배터리 관리 시스템(BMS)은 최신 전기 자동차 및 에너지 저장장치 안전의 초석입니다. 배터리 관리 시스템은 셀 전압을 모니터링하고, 충전 및 방전을 조절하고, 셀 부하의 균형을 맞추고, 팩이 안전 온도 범위를 벗어나지 않도록 보호합니다. 대부분의 업계에서 배터리 관리 시스템은 배터리의 수호자이자 치명적인 고장을 막는 최후의 방어선입니다.
그러나 기존의 BMS는 정교함에도 불구하고 심각한 사각지대가 있다는 증거가 점점 더 많이 나오고 있습니다. 열 폭주의 초기 징후를 감지하거나 팩 내부에 쌓이는 습기를 감지하거나 충돌 시 배터리가 흡수한 충격 부하를 기록할 수 없습니다.
실제 상황에서 배터리 화재는 이미 재앙이 될 때까지 감지되지 않고 엔지니어, 차량 운영자, 보험사가 배터리 상태에 대한 정보에 입각한 결정을 내리는 데 필요한 데이터가 없는 상태로 방치되는 원인이 바로 이러한 격차 때문입니다. 기존 배터리 관리 시스템의 부족한 부분과 이를 해결하기 위해 무엇이 필요한지 이해하는 것은 오늘날 리튬 이온 배터리 팩을 엔지니어링하거나 운영하는 모든 사람에게 필수적입니다.
배터리 관리 시스템이란 무엇인가요?
배터리 관리 시스템은 배터리 팩에 내장된 전자 제어 시스템입니다. 주요 기능은 셀 레벨 전압 및 온도를 측정 및 보고하고, 셀의 과충전 또는 과방전을 방지하며, 개별 셀의 충전 상태 균형을 맞추고, 호스트 차량 또는 시스템에 전체 충전 상태(SoC) 및 건강 상태(SoH) 추정치를 제공하는 것입니다.
최신 전기 자동차에서 배터리 관리 시스템은 CAN 버스를 통해 통신하여 차량의 파워트레인 컨트롤러와 많은 구현에서 클라우드 텔레매틱스 시스템에 데이터를 공급합니다. 이는 성숙하고 잘 이해된 기술입니다. 전기차 안전에 대한 대부분의 규제 프레임워크는 배터리 관리 시스템을 당연한 것으로 간주합니다.
문제는 배터리 관리 시스템이 잘못 설계되었다는 것이 아닙니다. 문제는 전압과 온도라는 비교적 좁은 범위의 측정 가능한 파라미터를 중심으로 설계되었다는 것입니다. 유감스럽게도 전압과 온도만으로는 배터리 팩 내부에서 일어나는 모든 상황을 파악할 수 없습니다.
기존 배터리 관리 시스템의 한계
희소 온도 모니터링
대부분의 배터리 관리 시스템 아키텍처는 일반적으로 모듈당 하나의 센서 또는 여러 셀당 하나의 온도 센서를 팩 전체에 걸쳐 간격을 두고 배치합니다. 즉, 두 센서 지점 사이에 있는 비정상적인 셀은 측정이 포착되기 전에 상당한 온도 상승을 경험할 수 있습니다. 조밀하게 밀집된 리튬 이온 모듈에서는 오작동하는 셀과 가장 가까운 온도 센서 사이의 거리가 충분하기 때문에 열 이벤트가 감지되지 않을 수 있습니다.
전압 마스킹
병렬 셀 구성에서는 전압 측정을 통해 셀 성능 저하를 조기에 감지하는 것이 본질적으로 어렵습니다. 병렬 그룹에서 한 셀이 고장이 나기 시작하면 나머지 셀이 그룹 전체의 단자 전압을 지지하여 이상 징후를 감춥니다. 배터리 관리 시스템에서 전압 편차가 가시화될 때쯤이면 고장난 셀은 이미 성능 저하가 진행된 상태일 수 있습니다. 사실상 배터리 관리 시스템은 보호하고 있는 팩의 아키텍처에 의해 속을 수 있습니다.
가스 감지 없음
기존 배터리 관리 시스템의 가장 큰 한계 중 하나는 배터리 셀이 배출되기 시작할 때 방출되는 가스를 감지할 수 있는 수단이 없다는 것입니다. 오프 가스 방출이라고도 하는 셀 배출은 열 폭주의 가장 초기에 관찰할 수 있는 신호입니다. 셀이 화재나 폭발을 유발하는 온도에 도달하기 몇 분 전에 휘발성 유기 화합물(VOC)을 방출하고 일부 고장 시나리오에서는 수소를 방출합니다. 이러한 가스는 측정 가능하고 구분할 수 있습니다. 기존의 배터리 관리 시스템으로는 이러한 가스를 측정할 수 없습니다.
샌디아 국립연구소의 독립적인 테스트 결과, VOC 감지는 온도 센서만으로는 제공할 수 없는 열 폭주에 앞서 7분 이상의 경고를 제공할 수 있는 것으로 나타났습니다.
