9억 달러 규모의 EV 배터리 리콜에서 드러난배터리 관리 시스템의 결함

화재 위험이 있는 리튬 이온(Li-ion) 배터리 팩을 대체하기 위해 Hyundai가 최근 Kona 모델 전기 자동차(EV) 82,000대를 리콜한 이유 중에는 배터리 관리 시스템(BMS)의 결함도 포함되어 있다는 것을 알고 있습니다(그림 1). 거의 10억 달러의 비용이 든 이번 리콜은 역대 최대 규모 중 하나입니다.

그림 1: Hyundai Motor Co.는 화재 위험성으로 인해, 전 세계적으로 판매된 약 82,000대의 Kona EV와 다른 두 개 EV의 배터리를 교체 중입니다. (이미지 출처: Hyundai Motor Co.)

문자 그대로, 이 리콜은 배터리 때문만은 아닙니다. Korea Herald의 보도에 따르면 국영 한국 자동차 시험 연구원(KATRI) 실험실 테스트 결과, 배터리 분리막이나 오정렬된 배터리 전지로 인해 차량 내 화재가 발생하지 않았지만, Hyundai의 배터리 관리 시스템이 고속 충전 시스템에 적절하게 적용되지 않은 것으로 나타났다고 합니다.

이 보도에서는 또한 [국토 교통부]가 2017년 7월부터 2019년까지 LG 난징 공장에서 생산된 일부 배터리 전지에 화재 위험이 있음을 발견했으며 이전 리콜에서 Hyundai는 최대 충전율을 90%로 제한하도록 BMS를 업그레이드했다고 전했습니다. 그러나 리콜은 소프트웨어 업데이트를 받은 차량에 화재가 발생했을 때 시작되었습니다.

리튬 이온 배터리는 EV뿐만 아니라 모바일 로봇, 전기 자전거(e-바이크), 드론, 전동 공구, 휴대용 의료 기기 등 다양한 응용 분야에 사용됩니다. Hyundai의 리콜은 고품질 리튬 이온 배터리 사용 외에도 효과적인 BMS 설계에 대한 절대적인 필요성을 지적합니다.

다행히, 설계자는 설계 프로세스의 속도를 높이기 위한 평가 기판 및 참조 설계를 포함하여 BMS 시스템 설계를 위한 다양한 선택권을 가집니다. Texas Instruments(EV 및 대형 모바일 로봇용), Maxim Integrated(전기 자전거 및 소형 모바일 로봇용), NXP Semiconductors(드론, 로버, 전동 공구, 휴대용 의료 장치용)에서 제공하는 여러 BMS 솔루션을 살펴 보겠습니다.

최대 560전지용 BMS

Texas Instruments의 QEC-Q100 인증 및 ASIL-D 준수 BQ79616-Q1을 사용하면 자율 전지 밸런싱 및 내부 온도 모니터링을 실현할 수 있습니다. 과온 조건에서 이 장치는 자동 일시 중지 및 재개 밸런싱을 지원합니다. BQ79616-Q1은 6개 ~ 16개 전지에 대해 200마이크로초(μs) 이내에 고정확도 전지 전압 측정을 제공합니다.

BMS 응용 제품 개발을 가속화할 수 있도록 Texas Instruments는 BQ79616EVM-021 평가 기판을 제공합니다(그림 2). 최대 35개 BQ79616-Q1 장치를 연결하여 최대 560전지의 EV용 리튬 이온 배터리 팩을 지원할 수 있습니다.

그림 2: 각 BQ79616EVM은 최대 16개 리튬 이온 전지를 관리할 수 있으며 35개 BQ79616EVM 모듈을 함께 적층할 수 있습니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

전기 자전거 및 소형 모바일 로봇

전기 자전거, 소형 모바일 로봇 및 전동 공구 설계자를 위해 Maxim은 전류, 전압, 방전율, 온도를 모니터링할 수 있는 DS2788E+를 제공합니다(그림 3). 이 장치는 또한 리튬 이온 및 리튬 고분자 배터리의 유효 용량을 추정할 수 있습니다. 온칩 EEPROM은 모든 전지 특성 및 응용 파라미터를 저장합니다. 용량 추정은 mAh(밀리암페어 아워) 단위의 최대 충전량에 대한 백분율로 보고됩니다. DS2788E+에는 충전 상태 표시를 간소화하기 위한 LED 디스플레이 구동기가 포함되어 있습니다. Maxim은 설계를 시작하는 데 도움이 되도록 DS2788EVKIT+ DS2788 연료 게이지 전력 관리 평가 기판을 제공합니다.

그림 3: DS2788에는 리튬 배터리 팩의 충전 상태 표시를 간소화하기 위한 LED 디스플레이 구동기가 포함되어 있습니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

3전지 ~ 6전지용 BMS

3전지 ~ 6전지를 사용하는 드론, 로버, 스쿠터, 전동 공구, 휴대용 의료 장치 설계자를 위해 NXP는 MC33772B 6채널 리튬 이온 배터리 전지 컨트롤러를 기반으로 하는 RDDRONE-BMS772 BMS 참조 설계를 제공합니다(그림 4). 컨트롤러는 차동 전지 전압 및 전류에서 아날로그-디지털 변환을 수행하여 배터리 충전 쿨롱 계산 및 배터리 온도 측정을 제공합니다. 드론에 사용되는 경우, 참조 설계는 UAVCAN 및/또는 SMBus를 통해 비행 관리 장치(FMU )와 통신할 수 있습니다.

그림 4: RDDRONE-BMS772 참조 설계는 UAVCAN 및/또는 SMBus를 통해 FMU와 통신할 수 있습니다. (이미지 출처: NXP)

RDDRONE-BMS772 참조 설계 특징:

• 6.0V ~ 26V의 전압으로 3전지 ~ 6전지 배터리 스택 지원
• 스택 및 전지 전압 측정 시 ±5.0mV(밀리볼트)의 정확도
• 스택이 충전되는 동안 능동 전지 밸런싱
• 배터리 인증 지원
• CAN, I2C, NFC 통신 지원
• 저 누설 전류 중간 절전 모드 포함(저장 및 운송을 위해)

결론

대규모 EV 자동차 리콜에서 배터리가 언급될 경우, 많은 사람들이 제조에 관련된 화학 물질 및 구조 때문일 것이라고 섣불리 단정짓습니다. 하지만 이 특별한 경우가 보여준 것처럼 그런 단정은 너무 단순합니다. 배터리와 BMS 간 시너지 관계의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않습니다. 고품질 리튬 이온 배터리 외에도 설계자는 BMS 설계 선택에 매우 신중해야 하며 사용 가능한 평가 기판 및 참조 설계를 활용하여 이러한 선택을 테스트하고 검증해야 합니다.