[오토저널] xEV 배터리 셀모듈팩시스템 연구개발 동향

글로벌오토뉴스 조회 629 등록일 2020.10.30

바야흐로 전기차 시대이다. 북미의 연비규제와 유럽의 CO2 배출량 규제로 인하여 자동차의 전기화(Electrification)는 필수가 되어가고 있다. 전기차는 전혀 새로운 개념이 아니다. 19세기 중반 패러데이와 맥스웰이 정립한 전자기학을 기초로 전기차가 19세기 후반에 세상에 모습을 잠시 드러내었고, 1996년 미국 GM(General Motors)의 EV1 출시로 전기차는 화려한 부활을 시도하였지만, 짧은 주행거리(80마일~140마일)와 높은 가격(3만 4천달러~), 2인승이라는 한계로 2003년을 마지막으로 시장에서 사라지게 된다.

전기차라는 매력적인 개념은 2000년대에 접어들어 IT기기에서 사용되어왔던 리튬이온 전지 기술을 도입하면서 다시 생명력을 얻게 된다. 2012년 Tesla가 Model S를 시장에 성공적으로 출시하면서 파괴적 혁신(Disruptive Innovation)의 주인공으로서 전기차의 성공 스토리는 현재 진행형이다. 전기차의 성공 가능성을 의심하던 전세계 주요 완성차 업체들은 2010년대 들어서 본격적인 전기차 개발을 착수한다. 유럽은 폭스바겐 그룹을 선두로, 북미에서는 GM이 적극적으로, 중국 완성차 업체들은 전기차 기술 경쟁력을 동일 출발선상에서 확보할 수 있는 절호의 기회로, 전기차 시대를 준비하고 있다. 눈앞으로 다가온 진검 승부를 대비하기 위하여 완성차 업체들과 배터리 업체의 합종연횡이 치열한 눈치싸움을 동반하여 진행되고 있다. 전기차의 도전이 이번에는 성공할 수 있을지 전세계 자동차 업계가 주목하고 있다. 전기차의 도전을 가능하게 하는 배터리 셀-모듈-팩-시스템 개발 동향에 대하여 살펴보기로 하자.


xEV 배터리 개발 동향
전기차 배터리의 경쟁력을 결정하는 가장 중요한 항목은 에너지 밀도와 가격이다. 반드시 확보해야 하는 성능 항목은 출력, 수명, 안전성이다. 전기차 배터리 업체가 경쟁에서 생존하기 위하여 이 모든 항목을 동시에 만족할 수 있는 배터리를 개발하고 대량 생산할 수 있는 체제를 갖추어야 한다. 문제는 이 모든 항목을 동시에 최고 수준으로 만족하는 배터리를 개발하는 것이 현실적으로 쉽지 않다는 것이다. 배터리 업체들은 지극히 아날로그적이고 예측하기 어려운 배터리의 특성을 수많은 시행착오를 통하여 계획한 방향으로 구현할 수 있도록 연구개발역량을 집중하고 있다.


리튬이온 배터리는 형태에 따라서 각형전지(Prismatic cell), 원형전지(Cylindrical cell), 파우치형 전지(Pouch cell)으로 분류할 수 있다<그림 2>. 배터리 셀 개발을 위한 핵심 기술 분야로 양극(Cathode), 음극(Anode), 분리막(Separator), 전해액(Electrolyte), 극판(Electrode)이 있고, 기초 기술로 시뮬레이션(Simulation), 분석(Analysis), 평가(Evaluation)기술이 있다<그림 3>. 전지 형태에 따른 장단점은 명확하다. 완성차 업체들은 각 사의 차량 개발 철학과 전략에 따라서 전지 형태의 단점을 보완하고 장점을 극대화하는 모듈/팩 설계를 통하여 차량에서 요구되는 성능과 사양 및 목표가격을 만족하는 방향으로 배터리 시스템 개발을 진행한다.





전기차 배터리 개발의 핵심은 에너지 밀도를 높이고 가격을 낮추는 것이다. 그 출발점은 고성능의 양극과 음극 활물질 개발이다. 니켈-코발트-망간 금속산화물(또는 니켈-코발트-알루미늄) 기반의 삼원계 리튬이온 배터리의 경우, 양극 활물질(Active material)의 니켈 함량을 높이고, 음극 활물질의 실리콘 비율을 높이는 방향으로 연구개발이 진행된다. 삼원계 배터리의 경우 니켈 함량을 높이게 되면 에너지의 밀도가 증가하고 값비싼 코발트의 사용량을 줄일 수 있게 되어 배터리의 가격 역시 낮출 수 있게 된다<그림 4>. 반면, 배터리의 안전성과 수명은 악화되는 경향이 발생한다. 용량을 극대화 하기 위하여 음극에 실리콘을 사용할 경우 충방전시 실리콘 음극재의 부피 변화가 400%에 이르게 되는 데 특별한 조치가 없을 경우 음극 활물질의 구조적 파손을 동반하게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 실리콘 입자를 가능한 작게 만들고 탄소기반 활물질에 적절히 결합하는 방안이 다각도로 검토되고 있다.





