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지속가능한 모빌리티를 가속화하는 진보한 전동화 기술

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글/패트릭 모건(Patrick Morgan) 기업 부사장, 아나로그디바이스

아나로그디바이스(ADI)의 전동화 솔루션 포트폴리오인 ADI Recharge™는 전기 모빌리티와 지속가능한 에너지 에코시스템이 더 높은 가치를 창출하고 그 이득을 전기자동차(EV) 소유주에게 되돌려주는 중요한 역할을 한다. ADI Recharge가 EV를 더 효율적으로 가동하고 배터리의 생애주기 전반에 걸쳐 가치를 높임으로써, 궁극적으로 EV의 총 소유 비용을 개선하도록 한다. ADI는, 이전에 볼 수 없던 것으로서, EV 배터리 데이터로부터 정보 에코시스템을 구축하기 위해 OEM, 일차 협력사(Tier 1), 배터리 제조사, 에너지 유틸리티 회사, 그 밖에 다른 많은 이해관계자들과 협력하고 있다.

상승세의 전기차

미래 지향적인 정부 정책, 기술의 진보, 지속가능성에 대한 자동차 업계의 의지가 맞물리면서 EV 보급이 빠르게 가속화하고 있다. 하지만 EV는 여전히 많은 이들에게 가격이 부담스럽게 느껴지거나 혹은 그만한 가치가 있을까 하는 의구심을 자아내고 있다. 정부의 경제 정책이 어느 정도까지는 EV 보급을 뒷받침할 수 있겠지만, EV 보급 확대에 걸림돌이 되는 나머지 장벽들을 극복하기 위해서는 운송 및 에너지 그리드에서 전동화 기술의 획기적인 혁신이 중요하다. 

이를 위해 테크놀로지 회사들이 중요한 역할을 할 수 있다. 가격 부담을 낮추는 데 있어서 중요한 요소가 보다 지능적이고 효율적인 배터리 팩과 파워트레인을 사용하는 것이다. 자동차 수명 전반에 걸쳐 사용자에게 우수한 성능을 보장하기 위해서는 이들 시스템이 안전하고, 보안적이고, 견고해야 한다. 우수한 성능의 배터리 셀을 설계하고, 배터리 팩 조립에 로봇의 활용이 가능하도록 하고, 리튬인산철(LFP) 같은 제로 코발트 소재를 도입하고, 에너지 저장 시스템에 재활용 또는 재사용을 위한 순환적 배터리 라이프사이클이 가능하게 하는 진보된 기술이 필요하다.

지속가능한 모빌리티를 이끄는 반도체와 소프트웨어

ADI의 선도적인 전동화 솔루션 포트폴리오인 ADI Recharge는 차량 소유주, OEM, 일차 협력사를 비롯한 자동차 가치 사슬 전반에 걸쳐서 이전에 가능하지 않던 것들을 가능하게 한다. ADI Recharge는 배터리 기술, 온보드 차저, 전원 관리, 절연 기술을 포함한다. 이들 솔루션이 결합하여 EV 배터리와 파워트레인에 한 차원 높은 진보를 가져다준다. 그 중에서도 특히 핵심적인 역할을 하는 것이 ADI의 배터리 관리 시스템(battery management system, BMS)이다. ADI의 BMS는 하드웨어뿐 아니라 소프트웨어 드라이버와 툴까지 포함하는 포괄적인 시스템 차원 솔루션으로서, OTA(over-the-air) 소프트웨어 업데이트가 가능하고 가장 높은 수준의 차량용 사이버보안 인증(ISO 21434 CAL-4)을 자랑한다. 또한 ADI 네트워킹 프로토콜을 사용해서 유선 및 무선 동작 모두를 완벽하게 지원한다. 이는 자동차 OEM이 자사의 모든 차량으로 EV 설계를 확대할 수 있도록 할 뿐만 아니라, 첨단의 보안 인텔리전스 솔루션을 배터리 셀까지 제공한다. 이는 배터리 팩을 소프트웨어 정의 플랫폼으로 탈바꿈시키고, 자동차를 보안적인 커넥티드 에지 노드로 변모시킬 것이다.

