기술기고문

지속가능한 미래를 실현하는 전기차 배터리 기술

2022-01-06
글: 아나로그디바이스(Analog Devcies, Inc.)
 
전기차(EV) 배터리 기술이 지속적으로 발전 및 진화함에 따라 미래에는 승용차와 SUV에서부터 트럭에 이르기까지 모든 자동차들이 배터리를 사용해서 달리게 될 것으로 보인다. 그러면 탄소 배출이 지금보다 크게 줄어들 것이다. 이것은 단지 시작에 불과하다. 노후한 전기차 배터리를 재사용함으로써 또 다른 변화들을 가져올 수 있다. 전력망이 연결되지 않은 외딴 지역에서는 이처럼 오래된 배터리를 재사용해서 경제성이 뛰어난 재생 에너지 발전을 뒷받침할 수 있다.
 
이 같은 미래를 실현하기 위한 토대들은 이미 갖춰져 있으나, 배터리 제조사들은 여전히 해결해야 할 많은 과제들을 안고 있다. 예컨대 전기차 배터리를 내연기관 자동차와 경쟁할 수 있을 만큼 가격대를 낮춰야 하고, 배터리가 더 이상 전기차용으로 적합하지 않게 되었을 때 다른 용도로 활용할 수 있도록 재사용과 재활용을 염두에 두고 설계해야 한다.
 
그렇다면 배터리가 밑바탕이 되는 미래를 실현하기 위해서는 어떻게 해야 할까? 이를 위해서는 소비자들의 요구나 관련 규정을 충족하는 것뿐만 아니라, 유능한 기술적 파트너를 찾고 적절히 투자하는 것 또한 중요하다.
 
빠르게 증가하는 전기차
 
전기차는 환경적 영향을 줄일 수 있는 잠재력이 크다. 점점 더 많은 기업들이 지속가능성을 우선순위에 올리고 있으며, 환경보호를 의식한 사업 활동이 매출 증가에도 도움이 되는 것으로 조사되고 있다. EV 분야도 예외는 아니다. 2018년에 전세계 전기차 판매는 200만 대(정확히는 210만 대)를 돌파함으로써 2017년 100만 대 대비 65% 증가했다. 하지만 2019년에는 전세계적으로 자동차 판매가 저조해져 전년대비 9% 증가한 230만 대에 그쳤다. 그렇지만 2030년에 이르면 EV 수요가 지금보다 10배 증가할 것으로 전망된다. 전 세계 거의 모든 국가들이 새로운 EV 장려 정책을 내놓고 있으며, 모든 주요 자동차 제조사들이 자사 차량을 전기차로 전환하기 위해 분주히 움직이고 있다. 전동화가 빠른 속도로 가속화하고 있는 것이다.
 
전기차 업계의 가장 큰 당면 과제는 가격 경쟁력이다. 2030년까지 EV 배터리 가격이 많이 떨어질 것으로 예상되기는 하지만, 현재로서는 배터리 가격이 가솔린 차량과 전반적인 가격 경쟁력에서 가장 큰 걸림돌이 되고 있으며, 전체 전기차 가격의 1/3 이상을 차지하고 있다.
 
이에 대한 한 가지 대안은 지극히 정확하고 안전한 배터리 관리 시스템(BMS)을 사용하는 것이다. 이러한 BMS를 사용함으로써 자동차 제조사와 협력사들은 오늘날의 비싼 배터리에서 미래의 좀더 저렴한 배터리로 넘어가는 과도기를 잘 넘어갈 수 있을 것이다.
 
아나로그디바이스(Analog Devices)의 자동차 사업 총괄 매니저인 패트릭 모건(Patrick Morgan)부사장은 “소비자 관점에서 봤을 때 몇 가지 과제들이 존재한다. 배터리를 크게 하면 주행 거리를 늘릴 수는 있지만 그만큼 비용과 무게가 늘어난다. ADI는 바로 이와 같은 문제를 해결하도록 돕는다. 배터리 관리 시스템에 ADI의 극히 효율적이면서 정확한 전자 부품들을 사용함으로써 해당 배터리 팩으로 가용한 에너지를 극대화할 수 있다”고 말했다.
 
효율은 전동화를 위한 투자가 최근 활발하게 이루어지고 있는 상용 트럭 분야에서는 더욱 중요하다. 맥킨지(McKinsey)의 조사에 따르면, 2030년에는 중형 트럭의 최대 20%가 전기차로 전환할 것이라고 한다. 다만 그러기 위해서는 배터리가 수요를 뒷받침할 수 있어야 한다. UC 버클리 교통 지속가능성 연구소의 수잔 샤힌(Susan Shaheen) 공동 소장은 “EV는 충전 시간이 더 걸리기 때문에 사업적으로는 부정적인 여파가 나타날 수 있다. 주유 시간이 짧은 가솔린 차량과 비교하면, 충전하는 동안은 수익을 내지 못하는 상태로 차를 세워 두어야 하기 때문에 이 시간을 고려하면 그만큼 손해일 수 있기 때문”이라고 말했다. 


