 있다. 자동차 분야는 전기자동차 등 친환경 자동차를 포함하고, 고정형 분야는 에너지 저장시스템과 텔레콤 시장으로 나뉜다. 마지막으로 기타 분야는 항공우주 및 방위장치, 휴대용 전자기기 등을 포함한다. 이 중 전기자동차와 에너지 저장시스템이 수천 개의 대용량 배터리와 연계한 고성능 | + | 에너지 관리 시스템의 적용 분야로는 크게 자동차, 고정형(Stationary), 기타 분야로 구분할 수 있다. 자동차 분야는 전기자동차 등 친환경 자동차를 포함하고, 고정형 분야는 에너지 저장시스템과 텔레콤 시장으로 나뉜다. 마지막으로 기타 분야는 항공우주 및 방위장치, 휴대용 전자기기 등을 포함한다. 이 중 전기자동차와 에너지 저장시스템이 수천 개의 대용량 배터리와 연계한 고성능 배터리관리시스템이 가장 많이 사용되는 분야이다. |
===전기자동차=== | ===전기자동차=== | ||
| − | 전기자동차의 주행거리 향상을 위해서는 고밀도, 고출력 배터리의 적용이 필요하다. 그러나 고밀도, 고출력 배터리는 일정 온도 이상으로 올라가면 폭발의 위험이 있다. 또한 배터리가 한계 전압을 넘었을 경우 배터리 시스템 수명에도 좋지 않은 영향을 끼친다. 이러한 사태를 예방하기 위해 배터리 관리장치인 | + | 전기자동차의 주행거리 향상을 위해서는 고밀도, 고출력 배터리의 적용이 필요하다. 그러나 고밀도, 고출력 배터리는 일정 온도 이상으로 올라가면 폭발의 위험이 있다. 또한 배터리가 한계 전압을 넘었을 경우 배터리 시스템 수명에도 좋지 않은 영향을 끼친다. 이러한 사태를 예방하기 위해 배터리 관리장치인 배터리관리시스템이 필요하다. 배터리관리시스템이 전동차의 핵심부품인 이유도 이 때문이다. 현 배터리 시스템에서는 안전을 위해 배터리의 에너지를 100%가 아닌 일부 제한된 영역만을 활용하고 있다. 그런데 배터리관리시스템의 배터리 잔여량 계산이 더욱 정확해지고, 고장 진단을 통해 안전성을 확보한다면 동일한 배터리를 사용하더라도 더 많은 에너지 영역을 활용할 수 있게 된다. 이는 결국 주행거리 향상이라는 전기자동차에 있어서 필수적인 결과를 낳게 된다. 또한 배터리관리시스템의 밸런싱 기술 향상을 통하여 전기자동차의 성능을 향상시킬 수 있다. 기존에 사용하던 수동 밸런싱 방식의 경우, 밸런싱을 위해 높은 에너지를 갖는 셀의 에너지를 열로 발산함으로써 배터리 시스템의 셀 간 밸런싱을 수행하였다. 그런데 이는 주행에 에너지를 이용하는 것이 아닌 에너지 손실로 이어졌다. 하지만 능동 밸런싱 기술을 적용하면 높은 에너지를 갖는 셀의 에너지를 낮은 에너지를 갖는 셀로 이동시킴으로써 에너지를 효율적으로 사용할 수 있게 된다. 이 과정에서 주행거리가 향상되는 것이다. 디자인적인 측면에서도 배터리관리시스템을 통한 변화를 꾀할 수 있다. 현재는 주행거리 향상을 위해 전기자동차 한 대를 생산하기 위해 수많은 배터리가 사용된다. 또 이 때문에 배터리 시스템 또한 커지면서 차량 하부에 장착하는 것이 보통인데, 이는 차량의 실내 공간을 협소하게 만드는 결과를 낳는다. 하지만 배터리관리시스템의 발전을 통해 에너지 효율을 극대화하여 배터리의 수량을 줄일 수 있다면 디자인과 실내 거주성 개선까지 이를 수 있다. |
| − | 자동차의 전동화는 [[자율주행]]의 관점에서도 꼭 필요한 부분이다. 예를 들어, 자동차를 가속하고 세우는 과정에서 가솔린, 디젤 등과 같은 기존의 내연기관에 비해 모터를 이용하는 것이 유리하기 때문이다. 이에 전동차를 이용한 자율주행 기술이 발전하고 있다. | + | 자동차의 전동화는 [[자율주행]]의 관점에서도 꼭 필요한 부분이다. 예를 들어, 자동차를 가속하고 세우는 과정에서 가솔린, 디젤 등과 같은 기존의 내연기관에 비해 모터를 이용하는 것이 유리하기 때문이다. 이에 전동차를 이용한 자율주행 기술이 발전하고 있다. 배터리관리시스템은 전동차의 연료라 할 수 있는 배터리를 관리하는 기능을 한다. 자율 주행을 위해서는 배터리의 정확한 잔여량 계산을 통한 주행 가능 거리 확인을 할 수 있어야 하고, 배터리의 고장에 대한 신속한 감지 등이 필요하다. 이는 배터리관리시스템의 기술 발전을 통하여 확보할 수 있다. 이러한 관점에서 배터리관리시스템의 기술 발전이 자율주행 기술 발전과 밀접한 관련이 있다고 할 수 있다.<ref name="현대모비스">현대모비스, 〈[https://m.post.naver.com/viewer/postView.nhn?volumeNo=15812205&memberNo=6080211 전기차 에너지 효율의 비밀, 배터리 관리시스템(BMS)]〉, 《네이버 포스트》, 2018-05-25</ref> |
===에너지 저장시스템=== | ===에너지 저장시스템=== | ||
| − | 일반적으로 고정형 적용 분야에서 | + | 일반적으로 고정형 적용 분야에서 배터리관리시스템의 사용은 다소 제한적이다. 대부분의 시간 동안은 작동되지 않다가 응급상황에서만 사용되기 때문이다. 이 분야에서 배터리관리시스템의 핵심 역할은 배터리를 상시 체크함으로써 정전이 일어났을 때 배터리가 안정적 상태를 유지하며 전력을 공급할 수 있는지 관리하는 것이다. 이 분야에서 배터리관리시스템은 전력망에 활용될 수 있는 에너지 저장 시스템과 텔레콤 두 분야로 구분할 수 있다. 이는 자동차 분야에 이어 두 번째로 큰 시장이다. 전력 수급 불균형을 해소하는 일환으로 기존 공급자 중심의 전력망 체계에서 수요자 중심의 스마트그리드로 패러다임이 변화하면서 배터리관리시스템은 최근 주파수 조정, 신재생에너지 연계, 수요관리 등 다양한 분야에 활용되고 있다. 배터리관리시스템은 전력 계통에서 에너지 저장 및 백업에 사용되는 배터리 뱅크의 충·방전을 관리하며, 태양광이나 풍력발전에서 전력저장장치용 배터리 관리에 사용되고 있다. 신재생에너지 통합은 중·장기적으로 고정형 적용 분야에서 배터리관리시스템 수요를 이끌 것으로 전망된다.<ref>프로스트앤설리번 신은경 연구원, 〈[http://www.economyinsight.co.kr/news/articleView.html?idxno=3151 (Frost&Sullivan) 전기차보다 매력적인 BMS - 세계 배터리관리시스템(BMS) 시장 전망]〉, 《이코노미인사이트》, 2016-06-04</ref> 세계 에너지 저장시스템 시장은 2016년 15 킬로와트시(GWh)에서 2025년 140 킬로와트시로 연평균 28% 성장할 전망이다. |
==구성== | ==구성== | ||
| − | + | 배터리관리시스템은 배터리 모듈과 합쳐져 배터리 팩이 된다. 일반적으로 전기자동차 배터리는 셀(Cell), 모듈(Module), 팩(Pack)으로 구성된다. 수많은 배터리 셀을 안전하게 그리고 효율적으로 관리하기 위해 모듈과 팩이라는 형태를 거쳐 전기자동차에 탑재하는 것이다.<ref name="최현">최현 기자, 〈[https://news.naver.com/main/read.nhn?mode=LSD&mid=sec&sid1=105&oid=003&aid=0008165561 전기차 시장 확대에 배터리 관심도 커져...'셀, 모듈, 팩' 의미는]〉, 《뉴시스》, 2017-09-07</ref> 셀, 모듈, 팩은 쉽게 배터리를 모으는 단위로 생각하면 된다. 배터리 셀을 여러 개 묶어서 모듈을 만들고, 모듈을 여러 개 묶어서 팩을 만드는 것이다. 전기자동차에는 최종적으로 배터리가 하나의 팩 형태로 들어가게 된다. 먼저 배터리의 기본이 되는 셀은 자동차 내 제한된 공간에서 최대한의 성능을 발현할 수 있도록 단위 부피당 높은 용량을 지녀야 하고, 일반 모바일 기기용 배터리에 비해 훨씬 긴 수명이 필요하다.<ref name="정순식">정순식, 〈[http://news.heraldcorp.com/view.php?ud=20190607000514 셀, 모듈, 팩…전기차 배터리 그 속이 궁금하다]〉, 《헤럴드경제》, 2019-06-08</ref> 또한, 주행 중에 전달되는 충격을 견디고, 저온과 고온 모두에서 끄떡없을 만큼 높은 신뢰성과 안정성을 지녀야 한다. 여러 개의 셀은 열과 진동 등 외부 충격에서 좀 더 보호될 수 있도록 하나로 묶어 프레임에 넣게 되는데, 이 상태를 모듈이라고 부른다.<ref name="김종민">김종민 기자, 〈[https://news.v.daum.net/v/20190420134033285 전기차 배터리, 최종 탑재 '팩' 형태 따라 車 성능·디자인 결정]〉, 《뉴시스》, 2019-04-20</ref> 그리고 모듈 여러 개를 모아 배터리의 온도나 전압 등을 관리해 주는 배터리관리시스템과 냉각장치 등을 추가한 것이 배터리 팩이다. 이런 방식으로 전기자동차에는 배터리 셀 여러 개가 하나의 팩 형태로 들어가는 것이다. 이를 정리하면 다음과 같다. | |
* '''배터리 셀'''(cell) : 전기에너지를 충전, 방전해 사용할 수 있는 리튬이온 배터리의 기본단위이다. 양극, 음극, 분리막, 전해액을 사각형의 알루미늄 케이스에 넣어 만든다. | * '''배터리 셀'''(cell) : 전기에너지를 충전, 방전해 사용할 수 있는 리튬이온 배터리의 기본단위이다. 양극, 음극, 분리막, 전해액을 사각형의 알루미늄 케이스에 넣어 만든다. | ||
* '''배터리 모듈'''(module) : 배터리 셀을 외부충격과 열, 진동 등으로 보호하기 위해 일정한 개수로 묶어 프레임에 넣은 배터리 조립체이다.<ref name="류정민">류정민 기자, 〈[https://www.news1.kr/articles/?3612029 LG-SK 전기차배터리 신경전 가열...'제2의 반도체' 두고 사활]〉, 《뉴스원》, 2019-05-02</ref> | * '''배터리 모듈'''(module) : 배터리 셀을 외부충격과 열, 진동 등으로 보호하기 위해 일정한 개수로 묶어 프레임에 넣은 배터리 조립체이다.<ref name="류정민">류정민 기자, 〈[https://www.news1.kr/articles/?3612029 LG-SK 전기차배터리 신경전 가열...'제2의 반도체' 두고 사활]〉, 《뉴스원》, 2019-05-02</ref> | ||
| − | * '''배터리 팩'''(pack) : 전기자동차에 장착되는 배터리 시스템의 최종형태이다. 배터리 모듈에 | + | * '''배터리 팩'''(pack) : 전기자동차에 장착되는 배터리 시스템의 최종형태이다. 배터리 모듈에 배터리관리시스템, 냉각시스템 등 각종 제어 및 보호 시스템을 장착하여 완성된다.<ref>〈[https://www.samsungsdi.co.kr/column/all/detail/54229.html 전기차 배터리 구성, 셀? 모듈? 팩? 바로 알자!]〉, 《삼성SDS㈜ 공식 홈페이지》</ref> |
| − | + | 배터리관리시스템은 배터리관리시스템, 자동차 전자제어장치(ECU) 본체와 셀 모듈 부분으로 구성되어 있다. 이는 절연형 CAN을 통해 서로서로 접속되어 있으며 각 셀 모듈은 셀 스택(Cell Stack)에 접속되어 있다. 이때 셀 스택은 모든 단일 배터리의 서브 스택이다. 또한 셀 모듈은 개개의 단위 셀의 전압을 계측해서 필요에 따라 방전을 개시한다. 배터리관리시스템의 기능을 지원하는 소프트웨어에는 전압, 전류, 온도 등을 계측하는 계측 알고리즘, 충전량 계산(SOC), 수명 예측(SOH), 셀 밸런싱 알고리즘, 온도 관리, 진단 알고리즘, 방호 알고리즘과 차량 내 통신 등이 있다. 배터리관리시스템의 하드웨어적인 구성에는 전압, 전류, 온도를 측정하는 VITM 모듈, 셀 밸런싱 모듈 등으로 구성되어 있다. 배터리관리시스템의 제품분류 관점의 범위는 다음과 같다. | |