이 7분이라는 시간은 매우 중요합니다. 제어된 시스템 종료, 안전한 차량 대피 또는 회로 차단으로 화재를 막을 수 있느냐, 아니면 막을 수 없는 화재로 이어질 것이냐의 차이입니다. 전기자동차 안전에 관한 글로벌 기술 규정(GTR20)은 탑승자를 안전하게 대피시킬 수 있는 조기 경보 시스템의 필요성을 구체적으로 언급하고 있습니다. 온도 전용 배터리 관리 시스템으로는 이러한 요구 사항을 안정적으로 충족할 수 없습니다.
수분 또는 습도 모니터링 없음
수분 침투는 배터리 팩의 수명과 안전에 심각한 위협이 됩니다. 팩 내부의 습기는 셀 절연을 손상시키고 부식을 촉진하며 단락의 위험을 높입니다. 액체 냉각식 팩의 경우 냉각수 온도가 인클로저 내부 공기의 이슬점 아래로 떨어지면 내부 부품에 응결이 형성될 수 있으며, 이는 특히 콜드 스타트 또는 공격적인 냉각 사이클 후에 발생할 가능성이 높습니다. 기존의 배터리 관리 시스템에는 습기를 감지하거나 이슬점을 추적하는 수단이 없기 때문에 이러한 고장 모드를 완전히 모니터링하지 못합니다.
충격 또는 충격 기록 없음
전기 자동차가 충돌 사고를 당하면 배터리 팩의 기계적 무결성이 즉시 문제가 됩니다. 현재의 배터리 관리 시스템은 배터리 팩에 가해진 충격 부하에 대한 기록을 제공하지 않습니다. 사고 후 배터리 상태를 평가해야 하는 엔지니어는 육안 검사 및 가능한 경우 차량 원격 측정 데이터에 의존해야 하는데, 이 중 어느 것도 배터리 팩의 내부 구조가 손상되었는지에 대한 신뢰할 수 있는 정보를 제공하지 못합니다. 이러한 데이터가 없으면 팩을 폐기하거나 알 수 없는 위험을 감수해야 하는 등 선택지가 제한됩니다.
이러한 격차로 인해 발생하는 위험
이러한 각 배터리 관리 시스템의 한계는 개별적으로 보면 모니터링 공백을 나타냅니다. 이를 종합하면 리튬 이온 배터리 팩의 안전 아키텍처에 대한 시스템적 취약성을 나타내며, 이는 전기차 제조업체, 차량 운영업체, 2차 수명 배터리 통합업체 및 최종 사용자에게 실질적인 영향을 미칠 수 있습니다.
전기 자동차의 열 폭주 사건은 통계적 빈도에 비해 언론의 주목을 덜 받습니다. 하지만 이러한 관심이 전기차 채택에 미치는 영향은 측정할 수 있습니다. 배터리 화재가 발생할 때마다 전기차 안전에 대한 대중의 회의론이 강화됩니다. 열 이벤트가 재앙으로 이어지기 전에 감지할 수 있고 적절하게 대응할 수 있는 데이터가 존재한다는 것을 입증하는 업계의 능력은 단순히 기술적인 문제가 아닙니다. 이는 상업적이고 평판과 관련된 문제입니다.
성장하는 세컨드 라이프 배터리 시장에서도 그 차이는 똑같이 중요한 결과를 초래합니다. 고정식 에너지 저장 시스템에서 용도를 변경하려는 전기차 배터리는 그 이력을 알 수 없습니다. 배터리가 흡수한 충격, 작동한 습도 조건, 열 이벤트(사소한 것이라도)에 대한 자세한 기록이 없으면 해당 배터리의 위험 프로필은 대부분 추측에 의존할 수밖에 없습니다. 이는 공급망 전반에 걸쳐 주저하게 만들고 순환 배터리 모델의 경제성을 제한합니다.
격차 해소: 셀 가드의 역할
메티스 엔지니어링의 셀 가드 센서는 기존 배터리 관리 시스템의 모니터링 사각지대를 해결하기 위해 특별히 개발되었습니다. 셀 가드는 배터리 관리 시스템을 대체하는 것이 아니라 배터리 관리 시스템과 함께 작동하여 전압 및 온도 측정만으로는 제공할 수 없는 환경 및 물리적 데이터를 보완적으로 제공합니다.
Cell Guard는 배터리 팩 또는 에너지 저장 인클로저의 브리더 포트 근처에 설치하도록 설계된 소형 CAN 기반 센서입니다. 이 위치에서 휘발성 유기 화합물(VOC), 절대 압력, 공기 온도, 상대 습도, 이슬점, 확장된 구성에서는 수소 농도를 지속적으로 모니터링합니다. 옵션으로 제공되는 3축 가속도계는 충격의 크기와 지속 시간을 포함하여 최대 24G의 충격 하중을 기록할 수 있는 기능을 추가합니다.
