배터리 설계: EV 에코시스템의 핵심

배터리 설계의 중요한 측면 중 하나는 바로 성능 테스트입니다. 이 결정적인 프로세스는 설계, 생산, 시스템 통합 단계를 포함하여 시장에 진입하는 모든 배터리가 안전성 및 운영 성능 측면에서 가장 높은 수준의 품질을 자랑하도록 보장합니다.


브라이언 휘태커(Brian Whitaker) 제품 마케팅 관리자,
키사이트테크놀로지스


가스로 작동하는 내연기관(ICE) 차량에서 클린 에너지 전기차(EV)로 전환하려면 EV를 더욱 폭넓은 시장에 선보일 수 있도록 대대적인 기술 투자를 진행해야 합니다.

2035년까지 ICE 차량의 생산을 중지시키거나 제한하겠다는 법안이 통과되면서 EV 에코시스템에 대한 수요가 급증하고 있습니다. 그 결과, 더 효율적인 EV 배터리 테스트 방법의 필요성이 제기되고 있습니다.



EV 시장 수요 증가의 핵심에는 지속 가능한 전기화된 교통 시스템을 가능하게 하는 EV 서브시스템에 해당하는 배터리가 있습니다. 목표는 빠르고 비용 효율적이며 에너지 효율성이 뛰어난 프로세스를 사용하여 내구성, 전력 밀도, 운영 안전성을 향상시켜 주는 배터리를 개발하는 것입니다.

배터리 설계의 중요한 측면 중 하나는 바로 성능 테스트입니다. 이 결정적인 프로세스는 설계, 생산, 시스템 통합 단계를 포함하여 시장에 진입하는 모든 배터리가 안전성 및 운영 성능 측면에서 가장 높은 수준의 품질을 자랑하도록 보장합니다.

최신 시스템을 보유하지 않고 테스트 방법이 정립되어 있지 않다면 EV 배터리 테스트에 많은 비용과 시간이 소요될 수 있습니다. 배터리 설계 프로세스 전반에서 모범 사례와 최첨단 기술을 사용하면 배터리 설계 과제를 빠르고 쉽게 해결하는 데 도움이 됩니다.

이 글에서는 다음과 같은 내용을 살펴봅니다.

- 포괄적 EV 배터리 테스트 시스템에 대한 투자가 EV 배터리 설계의 품질 및 성능을 개선하는 방법.  
- 이러한 시스템을 활용해 주행 거리 성능, 전력 밀도, 안전성 저하 없이 제품 출시 기간 단축과 운영 비용을 절감하는 방법.

제품 출시 기간 단축

EV 배터리의 테스트 및 검증은 제품이 시장에 출시될 때 성능과 안전성을 보장하는 데 있어 필수적입니다. 또한 연구개발(R&D) 단계에서 엄격한 테스트를 거치면 제품 출시 기간을 단축하고 비용 효율성을 높일 수 있습니다. 사내 테스트와 성능 문제의 식별을 통해 EV 배터리  공급망에 대한 제품 출시 기간을 단축할 수 있습니다.
 

사내 테스트 수행

오늘날의 테스트 랩은 그 어느 때보다 바쁘기 때문에 전보다 더 오랜 시간을 기다려야 하며, 그 결과 설계자들의 작업이 지체되고 있습니다. 외부 테스트 기관에 의존하면 개발 일정이 몇 주나 더 연장되어 경쟁에서 뒤처질 수 있습니다.

사내 테스트 장비를 구매하면 테스트 대기 시간을 최소화할 수 있습니다. 사내 테스트를 사전에 계획해 두면 최신 프로토타입을 대상으로 완전한 성능 데이터 세트를 확보하는 데 소요되는 시간을 단축할 수 있습니다.

이러한 장비에 대한 자본 투자 요구 사항이 굉장히 부담스럽게 느껴질 수 있지만, 경쟁이 점점 더 치열해지는 상황에서 시간 절약을 통해 투자 수익률을 크게 높일 수 있습니다.

성능 및 안전 문제 식별 

낮은 성능이 미치는 영향을 반드시 고려해야 합니다. 비의무적인 테스트를 생략하면 성능 또는 안전 문제를 발견하지 못할 수 있습니다. 생산이 한참 진행된 제품을 회수하는 경우 그 과정에서 많은 비용을 지불해야 합니다. 문제를 바로잡는 데 소요되는 시간은 완벽하게 가동되는 제품을 시장에 출시하기 위한 일정에 큰 영향을 미칩니다. 시장이 엄청난 속도로 진화하고 있는 상황에서, 이러한 지연은 바람직하지 않습니다.

초기 설계 및 생산 단계에서 테스트를 생략하면 목표 달성이 더 빨라진다고 생각할 수 있습니다. 사실 이러한 방식은 리스크가 큰 전략 중 하나로, 문제를 계속 발견하지 못하면 추후 제품 출시 일정이 대폭 지연될 수 있습니다.

