Texas Instruments Mark Ng                                  TI  마크 응 전기 파워트레인 부문 총괄

전기차 OEM과 부품업체는 배터리 팩 조립 및 생산 간소화, 고장 원인 제거, 배터리팩 중량 저감 및 셀 추가, 주행거리 확장, 총체적인 비용 절감을 위해 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)을 유선에서 무선으로 바꾸려 하고 있다. 이것은 완벽한 안전성을 전제로 해야만 한다. 텍사스 인스트루먼트(Texas Instruments, TI)의 마크 응 하이브리드 및 전기차 파워트레인 부문 총괄이 무선 BMS에 대한 TI의 지원과 업계 현황에 대해 들려줬다.   

글 | 윤범진 기자_bjyun@autoelectronics.co.kr


마크 응(Mark Ng)은 전동화의 세 가지 주요 영역인 트랙션 인버터, 배터리 관리 시스템, 온보드 차저 및 DC/DC 컨버터에 중점을 두고 하이브리드 및 전기 파워트레인 애플리케이션을 전담하는 시스템 엔지니어 팀을 이끌고 있다. 이 팀은 전 세계 OEM 및 티어 1과 협력해 전체 시스템 솔루션을 설계하고 있다. 마크는 또한 홍보 관련 의사결정 및 신제품 개발에 대해 조언하는 역할을 수행하고 있다. 현 직책 이전에 그는 홍콩에서 아날로그 전원 제품 비즈니스의 사업 개발 매니저 및 고성능 절연 사업부의 인프라 전원 제품 매니저, 절연 DC/DC 텔레콤 부문의 제품 마케팅 매니저로 근무했다. 캘리포니아 서니베일에서는 아날로그 FAE로 근무하며 북미 세일즈 및 마케팅을 지원했다. 산타클라라 대학에서 전기공학 학사 및 석사 학위를 받았다.  




Q. 배터리 관리 시스템(BMS)을 유선(wired)에서 무선(wireless)으로 전환해야 할 불가피성은 무엇이라고 보십니까?

A. 유선(wired)은 가장 일반적이자, 기본이 되는 방식입니다. 데이지 체인(Daisy chain)은 기능안전성(Functional Safety) 기능을 내장하고 있기 때문에, 유선은 일반적으로 ASIL D 등급을 달성할 수 있는 가장 견실한 방식이기도 합니다.
무선 BMS (Wireless BMS)를 도입하는 주요 동기 중 하나는 배터리 팩의 조립 및 생산 과정을 간소화해 비용을 절감하고 생산 효율성을 높일 수 있다는 점입니다. 배터리 모듈마다 각각의 케이블을 연결해야 하는 유선 BMS 시스템과는 달리 무선 BMS를 사용하면 배터리 팩을 간단히 조립하고 즉시 판독할 수 있습니다.

또 다른 동기는 케이블 하네스와 커넥터가 배터리 팩의 주요 고장 원인이 될 수 있다는 점입니다. 무선 BMS는 저전압 케이블을 줄이고, OEM의 보증 관련 소비자 클레임 부담을 다소 덜어줄 수 있는 이점도 있습니다. 운전자 입장에서도 신뢰할 수 있는 품질의 차량을 운행함으로써 얻는 이점도 있습니다. 

무선 BMS는 차량의 무게를 줄이고, 특히 배터리 팩 안에 여유 공간을 확보하는 데 도움을 줍니다. 여유 공간이 넓어지면 배터리 제조사 또는 OEM은 더 많은 배터리 셀을 팩에 추가할 수 있습니다. 또, 배터리 셀의 수가 증가하고 무게가 감소하면 더 긴 주행거리를 구현할 수 있습니다.
무선 BMS는 부품 비용 절감에도 도움을 줄 수 있습니다. TI의 무선 BMS 프로토콜은 기본적으로 절연되어 있어 OEM은 절연을 달성하기 위한 변압기나 커패시터 및 공통 모드 초크가 필요하지 않아 비용을 절약할 수 있습니다. 유선 BMS에서는 모든 셀 모니터가 변압기 또는 공통 모드 초크를 사용해 절연하지만, 무선 BMS는 절연을 위한 값비싼 구성 요소들의 필요성을 없애줍니다.