활물질의 성능은 거의 상향 평준화가 완료되었기 때문에, 극판 최적 설계의 중요성이 앞으로 더욱 부각될 전망이다. 극판의 설계를 최적화 함으로써 차량에서 요구하는 배터리 셀의 출력과 수명 성능을 꼭 필요한 만큼만 정확히 구현할 수 있는 기술을 보유하는 것이 그 핵심일 것이다. 배터리 종류는 크게 장거리 운행이 중요한 순수 전기차(BEV: Battery Electric Vehicle)용 배터리와 내연기관이 장착된 HEV(Hybrid Electric Vehicle, Plug-in HEV 포함)용 배터리로 나눌 수 있다. 순수 전기차용 배터리의 경우 에너지 밀도를 극대화하는 방향으로 극판을 설계하게 되는데, 이는 배터리의 원가를 극단적으로 낮추기 위함이다. PHEV의 경우에는 요구되는 출력을 만족하면서 에너지 밀도를 최대한 높이는 방향으로 극판 설계를 진행한다. 에너지 밀도를 높이고 가격을 낮추기 위한 방안으로 극판의 두께를 증가시키는 방향은 명백하다. 그에 따른 개발의 난이도 역시 급속히 높아지는데, 극판의 두께 방향 동질성 확보, 극성화(Polarization) 감소, 전기전도성(Electric conductivity) 확보가 주요 이슈이다. 그 외에 수명 특성, 출력 특성을 개선하기 위한 전해액 및 첨가제 솔루션 기술, 배터리 셀의 안전성을 증대하기 위한 분리막 기술이 요구된다. 이러한 개발 방향은 리튬이온 배터리 분야에서는 널리 알려져 있고, 양산 제품에 이러한 기술들을 안정적으로 구현할 수 있는 지 여부가 배터리 업체의 진짜 실력이다.


xEV 배터리 모듈-팩-시스템 개발 동향
전기차를 구동하기 위하여 요구되는 출력은 차량에 따라서 최대 수백 kW에 이른다. 내연기관 차량과 경쟁할 수 있는 충분한 주행거리를 달성하기 위한 배터리 용량은 수십 kWh에서 100kWh 이상에 이른다. 충분한 출력과 용량을 확보하기 위하여 전기차에는 최소 수십개에서 최대 수천개의 배터리 셀이 필요하게 되는데, 배터리 셀은 모듈(Module), 팩(Pack) 형태로 구성되어 차량에 장착된다<그림 5>. 즉, 배터리 모듈은 배터리 셀을 묶어서 에너지와 출력을 제공하고, 배터리 팩은 배터리 모듈을 모아서 차량에서 요구되는 에너지와 출력을 제공한다. 모듈과 팩은 배터리 셀을 보호하고 셀이 정상적으로 작동할 수 있는 환경을 마련해야 하고, 배터리 사용 시 발생하는 열을 관리하기 위한 냉각장치를 포함한다.





배터리 시스템의 개발은 구조 및 냉각설계와 고전압 전장품 개발, 배터리 관리 시스템(BMS) 하드웨어 및 소프트웨어 개발, BMS 알고리즘 개발을 포함한다. 배터리 시스템 개발시 시스템의 안전성을 확보하는 것은 매우 중요하다. 시스템 개발시 요구되는 기능안전(Functional Safety) 수준을 달성하는 것이 필수가 되어가고 있다. 배터리 시스템에서 발생할 수 있는 기능 상실이나 배터리 셀의 사용 범위 초과 등, 각각의 위험 시나리오에 대하여 HARA(Hazard Analysis and Risk Assessment)를 수행 후 안전등급을 산출하게 되는 데, 산출된 ASIL(Automotive Safety Integrity Level) 등급에 따라서 BMS 서브시스템, 하드웨어, 소프트웨어, 알고리즘의 구조(Architecture)를 결정한다.


BMS 하드웨어와 소프트웨어의 개발은 요구되는 기능안전 등급을 달성하고, 차량 소프트웨어 개발 프로세스와 비지니스 관리 기능에 대한 표준인 ASPICE3와 소프트웨어 개발의 표준인 AUTOSAR4를 준수하면서 진행하게 된다. ASPICE는 완성차 업체가 부품 공급업체의 능력을 평가하고 등급화하여 업체의 품질 능력을 향상 시키는 목적도 있는데, 배터리 시스템 업체도 ASPICE2를 준수함으로써 BMS를 효율적이고 체계적으로 개발할 수 있게 된다. AUTOSAR는 자동차 부품을 제어하기 위한 소프트웨어의 표준화를 위하여 공통적으로 사용되는 기능을 API(Application Programming Interface)로 제공하고 부품업체는 부품의 고유 기능을 위주로 소프트웨어를 개발하게 하기 위한 표준이다. BMS 소프트웨어의 구조가 점차 복잡해지고, 서로 다른 제조업체의 자동차 및 공급업체의 BMS에 소프트웨어의 적용, 교환, 업데이트를 용이하게 하기 위하여 BMS 소프트웨어 개발은 AUTOSAR를 준수하는 방향으로 진행되고 있다.