운영 비용 절감 

잘 설계된 테스트 실험실은 EV 배터리 R&D 부문 종사자들의 운영 비용을 실질적으로 절감할 수 있습니다.
최첨단 고성능 배터리 테스트 시스템은 최대 96%의 에너지 효율성을 제공할 수 있습니다. 나머지 4%의 가용 에너지는 그리드로 돌아와 다른 용도로 사용됩니다.
이러한 기술은 바쁜 R&D 실험실의 운영 비용을 두 가지 방식으로 최소화하는데, 냉각 인프라의 설치를 최적화하는 선제적인 방법과 에너지 비용을 현저히 줄여 지속적인 효과를 제공하는 방법이 있습니다.

실험실 개선

EV의 판매량은 계속해서 증가하고 있으며, 2023년에는 2022년보다 31%더 많은 1,360만 대가 판매되었습니다. 이러한 증가세는 수많은 장비를 활용해 상당한 기간에 걸쳐 수천 시간에 달하는 테스트를 진행해야 한다는 사실을 의미합니다. 성장을 촉진하기 위해 시장이 빠르게 변화함에 따라, 이처럼 오랜 시간이 걸리는 테스트 절차는 설계 병목 현상과 제품 출시 일정의 지연을 초래할 수 있습니다.

이러한 테스트는 방대한 양의 데이터를 효율적으로 관리 및 평가할 수 있는 역량을 필요로 합니다. 많은 양의 테스트 데이터를 관리하는 한 가지 방법은 데이터 무결성과 추적 기능을 제공하는 실험실 운영 소프트웨어를 선택하는 것입니다. 또한 소프트웨어 애플리케이션이 워크플로 관리 기능과 함께 테스트 실험실 업무를 간소화하여 효율을 최적화하는 데이터 분석 도구를 제공할 수 있습니다.

셀 설계자의 테스트 요구 사항 식별

모듈성과 유연성은 셀 설계자, R&D 스튜디오, 소규모 스타트업을 위한 린 프로세스를 구축하고 고품질 배터리 셀을 빠르게 설계하는 데 있어 굉장히 중요합니다.

업스트림 설계 단계에 대한 투자는 최종 제품의 품질을 좌우합니다. 이 단계에서는 설계 결함을 빠르고 비용 효율적이고 정확하게 수정해야 합니다. 충전/방전 플랫폼과 수명 셀 사이클링 장비 같은 테스트 시스템은 설계를 빠르게 평가 및 검증하여 설계자가 다음 변경 작업을 진행할 수 있도록 완전한 데이터 세트를 제공해야 합니다.

이상적인 테스트 장비는 설치 면적이 작아야 하며, 셀 요구 사항이 바뀌고 용량이 증가함에 따라 다양한 채널 구성을 배포할 수 있어야 합니다.
 

복잡한 시스템 테스트

전력 전자장치 외에도, 다양한 테스트 시나리오를 고려해야 합니다. 여기에는 배터리 관리 시스템과 온도/기후 챔버를 사용하여 다양한 기후 조건에서 프로토타입을 테스트하는 경우가 포함됩니다.

테스트 시나리오에는 다음이 포함됩니다.

- 기능, 에이징, 환경, 성능 테스트.
- 표준 및 표준 준수 테스트(ISO, DIN, EN, SAE).
- 저항(내부), 전하, 에너지, 용량, 효율성, 충/방전 사이클, 내구성, 온도 기준 동작, 기계적 저항.
- 내구성, 범위, 효율성 분석.
- 전기 화학 임피던스 측정 및 주기적 전압전류미터.

테스트 엔지니어는 이러한 테스트의 변수를 동적으로 제어하여 사용자 개입 없이 값을 설정 및 변경할 수 있습니다. 이러한 추가 소스에서 얻은 데이터는 사후 처리 없이 테스트 시퀀스 중에 평가를 거쳐야 합니다. 테스트 시스템은 사용자가 테스트가 잘 진행되고 있는지, 아니면 테스트를 종료해야 하는지 판단할 수 있도록 데이터를 명확하게 표시해야 합니다.

따라서 테스트 환경에 있는 모든 구성요소의 제어를 동기화하면서 측정된 값과 나머지 테스트 시퀀스 동안 변수로 사용되는 해당 값을 기록할 수 있어야 합니다.

결론 

EV 배터리 테스트에 대한 투자는 단순한 기술적 필수 요소가 아니라 교통 분야의 미래를 위한 전략적 의무입니다. 고급 테스트 방법론의 통합은 EV 배터리의 안전성, 효율성, 수명을 향상시켜 EV 시장의 급격한 성장을 지원하는 데 필수적입니다. 

지속 가능한 글로벌 목표에 부합하는 이러한 노력은 제조업체들을 소비자와 규제 기관의 진화하는 요구를 충족할 수 있는 혁신의 선두 주자로 만듭니다. 제조업체는 고급 배터리 테스트를 우선시함으로써 교통 분야에 변혁을 일으킬 혁신을 위한 길을 개척해 나갑니다. 이러한 혁신이 EV의 접근성과 신뢰성, 환경친화성을 높여 줄 것입니다.


저자 소개

현재 Brian은 AC 및 DC 전원 공급기 및 전자 부하룰 담당하는 제품 마케팅 관리자 입니다. 키사이트테크놀로지스에 입사하기 전 Texas Instruments, 3M, SolarWinds, Ping Identity에서 근무한 경험을 통해 다양한 기술 분야에 대한 폭넓은 경력을 보유하고 있습니다.