💡 이번 콘텐츠는 배터리 화재 지연 및 방지 관련해서 BMS 기술을 소개해 드리기 위해 작성했습니다.
최근 뉴스, 보도자료 등을 보면 상세한 BMS 관련 소개 내용이 없었던 듯합니다. 물론 제가 모든 것을 검색할 수 없어서 찾지 못했을 수도 있지만, 잘 정리된 글이 없는 듯하여 콘텐츠로 만들어 봤습니다.
BMS 파트는 저 또한 크게 신경쓰지 않고 있었습니다. 다만 전기차와 전기차 충전소 보급 확대에 따라 화재 이슈는 계속 따라다닐 것으로 판단했고, 이제는 제대로 봐야 하지 않나 싶습니다. 이르면 올해 말, 늦어도 내년 상반기쯤 다시 전기차 모멘텀이 나올 가능성을 엿보고 있는데요. 지금부터 공부해야 한다고 생각합니다. 그래서 취재 및 조사를 진행했습니다.
배터리 화재가 한국 시장에 포비아(공포증)을 낳고 있습니다. 전기차가 그 중심에 있죠. 소비자들의 선택을 보수적(전기차 구매를 망설이고 일부 보유자는 차량 매도)으로 돌려세우고 있습니다.
다만 산업계와 증권가에선 원칙적으로 기술적인 대응으로 극복해야 한다고 강조하고 있습니다. 국내 언론에선 공포로 시장을 물들이고 있지만 자율주행 등 미래 산업의 한 축인 전기차는 여전히 필수 장치로 꼽히고 있습니다.
증시 투자자 관점에선 전기차 포비아를 불식시킬 아이템과 테마에 관심을 가져야 하며 배터리 이상 징후 인지·예측 기능, 배터리 화재와 관련한 방재 기술 등이 주요 대안으로 이야기되고 있습니다.
◇BMS 생태계는 무엇?
BMS(Battery Management System)는 배터리 팩 내의 개별 셀 또는 모듈을 관리하고 최적화하는 시스템입니다. 전기차의 배터리에 각종 센서를 부착해 배터리의 상태를 모니터링하고 관리하는 하드웨어(HW) 및 소프트웨어(SW) 일체를 의미합니다. 이는 실시간 모니터링 시스템 구축을 통해 전기차 배터리의 효율성과 안전성을 극대화하는 데 매우 중요합니다. 실시간 모니터링 시스템은 배터리의 상태를 지속적으로 감시하고, 문제가 발생할 경우 즉각적인 조치를 취할 수 있게 해줍니다. 배터리 안정성을 강화하는 기능 중 하나가 BMS인 셈이죠.
SNE 리서치에 따르면 BMS는 각종 변화 요소들을 종합 분석해 남은 주행 가능 거리를 예측하고 그 정보를 상위의 차량 ECU(Electronic Control Unit)에 제공합니다. 차량 내 통신으로는 일반적으로 CAN(Controller Area Network의 약자로 차량 내 ECU들 간의 데이터 공유를 위해 Bosch에 의해 개발된 통신 시스템)을 활용하고 있습니다. BMS의 하드웨어적인 구성에는 VITM(Voltage, Current, Temperature Measure) 모듈, 셀 밸런싱(Cell Balancing) 모듈, 마이크로프로세서(Micro Processor) 등으로 구성됐습니다.
김성래 한화투자증권 연구원은 “배터리 화재는 과충전, 충전기 불량, Cell 불량, 과도한 C-Rate 설계(덴드라이트 발생) 등 여러가지 원인이 존재한다”며 “차량 관점은 전기차 화재 대응 절차를 배터리가 발화될 수 있는 조건을 사전 차단하거나, 사후적으로 발화된 부위를 최소화하는 것으로 구분 가능하다”고 설명합니다.
이어 “배터리 발화 여부를 인지할 수 있는 셀 상태값(전류, 전압 조건 등)의 시점별(tn) 수집 및 확보가 필요하다”며 “배터리 발화는 양-음극의 쇼트, 외부 충격, 전해질 산화/폭발 등 다양한 조건에 따라 발생하나, 해당 조건에 따른 셀 내부 화학적 반응 상태를 직접적으로 확인하기 어렵고, 결국 ‘셀 발열(온도 변화)’ 상태를 통해 간접적 인지가 가능하다”고 강조합니다.