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배터리 셀 간의 전압 차이에 대한 제어 방법은 특정 셀 군의 전압이 높은 것을 검출하게 되면 에이식(ASIC)의 온 칩 회로가 작동해서 특정 셀 군을 외부저항 회로망에 접속한다. 선택된 셀 군이 어느 정도 방전하게 되면 전압 차가 줄어들게 된다. 수동 셀 밸런스(Passive cell balance) 방식은 신뢰성이 높고 비용이 적게 드는 방법이지만, 방전 저항 내에서 에너지가 열로 손실되기 때문에 효율이 떨어진다. 반면에 능동 셀 밸런스(Active cell balance) 방식은 전압이 가장 높은 셀로부터 전하를 받아 축적해서 전압이 가장 낮은 셀로 재분배한다. 전하의 축적과 재분배에는 콘덴서, 인덕터, 트랜스를 사용해서 셀을 순차적으로 변경하며 상황에 따라 전하를 축적하고 방전 또는 재분배하게 되어있다. 이 방식은 수동 셀 밸런스 방식에 비해 에너지 보존 면에서 우수하여 효율적이지만 시스템의 비용이 많이 들고 복잡하다는 단점이 있다. | 배터리 셀 간의 전압 차이에 대한 제어 방법은 특정 셀 군의 전압이 높은 것을 검출하게 되면 에이식(ASIC)의 온 칩 회로가 작동해서 특정 셀 군을 외부저항 회로망에 접속한다. 선택된 셀 군이 어느 정도 방전하게 되면 전압 차가 줄어들게 된다. 수동 셀 밸런스(Passive cell balance) 방식은 신뢰성이 높고 비용이 적게 드는 방법이지만, 방전 저항 내에서 에너지가 열로 손실되기 때문에 효율이 떨어진다. 반면에 능동 셀 밸런스(Active cell balance) 방식은 전압이 가장 높은 셀로부터 전하를 받아 축적해서 전압이 가장 낮은 셀로 재분배한다. 전하의 축적과 재분배에는 콘덴서, 인덕터, 트랜스를 사용해서 셀을 순차적으로 변경하며 상황에 따라 전하를 축적하고 방전 또는 재분배하게 되어있다. 이 방식은 수동 셀 밸런스 방식에 비해 에너지 보존 면에서 우수하여 효율적이지만 시스템의 비용이 많이 들고 복잡하다는 단점이 있다. | ||
| − | 전기자동차는 일반 내연기관 자동차와 달리 배터리, 인버터와 컨버터, 전기모터, | + | 전기자동차는 일반 내연기관 자동차와 달리 배터리, 인버터와 컨버터, 전기모터, 배터리관리시스템 등으로 구성하고 있다. 배터리는 재충전이 가능한 2차전지가 이용되며, 전기 자동차의 성능 및 가격에 가장 큰 영향을 미친다.<ref name="천재">〈[https://koc.chunjae.co.kr/Dic/dicDetail.do?idx=15697 전기로 달리는 차]〉, 《천재학습백과》</ref> 전기모터는 배터리를 통해 구동력을 발생시키며, 인버터와 컨버터는 직류와 교류를 변화시키는 역할을 한다. 배터리는 배터리 셀, 모듈 배터리관리시스템, 냉각장치로 구성되어 있다. 배터리 셀이 모여 모듈이 되고, 모듈이 모여 최종 배터리 팩을 구성한다. 배터리 셀은 양극, 음극, 전해액, 분리막, 덮개로 구성되어 있다. 양극은 외부도선으로부터 전자를 받아 양극활물질이 환원되어 리튬이 이온화하는 부품을 말하며 음극은 음극활물질이 |
| − | 산화되면서 도선으로 전자를 방출하는 전극을 말한다. 전해액은 리튬이온이 양극과 음극 사이를 오갈 수 있도록 해주는 물질이며 분리막은 양극과 음극의 전기적 접촉을 막는 다공성 막이다. 배터리 팩에는 배터리의 상태를 측정하고 통제하는 | + | 산화되면서 도선으로 전자를 방출하는 전극을 말한다. 전해액은 리튬이온이 양극과 음극 사이를 오갈 수 있도록 해주는 물질이며 분리막은 양극과 음극의 전기적 접촉을 막는 다공성 막이다. 배터리 팩에는 배터리의 상태를 측정하고 통제하는 배터리관리시스템과 냉각장치가 부착되어 있다. |
| − | 전기자동차의 | + | 전기자동차의 배터리관리시스템에서 중요한 것은 통신과 제어이다. 개개의 리튬이온 배터리 셀은 복잡한 알고리즘에 의해 관리되고 있다. 배터리 팩은 배터리 인터페이스 제어 모듈 내의 각 측정 서브시스템을 감시하고 있다. 배터리 전체에 걸쳐 꼭 필요한 데이터는 CAN 버스(bus) 신호와 고전압 고장 신호에 포함되어 있다. 시스템의 안전성과 신뢰성은 CAN 버스 네트워크를 어떻게 하면 고전압 측정회로로부터 확실하게 절연하느냐에 달려 있다.<ref name="최요환"></ref> 절연에는 여러 가지 방법이 있지만 가혹한 환경과 복수의 안전규제를 고려했을 때 광 커플러가 가장 적합하다. 광 커플러는 일반적인 노이즈에 강한 내성을 가지고 있어서 자동차와 같은 전기적인 노이즈가 많은 환경에서도 기본적인 EMC나 EMI의 문제가 발생하지 않는다. 다층구조의 절연을 하였기 때문에 배터리 팩으로부터의 직류 전압 스트레스에 장시간 노출되어도 문제가 없다. 각종 시험이나 충전기의 탈착, DC-DC변환에 따른 고속, 고전압의 과도한 전압 변동에도 변화가 없다.<ref name="송근수"></ref> |
==기능== | ==기능== | ||
| − | + | 배터리관리시스템은 전기자동차에 적용되는 배터리는 전기적인 에너지를 저장하고 필요 시 방전 과정을 통해서 차량의 동력원으로 사용될 수 있도록 하며, 제동 시 버려지는 에너지를 전기에너지로 회생하여 저장하는 역할을 담당한다. 전기자동차의 구동에 따른 다양한 에너지 흐름을 효과적으로 사용될 수 있도록 시스템화한 것이다. 전기자동차에서 배터리관리시스템은 배터리의 냉각성능을 제어하고 차량운행에 필요한 배터리의 충전상태, 최대 충전 및 방전 파워, 각종 경고 및 결함에 의한 정보를 실시간으로 관리하고 통제하여 배터리의 최적 동작환경을 조성하는 것이 주된 목적이다. 뿐만 아니라 배터리의 충방전 동작 시 과충전 및 과방전 등과 같은 배터리에 손상을 줄 수 있는 상황을 미연에 방지하여 배터리의 수명을 연장시키는 기능도 담당하며 배터리로부터 수집된 다양한 정보를 이용하여 배터리 정보를 제공하는 것도 담당한다. 배터리관리시스템의 초기 운영조건은 단순히 배터리의 전압과 전류에 의한 경험적 운영으로 배터리 보호와 효율적 운영은 기대하기 어려웠으나 최근에 소개되는 배터리관리시스템은 이러한 문제점을 해결하기 위해 배터리 각 셀의 전압, 온도 및 전체 전압과 전류 등을 모니터링하여 분석 효율적으로 배터리를 관리할 수 있는 알고리즘을 제공하여 배터리를 보호하고 수명을 연장할 수 있도록 도와준다.<ref name="송근수"></ref> 배터리관리시스템은 핵심 기능은 1) 셀 전압의 정밀한 측정 2) 배터리 상태의 정확한 예측 3) 배터리 균일성 및 동등화방법 4) 배터리 결함 진단으로 나뉠 수 있다. | |
===배터리 셀 전압 측정=== | ===배터리 셀 전압 측정=== | ||
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===배터리 결함 진단=== | ===배터리 결함 진단=== | ||
| − | 결함 진단은 배터리 안전을 보장하는데 필수적인 기술이다. 1995년 IEC가 제정한 | + | 결함 진단은 배터리 안전을 보장하는데 필수적인 기술이다. 1995년 IEC가 제정한 배터리관리시스템 규정에 의하면 전기자동차용 배터리관리시스템은 배터리 건전성이 훼손되었을 때 이를 사전에 경고하고, 배터리 성능이 약화된 정보를 제공하는 등 배터리 결함진단 기능을 가져야 한다고 정하였다. 중국에서도 26개의 결함 진단항목을 포함한 배터리 결함진단 기능을 가진 배터리관리시스템을 규정하고 있다. 최근 결함 진단 기술은 진단 대상기기의 작동 원리를 바탕으로 컴퓨터 네트워크, 데이터베이스, 제어이론, 인공지능 및 기타 기술과 접목하고, 공정변수 예측과 상태예측 및 다른 경험적 예측방법을 동원하여 더욱 완전한 운영체제로 발전하고 있다. 현재 개발 단계에 있는 지능형 결함진단 시스템은 전문가 시스템을 사용하고, 지식기반, 추론 엔진, 인터프리터(interpreter), 인간-기계 접속기, 복합 데이터베이스 등으로 구성된다. 전문가 진단시스템을 통하여 배터리 건전성을 조기에 진단할 수 있다.<ref name="신윤오"></ref> |
==요구사항== | ==요구사항== | ||
배터리는 가격, 신뢰성, 안전을 포함해 광범위한 우선순위를 고려해야 하므로 설계에 있어 상당한 부담이 된다. 48V ~ 800V까지 공급하는 EV 시스템을 다룰 때 어떤 것도 위험에 빠뜨릴 수 없기 때문이다. 페달을 밟으면 100kw 이상의 에너지를 공급하도록 기대되는 배터리 시스템은 수백 볼트의 고전압에서 효율적으로 동작해야 한다. 하지만 리튬 배터리 셀은 단지 몇 볼트만 공급한다. 충분한 전력을 끌어내기 위해서는 많은 수의 리튬 배터리 셀을 하나의 긴 스택으로 직렬 연결해야 한다. 일반적인 EV는 100개의 개별 배터리 셀을 탑재하고 스택의 상단에서 350V를 공급한다. 여기에는 몇 가지 까다로운 문제가 있다. 만약 긴 배터리 셀 스택에서 하나의 셀이 죽으면, 사실상 모든 셀을 잃게 된다. 따라서 자동차 수명 동안 매일 모든 셀을 충전하고 방전하면서 모니터링하고 관리해야 한다. 리튬 배터리 셀은 최대 충/방전 제한 범위까지 동작할 수 없다. 리튬 배터리 셀은 15 ~ 85%와 같이 특정 범위 내에서 유지되어야 하며, 그렇지 않을 경우 셀 성능은 약화된다.<ref>김동원 기자, 〈[http://www.hellot.net/new_hellot/magazine/magazine_read.html?code=202&sub=002&idx=50818 (테크니클 리포트) EV 배터리의 수명, 안전, 성능을 위한 '배터리 관리 시스템']〉, 《헬로티》, 2020-03-03</ref> | 배터리는 가격, 신뢰성, 안전을 포함해 광범위한 우선순위를 고려해야 하므로 설계에 있어 상당한 부담이 된다. 48V ~ 800V까지 공급하는 EV 시스템을 다룰 때 어떤 것도 위험에 빠뜨릴 수 없기 때문이다. 페달을 밟으면 100kw 이상의 에너지를 공급하도록 기대되는 배터리 시스템은 수백 볼트의 고전압에서 효율적으로 동작해야 한다. 하지만 리튬 배터리 셀은 단지 몇 볼트만 공급한다. 충분한 전력을 끌어내기 위해서는 많은 수의 리튬 배터리 셀을 하나의 긴 스택으로 직렬 연결해야 한다. 일반적인 EV는 100개의 개별 배터리 셀을 탑재하고 스택의 상단에서 350V를 공급한다. 여기에는 몇 가지 까다로운 문제가 있다. 만약 긴 배터리 셀 스택에서 하나의 셀이 죽으면, 사실상 모든 셀을 잃게 된다. 따라서 자동차 수명 동안 매일 모든 셀을 충전하고 방전하면서 모니터링하고 관리해야 한다. 리튬 배터리 셀은 최대 충/방전 제한 범위까지 동작할 수 없다. 리튬 배터리 셀은 15 ~ 85%와 같이 특정 범위 내에서 유지되어야 하며, 그렇지 않을 경우 셀 성능은 약화된다.<ref>김동원 기자, 〈[http://www.hellot.net/new_hellot/magazine/magazine_read.html?code=202&sub=002&idx=50818 (테크니클 리포트) EV 배터리의 수명, 안전, 성능을 위한 '배터리 관리 시스템']〉, 《헬로티》, 2020-03-03</ref> | ||