Q. OEM이 무선 BMS 기술의 이점을 누리기 위해서는, 무선 BMS 시스템이 신뢰할 수 있고 기능적으로 안전해야 합니다. 또, 무선 시스템의 신호 간섭이나 보안 요구사항도 충족해야 합니다. 이러한 질문에 대해 TI는 어떻게 대응하고 있습니까?

A. 맞습니다. 무선 BMS 시스템은 우수한 성능은 물론, 뛰어난 신뢰성과 안전성 및 보안성을 제공해야 합니다. 

현시대의 전기차는 잡음이 심한 환경, 배터리 모듈의 신호 전달 성능에 영향을 미치는 금속 인클로저 등 다양한 요인들이 무선 연결에 간섭합니다. 현재 기존의 어떠한 표준 프로토콜도 앞서 언급한 오류들을 완벽하게 처리할 수는 없습니다. 따라서 성능, 신뢰성, 안전 및 보안 기능을 위해 TI가 가장 먼저 한 일은 TI 고유의 프로토콜을 만드는 것이었습니다.

TI의 무선 프로토콜은 최고 수준의 성능을 제공하지만, 2.4GHz 무선 네트워크의 ‘가용성’ 문제를 해결해야 했습니다. 네트워크를 즉시 사용할 수 있어야 전기차 주행이 가능하고, 지연이나 중단을 최소화하면서 실시간으로 배터리를 관리할 수 있기 때문입니다.

성능 측면에서 TI의 2.4GHz 무선 프로토콜은 노드 당 2 ms 미만의 지연속도와 최대 1.2 Mbps의 업계 최고의 데이터 처리량을 제공합니다.
TI의 CC2662R-Q1 무선 MCU에서 실행되는 무선 프로토콜은 99.999% 이상의 뛰어난 가용성을 제공하며 가혹한 배터리 인클로저 환경에서도 무선 BMS 사용을 가능하게 합니다. TI는 실제 배터리 팩의 성능을 테스트하기 위해 고객과 함께 노력해 만족스러운 결과를 얻었습니다.
TI의 무선 프로토콜은 배터리 시스템의 보안을 위해 128비트 암호 가속화 및 미국 정부 공인 최고 보안 표준인 AES-128의 메시지 무결성 검사 등 강화된 보안성도 제공합니다. 또, 낮은 패킷 오류 발생률(PER), 단일 홉과 짧은 지연 시간으로 뛰어난 성능을 제공합니다. 

차량 제조업체는 키 교환 및 업데이트, 고유한 디바이스 인증, 디버그 보안, 128비트 AES 암호 가속화 및 메시지 무결성 검사와 같은 TI의 여러 보안 지원 기능을 통해 잠재적인 위협을 완화할 수 있습니다. 가장 중요한 것은 TI의 솔루션이 안전성 국제표준인 ISO 21434의 사이버 보안 요구사항을 충족한다는 점입니다.

기능안전성을 설계하는 데에는 상당한 시간이 소요될 수 있습니다. TI의 무선 BMS 솔루션은 세계적인 기능안전성 시험/검사/인증기관인 TÜV SÜD로부터 기능안전성에 대한 평가를 받았습니다. 고객들은 기능안전성 설계에 소요하는 시간을 단축할 수 있고, TI는 안전성 국제표준 ISO 26262의 최고 수준인 ASIL D 등급 달성을 위한 문서와 분석 자료 역시 제공하고 있습니다.