2019 세계 전기 승용차는 720 대로 2018 대비 40% 증가했다. 2010년에는 세계 도로 상에 전기차가 17,000대에 불과했다. (출처: 세계 전기차 증가 추이, 2010-2019)  

아나로그디바이스의 솔루션은 차량의 수명이 다할 때까지 최대의 정확도를 보장하므로 주어진 배터리 팩으로 가용한 에너지를 극대화한다.” 
패트릭 모건(Patrick Morgan) 부사장, 아나로그디바이스(Analog Devices) 자동차 사업 총괄 매니저

효율을 결정하는 마무리 공정
 
전기차 배터리 기술과 배터리 제조 및 관리에 있어서 최근에 이루어지고 있는 혁신들은 상업적으로나 소비자 측면에서도 일대 판도 변화를 가져올 것이다. 배터리 제조에 있어서 마무리 공정인 배터리 활성화와 테스트는 이후 단계에서 효율을 결정하는 데 있어서 매우 중요하다. 배터리 활성화는 배터리의 전체 제품 수명 동안 용량과 신뢰성을 극대화하는 셀이 제조될 수 있도록 보장한다. 배터리 제조사와 배터리 제조장비사가 전기차 시장에서 기회를 포착하기 위해서는 EV 생산 규모와 효율을 높이는 것이 중요하다.
 
패트릭 모건 부사장은 “아나로그디바이스는 활성화 공정에서부터 실제 자동차 사용 단계, 이후에 세컨드 라이프로 재사용하기까지 제품 생애주기 전반에 걸쳐서 배터리에 필요한 부품들을 제공한다. 활성화 공정에서는 셀을 형성하는 데 필요한 정밀 장비를 ADI 제품을 사용해서 제어할 수 있다. 이 공정에서 배터리 셀이 탄생하며, 이후의 가용 수명을 결정하는 중요한 역할을 한다”고 모건 부사장은 말했다.

배터리 성능 향상
 
내연기관 차량의 연료 탱크가 하나의 에너지 저장장치인 것과 달리, EV 배터리 팩은 수백 혹은 수천 개의 배터리 셀들이 모여서 이루어진다. 배터리 팩으로 전력이 충전 또는 방전될 때 셀들을 최대한 정확하게 정밀 관리해야 한다. 그래야 극단적인 온도나 자기 및 전기적 잡음과 같은 열악한 환경에서 동작하면서도 자동차 수명이 다할 때까지 가용 배터리 용량을 극대화할 수 있다. 뿐만 아니라 안전을 위해서도 세계 각 지역에서 적용되는 안전성 표준들을 완벽하게 충족하도록 설계해야 한다. 안전 표준들은 점점 더 진화하면서 엄격해지고 있다. 따라서 단순하게 ASIL-D를 충족하는 것을 넘어서 배터리 아키텍처 상의 혁신이 필요하다.
 
전기차를 위한 아나로그디바이스의 리튬이온 배터리 관리 시스템은 각 셀의 전압을 지속적으로 측정함으로써 배터리 용량과 성능을 높이고 안전성을 극대화한다. 충전 상태를 고도로 정확하게 측정함으로써 자동차 회사들과 부품 제조사들이 안전하게 출력을 극대화할 수 있다. 모건 부사장은 “ADI 제품은 자동차 수명 전반에 걸쳐서 최대의 정확도를 보장한다. 그러므로 배터리를 최대한 빠르고 안전하게 충전 및 방전할 수 있으며, 한 번의 충전으로 가능한 주행 거리를 극대화한다”고 말했다.

주행 거리 향상
전기차 보급을 본격화하기 위해서는 배터리 용량과 성능을 향상시키는 것이 중요하다. 지능적이고 정확한 배터리 관리 시스템은 전기차 배터리로 주행 가능한 거리를 늘려준다. 
전기차 배터리 주행거리 향상


BMS 지속적으로 성능을 극대화하므로, 전기 배터리가 EV 주행 거리를 늘리고 자율 주행차의 센서들을 지원할 있다.