[그림 1] 통상적인 멀티 컴포넌트 유선 BMS 네트워크(왼쪽)와 무선BMS(wBMS) 기술을 채택해서 보다 간소해진 설계(오른쪽)

견고한 배터리 인사이트 플랫폼

ADI는 에코시스템이 가치 사슬 전반에 걸쳐 배터리 데이터를 실시간으로 파악함으로써 혁신적인 솔루션을 개발할 수 있도록 돕는다. 이러한 에코시스템은 배터리의 생애주기 전반에 걸친 가치를 높이고 EV 가동 성능을 높임으로써, EV 차량 소유주들을 위해 더 높은 가치를 창출할 것이다. 높은 정확도의 업계 선도적인 셀 모니터링 센싱을 토대로 한 ADI 솔루션은 보안이 강화된 에지 인텔리전스, 임베디드 소프트웨어, 무선 통신 링크를 사용해서 실시간 배터리 데이터 인사이트를 제공한다. 이러한 인사이트는 배터리 라이프사이클 전반에 걸쳐 새로운 시스템과 서비스를 개발하는 데 있어서 중요하다. 이는 차량 소유주가 가치 기반 가격 구조로부터 이득을 보고, 제조사와 공급사들이 간접비 감소로 원가를 줄이고 출시 시간을 단축하며 생산 라인 효율을 높일 수 있는 기회들을 제공한다. 이러한 혁신들은 다시 전기 모빌리티와 청정 에너지 그리드를 보다 신뢰성 있게 융합하도록 할 것이다.

이제 ADI 배터리 인사이트 플랫폼에 대해 좀더 자세히 알아보자.

• 데이터 발생 지점에서 시작: 배터리 셀 자체에서 지능적인 센서가 데이터를 수집하고 이것을 중앙의 관리 플랫폼에 무선으로 전송한다. 그리고 여기서 처리된 인사이트를 BMS 제어 유닛(electrical control unit, ECU)으로 전달한다. ADI는 이러한 통찰에 접근할 수 있도록 양산급 소프트웨어 블록을 제공하며, 단순한 API를 통해서 이 플랫폼을 재구성할 수 있다.

• 인사이트 플랫폼의 에지에서 모니터링: 배터리 셀로 연결되는 첫 번째이자 가장 중요한 IC는 ADI의 7세대 셀 모니터링 센서이다. ADI의 선도적인 측정 역량을 바탕으로 개발된 이 센서는 획기적인 데이터 통찰을 가능케 하는 새로운 기능들을 추가하고 있다. 이 센서는 수명 전반에 걸쳐서 업계에서 가장 우수한 정확도로 배터리 충전 상태와 건강 상태를 정확하게 측정한다. 이 센서는 이전 세대 제품과 비교해서 20배 더 낮은 전력을 소모하므로, 이렇게 절약한 에너지를 활용하여 에지 상에서 데이터를 처리해서 귀중한 통찰을 얻을 수 있다. 또한 1개의 IC가 최대 100V 스택 혹은 24개 직렬 셀을 검출할 수 있으므로 고도로 통합적이면서 전력 효율적인 배터리 센서를 제공한다.

• 보안성이 강화된 RF 마이크로컨트롤러 유닛(RF MCU): 이 IC의 임베디드 소프트웨어는 센서 동작을 제어하고 데이터를 처리해서 ADI의 통찰 알고리즘으로 전달한다. 이 알고리즘이 통찰을 생성하면, 이러한 통찰을 활용해서 충전 상태(state of charge, SOC)를 좀더 정확하게 계산함으로써 충전 시간을 단축하고 주행거리를 연장할 수 있다. RF MCU의 극히 견고한 무선과 임베디드 네트워크 소프트웨어가 이 통찰을 BMS ECU로 전달한다. 각각의 RF MCU는 ISO 21434 CAL-4를 충족하는 포괄적인 보안 서브시스템을 포함한다. 또 다른 중요한 특징은 각 IC가 고유의 보안 ID를 가지고 있다는 점인데, 이 ID를 활용해서 각 배터리에 대한 통찰 이력을 구축할 수 있다.