| − | ISO 26262 기능안전성 표준의 범위 내에서 | + | ISO 26262 기능안전성 표준의 범위 내에서 배터리관리시스템과 같은 특정 전기 및 전자 시스템은 상위 안전 범주 ASIL C~ASIL D에 들어간다. 이는 오류 검출 비율이 최소 97~99%임을 의미한다. 배터리 시스템에서 가장 위험한 오류의 원인이 되는 문제들은 낡아서 해진 케이블 또는 사고의 영향으로 자동차 섀시에 존재하는 검출되지 않은 이상 고전압으로부터 발생하는 위험과 고전압 배터리의 화재 또는 폭발에서 오는 위험이다. 이러한 고전압 배터리의 원인으로는, 예를 들어 공중망에서 또는 에너지 복원으로 인한 배터리 과충전, 폭발성 기체의 유출 등으로 인한 배터리의 조기 노후화, 빗물 등에 의한 잘못된 액체 유입 및 단락 회로, 잘못된 수리와 같은 오용, 그리고 냉각이 제대로 이루어지지 않는 열관리 오류 등이다. 안전과 관련해 주 스위치는 고전압 관련 사고를 방지하고 배터리관리시스템 전자장치가 적절한 오류 반응을 하도록 보장하는 데 중요한 역할을 한다. 오류가 발생하면 스위치는 배터리관리시스템 모듈에 의해 적절한 오류 반응 시간 내에 개방되어야 한다. 비교적 위협적이지 않은 오류 안전 조건은 배터리관리시스템 마이크로컨트롤러(MCU)에 장애가 발생하는 경우, 컨트롤러 로직이 완전히 잘못된 경우에도 윈도 워치독과 같은 독립적인 외부 안전 소자가 주 스위치 릴레이로 하여금 안전하게 인버터에 대한 고전압 접점 두 군데(플러스/마이너스)를 모두 개방하는 것을 보장한다는 특징을 갖는다. 배터리관리시스템에는 누설전류 모니터링, 주 스위치 릴레이 모니터링과 같은 다른 안전 기능도 포함돼 있다.<ref>클라우스 샤이베르트, 비욘 스타흐, 〈[http://www.autoelectronics.co.kr/article/articleView.asp?idx=1310 전원공급, 배터리 관리 시스템의 재정의 - Power Supply, Battery Management redefined]〉, 《오토모티브》, 2014-03</ref> |
==사례== | ==사례== | ||
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배터리 용량이 부족하여 주행거리의 제한이 생기면, 높은 가격을 받을 수 없게 되어 소형차로 새로운 모델을 출시한다. 하지만 소형차는 배터리를 많이 장착할 수 없음으로 배터리 용량의 문제가 커진다. 이러한 상황에서 배터리 문제의 해결책을 찾고자 했지만 문제가 해결되지 않아 문제들이 악순환되는 것이다. 이런 문제를 직면한 당사자가 기존의 자동차 제조업 운영자라면 자동차 산업의 관행상 배터리 용량을 늘린 새로운 배터리를 개발하거나, 그런 배터리가 전문업체로부터 출시되기를 기다렸을 것이다. 하지만 테슬라의 일론 머스크(Elon Musk)는 전기자동차의 문제를 해결하기 위해서 자동차가 아니라 IT를, 제조업이 아니라 서비스업을 고민했다. | 배터리 용량이 부족하여 주행거리의 제한이 생기면, 높은 가격을 받을 수 없게 되어 소형차로 새로운 모델을 출시한다. 하지만 소형차는 배터리를 많이 장착할 수 없음으로 배터리 용량의 문제가 커진다. 이러한 상황에서 배터리 문제의 해결책을 찾고자 했지만 문제가 해결되지 않아 문제들이 악순환되는 것이다. 이런 문제를 직면한 당사자가 기존의 자동차 제조업 운영자라면 자동차 산업의 관행상 배터리 용량을 늘린 새로운 배터리를 개발하거나, 그런 배터리가 전문업체로부터 출시되기를 기다렸을 것이다. 하지만 테슬라의 일론 머스크(Elon Musk)는 전기자동차의 문제를 해결하기 위해서 자동차가 아니라 IT를, 제조업이 아니라 서비스업을 고민했다. | ||
| − | 배터리 문제의 해결책으로 테슬라는 고밀도 배터리를 활용하는 방식이 아니라 '18650 전지'라고도 불리는 기존의 원통형 리튬-이온 전지(LIB, Lithium-ion battery) 약 6천 개를 이용하는 방식에 대해 고민했다. 18650 전지는 실생활에서 널리 사용되는 전지라 기존 배터리 생산설비를 조금만 바꾸고도 생산할 수 있었기 때문에 생산비를 감축시킬 수 있었고, 생산 시간과 원가가 낮은 편이며 불량률이 낮아 안정적 조달이 가능하다는 장점이 있었다. 단 6천 개의 전지를 병렬연결함으로 인해 치솟는 안전 문제, 화제 문제의 가능성을 낮추는 것이 필수 해결과제였는데 IT 기술을 활용해서 혁신적인 | + | 배터리 문제의 해결책으로 테슬라는 고밀도 배터리를 활용하는 방식이 아니라 '18650 전지'라고도 불리는 기존의 원통형 리튬-이온 전지(LIB, Lithium-ion battery) 약 6천 개를 이용하는 방식에 대해 고민했다. 18650 전지는 실생활에서 널리 사용되는 전지라 기존 배터리 생산설비를 조금만 바꾸고도 생산할 수 있었기 때문에 생산비를 감축시킬 수 있었고, 생산 시간과 원가가 낮은 편이며 불량률이 낮아 안정적 조달이 가능하다는 장점이 있었다. 단 6천 개의 전지를 병렬연결함으로 인해 치솟는 안전 문제, 화제 문제의 가능성을 낮추는 것이 필수 해결과제였는데 IT 기술을 활용해서 혁신적인 배터리관리시스템을 구축함으로써 과제를 해결하고자 했다. 즉 전지 6천 개의 상태를 실시간으로 점검하여 이상이 감지되는 경우 1,000분의 1초 이내로 해결하는 기술을 개발해 배터리 문제를 해결했다. |
| − | 약 6천 개의 원통형 배터리가 사용된 모델S의 경우, 확률적으로 이들 중 하나라도 문제를 일으키지 않는 것이 오히려 이상한 일이었다. 그런데 진보된 센서 기술과 IT 기술의 발달로 인해 테슬라의 | + | 약 6천 개의 원통형 배터리가 사용된 모델S의 경우, 확률적으로 이들 중 하나라도 문제를 일으키지 않는 것이 오히려 이상한 일이었다. 그런데 진보된 센서 기술과 IT 기술의 발달로 인해 테슬라의 배터리관리시스템이 이들 배터리들을 안전하게 유지하고 동장시킬 수 있게 했다. 센서를 통해 정보를 취합하고 상황을 판단하여 제어하는 일은 배터리관리시스템의 요체다. 그리고 이는 자율주행차가 동작하는 원리와도 비슷하다. 이러한 것들이 지금까지 실현되지 못한 이유는 처리할 정보와 제어할 자동차의 요소들이 너무나 많고 복잡하기 때문이었다. 이 문제 또한 전기자동차 배터리와 자율주행차 양쪽 모두에서 공히 해결되지 못한 본질적인 문제였다. 하지만 기술이 발달하며 컴퓨팅에 소요되는 비용이 기하급수적으로 줄고 반대로 IT가 처리할 수 있는 정보와 제어할 수 있는 능력이 기하급수적으로 증대되면서 이토록 복잡한 문제로 여겨지던 것들이 해결가능한 문제로 전환되었다.<ref>정지훈, 김병준, 〈[https://books.google.co.kr/books?id=wGrYDwAAQBAJ&pg=PT89&lpg=PT89&dq=%22%EB%B0%B0%ED%84%B0%EB%A6%AC+%EA%B4%80%EB%A6%AC+%EC%8B%9C%EC%8A%A4%ED%85%9C%22+pdf&source=bl&ots=ZJSzeGzCBW&sig=ACfU3U2Q0LCaw0bKrM-ZcqJj23dUR_H_uA&hl=ko&sa=X&ved=2ahUKEwjfubHDqrjrAhUDK6YKHSzCBFQ4RhDoATACegQIARAB#v=onepage&q=%22%EB%B0%B0%ED%84%B0%EB%A6%AC%20%EA%B4%80%EB%A6%AC%20%EC%8B%9C%EC%8A%A4%ED%85%9C%22&f=false 미래자동차: 모빌리티 혁명]〉, 《교보문고》, 2017-09-15</ref> |
| − | 테슬라와 비교할만한 고급 차종의 브랜드는 자사 엔진 기술에 대한 과신으로 전기자동차 진입이 늦었다. 테슬라 성능의 우수한 핵심은 | + | 테슬라와 비교할만한 고급 차종의 브랜드는 자사 엔진 기술에 대한 과신으로 전기자동차 진입이 늦었다. 테슬라 성능의 우수한 핵심은 배터리관리시스템인데, 전기자동차만 10년 이상 만들고 판매하면서 실제 주행 경험에서 쌓인 노하우를 바탕으로 배터리관리시스템과 파워트레인 등을 계속 개선해가고 있다. 2019년 테슬라는 오버더에어(over-the-air) 업데이트를 통해 모든 테슬라 차량의 주행거리를 10퍼센트 늘렸다. 기존 판매된 차량에 대해서도 소프트웨어 업데이트만으로 성능 향상을 가져와 고객들의 만족도도 매우 높다. 이러한 경험은 OEM에서 기대하기 힘들다. 과거 자동차 생산 경험 부족으로 센터페시아와 칵핏 마감 등 디테일이 다소 미흡했으나 현재는 상향평준화되었고, 내장재, 마감 등 제조 관련된 이슈는 이미 완전히 해결했다고 평가받기도 한다.<ref>박연주, 권영배, 김민경, 강효주, 이재광, 〈[https://www.miraeassetdaewoo.com/public/mw/blog/editor/upload/files/000001/20191119112310663_OSX6ZABH.pdf 전기차 토론회 후기(비중확대/Maintain) - 누가 전기차로 돈을 벌 것인가?]〉, 《미래에셋대우 리서치센터》, 2019-11-19</ref> {{자세히|테슬라}} |
===블록체인 기반의 전기자동차 BMS=== | ===블록체인 기반의 전기자동차 BMS=== | ||
| − | 제주도가 [[블록체인]]을 기반으로 한 전기자동차 | + | 제주도가 [[블록체인]]을 기반으로 한 전기자동차 배터리관리시스템을 구축한다.<ref>박근모 기자, 〈[https://www.coindeskkorea.com/news/articleView.html?idxno=43893 전기차 배터리 관리, 제주는 블록체인에 맡긴다 - LG CNS-제주도 컨소시엄 추진...전국 전기차 1/3 제주에]〉, 《코인데스크코리아》, 2019-04-11</ref> 2020년 5월 25일, 제주도는 과학기술정보통신부·한국인터넷진흥원에서 주관한 ‘블록체인 기반 공공선도 시범 공모사업’에 선정됨에 따라 자동차 배터리관리시스템을 구축하고 연말에는 전기자동차를 대상으로 실증할 계획이라고 밝혔다.<ref>김명현 기자, 〈[https://www.newsjeju.net/news/articleView.html?idxno=344368 블록체인 기술 전기차배터리 산업, 제주가 주도]〉, 《뉴스제주》, 2020-05-11</ref> 제주는 국내 최대의 전기자동차 보유와 충전 인프라를 기반으로 전기자동차 충전서비스 규제자유특구로 지정되었으며, 국내 최초로 유일하게 배터리 산업화센터가 건립되어 운영되고 있어 전기차 배터리에 대한 연구 및 실증, 산업화에 최적화되어있다.<ref>김승범 기자, 〈[http://www.jejunews.com/news/articleView.html?idxno=2164381 전기차 배터리 교체 본격...道, 블록체인 기반 관리시스템 구축]〉, 《제주일보》, 2020-05-25</ref> 전기자동차 선행 보급에 따른 경험과 기술을 바탕으로 제주 전기자동차 충전서비스 규제자유특구로 지정됨에 따라 전기자동차 충전 서비스에 대한 특례를 적용한 후, 배터리 재사용 영역으로 확장 기반을 마련하고자 한다.<ref>이동건 기자, 〈[http://www.jejusori.net/news/articleView.html?idxno=317304 "제주 전기차 산업 활성화 위해서 애프터 마켓도 공략해야"]〉, 《제주의소리》, 2020-06-26</ref> 제주에는 국내 최초로 배터리 산업화센터가 건립되어 실제 배터리 입고 및 검사, 보급 등 전 과정을 수행하고 에너지 저장시스템 실증사업을 추진하고 있어 전국적으로 관련 산업에 가장 주도적인 역할을 수행할 수 있을 것으로 보인다. 실제로 제주는 이미 2019년 블록체인 기반 폐배터리 유통이력 관리 시스템을 구축하여 시범사업을 통한 데이터 축척 및 플랫폼을 완성한 바 있다. |