또한 배터리 셀 발열 상태 변화 영향 인자인 전류, 전압, 외부 온도·습도 등을 통해 셀 발화 가능성을 인지·판단·예측하는 것이 가능합니다.
김성래 연구원에 따르면 배터리 상태 인지 및 향후 상태 변화 예측은 기본적으로 차량 배터리 시스템(BSA) 내 존재하는 250~400여개 셀(1모듈=12개 셀, 모듈 당 2.4kW)의 상태값(전류, 전압)를 비롯해 배터리 부하에 영향을 주는 차량 상태(주행 상황, 운전자 기능 조작 패턴 등) 변화에 대한 인지·판단 또한 필요합니다.
이는 인접한 셀 상태(온도, 전압, 전류) 변화 및 차량 주행 패턴, 운전자 조작/명령 등에 영향을 받기 때문입니다.
여기서 BMS가 배터리 셀 부하 상태를 고려해 차량 주행 상황·조건, 운전자 기능 조작·명령에 맞게 밸런싱하는 기능과 시스템을 구축할 수 있습니다. 사전 예측 또는 사후 열폭주 감지를 통해 차량 네트워크 또는 알람·경보 등 화재의 확산을 방지하는 역할을 하는 것이죠.
또한 BMS와 연계한 배터리 냉각 시스템, 배터리 열차단 시스템 등이 화재 위험을 줄일 수 있고요.
이러한 기능은 BMS칩, 센서, 통신 모듈, 실시간 모니터링 소프트웨어, 실시간 데이터 전송 등을 통해 구현 가능합니다.
BMS칩, 센서 및 통신 모듈
BMS칩은 배터리에 필수적으로 들어가는데요. BMS 칩의 수는 배터리 팩의 크기와 설계에 따라 달라집니다. 모듈용 BMS칩, 셀용 BMS칩, 중앙 집중형 BMS 칩 등이 대표적으로 설치되는 형태인데요. 모듈용 BMS칩은 보통 각 모듈 당 하나 이상의 BMS 칩이 배치되어 모듈 내의 모든 셀을 모니터링하고 관리합니다.
셀용 BMS 칩은 보통 고급 배터리 시스템에 쓰인다고 하는데요. 고급 전기차는 개별 셀을 더욱 정밀하게 관리하기 위해 셀당 하나의 BMS 칩을 사용하기도 한다고 합니다.
중앙 집중형 BMS칩은 단일 BMS칩이 여러 모듈을 관리할 수 있도록 설계됐을 때 사용합니다.
그래서 전기차 배터리에는 수 개에서 많게는 수십 개까지 BMS칩을 적용합니다.
BMS칩에 데이터를 보내는 센서는 크게 ▲전압 센서(배터리 셀 전압 측정) ▲온도 센서(셀로 모듈 온도 감지) ▲전류 센서(충전과 방전 상태 체크, 과충전 방지용) ▲임피던스 센서(셀의 내부 저항 측정을 통해 배터리 상태 체크) 등을 꼽을 수 있습니다.
센서를 통해 체크되는 테이터는 반도체 칩과 통신 모듈을 통해 관리하면 됩니다. MCU (Microcontroller Unit) 또는 프로세서는 수집된 데이터를 실시간으로 처리하고, 분석 알고리즘을 적용해 배터리 상태를 평가합니다.
통신 모듈 (CAN, UART, SPI 등)은 BMS가 차량의 중앙 제어 시스템 또는 클라우드 서버와 데이터를 주고받을 수 있도록 합니다. CAN(Controller Area Network)은 자동차에서 널리 사용되는 통신 프로토콜입니다.
또한 무선 통신 모듈 (Wi-Fi, Bluetooth, LTE/5G)은 원격 모니터링 및 데이터를 클라우드 서버로 전송하기 위해 필요합니다.
실시간 모니터링 소프트웨어 및 데이터 전송
이렇게 구축된 하드웨어는 실시간 모니터링 소프트웨어와 연결하면 됩니다. BMS 통합 관리 칩 등의 형태로 실시간으로 수집된 데이터를 저장하고, 필요 시 분석할 수 있도록 데이터베이스에 저장합니다.
여기서 실시간 모니터링 소프트웨어는 알고리즘 및 분석 툴을 통해 배터리의 성능 및 안전성을 실시간으로 평가합니다. 소프트웨어가 이상 상태를 감지하고, 문제가 발생할 경우 경고 메시지를 생성합니다.