BMS 알고리즘은 차별화된 배터리 시스템 성능을 구현하게 하는 핵심 기술이다. BMS의 기본적인 기능은 배터리 시스템에서 측정할 수 있는 배터리 셀의 전압, 전류, 온도를 바탕으로 각 배터리 셀의 사용 가능한 에너지(SOC: State of Charge), 가용 출력(SOP: State of Power), 건강 상태(SOH: State of Health)를 추정하여 차량 제어기에 제공하는 것이다. 차량은 BMS의 정보를 바탕으로 배터리의 사용을 제어하는 데, 배터리의 사용 패턴과 환경을 능동적으로 제어함으로써 배터리 시스템의 유효용량, 유효출력, 유효수명을 증대시킬 수 있다. 알고리즘으로 동일한 배터리 시스템 성능을 달성할 수 있도록 최적 제어를 함으로써 배터리 셀의 설계 사양 완화를 통한 가격 절감으로 배터리 시스템의 가격을 대폭 낮출 수 있는 가능성을 제공한다.





BMS가 내부에 배터리 셀의 물리적 모델을 보유하고 있으면, BMS는 측정 가능한 전류, 전압, 온도 정보만으로 배터리 셀의 내부 상태 정보를 충분한 정확도로 추정할 수 있다. 리튬이온 배터리의 내부 상태 정보는 극판 내 활물질과 전해액 내부의 리튬이온의 농도와 전위 분포와 배터리의 용량을 결정하는 파라미터(Parameter)들을 포함한다. 차량 운영 시 실시간으로 변화하는 배터리의 내부 전기화학적 상태 정보는 배터리의 수명을 최대로 유지하면서 배터리 성능을 최대한 발휘할 수 있는 배터리 사용 조건을 제공할 수 있다. 현재 양산되고 있는 BMS는 규칙기반(Rule based) 또는 등가회로모델기반(Equivalent circuit model based) 알고리즘을 사용하는 데, 연산 속도는 충분히 빠르지만 배터리 상태 추정 정확도와 추정할 수 있는 정보에는 한계가 존재한다. 반면, 전기화학모델기반(Electrochemical model based) 알고리즘은 배터리 셀 내부 전기화학적 상태 정보를 실시간으로 모니터링 할 수 있기 때문에 배터리의 안정적이고 강건한 사용이 가능하다. 전기화학 모델을 BMS에 탑재하기 위하여 모델의 크기를 수백에서 수천배 이상 단순화하는 것이 필요하다<그림 6>. 배터리 시스템에서 요구되는 기능 및 성능의 고도화와 배터리 팩 구조의 복잡화를 극복하기 위하여 BMS 하드웨어의 혁신이 동반되어야 한다. 더욱 많은 정보를 실시간으로 처리하기 위하여 BMS의 두뇌인 MCU(Microcontroller Unit)의 고속화 Multi-core화가 진행되고, 무선(wireless) BMS 기술을 포함한 하드웨어 기술 역시 적극적으로 검토되고 있다<그림 7>. 배터리 셀의 경쟁력을 극대화 하는 것과 동시에 차세대 BMS 기술을 통하여 동일한 배터리 셀에서 유효수명, 유효용량, 요효출력을 증대할 수 있다면, 배터리 시스템의 안전성을 차별화 알고리즘을 통하여 진단(Diagnostics)하고 예측(Prognostics) 할 수 있다면, 소비자가 가지고 있는 전기차에 대한 막연한 두려움을 근원적으로 해소하여 전기차 시대를 앞당길 수 있을 것이다.






배터리의 셀부터 모듈, 팩, 시스템까지 기술동향에 대하여 간략하게 살펴보았다. 대한민국의 전기차 배터리 경쟁력은 지금까지는 세계 최고의 위치를 유지할 수 있었다. 최근 몇 년 사이 중국은 가격 경쟁력이라는 가공할 만한 무기를 앞세워 배터리 시장을 적극 공략하고 있고, 유럽을 중심으로 신생 배터리 회사들이 전기차 배터리 시장에 진입을 시도하고 있다. 배터리 셀 기술은 상향 평준화 되어가고있기 때문에, 가격 경쟁력으로 승부하기에는 한계가 명확해 보인다. 국내 글로벌 배터리 회사들은 비지니스 모델을 배터리 셀 위주에서 시스템으로 확장하여 차별화된 배터리 시스템 솔루션을 선제적으로 확보함으로써 경쟁력을 지속적으로 유지해야 할 것이다. 2020년 현재 자동차 산업은 격동기를 관통하고 있다. 20세기 초 헨리 포드가 자동차 대중화를 이끈 이후 거리를 가득 채운 마차들이 급속히 자동차로 대체되었듯이, 배터리 셀-모듈-팩-시스템 기술의 완성도가 어느 수준을 넘어서는 시점에 자동차 산업의 패러다임이 전기차 위주로 한 순간 재편될 수 있다는 것을 과학혁명의 역사가 말해준다. 바야흐로 전기차 시대이다.​

글 / 이태경 (삼성SDI)
출처 / 오토저널 2020년 8월호 (http://www.ksae.org)
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