Q. 무선 BMS 시스템이 ISO 26262 표준에서 요구하는 기능안전성을 달성하기가 더 어렵지 않나요?

A. 언급한 바와 같이, TI는 업계 최고의 기능안전성 기관인 TÜV SÜD와 협력해 TI의 무선 BMS 기능안전성 개념의 양적 및 질적 오류 감지는 물론, 자동차 제조업체들이 ISO 26262 인증의 최고 수준인 ASIL D를 달성할 수 있는 가능성을 독립적으로 평가했습니다. TI가 제공하는 문서와 분석 자료를 통해 자동차 제조업체들은 TI의 솔루션을 전체 시스템에 적용해 자체적인 기능적 안전성 목표를 달성할 수 있습니다.


Q. 무선 BMS가 기존 유선 BMS에 비해 확장성 면에서 뛰어나다고 할 수 있을까요?

A. TI의 무선 BMS 솔루션은 가장 높은 처리속도를 제공하기 때문에 업계에서 가장 확장성이 뛰어납니다.
자동차 회사들이 16셀, 32셀, 64셀 시스템과 같은 다양한 구성을 지원하는 다수의 BQ79616-Q1 배터리 모니터와 연결된 단일 무선 시스템 온 칩을 사용해 배터리 모듈 제작을 지원합니다. BQ79616-Q1은 동일한 패키지 유형에서 서로 다른 채널 옵션을 제공하기 때문에 모든 플랫폼에서 핀 투 핀 호환성을 제공하고 기존 소프트웨어와 하드웨어를 재사용할 수 있도록 지원합니다.

실제로 최대 100개의 노드를 지원할 수 있도록 설계되었습니다. TI 무선 BMS 프로토콜을 탑재한 BQ79616-Q1은 업계 최저 수준인 노드 당 2 ms 미만의 지연 시간을 제공합니다. 특히, 모든 노드에 걸쳐 시간 동기화 측정 기능(time-synchronized measurements)을 제공합니다.









Q. TI의 무선 BMS는 2.4GHz 무선 네트워크 기술을 기반으로 합니다. 동일한 2.4GHz 기술을 기반으로 하는 경쟁사와 비교했을 경우 TI의 경쟁력은 무엇입니까?

A. TI의 무선 BMS는 업계 최고 수준인 99.99%의 최대 네트워크 가용성을 제공합니다. 동시에, 유연한 배터리 아키텍처 및 저전력으로 시스템 수준의 안전성을 제공합니다. 무선 프로토콜을 개발하는 초기 단계부터 ‘안전’을 최우선으로 고려했습니다. 
이건 TI가 고유 프로토콜을 개발하게 된 또 다른 동기이기도 한데요. 블루투스 저에너지(Low Energy, LE) 같이 안전을 위해 설계되지 않은 기술 표준을 강제로 ASIL D 시스템에 적용하는 건 큰 리스크를 수반하기 때문입니다. 
또한, 솔루션 자체도 최대 100개 노드까지 확장할 수 있어 경쟁사 대비 최대 10배 낮은 전력을 소모합니다. 다시 말씀드리지만, 결국 목표는 전기차의 주행거리를 늘리는 것입니다. 무게를 줄일 수도 있지만, 한편으로는 배터리 셀을 위해 더 많은 공간을 확보함으로써 주행거리를 늘릴 수 있습니다.

TI는 개발 비용과 복잡성을 낮춰 출시 기간을 단축하고, 가용성은 향상시켰습니다. 또, 확장 가능한 단일 모듈 무선 BMS 플랫폼을 사용해 다양한 종류의 전기차에 대응할 수 있습니다.
앞서 언급했듯이, 품질 보증은 상당히 중요합니다. TI는 상당한 수리 비용이 발생하는 케이블 파손 및 하네스 고장으로 인한 수리의 필요성을 없앴습니다. 무선 BMS는 초저 패킷 오류율을 위한 높은 처리량과 높은 신뢰성을 갖는 고정 저지연 프로토콜입니다.