시각화 도구도 필수입니다. 차량 모니터, 대시보드, 스마트기기 어플리케이션 등이 필요한데요. 사용자는 배터리의 상태를 한눈에 파악할 수 있도록 데이터를 그래프, 대시보드, 경고 시스템 등으로 시각화 경험을 할 수 있습니다. 예를 들어, 온도, 전압, 전류의 실시간 그래프와 상태를 모니터링하는 대시보드를 만들 수 있습니다.
또 중요한 것은 알림 및 경고 시스템입니다. 전기차가 이상 상태 발생 시 즉시 경고를 보낼 수 있는 시스템을 구축합니다. 차량 운전자와 원격지의 관리자가 문제를 신속히 인지하고 대응할 수 있습니다.
특히 원격지의 관리자(차량 운전자가 될 수도 있음)는 클라우드 기반 시스템을 통해 실시간 데이터를 중앙 서버로 전송해 원격지에서도 모니터링이 가능하게 합니다.
여기서 전기차 차량의 데이터 분석에 인공지능(AI) 기능을 더하면 완성도를 높일 수 있습니다.
클라우드 기반 AI 분석 툴을 사용해 장기적인 배터리 상태 예측 및 유지 보수 시점을 예측할 수 있습니다.
물론 여기서 중요한 것 중 하나가 보안입니다. 실시간 데이터가 외부로 전송되는 만큼 데이터 보안 관리가 중요합니다. 암호화, 인증, 권한 관리 등을 통해 보안을 강화해야 합니다. 보안 문제로 암호화 기술과 블록체인 기반의 데이터 위변조 방지 기술이 도입된 이유입니다.
다양한 기술 요소를 필요로 하는 BMS
그리고 시각화 도구에 꼭 고민해야 할 부분은 인터페이스 및 사용자 경험(UX)입니다.
차량 운전자가 스마트폰(모바일 앱)을 통해 배터리 상태를 실시간으로 확인하고, 경고를 받을 수 있는 앱을 개발할 수 있습니다.
또, 원격지 관리자가 여러 대의 차량을 모니터링할 수 있는 웹 기반 대시보드를 구축할 수 있습니다.
모아진 정보를 테스트하는 작업 도구도 하나의 산업으로 발전할 수 있습니다. 배터리 업체에서 직접 할 수도 있고, 전기차 업체에서 할 수도 있습니다.
모든 센서, 모듈과 소프트웨어가 통합된 후, 실제 차량 환경에서 테스트를 수행해 시스템의 정확성과 신뢰성을 검증합니다.
실시간 모니터링 시스템은 지속적인 개선이 필요하므로, 사용자 피드백과 실제 데이터 분석을 통해 시스템을 개선하면 됩니다.
결국 전기차(EV) 및 에너지 저장 시스템(ESS)에서 중요한 역할을 하는 배터리 관리 시스템(BMS) 분야는 다양한 기술 요소를 필요로 한다고 봐야 합니다. 이러한 기술적 요구를 충족시키기 위해 각 분야에서 활동하는 글로벌 기업들이 협력하며 BMS 밸류체인을 구축하고 있습니다.
◇BMS 분야에 대표적인 글로벌 기업들은 어디?
센서(Sensors) 분야는 Texas Instruments (TI)가 대표적인 기업입니다. TI는 BMS에 사용되는 전압, 온도, 전류 센서를 공급하며, 전기차 배터리의 안전한 운영을 위해 실시간으로 데이터를 제공하고 있습니다. TI는 글로벌 BMS 제조사들과 협력해 고도의 센서 기술을 통합한 솔루션을 제공하고 있습니다. 이들의 기술은 전기차 시장에서 중요한 경쟁력을 형성하고 있습니다.
통신 모듈(Communication Modules)의 핵심 기업은 NXP Semiconductors입니다. NXP는 BMS에서 중요한 역할을 하는 CAN(Controller Area Network) 및 LIN(Local Interconnect Network) 통신 모듈을 제공해, 배터리 셀과 BMS 컨트롤러 간의 데이터 전송을 책임지고 있습니다. 통신 모듈은 전기차의 안정적인 성능을 보장하는 데 필수적이며, NXP는 다수의 자동차 제조사들과 협력하고 있습니다.
BMS의 실시간 모니터링 소프트웨어(Real-Time Monitoring Software) 분야는 Bosch가 두각을 나타내고 있습니다.