제주도 내의 블록체인 기반 전기자동차 배터리 라이프사이클 관리 시스템 구축의 필요성은 여섯 가지로 요약될 수 있다.<ref>임유경 기자, 〈[https://zdnet.co.kr/view/?no=20200507103430 블록체인, 경찰 증거수집·수입식품 위생증명에 쓰인다 - 올해 총 118억 투입해 공공 10개·민간 3개 과제 진행]〉, 《지디넷코리아》, 2020-05-07</ref> 첫 번째는 배터리 전주기 관리이다. 사용 후 배터리의 재사용성 증대 및 높은 잔존가치를 보유한 배터리를 유통할 수 있도록 운행 중인 차량의 배터리에 대한 상태 관리가 필요하다. 먼저 폐기 전 배터리의 데이터 수집이 필요한데, 전기자동차의 배터리는 최초 출고 이후 다양한 환경에서 충전·방전을 거듭하며 사용되다가 폐차 후 자동차 배터리로서의 수명이 종료되면, 2019년 시범사업의 관리 범위인 폐배터리 유통이력 관리 시스템의 영역에 들어오게 된다. 배터리 잔존가치 및 안전성 판단 기준을 획기적으로 제고하기 위해서는 실제 자동차 배터리로 실 사용 중인 시점부터의 배터리 사용 이력을 관리해야 연관관계 습득이 가능하므로 관리 범위에 대한 전방 확대가 필요하다. 따라서 사용 후 배터리에 미치는 영향을 분석하여, 배터리의 건강 상태를 높여주는, 즉 환경에 도움이 되는 충전 습관으로서 캠페인을 진행한다. 전기자동차의 배터리는 내연기관의 엔진에 해당하며, 내연기관의 경우 급가속·급출발 등 안 좋은 운전 습관이 엔진의 성능과 내구성에 악영향을 미치듯, 운전 습관과 충전 습관 및 주 운행 경로에 따라 배터리의 성능과 내구성에 영향을 미친다. 사용 후 배터리의 재사용률 제고 및 고등급 양질의 배터리 재사용률을 근본적으로 노이기 위해서는 사용 중인 배터리에서부터 상태 관리가 필요하다. | 제주도 내의 블록체인 기반 전기자동차 배터리 라이프사이클 관리 시스템 구축의 필요성은 여섯 가지로 요약될 수 있다.<ref>임유경 기자, 〈[https://zdnet.co.kr/view/?no=20200507103430 블록체인, 경찰 증거수집·수입식품 위생증명에 쓰인다 - 올해 총 118억 투입해 공공 10개·민간 3개 과제 진행]〉, 《지디넷코리아》, 2020-05-07</ref> 첫 번째는 배터리 전주기 관리이다. 사용 후 배터리의 재사용성 증대 및 높은 잔존가치를 보유한 배터리를 유통할 수 있도록 운행 중인 차량의 배터리에 대한 상태 관리가 필요하다. 먼저 폐기 전 배터리의 데이터 수집이 필요한데, 전기자동차의 배터리는 최초 출고 이후 다양한 환경에서 충전·방전을 거듭하며 사용되다가 폐차 후 자동차 배터리로서의 수명이 종료되면, 2019년 시범사업의 관리 범위인 폐배터리 유통이력 관리 시스템의 영역에 들어오게 된다. 배터리 잔존가치 및 안전성 판단 기준을 획기적으로 제고하기 위해서는 실제 자동차 배터리로 실 사용 중인 시점부터의 배터리 사용 이력을 관리해야 연관관계 습득이 가능하므로 관리 범위에 대한 전방 확대가 필요하다. 따라서 사용 후 배터리에 미치는 영향을 분석하여, 배터리의 건강 상태를 높여주는, 즉 환경에 도움이 되는 충전 습관으로서 캠페인을 진행한다. 전기자동차의 배터리는 내연기관의 엔진에 해당하며, 내연기관의 경우 급가속·급출발 등 안 좋은 운전 습관이 엔진의 성능과 내구성에 악영향을 미치듯, 운전 습관과 충전 습관 및 주 운행 경로에 따라 배터리의 성능과 내구성에 영향을 미친다. 사용 후 배터리의 재사용률 제고 및 고등급 양질의 배터리 재사용률을 근본적으로 노이기 위해서는 사용 중인 배터리에서부터 상태 관리가 필요하다. | ||
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| − | 국내 [[㈜엘지화학]]이 개발한 에너지 저장시스템의 리튬이온전지는 스택(stack) 기술과 폴딩(folding) 기술을 적용해 고에너지 밀도를 구현하고 소형화가 가능하고, 잦은 충방전에도 안정적인 구조를 유지해 수명이 긴 것이 특징이다. ㈜엘지화학은 2015년에 에너지 저장시스템 분야 세계 1위 업체인 미국 AES에너지스토리지(AES Energy Storage)와 기가와트시 규모의 배터리 공급계약을 체결한 바 있는데 AES에너지스토리지가 2020년까지 전 세계 구축하는 전력망용 에너지 저장시스템 프로젝트에 ㈜엘지화학 배터리를 사용하는 내용이다. ㈜엘지화학이 등록한 ‘리튬 이온 폴리머 셀 디가스 시스템 및 리튬 이온 폴리머 배터리 제조 방법(System For Lithium-Ion Polymer Cell Degas And Manufacturing Method)’ 특허는 리튬 이온 폴리머 셀 내부의 가스를 제거하기 위한 시스템으로, 전체 리튬 이온 폴리머 셀에 대해 전해액 유출량을 실시간 확인 및 자동 관리할 수 있어 불량 시 조기 조치할 수 있다. 또 리튬 이온 폴리머 배터리 수명도를 균일하게 관리할 수 있다. 리튬 이온 전지에서 충전 전류가 크면, 전해액 중의 리튬 금속이 전지의 전극 표면에 퇴적되어 전극 열화를 초래한다. 또한 전지 중의 정극 및 부극이 리튬 금속을 통해 접촉해 내부 단락이 발생 될 수 있다.<ref>〈[http://www.ipdaily.co.kr/2020/02/14/16/46/25/2916/%EA%B8%B0%EC%88%A0-%EC%8B%9C%EC%9E%A5-%EB%B6%84%EC%84%9D-%EB%A6%AC%ED%8A%AC%EC%9D%B4%EC%98%A8-%EB%B0%B0%ED%84%B0%EB%A6%AC-%EC%8B%9C%EC%8A%A4%ED%85%9Cbms/ (기술 & 시장 분석) 리튬이온 배터리 시스템(BMS) - Battery Management System]〉, 《한국발명진흥회 지식재산평가센터》, 2020-02-14</ref> 한편 ㈜엘지화학이 2016년 차량용 전장부품 소프트웨어(SW) 개발 프로세스 평가 모델 오토모티브 스파이스(ASPICE; Automotive Software Process Improvement & Capability dEtermination)’의 ‘레벨3’ 인증을 획득했다.<ref>이기영 기자, 〈[https://www.newsquest.co.kr/news/articleView.html?idxno=59708 LG화학, BMS 소프트웨어 기술력 공식 인증 획득]〉, 《뉴스퀘스트》, 2016-12-28</ref> 오토모티브 스파이스는 유럽의 완성차 업체들이 부품회사를 대상으로 설계, 검증, 관리 등 15개 영역의 역량을 심사하고, 개발 프로세스 및 품질 능력을 평가하기 위해 만든 국제 인증 모델이다.<ref>조재범 기자, 〈[http://biz.newdaily.co.kr/site/data/html/2016/12/28/2016122810029.html LG화학, 차량용 배터리 '관리시스템' 글로벌 경쟁력 입증 받아 - BMW, 아우디 등 유럽 완성차 인증 'ASPICE'의 '레벨3' 획득]〉, 《뉴데일리경제》, 2016-12-28</ref> 특히 ㈜엘지화학은 차량에 필요한 다양한 전장부품 중 전기자동차 구동을 위한 | + | 국내 [[㈜엘지화학]]이 개발한 에너지 저장시스템의 리튬이온전지는 스택(stack) 기술과 폴딩(folding) 기술을 적용해 고에너지 밀도를 구현하고 소형화가 가능하고, 잦은 충방전에도 안정적인 구조를 유지해 수명이 긴 것이 특징이다. ㈜엘지화학은 2015년에 에너지 저장시스템 분야 세계 1위 업체인 미국 AES에너지스토리지(AES Energy Storage)와 기가와트시 규모의 배터리 공급계약을 체결한 바 있는데 AES에너지스토리지가 2020년까지 전 세계 구축하는 전력망용 에너지 저장시스템 프로젝트에 ㈜엘지화학 배터리를 사용하는 내용이다. ㈜엘지화학이 등록한 ‘리튬 이온 폴리머 셀 디가스 시스템 및 리튬 이온 폴리머 배터리 제조 방법(System For Lithium-Ion Polymer Cell Degas And Manufacturing Method)’ 특허는 리튬 이온 폴리머 셀 내부의 가스를 제거하기 위한 시스템으로, 전체 리튬 이온 폴리머 셀에 대해 전해액 유출량을 실시간 확인 및 자동 관리할 수 있어 불량 시 조기 조치할 수 있다. 또 리튬 이온 폴리머 배터리 수명도를 균일하게 관리할 수 있다. 리튬 이온 전지에서 충전 전류가 크면, 전해액 중의 리튬 금속이 전지의 전극 표면에 퇴적되어 전극 열화를 초래한다. 또한 전지 중의 정극 및 부극이 리튬 금속을 통해 접촉해 내부 단락이 발생 될 수 있다.<ref>〈[http://www.ipdaily.co.kr/2020/02/14/16/46/25/2916/%EA%B8%B0%EC%88%A0-%EC%8B%9C%EC%9E%A5-%EB%B6%84%EC%84%9D-%EB%A6%AC%ED%8A%AC%EC%9D%B4%EC%98%A8-%EB%B0%B0%ED%84%B0%EB%A6%AC-%EC%8B%9C%EC%8A%A4%ED%85%9Cbms/ (기술 & 시장 분석) 리튬이온 배터리 시스템(BMS) - Battery Management System]〉, 《한국발명진흥회 지식재산평가센터》, 2020-02-14</ref> 한편 ㈜엘지화학이 2016년 차량용 전장부품 소프트웨어(SW) 개발 프로세스 평가 모델 오토모티브 스파이스(ASPICE; Automotive Software Process Improvement & Capability dEtermination)’의 ‘레벨3’ 인증을 획득했다.<ref>이기영 기자, 〈[https://www.newsquest.co.kr/news/articleView.html?idxno=59708 LG화학, BMS 소프트웨어 기술력 공식 인증 획득]〉, 《뉴스퀘스트》, 2016-12-28</ref> 오토모티브 스파이스는 유럽의 완성차 업체들이 부품회사를 대상으로 설계, 검증, 관리 등 15개 영역의 역량을 심사하고, 개발 프로세스 및 품질 능력을 평가하기 위해 만든 국제 인증 모델이다.<ref>조재범 기자, 〈[http://biz.newdaily.co.kr/site/data/html/2016/12/28/2016122810029.html LG화학, 차량용 배터리 '관리시스템' 글로벌 경쟁력 입증 받아 - BMW, 아우디 등 유럽 완성차 인증 'ASPICE'의 '레벨3' 획득]〉, 《뉴데일리경제》, 2016-12-28</ref> 특히 ㈜엘지화학은 차량에 필요한 다양한 전장부품 중 전기자동차 구동을 위한 배터리관리시스템 분야에서 해당 인증을 획득했다. 레벨3은 소프트웨어 개발 프로세스가 조직적으로 잘 관리돼 정착 단계에 있다고 평가받는 레벨을 뜻한다.<ref>박상우 기자, 〈[https://www.autodaily.co.kr/news/articleView.html?idxno=335142 LG화학, 차량용 배터리관리시스템 국제 인증 획득]〉, 《엠오토데일리》, 2016-12-28</ref> |
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2020년 9월 19일 (토) 22:55 판
배터리관리시스템(BMS; Battery Management System)은 배터리를 최적으로 관리하여 에너지 효율을 높이고 수명을 연장하기 위한 시스템이다. 이를 통해 배터리의 전압, 전류뿐만 아니라 온도를 실시간으로 모니터링하여 과도한 충전 또는 방전을 미연에 방지하고 배터리의 안전성과 신뢰성을 높일 수 있다. 영어 약자로 BMS(비엠에스)라고 한다. 배터리관리시스템은 전기자동차 분야에 적용되며 주행거리 증가를 위한 핵심 요소로서 그 중요성이 점점 높아지고 있다.
