[기술기고] 하이브리드 및 전기차용 무선 BMS에 대한 3가지 궁금증

2021-01-29 디일렉

글 : 마크 엔지 텍사스인스트루먼트(TI) HEV/EV BMS 시스템 엔지니어링 매니저 하이브리드 전기차(HEV)와 전기차(EV)는 리튬 배터리 셀 가격이 점점 더 낮아지고 에너지 밀도가 높아지면서 더 멀리, 더 오래 달릴 수 있게 됐다. 이제 자동차 설계 엔지니어는 배터리관리시스템(BMS)의 크기와 무게를 줄여 효율을 더욱 높이는 것에 관심을 돌리고 있다. 전통적인 유선 BMS 아키텍처는 유선 하네스를 데이지 체인 구성으로 사용해 배터리 팩을 연결한다. 이 방식은 생산하기가 번거롭고 종종 유지보수가 필요하다는 불편함이 따른다. 이런 문제를 극복하기 위해 등장한 무선 BMS는 새로운 가능성을 보여준다. 무선 칩셋이 배터리 모니터와 함께 동작하면서 각 셀의 전압과 온도를 마이크로컨트롤러(MCU)에 통신하고 전달해 준다. 필요한 케이블 수와 하네스가 본질적으로 감소하게 되면서 차량의 무게를 줄이고 비용을 절감할 수 있게된다.

무선 BMS 아키텍처로 전환하는 것을 염두한다면, 3가지 질문이 생길 것이다.

1. 신뢰할 수 있는가?

무선 통신은 이미 다양한 애플리케이션에서 케이블을 대체하고 있다. 그럼에도 고려해야 할 사항은 무선 링크와 네트워크의 신뢰성이다. 패킷 오류율 및 송신기와 수신기 사이에 메시지를 성공적으로 전송하는 확률을 사용해서 신뢰도를 정량화할 수 있다. 이 확률은 99.999%이어야 하고, 10-6의 패킷 오류율을 만족해야 한다.

2. 무선 BMS는 탑승자와 기계 장치, 재산에 안전한가?

무선 BMS는 상황을 정확히 모니터링 해야한다. 위험한 상황이 감지되면 위험이나 파손을 완화하기 위해 신속하고 신뢰성 있게, 안전하게 반응해야 한다. 이상적인 시스템은 최대 자동차 안전 무결성 등급(ASIL) D 요구사항을 만족해야 한다. 이는 자동차 기능 안전성 국제표준인 ISO 26262 도로 차량 표준에 의해 정의된 최고 기능안전표준이다.

3. 보안이 되는가?

누군가 차량의 배터리 시스템을 조작하려고 시도할 수도 있다. 키 교환, 리프레시 메커니즘이 있는 암호화 가속기, 메시지 무결성 검사, 디버깅 보안과 같은 보안 기술을 사용이 필요하다. 그렇다면, 유선 또는 무선 BMS 중에 무엇이 최선일까? 이것은 교묘한 질문이다. 설계에 유선 또는 무선 BMS이 적합할지는 자신의 자동차 아키텍처와 설계 목표에 따라 달라지기 때문이다. [표 1]은 유선 시스템과 무선 시스템의 주요 차이점을 비교한 것이다. 유선 배터리 관리 시스템은 유효성이 증명됐기에 조만간 사라지지는 않을 것이다. 그러나 무선 BMS는 다음의 진화이다. 시장조사업체 스트래티지에 따르면 2026년에 도로 위를 달리는 전기차가 3600만대에 이를 것으로 전망된다. 그 가운데 무선 BMS는 자동차를 더 효율적이고 신뢰할 수 있게 만들어 주는 방법을 제공할 것이다. 이는 자동차 제조업체(OEM)와 소비자에게 모두 매력적인 기술이 될 수 있다.

고려사항	유선 BMS	무선 BMS
무게	배선은 전체 차량 무게를 증가시킨다.	무선 시스템은 차량 무게를 감소시킨다.
설계유연성과 서비스 가능성	더 큰 전체 풋프린트로 유연성이 낮고 서비스하기가 어렵다.	더 작은 풋프린트로 유연성이 크고 차량 내 설계와 배치가 간단하다. 서비스하기가 쉽다.
측정	전압과 전류의 시간 동기화 측정은 까다로운 설계 과제가 될 수 있다.	무선 시스템은 자연적으로 시간 동기화 측정이 가능하고 더 많은 동기화된 감지 기능을 추가할 수 있다.
신뢰성	배선 하네스는 시간이 지남에 따라 고장나는 경향이 있으며, 수리하기 어렵고 배터리 팩의 재배선이 필요하다.	유지보수할 배선이 없다. 설계는 혹독한 자동차 무선 주파수 환경과 비가시적 과제를 극복해야 한다.
보안	완전하게 보안된 시스템 통신을 포함한다.	보안 프로토콜이 없는 불충분하게 설계된 시스템은 침투당할 수 있다.

표 1. 유선 및 무선 BMS의 특성 비교