Q. 무선 BMS에 블루투스 LE, 지그비, WiFi, NFC 등 다양한 무선 프로토콜 기술이 시도되고 있습니다. 각각의 장단점이 있을 텐데요, 향후 어떻게 재편될 것으로 전망하시나요?

A. TI는 블루투스, 지그비, WiFi, NFC 솔루션도 보유하고 있는 무선기술 분야의 선두주자입니다. 앞서 언급한 것과 같이, 기존의 기술 표준 중 배터리 팩마다의 고유한 요구사항 및 성능을 충족할 수 있는 기술은 존재하지 않습니다.
TI의 무선 프로토콜은 처음부터 배터리의 실제 사용 사례를 염두에 두고 개발되었습니다. 어떠한 표준 무선기술도 성능, 신뢰성, 가용성, 안전, 보안 등 모든 주요 성능지표를 충족할 수 있다고 생각하지 않습니다. 


Q. TI의 고전압 BMS의 빌딩 블록(Building block)이 타사와 비교해 크게 다른 점이 있다면 무엇인가요?

A. TI는 경쟁사에 대해서 언급하지 않는 것을 원칙으로 합니다. 하지만 TI 솔루션은 고전압 BMS의 모든 측면을 고려한 광범위한 디바이스 포트폴리오를 보유하고 있다는 점은 자신 있게 말씀드릴 수 있습니다. 따라서 TI는 BMS 디바이스 개발에 집중할 수 있으며, 최고 성능의 최신 IC로 가장 까다로운 엔지니어링 문제를 해결할 수 있습니다. TI는 고전압 배터리 모니터, 고전압 및 전류 감지를 위한 팩 모니터, 절연 부하 스위치, 자유전하(free charge) 드라이버, 온도 센서, CAN 트랜시버 등을 보유하고 있습니다.


Q. BMS 시스템 설계자가 추가되는 BOM(bill of material) 비용과 R&D 비용, 소프트웨어 개발 비용 및 시간을 절약하고 적기(time to market)에 무선 BMS 시스템을 출시할 수 있도록, TI는 어떻게 지원하고 있습니까?

A. TI의 소프트웨어 라이센스 비용은 무료이며, 소프트웨어 드라이버는 오픈소스이기 때문에 자유롭게 이용할 수 있습니다. 또, 수십 년의 경험을 갖춘 시스템 엔지니어 팀이 고객이 최첨단 무선 시스템을 구현할 수 있도록 지원합니다.


Q. TI의 고전압 BMS의 공개 가능한 적용 사례나 협업 사례를 소개해 주실 수 있을까요? TI의 무선 BMS에 기반한 차량이 도로에 나오는 시점을 언제로 예상하고 있나요?

A. 현재 다수의 주요 차량 제조업체 및 티어 1 협력사들과 긍정적으로 논의가 이루어지고 있습니다. TI는 고객 기밀을 밝히지 않는 것을 원칙으로 하며, 고객사의 동의 없이 고객에 관해 언급하지 않습니다. 현재로서는 어떤 고객이라고 구체적으로 말씀드리기 곤란합니다.
고객이 자사 디자인을 언제 출시할지는 고객들에게 달렸습니다. TI 솔루션에 사용되는 모든 부품을 포함한 설계 정보는 현재 TI 웹사이트를 통해서 구입할 수 있습니다. 







Q. 무선 BMS 시장이 점점 더 가열될 것으로 예상합니다. TI의 향후 계획은 무엇입니까?

A. 자동차 산업은 계속해서 빠르게 발전하고 있으며, 무선 BMS의 필요성은 계속 높아질 것으로 예상됩니다.
반도체는 자동차 제조업체들이 첨단 자동차를 만드는 데 마주하는 어려움을 최소화하고, 비용과 복잡성을 낮추고, 안전 요구사항을 충족할 수 있도록 돕고 있습니다. TI의 무선 BMS 혁신은 자동차 제조업체들의 설계 요구사항을 예측해 업계 최고의 확장성을 제공하며, 설계 유연성을 높이는 동시에 기존 시스템 대비 복잡성과 비용을 낮추고 있습니다.
앞으로도 TI는 자동차 시장에 적합한 디바이스, 도구, 리소스를 제공하고 기술 혁신과 차량 전동화를 지속적으로 추진할 계획입니다.

AEM_Automotive Electronics Magazine