Bosch의 소프트웨어는 배터리 상태를 실시간으로 분석하고 최적의 작동 조건을 유지하도록 돕습니다. 독일과 유럽의 전기차 제조사들과 협력해 개발된 이 소프트웨어는 전기차의 성능과 안전성을 크게 향상시키고 있습니다.
실시간 데이터 전송 클라우드 시스템(Real-Time Data Transmission Cloud System)의 경우, Amazon Web Services (AWS)가 중요한 역할을 담당합니다.(다만 일례이며, 관련 사업을 할 수 있는 클라우드 업체를 보면 됩니다.) AWS는 BMS 데이터를 실시간으로 수집하고 분석할 수 있는 클라우드 기반 솔루션을 제공해, 배터리 관리의 효율성을 극대화하고 있습니다. AWS는 전기차 제조사 및 BMS 공급업체들과 협력하여 실시간 데이터 전송 및 분석을 통합한 솔루션을 제공하고 있습니다.
통합 BMS 솔루션의 공급자는 Panasonic이 주목받고 있습니다. Panasonic은 센서, 통신 모듈, 소프트웨어, 클라우드 시스템을 모두 통합한 솔루션을 제공하며, 특히 자사 배터리와 결합해 전기차 및 ESS에 사용됩니다. Panasonic은 Tesla와 같은 글로벌 전기차 제조사들과의 긴밀한 협력을 통해 시장에서의 입지를 확고히 하고 있습니다. 물론 배터리 업체들이 모두 통합 BMS 솔루션 공급자라고 보시면 됩니다. 국내 배터리 빅3 모두 해당되죠.
◇국내 대표 BMS 관련 기업은 어디?
LG에너지솔루션(퀄컴, ADI, GM, 스텔란티스, 혼다 등과 협력), 삼성SDI(GM, 스텔란티스, BMW, 아우디 등), SK온(현대모비스, 오토실리콘, 현대차, CATL 등) 등이 통합 BMS 솔루션의 고도화에 힘쓰고 있습니다.
또한 배터리팩과 BMS업체들을 통합해서 볼 수 있는데요. 상장사 기준으로 LG이노텍, 원익피앤이, 이랜텍, 파워로직스, 에스엘, 영화테크, 라온텍 등이 있으며 비상장 기업으로 넥스콘테크놀로지, 씨티엔에스, 휴네이트, 미섬시스텍, 인지이솔루션 등을 꼽습니다.
▲LG이노텍은 800V의 무선 BMS(Wireless BMS)를 개발했습니다. 이 시스템은 기존 유선 시스템을 대체하여 배터리 팩의 무게를 줄이고, 공간 효율성을 높이며, 배터리 관리의 신뢰성을 향상시킵니다. 해당 제품은 2024년부터 대량 생산을 시작한 것으로 알려졌습니다.
▲전기차 전장 부품 제작 능력을 지닌 원익피앤이도 전기차 BMS를 생산해서 전장 업체에 납품하고 있는 것으로 알려졌습니다.
▲이랜텍은 가정용 ESS와 관련한 BMS 기업으로 꼽힙니다. BMS용 전자제어 장치(ECU)와 같은 핵심 부품을 제조합니다. LG전자의 가정용 ESS의 배터리팩을 비롯해 와이어링 하네스, BMS 등의 핵심 부품 설계를 이랜텍에서 설계해서 ODM 형태로 납품한 전력이 있습니다.
▲파워로직스는 2차전지 보호회로, BMS 모듈, 배터리 팩을 제조하며, 특히 전기차와 전기 자전거용 배터리 시스템에 특화된 솔루션을 제공합니다.
▲에스엘은 전기차 배터리의 상태를 실시간으로 관리하는 BMS 시스템을 개발하고 있습니다. 기아에 납품하는 등 레퍼런스가 있습니다.
▲영화테크는 배터리 관리 시스템에서 사용하는 열 관리 솔루션을 제공합니다. 관련 기술은 배터리의 온도를 효율적으로 관리하여 과열을 방지하고, 배터리 성능을 극대화하는 데 중점을 둡니다.
▲라온텍은 주로 반도체 및 전자 부품에 강점을 가진 회사이며 BMS 관련 반도체 솔루션을 제공하고 있습니다. 라온텍의 기술은 배터리 관리 시스템의 데이터 처리 능력을 향상시키고, 배터리 상태를 정밀하게 모니터링하는 데 기여합니다.
언급 드린 기업 이외에도 배터리팩 기업들과 BMS 솔루션 관련 기술을 개발하고 있는 기업들이 계속 주목받을 수 있습니다.