목차
개요
배터리관리시스템은 빠르게 성장하고 있는 전기자동차 산업에 적용되며 그 중요성이 점점 높아지고 있다. 전기자동차 이용에 있어서 가장 중요하다고 평가받는 주행거리 증가를 위한 핵심 요소이기 때문이다. 전기자동차에서 배터리는 모터를 구동하기 위한 에너지를 공급하는 핵심 부품으로 성능에 영향을 주는 요소들이 많다. 배터리 종류별 충전방식, 방전율, 온도 등으로 인하여 내부저항에 변화를 가져와 배터리의 성능과 수명에 영향을 미치기 때문이다. 따라서 전기자동차 배터리의 성능과 수명을 향상시키기 위해서는 체계적으로 배터리의 충전, 방전, 상태를 모니터링하고 관리하기 위한 시스템이 필요하다.[1] 배터리관리시스템은 구동 시스템에서 필요로 하는 전력을 공급하는 2차전지의 안전성과 신뢰를 보증하는 역할을 한다. 배터리관리시스템을 통해 전기자동차 배터리 제어의 최적화를 이뤄냄으로써 주행거리 향상과 안전성을 확보할 수 있다.
배터리관리시스템의 기능은 크게 1) 열관리 제어 기술과 2) 배터리 충전상태 제어기술로 나뉜다. 열관리 제어 기술은 열에 약한 배터리를 균등 냉각하여 항상 균일한 성능을 나타낼 수 있도록 하는 기술로서, 시스템의 전압, 전류 및 온도를 모니터링하여 최적의 상태로 유지 관리하며 시스템의 안전한 운영을 위한 경보 및 사전 안전예방 조치를 취할 수 있다. 또한 배터리의 과충전 및 과방전을 억제하여 셀 간의 전압을 균일하게 제어함으로써 에너지 효율 및 배터리의 수명이 연장된다. 경보 관련 이력 상태의 저장과 외부 진단시스템 혹은 모니터링 PC를 통한 데이터의 보전 및 시스템 진단이 가능하다. 배터리 충전상태(SOC; State Of Charge) 제어기술은 배터리의 각 상태를 판단하여 최적 효율 지점에서 작동하도록 하는 기술이다. 충전상태를 제어하는 기술은 모든 셀을 항상 균등한 충전상태로 유지시켜주는 셀 밸런스를 통해 실현하고 있다. 더욱이 배터리관리시스템은 각종 변화 요소들을 종합 분석하여 남은 주행 가능 거리를 예측하고 그 정보를 상위의 차량 전자제어장치(ECU; Electronic Control Unit)에 제공한다. 차량 내 통신은 일반적으로 ISO 표준 네트워크인 CAN(Controller Area Network)을 활용하는데, CAN이란 차량 내 차량 전자제어장치들 간의 데이터 공유를 통해 보쉬(Bosch)에 의해 개발된 통신 시스템이다.
한편 배터리관리시스템은 전기자동차뿐만 아니라 에너지 저장시스템(ESS; Energy Storage System)를 구성하는 핵심 요소 중 하나로써 사용된다. 전력가격의 차이를 이용한 충방전을 통해 경제적 이득을 얻을 수 있음은 물론이고, 최근에는 FR, 신재생 에너지의 버퍼, 부하 평준화 및 무정전 전원장치(UPS; Uninterruptible Power Supply) 역할 등 다양한 분야로 그 용도를 확장시켜 나가고 있다. 작게는 수 kWh부터 크게는 수 MWh의 대용량 배터리를 제어해야 하기 때문에 그 중요성은 점차 증대되어 가고 있다. 때문에 배터리관리시스템을 어떻게 설계 및 구현하여 보장되는 동작 가능범위 내에서 배터리의 성능을 최대한 이끌어낼 것인가에 대한 기술적 이슈는 현재 진행형이며 이에 대한 학계 및 산업계에서의 다양한 연구가 활발히 이루어지고 있다.[2]
등장배경
산업혁명 이후 화석연료 사용량의 급격한 증가로 인해 기후변화와 이산화탄소(CO2) 농도의 상승은 인류의 생존에 심각한 위협을 가하고 있으며, 그 정도 또한 매우 심각한 수준이다. 전 세계적으로 이산화탄소 배출량 증가에 따른 기후 변화에 대한 우려가 그 어느 때보다 높은 와중에, 지난 40만 년 동안 대기 중 이산화탄소 농도 변화를 분석한 결과, 최근 100여 년 동안 수직에 가깝게 치솟아 이산화탄소 농도가 400 피피엠(ppm)에 도달했다는 연구결과가 발표되기도 했다. 농도가 450 피피엠 도달하면 지구 온도가 산업혁명 전보다 2도 증가해서 동식물의 20~30%가 멸종 위기에 놓이게 되고, 빙하가 녹아 해수면이 상승하여 적도 부근 섬들이 잠기게 된다. 실제로 증가하는 속도가 멈추거나 조금도 느려지지 않고 지금과 같은 속도를 유지한다면 20년 내에 이러한 상태에 도달하게 된다. 국제에너지기구(IEA)의 2013년 보고서에 따르면, 운송분야에서의 이산화탄소 배출량은 연간 6.9 기가톤(Gton)으로 전 세계 배출량(31.2 기가톤)의 약 22%나 차지하고 있다. 때문에 내연기관을 기반으로 하는 것이 아닌, 새로운 동력원을 사용하는 이동수단 기술의 개발은 선택이 아닌 필수로 인식되고 있으며 그 결과로써 전기자동차가 출현하게 되었다.[2]
석유 에너지가 가장 많이 쓰이는 자동차 산업은 배기가스 배출량이 높고, 대기 오염 및 지구온난화의 가장 큰 원인으로 꼽히곤 한다. 따라서 국가적인 차원에서 자동차 배기가스 규제를 강화하고 있으며 이를 대처하기 위한 자동차 개발 연구에 힘쓰고 있다. 그중에 전기자동차는 환경오염의 주범인 이산화탄소와 배기가스 등 공해물질을 배출하지 않는 친환경적인 자동차이다. 각 국가에서도 대체 에너지와 함께 꾸준히 개발하기 위해 노력하고 있다. 전기자동차는 값싼 전기를 이용하고, 운행비용이 많이 절감되며, 윤활유 및 필터 등 소모품의 주기적인 교환이 없어 자동차 유지비가 절감된다. 또한 가솔린에 비해 저속에서의 출력 성능이 우수하고 소음과 진동이 적다. 하지만 아직 개선해야 할 부분들이 많다는 게 현실이다. 전기자동차의 경우, 1회 충전 거리가 짧고 충전 인프라가 없으면 장거리 주행이 불가능하여 근거리에서만 사용할 수 있다.[1] 전기 자동차의 핵심은 동력원으로 이용되는 대용량 배터리와 이를 관리하는 배터리관리시스템이다. 배터리는 비선형적 특성을 가진 내부의 화학적 작용을 통해 전기 에너지를 발생시키는 메커니즘을 가지고 있으며 100년이 넘게 검증되어온 내연기관의 성능 및 안정성과 비교했을 때 많이 뒤처지고 있다. 특히 비선형적 특성으로 인한 성능 및 안정성의 불확실성은 배터리를 보수적으로 디자인하게 만들고 이로 인한 경제적 손실을 발생시킨다.[2] 이에 따른 배터리관리시스템 연구가 더욱 필요한 상황이다.
적용 분야
에너지 관리 시스템의 적용 분야로는 크게 자동차, 고정형(Stationary), 기타 분야로 구분할 수 있다. 자동차 분야는 전기자동차 등 친환경 자동차를 포함하고, 고정형 분야는 에너지 저장시스템과 텔레콤 시장으로 나뉜다. 마지막으로 기타 분야는 항공우주 및 방위장치, 휴대용 전자기기 등을 포함한다. 이 중 전기자동차와 에너지 저장시스템이 수천 개의 대용량 배터리와 연계한 고성능 배터리관리시스템이 가장 많이 사용되는 분야이다.
전기자동차
전기자동차의 주행거리 향상을 위해서는 고밀도, 고출력 배터리의 적용이 필요하다. 그러나 고밀도, 고출력 배터리는 일정 온도 이상으로 올라가면 폭발의 위험이 있다. 또한 배터리가 한계 전압을 넘었을 경우 배터리 시스템 수명에도 좋지 않은 영향을 끼친다. 이러한 사태를 예방하기 위해 배터리 관리장치인 배터리관리시스템이 필요하다. 배터리관리시스템이 전동차의 핵심부품인 이유도 이 때문이다. 현 배터리 시스템에서는 안전을 위해 배터리의 에너지를 100%가 아닌 일부 제한된 영역만을 활용하고 있다. 그런데 배터리관리시스템의 배터리 잔여량 계산이 더욱 정확해지고, 고장 진단을 통해 안전성을 확보한다면 동일한 배터리를 사용하더라도 더 많은 에너지 영역을 활용할 수 있게 된다. 이는 결국 주행거리 향상이라는 전기자동차에 있어서 필수적인 결과를 낳게 된다. 또한 배터리관리시스템의 밸런싱 기술 향상을 통하여 전기자동차의 성능을 향상시킬 수 있다. 기존에 사용하던 수동 밸런싱 방식의 경우, 밸런싱을 위해 높은 에너지를 갖는 셀의 에너지를 열로 발산함으로써 배터리 시스템의 셀 간 밸런싱을 수행하였다. 그런데 이는 주행에 에너지를 이용하는 것이 아닌 에너지 손실로 이어졌다. 하지만 능동 밸런싱 기술을 적용하면 높은 에너지를 갖는 셀의 에너지를 낮은 에너지를 갖는 셀로 이동시킴으로써 에너지를 효율적으로 사용할 수 있게 된다. 이 과정에서 주행거리가 향상되는 것이다. 디자인적인 측면에서도 배터리관리시스템을 통한 변화를 꾀할 수 있다. 현재는 주행거리 향상을 위해 전기자동차 한 대를 생산하기 위해 수많은 배터리가 사용된다. 또 이 때문에 배터리 시스템 또한 커지면서 차량 하부에 장착하는 것이 보통인데, 이는 차량의 실내 공간을 협소하게 만드는 결과를 낳는다. 하지만 배터리관리시스템의 발전을 통해 에너지 효율을 극대화하여 배터리의 수량을 줄일 수 있다면 디자인과 실내 거주성 개선까지 이를 수 있다.
자동차의 전동화는 자율주행의 관점에서도 꼭 필요한 부분이다. 예를 들어, 자동차를 가속하고 세우는 과정에서 가솔린, 디젤 등과 같은 기존의 내연기관에 비해 모터를 이용하는 것이 유리하기 때문이다. 이에 전동차를 이용한 자율주행 기술이 발전하고 있다. 배터리관리시스템은 전동차의 연료라 할 수 있는 배터리를 관리하는 기능을 한다. 자율 주행을 위해서는 배터리의 정확한 잔여량 계산을 통한 주행 가능 거리 확인을 할 수 있어야 하고, 배터리의 고장에 대한 신속한 감지 등이 필요하다. 이는 배터리관리시스템의 기술 발전을 통하여 확보할 수 있다. 이러한 관점에서 배터리관리시스템의 기술 발전이 자율주행 기술 발전과 밀접한 관련이 있다고 할 수 있다.[3]
에너지 저장시스템
일반적으로 고정형 적용 분야에서 배터리관리시스템의 사용은 다소 제한적이다. 대부분의 시간 동안은 작동되지 않다가 응급상황에서만 사용되기 때문이다. 이 분야에서 배터리관리시스템의 핵심 역할은 배터리를 상시 체크함으로써 정전이 일어났을 때 배터리가 안정적 상태를 유지하며 전력을 공급할 수 있는지 관리하는 것이다. 이 분야에서 배터리관리시스템은 전력망에 활용될 수 있는 에너지 저장 시스템과 텔레콤 두 분야로 구분할 수 있다. 이는 자동차 분야에 이어 두 번째로 큰 시장이다. 전력 수급 불균형을 해소하는 일환으로 기존 공급자 중심의 전력망 체계에서 수요자 중심의 스마트그리드로 패러다임이 변화하면서 배터리관리시스템은 최근 주파수 조정, 신재생에너지 연계, 수요관리 등 다양한 분야에 활용되고 있다. 배터리관리시스템은 전력 계통에서 에너지 저장 및 백업에 사용되는 배터리 뱅크의 충·방전을 관리하며, 태양광이나 풍력발전에서 전력저장장치용 배터리 관리에 사용되고 있다. 신재생에너지 통합은 중·장기적으로 고정형 적용 분야에서 배터리관리시스템 수요를 이끌 것으로 전망된다.[4] 세계 에너지 저장시스템 시장은 2016년 15 킬로와트시(GWh)에서 2025년 140 킬로와트시로 연평균 28% 성장할 전망이다.