이러한 각 매개변수는 기존 배터리 관리 시스템 기능의 특정 격차를 직접적으로 해결합니다. VOC 감지는 열 폭주를 방지할 수 있는 상태에서 셀 배출에 대한 경고를 가장 빨리 제공하여 경고를 트리거합니다. 습도 및 이슬점 모니터링은 수냉식 팩이 직면하는 습기 유입과 결로 위험을 알려줍니다. 충격 데이터는 팩이 받은 기계적 스트레스에 대한 검증 가능한 기록을 제공하며, 이는 사고 후 평가, 배터리 재판매 및 용도 변경 결정에 매우 중요한 정보입니다.
셀 가드는 자체 테스트에서 60초 이내에 열 폭주 이벤트를 감지했으며, 수소 감지만 사용하는 경쟁 센서 기술보다 7분 이상 앞서 실행 가능한 경고 데이터를 제공했습니다.
샌디아 국립연구소에서 수행하고 전기화학학회지에 게재된 이 독립적인 검증은 수소 생성 전, 즉 온도가 재난적 고장의 임계값에 도달하기 훨씬 전에 셀 배기 단계에서 VOC가 방출되므로 VOC 감지가 수소 감지보다 훨씬 더 효과적인 조기 경보 방법임을 입증하기 위해 메티스 엔지니어링이 Cell Guard를 설계한 것을 확인시켜줍니다.
셀 가드는 또한 실용적인 통합을 위해 설계되었습니다. 구성 가능한 CAN 버스 속도 및 주소, Molex Nano-Fit 커넥터, 컴팩트한 폼 팩터 덕분에 팩 설계나 공기 흐름을 방해하지 않고 새 배터리 팩에 설치하거나 기존 아키텍처에 개조할 수 있습니다. 저전력 모니터링 모드로 작동하며 사전 설정된 임계값을 초과할 때만 CAN으로 전송하므로 기생 전력을 최소화하는 동시에 중요한 시기에 지연 없이 알림을 생성할 수 있습니다.
배터리 수명 주기 전반에 걸친 애플리케이션
Cell Guard의 사용 사례는 최초 설치부터 2차 수명 배치에 이르기까지 전체 배터리 수명 주기에 걸쳐 있습니다. 승용차, 상용 버스, eVTOL 항공기, 해양 선박, 마이크로 모빌리티 플랫폼을 포함한 전기 자동차에서 Cell Guard는 열 폭주가 발생하기 전에 안전하게 대피하고 시스템을 제어할 수 있는 조기 경보 기능을 제공합니다.
그리드 규모, 상업용, 주거용 등 고정식 에너지 저장 시스템에서 셀 가드는 감지되지 않은 습기나 가스 축적의 결과가 똑같이 심각한 가변 온도 설비에 대해 지속적인 환경 감독을 제공합니다.
세컨드 라이프 배터리 시장의 경우, Cell Guard가 배터리 작동 수명 내내 축적하는 가속도계 데이터와 환경 기록은 배터리 상태의 추적 가능하고 검증 가능한 기록인 배터리 패스포트의 새로운 개념과 직접적인 관련이 있으며, 이는 용도 변경 및 재판매에 대한 확신을 뒷받침하는 근거가 됩니다. 용도 변경된 전기차 배터리 팩을 그리드 규모의 에너지 저장 시스템에 통합하는 Allye Energy는 이러한 요구 사항을 정확하게 해결하기 위해 가속도계가 포함된 Cell Guard를 배포했습니다.
Cell Guard는 ISO7637-2, ISO16750-2 및 ISO16750-4를 포함한 ISO 자동차 표준에 따라 테스트 및 인증을 받았으며, ISO9001 인증 품질 조건에 따라 영국에서 조립됩니다. 현재 다양한 OEM 및 티어 1 프로그램에서 ASIL B 애플리케이션에 배포되고 있습니다.
배터리 상태를 보다 완벽하게 파악하기
배터리 관리 시스템은 전기차 및 ESS 안전 아키텍처에서 없어서는 안 될 부분입니다. 그러나 배터리 관리 시스템만으로 리튬 이온 배터리 팩을 예측 가능한 모든 고장 모드로부터 보호할 수 있다는 가정은 열 폭주가 진행되는 방식, 습기 손상이 발생하는 방식, 배터리 작동 수명 동안 기계적 스트레스가 축적되는 방식에 대해 알려진 바를 고려할 때 더 이상 지속 가능하지 않습니다.
Cell Guard는 배터리 관리 시스템을 대체하는 것이 아닙니다. 배터리 관리 시스템이 해결할 수 없는 공백을 메워주는 보완 계층으로, 엔지니어, 차량 운영자 및 시스템 통합업체가 문제를 조기에 감지하고 더 빠르게 대응하며 제조부터 수명 종료까지 배터리 상태에 대해 더 나은 정보에 입각한 결정을 내리는 데 필요한 데이터를 제공합니다.
리튬 이온 배터리 시스템을 엔지니어링하거나 운영하는 조직에서는 더 이상 추가 모니터링이 필요한지 여부가 문제가 아닙니다. 어떤 파라미터를 모니터링할지, 그리고 그 기능을 기존 시스템 아키텍처에 가장 효과적으로 통합하는 방법은 무엇일까요? Cell Guard는 이 두 가지 질문에 대한 답을 제공합니다.
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