• 중앙 프로세싱(BMS ECU): ADI의 알고리즘이 여러 에지 노드로부터 처리된 데이터를 융합해서 배터리 팩 및 차량 차원의 통찰을 생성한다.

[그림 2] Sentinel wBMS 시스템 - 2021년 출시

배터리 전체 수명에 걸친 시스템 가치

자동차 OEM들은 자사 차량의 전동화를 위해서 분주히 움직이고 있다. 이들이 차량 전동화를 통해 지속 가능한 가치를 달성하는 데 있어서 ADI가 기여할 수 있는 중요한 기회들은 다음과 같다:

(1) EV 제조 자동화

ADI Recharge를 활용하면 와이어 하니스가 필요 없다. 이는 OEM의 로봇 제조 능력을 향상할 수 있고, 이는 생산 능률, 신뢰성, 배터리 팩 조립, 제조 비용의 향상으로 이어진다. 이 시스템은 저가 소재를 비롯한 알려진 모든 배터리 소재를 지원하며, 배터리 팩의 모듈화를 용이하게 하므로 보급형 차량부터 프리미엄 모델에 이르기까지 EV 생산을 좀더 수월하게 확대할 수 있게 한다. 또한 무선 아키텍처가 매우 견고하기 때문에, 소프트웨어와 네트워크 업그레이드를 통해 배터리 재료 요구 사항들을 줄일 수 있다. 유선 네트워크에 비해 무선 네트워크는 쉽고 빠르게 구현할 수 있으므로 개발 시간을 크게 단축할 수 있다. 뿐만 아니라 ADI의 7세대 셀 모니터링 센서를 사용함으로써 아키텍처 차원의 절약이 가능하다. 단일 IC를 사용해서 최대 24개 채널을 검출할 수 있으므로 커플링 요구사항을 줄일 수 있고, EMC 성능이 뛰어나기 때문에 커패시터 같은 외부 소자가 필요 없기 때문이다.

(2) 배터리 팩에 디지털 트윈 적용

바야흐로 소프트웨어 자동차의 시대가 열리고 있다. ADI의 시스템은 배터리 팩에 극히 정확한 디지털 트윈 서비스를 가능하게 한다. 프로토타입이 나오기 훨씬 전에 RF 성능을 확인할 수 있으므로 첫 회에 제대로 된 설계를 달성하도록 돕는다. 이는 배터리 팩 설계와 계획을 향상시켜 개발 단계에서부터 훨씬 더 높은 수준의 투자 회수를 가능하게 한다.

(3) 자동차 신뢰성 향상

무선 시스템은 유선 하니스를 제거할 수 있으므로, 비용을 낮출 뿐만 아니라 자동차에 결함을 일으키는 잠재적 요인들을 없앨 수 있다. 와이어와 커넥터는 시간이 경과하면서 약해지거나 고장 날 수 있다. 이 플랫폼은 제조 시 또는 차량 운행 중에 자율적으로 심도 있는 배터리 테스트를 실시할 수 있어 최종 사용자에게 중대한 안전 문제를 야기할 수 있는 결함이나 고장 징후를 조기에 감지할 수 있다.

(4) 최고 수준의 사이버보안 인증 및 배터리 패스포트

이 에코시스템이 배터리 데이터와 관련한 새로운 시스템과 부가가치 서비스를 개발하기 위해서는 투명성, 보안, 구축 용이성이 중요하다. ADI는 바로 이러한 요구를 충족하도록 모든 단계에 걸쳐서 보안을 염두에 두고 설계된 턴키 솔루션을 제공한다. ADI의 무선 BMS(wireless BMS, wBMS)는 최고 수준의 차량용 사이버보안 인증(ISO 21434 CAL-4)을 자랑한다. 또한 각각의 wBMS IC에 보안 ID를 부여하는데, 이는 업계가 목표로 하는 배터리 패스포트를 실현하는 데 꼭 필요한 요소이다.