구성
배터리관리시스템은 배터리 모듈과 합쳐져 배터리 팩이 된다. 일반적으로 전기자동차 배터리는 셀(Cell), 모듈(Module), 팩(Pack)으로 구성된다. 수많은 배터리 셀을 안전하게 그리고 효율적으로 관리하기 위해 모듈과 팩이라는 형태를 거쳐 전기자동차에 탑재하는 것이다.[5] 셀, 모듈, 팩은 쉽게 배터리를 모으는 단위로 생각하면 된다. 배터리 셀을 여러 개 묶어서 모듈을 만들고, 모듈을 여러 개 묶어서 팩을 만드는 것이다. 전기자동차에는 최종적으로 배터리가 하나의 팩 형태로 들어가게 된다. 먼저 배터리의 기본이 되는 셀은 자동차 내 제한된 공간에서 최대한의 성능을 발현할 수 있도록 단위 부피당 높은 용량을 지녀야 하고, 일반 모바일 기기용 배터리에 비해 훨씬 긴 수명이 필요하다.[6] 또한, 주행 중에 전달되는 충격을 견디고, 저온과 고온 모두에서 끄떡없을 만큼 높은 신뢰성과 안정성을 지녀야 한다. 여러 개의 셀은 열과 진동 등 외부 충격에서 좀 더 보호될 수 있도록 하나로 묶어 프레임에 넣게 되는데, 이 상태를 모듈이라고 부른다.[7] 그리고 모듈 여러 개를 모아 배터리의 온도나 전압 등을 관리해 주는 배터리관리시스템과 냉각장치 등을 추가한 것이 배터리 팩이다. 이런 방식으로 전기자동차에는 배터리 셀 여러 개가 하나의 팩 형태로 들어가는 것이다. 이를 정리하면 다음과 같다.
- 배터리 셀(cell) : 전기에너지를 충전, 방전해 사용할 수 있는 리튬이온 배터리의 기본단위이다. 양극, 음극, 분리막, 전해액을 사각형의 알루미늄 케이스에 넣어 만든다.
- 배터리 모듈(module) : 배터리 셀을 외부충격과 열, 진동 등으로 보호하기 위해 일정한 개수로 묶어 프레임에 넣은 배터리 조립체이다.[8]
- 배터리 팩(pack) : 전기자동차에 장착되는 배터리 시스템의 최종형태이다. 배터리 모듈에 배터리관리시스템, 냉각시스템 등 각종 제어 및 보호 시스템을 장착하여 완성된다.[9]
배터리관리시스템은 배터리관리시스템, 자동차 전자제어장치(ECU) 본체와 셀 모듈 부분으로 구성되어 있다. 이는 절연형 CAN을 통해 서로서로 접속되어 있으며 각 셀 모듈은 셀 스택(Cell Stack)에 접속되어 있다. 이때 셀 스택은 모든 단일 배터리의 서브 스택이다. 또한 셀 모듈은 개개의 단위 셀의 전압을 계측해서 필요에 따라 방전을 개시한다. 배터리관리시스템의 기능을 지원하는 소프트웨어에는 전압, 전류, 온도 등을 계측하는 계측 알고리즘, 충전량 계산(SOC), 수명 예측(SOH), 셀 밸런싱 알고리즘, 온도 관리, 진단 알고리즘, 방호 알고리즘과 차량 내 통신 등이 있다. 배터리관리시스템의 하드웨어적인 구성에는 전압, 전류, 온도를 측정하는 VITM 모듈, 셀 밸런싱 모듈 등으로 구성되어 있다. 배터리관리시스템의 제품분류 관점의 범위는 다음과 같다.
BMS 제품분류 관점의 범위 분야 세부 제품 및 기술 하드웨어 - VITM (전압, 전류, 온도 계측) 모듈
- 셀 밸런싱 모듈
- 방호 (회로차단기, 퓨즈, 리플레이, 접촉기, FET 등) 모듈
- 마이크로프로세서 (Micro Processor)
소프트웨어 - 전압, 전류, 온도 등을 계측하는 계측 알고리즘 (Measuring algorithm for voltage, current and temperature)
- 충전량 계산 (SOC : Stage of Charge calculation)
- 수명 예측 (SOH : Stage of Health estimation)
- 충전/방전 출력 예측 (Charge/Discharge Power estimation)
- 셀 밸런싱 알고리즘 (Cell Balancing algorithm)
- 온도 관리 (Thermal Management)
- 진단 알고리즘(Diagnostic algorithm)/방호 알고리즘(Protection algorithm)
- 차량 내 통신(Communication with vehicle)[10]
배터리 셀 간의 전압 차이에 대한 제어 방법은 특정 셀 군의 전압이 높은 것을 검출하게 되면 에이식(ASIC)의 온 칩 회로가 작동해서 특정 셀 군을 외부저항 회로망에 접속한다. 선택된 셀 군이 어느 정도 방전하게 되면 전압 차가 줄어들게 된다. 수동 셀 밸런스(Passive cell balance) 방식은 신뢰성이 높고 비용이 적게 드는 방법이지만, 방전 저항 내에서 에너지가 열로 손실되기 때문에 효율이 떨어진다. 반면에 능동 셀 밸런스(Active cell balance) 방식은 전압이 가장 높은 셀로부터 전하를 받아 축적해서 전압이 가장 낮은 셀로 재분배한다. 전하의 축적과 재분배에는 콘덴서, 인덕터, 트랜스를 사용해서 셀을 순차적으로 변경하며 상황에 따라 전하를 축적하고 방전 또는 재분배하게 되어있다. 이 방식은 수동 셀 밸런스 방식에 비해 에너지 보존 면에서 우수하여 효율적이지만 시스템의 비용이 많이 들고 복잡하다는 단점이 있다.
전기자동차는 일반 내연기관 자동차와 달리 배터리, 인버터와 컨버터, 전기모터, 배터리관리시스템 등으로 구성하고 있다. 배터리는 재충전이 가능한 2차전지가 이용되며, 전기 자동차의 성능 및 가격에 가장 큰 영향을 미친다.[11] 전기모터는 배터리를 통해 구동력을 발생시키며, 인버터와 컨버터는 직류와 교류를 변화시키는 역할을 한다. 배터리는 배터리 셀, 모듈 배터리관리시스템, 냉각장치로 구성되어 있다. 배터리 셀이 모여 모듈이 되고, 모듈이 모여 최종 배터리 팩을 구성한다. 배터리 셀은 양극, 음극, 전해액, 분리막, 덮개로 구성되어 있다. 양극은 외부도선으로부터 전자를 받아 양극활물질이 환원되어 리튬이 이온화하는 부품을 말하며 음극은 음극활물질이 산화되면서 도선으로 전자를 방출하는 전극을 말한다. 전해액은 리튬이온이 양극과 음극 사이를 오갈 수 있도록 해주는 물질이며 분리막은 양극과 음극의 전기적 접촉을 막는 다공성 막이다. 배터리 팩에는 배터리의 상태를 측정하고 통제하는 배터리관리시스템과 냉각장치가 부착되어 있다.
전기자동차의 배터리관리시스템에서 중요한 것은 통신과 제어이다. 개개의 리튬이온 배터리 셀은 복잡한 알고리즘에 의해 관리되고 있다. 배터리 팩은 배터리 인터페이스 제어 모듈 내의 각 측정 서브시스템을 감시하고 있다. 배터리 전체에 걸쳐 꼭 필요한 데이터는 CAN 버스(bus) 신호와 고전압 고장 신호에 포함되어 있다. 시스템의 안전성과 신뢰성은 CAN 버스 네트워크를 어떻게 하면 고전압 측정회로로부터 확실하게 절연하느냐에 달려 있다.[2] 절연에는 여러 가지 방법이 있지만 가혹한 환경과 복수의 안전규제를 고려했을 때 광 커플러가 가장 적합하다. 광 커플러는 일반적인 노이즈에 강한 내성을 가지고 있어서 자동차와 같은 전기적인 노이즈가 많은 환경에서도 기본적인 EMC나 EMI의 문제가 발생하지 않는다. 다층구조의 절연을 하였기 때문에 배터리 팩으로부터의 직류 전압 스트레스에 장시간 노출되어도 문제가 없다. 각종 시험이나 충전기의 탈착, DC-DC변환에 따른 고속, 고전압의 과도한 전압 변동에도 변화가 없다.[1]
기능
배터리관리시스템은 전기자동차에 적용되는 배터리는 전기적인 에너지를 저장하고 필요 시 방전 과정을 통해서 차량의 동력원으로 사용될 수 있도록 하며, 제동 시 버려지는 에너지를 전기에너지로 회생하여 저장하는 역할을 담당한다. 전기자동차의 구동에 따른 다양한 에너지 흐름을 효과적으로 사용될 수 있도록 시스템화한 것이다. 전기자동차에서 배터리관리시스템은 배터리의 냉각성능을 제어하고 차량운행에 필요한 배터리의 충전상태, 최대 충전 및 방전 파워, 각종 경고 및 결함에 의한 정보를 실시간으로 관리하고 통제하여 배터리의 최적 동작환경을 조성하는 것이 주된 목적이다. 뿐만 아니라 배터리의 충방전 동작 시 과충전 및 과방전 등과 같은 배터리에 손상을 줄 수 있는 상황을 미연에 방지하여 배터리의 수명을 연장시키는 기능도 담당하며 배터리로부터 수집된 다양한 정보를 이용하여 배터리 정보를 제공하는 것도 담당한다. 배터리관리시스템의 초기 운영조건은 단순히 배터리의 전압과 전류에 의한 경험적 운영으로 배터리 보호와 효율적 운영은 기대하기 어려웠으나 최근에 소개되는 배터리관리시스템은 이러한 문제점을 해결하기 위해 배터리 각 셀의 전압, 온도 및 전체 전압과 전류 등을 모니터링하여 분석 효율적으로 배터리를 관리할 수 있는 알고리즘을 제공하여 배터리를 보호하고 수명을 연장할 수 있도록 도와준다.[1] 배터리관리시스템은 핵심 기능은 1) 셀 전압의 정밀한 측정 2) 배터리 상태의 정확한 예측 3) 배터리 균일성 및 동등화방법 4) 배터리 결함 진단으로 나뉠 수 있다.
배터리 셀 전압 측정
전기자동차용 배터리 팩은 수백 개의 셀이 직렬로 연결되어 있기 때문에 전압측정 방법에 따라 누적 전압이 달라질 수 있음으로 이를 제거하거나 보상하는 것이 거의 불가능하고 회로 측정 설계가 대단히 어렵다. 배터리 전압측정을 정밀하게 하려면 각각의 셀 전압을 정확히 측정해야 한다.[12]
배터리 상태 예측
배터리 상태는 충전상태(SOC), 건강상태(SOH) 및 기능상태(SOF)와 이들 사이의 상관관계를 의미한다. 배터리 잔존수명은 예상 사용수명과 결함진단결과 출력에 의해 결정되고, 배터리 기능상태는 시효 효과의 영향, 충전상태의 범위, 온도범위 및 결함 수준을 고려하여 결정된다.
- 충전상태 예측 알고리즘
충전상태(SOC; State Of Charge)는 표준상태에서 충전할 경우 총충전량 대비 배터리에 남아있는 충전량의 비율을 의미한다. 충전상태는 보통 퍼센트(%)로 표시한다. 100%는 최대 충전 상태이고 0%는 최대 방전 상태를 의미하며, 다음과 같은 방법에 의해 배터리의 충전상태를 예측한다.
- 방전 시험방법 : 지정된 방전율과 주위 온도 조건과 같이 제한된 조건으로 실제 방전 시험을 실시하는 가장 신뢰성 있는 방법이다.
- 암페어-시간 적분법 : 초기 충전상태 값이 정확할 경우 암페어와 시간을 적분하는 가장 단순하고 일반적인 방법이다.
- 개방 회로 전압 방법 : 배터리 사용을 중지한 상태에서 개방회로 전압을 측정하여 정밀하게 충전상태를 예측하는데 방법이다.
- 배터리 모델 기반 충전상태예측 방법 : 운행 중인 차량에서 등가회로 또는 전기화학적 배터리 모델을 사용하여 개방회로전압(OCV)을 온라인 예측하는 방법이다.
- 신경 네트워크 모델 방법 : 신경 네트워크의 비선형 매핑특성을 사용하고, 네트워크를 학습하는 방법에 의해 충전상태를 예측한다.
- 퍼지논리 방법 : 퍼지논리를 사용하여 인간의 퍼지사고를 시뮬레이션하는 것으로서, 시험결과 곡선, 경험 및 신뢰성 있는 퍼지논리 이론에 바탕을 두고 충전상태를 예측한다.