시스템 복잡성 완화
 
새로운 와해성 기술인 무선 배터리 관리 시스템(wireless BMS, wBMS)은 근본적인 변화들을 가능하게 한다. 기존에 유선 BMS에 사용되던 부품들을 기반으로 아나로그디바이스가 최근에 개발한 무선 배터리 관리 시스템은 배터리 셀들을 연결하기 위한 와이어 하니스(harness)를 제거할 수 있다. 따라서 엔지니어링 설계와 개발 비용을 절감할 뿐만 아니라, 와이어 하니스에 따른 기계적 문제와 복잡성을 없앨 수 있다. 또한 배터리 팩 설계를 모듈화하고 확장할 수 있으므로 여러 차량 모델에 걸쳐서 설계를 재사용할 수 있다. 각각의 배터리 모듈이 무선으로 연결되므로, 셀의 활성화에서부터 저장, 조립 및 자동차에 사용하는 전 과정에 걸쳐서 데이터를 수집하고 저장할 수 있다. 이러한 데이터를 토대로 배터리 건강 상태(SOH)를 계산하고 배터리 팩의 잔여 가치를 계산할 수 있다. 이는 에너지 저장장치(ESS), 재활용, 그밖의 애플리케이션으로 배터리를 이차적으로 사용(세컨드 라이프)하는 데 도움이 된다. 이러한 작업들은 제조사와 자동차 소유자의 전반적인 비용을 낮추고 환경에 대한 영향도 줄이는 데 기여할 것이다.

배터리 재사용
 
EV가 본격적으로 보급되면 환경적 영향을 크게 줄일 것이다. 2019년에는 아나로그디바이스의 BMS 기술을 사용한 자동차들이 내연 엔진이 아니라 배터리로 구동하고, 극히 정밀하게 배터리 성능을 측정함으로써 약 7500만 톤의 이산화탄소 저감 효과를 낳았다. 이것은 8천만 에이커의 숲이 흡수하는 양만큼의 탄소를 저감한 것에 해당된다.
 
전기차 배터리의 생명은 여기서 끝나지 않는다. 세컨드 라이프 애플리케이션으로 재사용이 가능하다. 배터리 셀들은 관리만 잘 한다면 자동차 용도로는 더 이상 적합하지 않게 되었을 때 다른 용도로 재사용할 수 있다. EV 배터리를 분해해서 에너지 저장 솔루션에 재사용하면 전력망이 연결되지 않은 지역에 전기를 공급하는 데 중요한 역할을 할 수 있다. 오늘날 9억 4천만 명의 사람들(세계 인구의 13%)이 전기가 공급되지 않는 지역에서 살고 있으며, 30억 명의 사람들(세계 인구의 40%)은 요리용으로 깨끗한 연료를 사용하지 못하고 있다.1 이들을 위해 마이크로 그리드 및 오프 그리드 전력 솔루션이 절실하게 필요하다.
 
전기를 경제적으로 사용할 수 있다면 여러 면에서 생활을 크게 개선할 수 있다. 요리용으로 더 이상 유해한 연료를 사용하지 않아도 되므로 실내 공기질을 향상시키고, 그 결과 건강을 향상시킬 수 있다. 전기를 사용해 조명을 밝히면 학생들이 해가 진 후에도 공부를 할 수 있다. 깨끗한 물을 공급하고 오수를 정화하기 위한 장비들을 가동할 수 있다. 인터넷 접속을 통해서 디지털 통신도 가능하다. 배터리 세컨드 라이프는 이처럼 다양한 방식으로, 이전에는 가능하지 않던 경제 개발을 가능하게 한다.
 
무선 배터리 관리 시스템은 셀의 활성화에서부터 저장, 조립 자동차에 사용하는 과정에 걸쳐서 데이터를 수집하고 저장할 있다. 이러한 데이터를 토대로 배터리 모듈의 잔여 가치를 계산할 있다. 그러므로 에너지 저장 장치나 밖의 다른 애플리케이션으로 배터리를 효과적으로 재사용할 있다 모건(Morgan) 부사장은 말했다. 
 
이러한 용도에서도 아나로그디바이스의 BMS가 중요한 역할을 할 수 있다. 아나로그디바이스의 무선 기술이 ESS 제조사 같은 세컨드 라이프 애플리케이션 사용자들에게 유용하게 활용될 수 있는 것이다. 배터리 재사용과 관련하여 전혀 새로운 산업과 사업 모델이 형성되고 있다. 모건 부사장은 “앞으로 무선 기술이 자동차 공급 사슬 전반에서 점점 더 유용하게 활용될 것”이라고 설명했다.



축적된 경험과 전문성

20년 전에 아나로그디바이스는 자동차 시장에 처음으로 정밀 전원 및 측정 솔루션을 출시했다. 그 동안 전통적인 내연 기관 자동차용으로 제품을 개발하면서 축적해 온 경험과 전문성이 전기차 배터리 기술을 성공적으로 개발할 수 있는 토대가 되었다. 아나로그디바이스의 빈센트 로취(Vincent Roche) 대표이사겸 CEO는 “ADI는 반도체 솔루션과 정교한 수학을 결합해서 우리가 살아가는 물리적인 세상을 감지할 수 있도록 돕는다. 여기에는 매년 엄청난 혁신이 거듭되고 있는 배터리 관리 시스템도 포함된다”고 말했다.  
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Power Management, EV, BMS