(5) EV 주행 및 성능 향상

wBMS 인사이트 플랫폼은 ADI의 7세대 셀 모니터링 센서와 에지 알고리즘을 사용해서 더 빠른 충전을 가능하게 하고, 주행거리와 배터리 수명을 연장하며, 최대의 안전을 보장한다. 소프트웨어 업데이트를 통해 배터리 및 파워트레인 성능을 계속해서 향상할 수 있다. 보안적인 무선 기능을 사용해서 배터리 팩 상태를 편리하게 분석할 수 있다. 무선 구성이므로, 어떠한 이상이 감지되었을 때 제거나 교체도 간편하게 할 수 있다.

(6) 배터리 세컨드 라이프로 매끄러운 이전

배터리 팩은 EV 소매 가격에서 30% 이상을 차지하기 때문에(2023년 기준), 전체적인 가치 사슬이 이차 시장을 육성할 경제적인 동기는 충분하다. wBMS는 배터리의 전체 수명에 걸쳐서 배터리 상태를 정확하게 추적할 수 있으므로, 팩의 재판매 가격을 책정하고 구매자와 판매자 사이에 신뢰를 형성하는 데 도움이 된다. 이는 배터리를 초기 투자의 일부를 회수하기 위해 활용할 수 있는 자산으로 여길 수 있게 할 것이다. 이렇게 해서 얻은 이득은 차량 소유주에게 돌아갈 것이다. 또한 배선 하니스를 보다 손쉽게 제거할 수 있으므로 배터리 팩을 분해할 때 시간과 비용을 절약할 수 있어 배터리 세컨드 라이프 재사용 및 재활용 애플리케이션으로 매끄럽게 옮겨갈 수 있게 해준다.

[그림 3] 배터리 팩을 더 손쉽게 수리하고, 재사용 및 재활용할 수 있다.

전기 모빌리티와 청정 에너지 그리드의 융합

EV가 빠르게 증가함에 따라 충전소에 대한 수요도 늘고 있는데 이는 전력망에 대한 부담을 높이고 있다. 전기차는 전력망에 시간적으로나 공간적으로나 매우 역동적인 부하이다. 에너지 저장 및 변환에 에너지 관리를 결합함으로써 EV를 필수적이고도 유용한 그리드 안정화 툴로 변모시킬 수 있다.

EV와 에너지 저장 시스템(ESS)에 ADI의 wBMS가 제공하는 지능형 배터리 소프트웨어와 무선 링크를 활용함으로써 청정 에너지 그리드에서 에너지 흐름을 조정하고 수요와 공급을 보다 효율적이면서 매끄럽게 관리할 수 있다. 유연한 충전 속도를 활용해 충전 일정을 최적화하고 전기 요금이 싼 시간대에 충전을 할 수 있다.

좀더 멀리 내다보면, EV는 전지구적 차원에서 지속 가능성으로의 대대적 전환에 있어서 시작에 불과한 것이다. 충전 케이블의 양쪽 모두에 진보된 기술 솔루션이 필요하다. 배터리는 다양한 소재들을 사용하면서 계속해서 빠르게 성장할 것이고, 배터리와 관련한 순환 경제를 위해서는 새로운 통찰이 필요하다. 지속가능한 미래로 나아가기 위해서는 윤리적 실천 또한 필요할 것이며, 제로 코발트 LFP 같이 분쟁 광물을 사용하지 않는 배터리 소재가 시장에서 지지를 받을 것이다. ADI는 정밀 관리, 제어, 실시간 신호 프로세싱에 있어서 성취한 혁신들을 활용해서 에코시스템 전반에서 모든 각각의 노드에 에지 인텔리전스를 구현할 수 있게 함으로써, 궁극적으로 전기 모빌리티와 청정 에너지 그리드를 신뢰성 있게 융합하고 지속 가능한 미래로 나아가도록 도울 것이다. 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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