- 배터리 성능에 기반을 둔 충전상태 예측방법 : 교류 임피던스 방법 또는 직류 내부 저항 방법에 따라 충전상태를 예측하는 방법이다.
- 건강상태 예측 알고리즘
배터리 건전성을 예측할 수 있는 건강상태(SOH; state of health)는 배터리의 이상적인 상태를 기준으로 배터리의 현재 상태를 비교하여 그 값을 퍼센트로 나타낸다. 건강상태는 용량과 초기 저항에 의해 도출하거나, 또는 AC 임피던스, 자기 방전율 및 출력밀도에 의해 도출할 수도 있다.
- 내구성모델 기반 개방루프 예측방법 : 배터리 내구성모델에 기반을 두고 용량 감소와 내부저항 변화를 예측하는 방법이다.
- 배터리모델 기반 변수식별 폐쇄 루프 예측방법 : 배터리 모델을 기반으로 최소자승법, 칼만(Kalman filtering) 알고리즘 등 최적상태 예측기법을 사용하여 배터리 건강상태를 예측한다.
- 기능상태 예측 알고리즘
건강상태는 현재 배터리가 새로운 배터리와 얼마나 다른지를 나타내는데, 기능상태(SOF; State of Function)는 배터리를 사용하는 도중에 배터리 성능이 실제 요구조건에 얼마나 부합되고 있는지를 나타낸다.
- 에너지 저장에 사용되는 배터리의 경우, 기능상태는 배터리에 저장할 수 있는 최대 에너지 대비 잔류하고 있는 가용 에너지의 비율로 정의한다. 따라서 전기자동차에 사용되는 배터리에 잔류하고 있는 전기적 에너지에 의해 운행할 수 있는 거리를 예측할 수 있다.
- 전력 공급이 요구되는 시스템에 사용하는 배터리의 경우, 기능상태는 배터리가 전력 수요를 얼마나 만족할 수 있는지를 의미하므로 기능상태는 긍정/부정의 논리적 변수 즉 1 또는 0으로 표현한다.
- 단일 셀의 기능상태는 그 셀의 충전상태와 건강상태를 알고 있다면 쉽게 결정할 수 있다. 배터리 모듈의 경우에는 셀 모델로부터 배터리 모듈의 모델을 만들어 기능상태의 값을 구한다.[12]
배터리 균일성 및 동등화
배터리 팩은 같은 사양 및 같은 형태의 배터리를 적층하여 생산하지만 각 셀의 특성이 서로 다르기 때문에 배터리 균일성이 중요하다. 이때 고려할 셀의 특성은 전압, 충전상태, 용량, 용량 소모율, 내부 저항 및 변화율, 배터리 수명, 자기 방전율 및 시간 변화율 등이 있다. 배터리 제조환경이 열악하거나 수동 생산라인의 경우 각 셀 간의 특성에 더욱 큰 차이가 생기게 된다. 자기방전 또는 쿨롱효과의 불균일성 때문에 생기는 배터리 잔류용량의 불균일성을 보상하기 위해 동등화 작업이 필요하다. 배터리 동등화 방법은 화학적 동등화 방법과 물리적 동등화 방법의 두 가지를 사용한다.[12]
배터리 결함 진단
결함 진단은 배터리 안전을 보장하는데 필수적인 기술이다. 1995년 IEC가 제정한 배터리관리시스템 규정에 의하면 전기자동차용 배터리관리시스템은 배터리 건전성이 훼손되었을 때 이를 사전에 경고하고, 배터리 성능이 약화된 정보를 제공하는 등 배터리 결함진단 기능을 가져야 한다고 정하였다. 중국에서도 26개의 결함 진단항목을 포함한 배터리 결함진단 기능을 가진 배터리관리시스템을 규정하고 있다. 최근 결함 진단 기술은 진단 대상기기의 작동 원리를 바탕으로 컴퓨터 네트워크, 데이터베이스, 제어이론, 인공지능 및 기타 기술과 접목하고, 공정변수 예측과 상태예측 및 다른 경험적 예측방법을 동원하여 더욱 완전한 운영체제로 발전하고 있다. 현재 개발 단계에 있는 지능형 결함진단 시스템은 전문가 시스템을 사용하고, 지식기반, 추론 엔진, 인터프리터(interpreter), 인간-기계 접속기, 복합 데이터베이스 등으로 구성된다. 전문가 진단시스템을 통하여 배터리 건전성을 조기에 진단할 수 있다.[12]
요구사항
배터리는 가격, 신뢰성, 안전을 포함해 광범위한 우선순위를 고려해야 하므로 설계에 있어 상당한 부담이 된다. 48V ~ 800V까지 공급하는 EV 시스템을 다룰 때 어떤 것도 위험에 빠뜨릴 수 없기 때문이다. 페달을 밟으면 100kw 이상의 에너지를 공급하도록 기대되는 배터리 시스템은 수백 볼트의 고전압에서 효율적으로 동작해야 한다. 하지만 리튬 배터리 셀은 단지 몇 볼트만 공급한다. 충분한 전력을 끌어내기 위해서는 많은 수의 리튬 배터리 셀을 하나의 긴 스택으로 직렬 연결해야 한다. 일반적인 EV는 100개의 개별 배터리 셀을 탑재하고 스택의 상단에서 350V를 공급한다. 여기에는 몇 가지 까다로운 문제가 있다. 만약 긴 배터리 셀 스택에서 하나의 셀이 죽으면, 사실상 모든 셀을 잃게 된다. 따라서 자동차 수명 동안 매일 모든 셀을 충전하고 방전하면서 모니터링하고 관리해야 한다. 리튬 배터리 셀은 최대 충/방전 제한 범위까지 동작할 수 없다. 리튬 배터리 셀은 15 ~ 85%와 같이 특정 범위 내에서 유지되어야 하며, 그렇지 않을 경우 셀 성능은 약화된다.[13]
ISO 26262 기능안전성 표준의 범위 내에서 배터리관리시스템과 같은 특정 전기 및 전자 시스템은 상위 안전 범주 ASIL C~ASIL D에 들어간다. 이는 오류 검출 비율이 최소 97~99%임을 의미한다. 배터리 시스템에서 가장 위험한 오류의 원인이 되는 문제들은 낡아서 해진 케이블 또는 사고의 영향으로 자동차 섀시에 존재하는 검출되지 않은 이상 고전압으로부터 발생하는 위험과 고전압 배터리의 화재 또는 폭발에서 오는 위험이다. 이러한 고전압 배터리의 원인으로는, 예를 들어 공중망에서 또는 에너지 복원으로 인한 배터리 과충전, 폭발성 기체의 유출 등으로 인한 배터리의 조기 노후화, 빗물 등에 의한 잘못된 액체 유입 및 단락 회로, 잘못된 수리와 같은 오용, 그리고 냉각이 제대로 이루어지지 않는 열관리 오류 등이다. 안전과 관련해 주 스위치는 고전압 관련 사고를 방지하고 배터리관리시스템 전자장치가 적절한 오류 반응을 하도록 보장하는 데 중요한 역할을 한다. 오류가 발생하면 스위치는 배터리관리시스템 모듈에 의해 적절한 오류 반응 시간 내에 개방되어야 한다. 비교적 위협적이지 않은 오류 안전 조건은 배터리관리시스템 마이크로컨트롤러(MCU)에 장애가 발생하는 경우, 컨트롤러 로직이 완전히 잘못된 경우에도 윈도 워치독과 같은 독립적인 외부 안전 소자가 주 스위치 릴레이로 하여금 안전하게 인버터에 대한 고전압 접점 두 군데(플러스/마이너스)를 모두 개방하는 것을 보장한다는 특징을 갖는다. 배터리관리시스템에는 누설전류 모니터링, 주 스위치 릴레이 모니터링과 같은 다른 안전 기능도 포함돼 있다.[14]
사례
테슬라
테슬라(Tesla)는 전 세계 전기자동차 판매량 1위를 차지하고 있는 미국의 기업이다. 테슬라 이전에도 전기자동차는 존재했으나, 실제 생활에서 탈 수 있는 전기자동차가 존재하지 않았다. 테슬라가 첫 모델로 2008년 3월에 로드스터(Roadster)를 출시하고 2012년 6월에 모델S를 내놓기 전까지 전기자동차란 골프용 카트처럼 레저 용도로 사용되는 부수적 이동수단에 불과했다. 문제는 바로 배터리였다. 바로 전기를 공급해줄 마땅한 배터리가 쉽게 개발되지 못했다. 원통형 배터리가 이미 존재했고 대량 생산을 통해 단가를 낮출 수 있었지만 특유의 불안정성이 문제가 되었다. 가열된 배터리가 폭발할 위험성이 존재했기 때문이다. 전기자동차 주류시장의 대안으로 고려되지 못했던 것은 배터리 용량의 문제 때문이었고 자동차 제조자의 입장에서 전기자동차를 개발하는 데 딜레마가 있었다.
배터리 용량이 부족하여 주행거리의 제한이 생기면, 높은 가격을 받을 수 없게 되어 소형차로 새로운 모델을 출시한다. 하지만 소형차는 배터리를 많이 장착할 수 없음으로 배터리 용량의 문제가 커진다. 이러한 상황에서 배터리 문제의 해결책을 찾고자 했지만 문제가 해결되지 않아 문제들이 악순환되는 것이다. 이런 문제를 직면한 당사자가 기존의 자동차 제조업 운영자라면 자동차 산업의 관행상 배터리 용량을 늘린 새로운 배터리를 개발하거나, 그런 배터리가 전문업체로부터 출시되기를 기다렸을 것이다. 하지만 테슬라의 일론 머스크(Elon Musk)는 전기자동차의 문제를 해결하기 위해서 자동차가 아니라 IT를, 제조업이 아니라 서비스업을 고민했다.
배터리 문제의 해결책으로 테슬라는 고밀도 배터리를 활용하는 방식이 아니라 '18650 전지'라고도 불리는 기존의 원통형 리튬-이온 전지(LIB, Lithium-ion battery) 약 6천 개를 이용하는 방식에 대해 고민했다. 18650 전지는 실생활에서 널리 사용되는 전지라 기존 배터리 생산설비를 조금만 바꾸고도 생산할 수 있었기 때문에 생산비를 감축시킬 수 있었고, 생산 시간과 원가가 낮은 편이며 불량률이 낮아 안정적 조달이 가능하다는 장점이 있었다. 단 6천 개의 전지를 병렬연결함으로 인해 치솟는 안전 문제, 화제 문제의 가능성을 낮추는 것이 필수 해결과제였는데 IT 기술을 활용해서 혁신적인 배터리관리시스템을 구축함으로써 과제를 해결하고자 했다. 즉 전지 6천 개의 상태를 실시간으로 점검하여 이상이 감지되는 경우 1,000분의 1초 이내로 해결하는 기술을 개발해 배터리 문제를 해결했다.
약 6천 개의 원통형 배터리가 사용된 모델S의 경우, 확률적으로 이들 중 하나라도 문제를 일으키지 않는 것이 오히려 이상한 일이었다. 그런데 진보된 센서 기술과 IT 기술의 발달로 인해 테슬라의 배터리관리시스템이 이들 배터리들을 안전하게 유지하고 동장시킬 수 있게 했다. 센서를 통해 정보를 취합하고 상황을 판단하여 제어하는 일은 배터리관리시스템의 요체다. 그리고 이는 자율주행차가 동작하는 원리와도 비슷하다. 이러한 것들이 지금까지 실현되지 못한 이유는 처리할 정보와 제어할 자동차의 요소들이 너무나 많고 복잡하기 때문이었다. 이 문제 또한 전기자동차 배터리와 자율주행차 양쪽 모두에서 공히 해결되지 못한 본질적인 문제였다. 하지만 기술이 발달하며 컴퓨팅에 소요되는 비용이 기하급수적으로 줄고 반대로 IT가 처리할 수 있는 정보와 제어할 수 있는 능력이 기하급수적으로 증대되면서 이토록 복잡한 문제로 여겨지던 것들이 해결가능한 문제로 전환되었다.[15]
테슬라와 비교할만한 고급 차종의 브랜드는 자사 엔진 기술에 대한 과신으로 전기자동차 진입이 늦었다. 테슬라 성능의 우수한 핵심은 배터리관리시스템인데, 전기자동차만 10년 이상 만들고 판매하면서 실제 주행 경험에서 쌓인 노하우를 바탕으로 배터리관리시스템과 파워트레인 등을 계속 개선해가고 있다. 2019년 테슬라는 오버더에어(over-the-air) 업데이트를 통해 모든 테슬라 차량의 주행거리를 10퍼센트 늘렸다. 기존 판매된 차량에 대해서도 소프트웨어 업데이트만으로 성능 향상을 가져와 고객들의 만족도도 매우 높다. 이러한 경험은 OEM에서 기대하기 힘들다. 과거 자동차 생산 경험 부족으로 센터페시아와 칵핏 마감 등 디테일이 다소 미흡했으나 현재는 상향평준화되었고, 내장재, 마감 등 제조 관련된 이슈는 이미 완전히 해결했다고 평가받기도 한다.[16] 
테슬라에 대해 자세히 보기
블록체인 기반의 전기자동차 BMS
제주도가 블록체인을 기반으로 한 전기자동차 배터리관리시스템을 구축한다.[17] 2020년 5월 25일, 제주도는 과학기술정보통신부·한국인터넷진흥원에서 주관한 ‘블록체인 기반 공공선도 시범 공모사업’에 선정됨에 따라 자동차 배터리관리시스템을 구축하고 연말에는 전기자동차를 대상으로 실증할 계획이라고 밝혔다.[18] 제주는 국내 최대의 전기자동차 보유와 충전 인프라를 기반으로 전기자동차 충전서비스 규제자유특구로 지정되었으며, 국내 최초로 유일하게 배터리 산업화센터가 건립되어 운영되고 있어 전기차 배터리에 대한 연구 및 실증, 산업화에 최적화되어있다.[19] 전기자동차 선행 보급에 따른 경험과 기술을 바탕으로 제주 전기자동차 충전서비스 규제자유특구로 지정됨에 따라 전기자동차 충전 서비스에 대한 특례를 적용한 후, 배터리 재사용 영역으로 확장 기반을 마련하고자 한다.[20] 제주에는 국내 최초로 배터리 산업화센터가 건립되어 실제 배터리 입고 및 검사, 보급 등 전 과정을 수행하고 에너지 저장시스템 실증사업을 추진하고 있어 전국적으로 관련 산업에 가장 주도적인 역할을 수행할 수 있을 것으로 보인다. 실제로 제주는 이미 2019년 블록체인 기반 폐배터리 유통이력 관리 시스템을 구축하여 시범사업을 통한 데이터 축척 및 플랫폼을 완성한 바 있다.
제주도 내의 블록체인 기반 전기자동차 배터리 라이프사이클 관리 시스템 구축의 필요성은 여섯 가지로 요약될 수 있다.[21] 첫 번째는 배터리 전주기 관리이다. 사용 후 배터리의 재사용성 증대 및 높은 잔존가치를 보유한 배터리를 유통할 수 있도록 운행 중인 차량의 배터리에 대한 상태 관리가 필요하다. 먼저 폐기 전 배터리의 데이터 수집이 필요한데, 전기자동차의 배터리는 최초 출고 이후 다양한 환경에서 충전·방전을 거듭하며 사용되다가 폐차 후 자동차 배터리로서의 수명이 종료되면, 2019년 시범사업의 관리 범위인 폐배터리 유통이력 관리 시스템의 영역에 들어오게 된다. 배터리 잔존가치 및 안전성 판단 기준을 획기적으로 제고하기 위해서는 실제 자동차 배터리로 실 사용 중인 시점부터의 배터리 사용 이력을 관리해야 연관관계 습득이 가능하므로 관리 범위에 대한 전방 확대가 필요하다. 따라서 사용 후 배터리에 미치는 영향을 분석하여, 배터리의 건강 상태를 높여주는, 즉 환경에 도움이 되는 충전 습관으로서 캠페인을 진행한다. 전기자동차의 배터리는 내연기관의 엔진에 해당하며, 내연기관의 경우 급가속·급출발 등 안 좋은 운전 습관이 엔진의 성능과 내구성에 악영향을 미치듯, 운전 습관과 충전 습관 및 주 운행 경로에 따라 배터리의 성능과 내구성에 영향을 미친다. 사용 후 배터리의 재사용률 제고 및 고등급 양질의 배터리 재사용률을 근본적으로 노이기 위해서는 사용 중인 배터리에서부터 상태 관리가 필요하다.
두 번째는 에너지 저장시스템 모니터링이다. 재사용 배터리 에너지 저장시스템 유통 이후 단계에서의 배터리 상태 모니터링 및 향후 에너지 저장시스템 성능 증대를 위한 데이터 수집이 필요하다. 재사용 배터리를 UPS나 에너지 저장시스템 등으로 활용하여 사용 시, 배터리의 상태나 주변 환경의 영향에 따라 실제 사용 가능 기간이 결정되며 배터리 과충전·과방전으로 인한 배터리 오동작 가능성 모니터링이 필요하다. ROLA망 등 저전력 저비용 방법으로 데이터를 주기적으로 무선 송출하여 예상 열화 진행 상태(SOH) 대비 실데이터 발생간 차이를 분석하고 예상 모델을 고도화할 수 있다. 여러 재사용품의 주기적인 데이터를 빅데이터화하여 배터리 사용에 대한 성능 하락 분석 및 이상 현상 사전 감지에 활용할 수 있다. 세 번째로는 위·변조 방지를 위해서이다. 전기자동차 배터리에 대한 전 생애주기 상에서 데이터 위·변조 방지가 필요하다. 블록체인 기반 전기자동차 배터리 라이프사이클 관리 시스템은 불법적으로 개조된 자동차에서의 불량 배터리 사용 및 유통 근절 기능을 포함하게 된다. 이를 통해 중고차 거래 시, 배터리 상태에 대한 위·변조를 방지하고, 재사용 에너지 저장시스템의 불볍 유통 및 개조 등을 사전에 차단할 수 있다.
세 번째는 배터리 표준을 확립하기 위해서이다. 에너지 저장시스템 실증 데이터를 통해 중고 배터리에 대한 표준 확립이 필요하다. 국가기술표준원 노드를 통해 표준모델 및 기초 데이터의 신속 확인이 가능하고, 중고 배터리 표준을 수립함으로써 전기자동차 중고거래 시장 및 중고 배터리, 에너지 저장시스템 유통 등 관련 산업 활성화 기반을 마련할 수 있다. 네 번째는 지역 내 확장이다. 탄소포인트 및 전기자동차 충전 결제, 관광객 할인 등 지역 내 도입 검토 중인 다양한 토큰과 연계하여 토큰 이코노미를 구현할 수 있다. 사용 에너지 저장시스템 및 보유 차량의 배터리 정보 제공에 대한 보상으로 토큰 지급을 통해 배터리 수거 전부터 차량 배터리 상태정보까지 관리가 가능하다. 전기자동차 자동차 정비업체, 중고거래시장 등에 보급되는 간이 검사기를 통해 정보 확보를 할 수 있게 된다. 마지막으로 전국 확산의 측면에서 필요성이 두드러진다. 2019년도 시범사업으로 구축된 제주 폐배터리 유통이력 관리 시스템 플랫폼 기반 하에 각 지자체를 채널로 구성하여 확대하고 지역 내 산업화센터 및 보급업체 등을 노드로 추가하여 전국 플랫폼화에 적용할 수 있다. 2019년 11월 기준 당시 추진 중인 배터리 산업화센터와 2020년 추진계획인 전국에 구축되는 전기자동차 폐배터리 재활용센터를 대상으로 채널 및 노드로 참여한다. 이를 통한 기대효과로 시스템 구축 비용이 절감되고, 전국적인 유통망으로 확장될 수 있다는 것이다. 지역별 데이터는 블록체인의 멀티채널 기능 및 오프체인 기능을 이용하여 효과적인 데이터 관리를 통해 전국으로의 확장이 가능하다.
해당 사업의 경제적 파급효과는 양질의 재사용 배터리 보급에 따른 에너지 저장시스템 도입 시 비용 절감에 기여할 수 있다는 것이다. 발생 예상 모듈 기준으로 산정 시 2025년까지 잠재적으로 초대 약 900mwh 이상의 전력량 활용이 가능하며, 일반 가정용 에너지 저장시스템(2kwh)로 보급 시 누적 기준 약 30만 가구에 보급할 수 있다. 제주도 인구 통계에 따르면 2019년 10월 기준 총 인구는 69만 명, 가구 수는 29만 가구로, 도내 모든 가정에 보급 가능한 수준이다. 산업적 파급효과는 재사용 배터리를 보다 경제적인 재사용 에너지 저장시스템로 보급하여 에너지 저장시스템 산업과 재활용 배터리 산업 활성화에 기여할 수 있다. 또한 전기자동차 배터리 전 생애주기에 대한 재사용 프로세스를 표준화할 수 있다. 전기자동차에 대한 운행 가이드라인 미비 및 건강한 전기자동차 배터리 상태를 유지하기 위한 충방전에 대한 기준 부재로 내연기관과 다를 바 없는 운행을 하고 있으며, 일반 전자제품 배터리 충전 기준을 준용하고 있다. 전기자동차 배터리 전 생애주기 동안의 데이터를 축적하고 향후 민간과 협력하여 유의미한 인과 관계와 기준을 수립하기 위한 빅데이터를 수집하여 전기자동차 시대에 맞는 운행 및 충방전 가이드라인 등 제도를 마련한다. 전 세계적으로 전기자동차 시장의 확장과 사용 후 배터리에 대한 산업에 확대됨에 따라 배터리 전 생애주기 관리 모델을 성공적으로 구현하여 글로벌 시장에서 세컨드 라이프 배터리 산업을 선도하는 대한민국을 실현하고자 한다.
사회적 파급효과는 공공서비스의 편의성과 국민 참여를 확대할 수 있다는 것이다. 시범사업 시, 일반 승용차 기준의 배터리 상태 관리를 실증하고 이후 전기자동차를 보유하고 있는 일반 국민이 데이터 제공 대가로 향후 전기자동차 충전 시 사용될 수 있는 그린 토큰 등으로 보상하는 구조를 적용함으로써 직접 참여하게 되어 국민이 데이터를 제공하고 국민이 그 결과의 공공 편의성을 누리는 혁신적인 공공서비스를 제공하고자 한다. 이미 구축된 사용 후 배터리만이 아닌 전 생애주기에 걸쳐 데이터 무결성과 위·변조 불가의 블록체인 서비스를 투명하게 공개하여 국민 인식을 제고하고 신뢰 사회를 구현하고자 한다. 재활용보다 재사용을 통한 가치를 최대화할 수 있다는 것도 하나의 사회적 파급효과이다. 해당 사업은 폐기물이 발생할 수밖에 없는 재활용보다 재사용률을 높이기 위한 시스템 구축으로 CFI 2030 달성을 위한 제주특별자치도의 정책과 일치한다.
관련 기업
㈜엘지화학
국내 ㈜엘지화학이 개발한 에너지 저장시스템의 리튬이온전지는 스택(stack) 기술과 폴딩(folding) 기술을 적용해 고에너지 밀도를 구현하고 소형화가 가능하고, 잦은 충방전에도 안정적인 구조를 유지해 수명이 긴 것이 특징이다. ㈜엘지화학은 2015년에 에너지 저장시스템 분야 세계 1위 업체인 미국 AES에너지스토리지(AES Energy Storage)와 기가와트시 규모의 배터리 공급계약을 체결한 바 있는데 AES에너지스토리지가 2020년까지 전 세계 구축하는 전력망용 에너지 저장시스템 프로젝트에 ㈜엘지화학 배터리를 사용하는 내용이다. ㈜엘지화학이 등록한 ‘리튬 이온 폴리머 셀 디가스 시스템 및 리튬 이온 폴리머 배터리 제조 방법(System For Lithium-Ion Polymer Cell Degas And Manufacturing Method)’ 특허는 리튬 이온 폴리머 셀 내부의 가스를 제거하기 위한 시스템으로, 전체 리튬 이온 폴리머 셀에 대해 전해액 유출량을 실시간 확인 및 자동 관리할 수 있어 불량 시 조기 조치할 수 있다. 또 리튬 이온 폴리머 배터리 수명도를 균일하게 관리할 수 있다. 리튬 이온 전지에서 충전 전류가 크면, 전해액 중의 리튬 금속이 전지의 전극 표면에 퇴적되어 전극 열화를 초래한다. 또한 전지 중의 정극 및 부극이 리튬 금속을 통해 접촉해 내부 단락이 발생 될 수 있다.[22] 한편 ㈜엘지화학이 2016년 차량용 전장부품 소프트웨어(SW) 개발 프로세스 평가 모델 오토모티브 스파이스(ASPICE; Automotive Software Process Improvement & Capability dEtermination)’의 ‘레벨3’ 인증을 획득했다.[23] 오토모티브 스파이스는 유럽의 완성차 업체들이 부품회사를 대상으로 설계, 검증, 관리 등 15개 영역의 역량을 심사하고, 개발 프로세스 및 품질 능력을 평가하기 위해 만든 국제 인증 모델이다.[24] 특히 ㈜엘지화학은 차량에 필요한 다양한 전장부품 중 전기자동차 구동을 위한 배터리관리시스템 분야에서 해당 인증을 획득했다. 레벨3은 소프트웨어 개발 프로세스가 조직적으로 잘 관리돼 정착 단계에 있다고 평가받는 레벨을 뜻한다.[25]
각주
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같이 보기
