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Nikkei X-TECH_2020.7.20

차량의 사이버 공격 '배터리'가 표적으로
독일 반도체기업 Infineon의 지적, 최악의 경우 배터리가 폭발/염상

자동차에 대한 사이버 공격에서 ‘배터리’가 표적이 될 가능성을 독일의 반도체기업 인피니온 테크놀로지(Infineon Technologies)가 지적했다. 하이브리드차(HEV)나 플러그인하이브리드차(PHEV), 전기자동차(EV) 등에 탑재되는 리튬이온 배터리의 관리시스템(BMS)이 사이버 공격을 받으면, 최악의 경우 배터리가 폭발/염상할 위험성이 있다고 한다.

리튬이온 배터리를 안전하게 오래 사용할 수 있도록 하기 위해서는 충방전 프로파일이나 온도(배터리가 동작하는 가장 좋은 온도는 20~40도다. 이 조건을 벗어나면 배터리 용량이나 항속 가능 거리가 30% 정도 줄어든다. 또한 사용 가능한 온도 범위는 -20~60도로 이 조건을 벗어나면 배터리의 열화나 열폭주로 인한 고장이 발생하기 쉽다)를 적절하게 관리하는 BMS가 필수다. BMS는 배터리 셀/모듈의 전압이나 온도를 다수의 센서로 감시하면서 가속이나 회생 등에 동반되는 충방전을 적절하게 제어한다. 각 센서는 배터리 셀/모듈에 근접 배치하기 때문에 BMS의 제어부와 네트워크로 연결된다. 또한 BMS 자체도 차량탑재 네트워크로 다른 ECU(전자제어유닛)와 통신한다.

앞으로 자동차에 커넥티드 기능이 들어가면 BMS가 차량 외부와도 연결된다. “악의를 가지고 BMS의 충방전 프로파일 등을 수정하면 중대한 사고로 이어질 수도 있다”(인피니온 차량탑재사업본부의 Clemens Mueller 씨). BMS에는 고도의 기능 안전성과 함께 앞으로는 보안 대책이 필수라고 할 수 있다.

구체적으로는 BMS의 각종 설정 정보를 고도의 보안으로 보호하는 것이 중요하다. 또한 배터리를 교체할 때 배터리 팩이나 모듈이 순정품인지를 식별하는 인증 기술도 반드시 필요하다고 말했다. 또한 ‘플라이트 레코더’처럼 배터리의 사용 이력을 확실하게 보호하는 기술도 필요하다고 지적했다. 이것은 배터리에 사고가 발생했을 때 그 원인을 보험회사 등이 조사할 때 도움이 되고, 렌터카 종량 과금 제도 등에도 사용할 수 있다고 한다.

인피니온은 이미 배터리 셀의 감시나 남은 용량 계측, 열화 상태 예측 등을 담당하는 다양한 BMS용 반도체를 전개하고 있지만 앞으로는 보안에 주력한다. 인피니온은 원래 보안 IC의 세계적인 공급업체이며, 그 강점을 활용해 전동차용 반도체 사업을 확대할 계획이다.

-- 배터리 보호 스위치도 반도체화 --
인피니온은 배터리를 보호하는 안전 스위치의 반도체화에도 착수하고 있다. 현재 단락 등의 과부하 상태에서 배터리를 보호하는 안전 스위치에는 주로 용단 퓨즈 등이 사용되고 있다. 이것을 반도체 스위치로 대체하면, ‘단락 전류의 차단에 필요한 시간을 기존의 600μs에서 0.75μs로 단축할 수 있다”(Clemens Mueller 씨). 또한 차단에 필요한 단락 전류를 기존의 1.5kA에서 0.35kA로 낮출 수 있기 때문에 안전성이 높아진다.

이처럼 안전 스위치를 반도체로 대체하면, 단락 전류의 차단 특성이 대폭 개선되기 때문에 “단순한 부품의 대체가 아니라 배터리 시스템 전체의 안전 설계에 영향을 미친다”(Clemens Mueller 씨). 인피니온은 현재 이 기술을 파트너 기업과 공동으로 개발하고 있다.

인피니온은 이 외에 차세대 배터리 시스템으로서 검토되고 있는 기술에 대해 소개했다. 예를 들면 배터리의 직렬/병렬 접속을 동적으로 바꾸는 기술이 있다. 이것은 충전 시에는 배터리를 병렬로 해서 저전압으로 하고, 방전 시에는 직렬로 해서 고전압으로 할 수 있다.

또한 대전력을 순식간에 출입시킬 수 있는 슈퍼 커패시터(Super Capacitor)를 기존의 배터리와 조합하는 기술도 제시했다. 슈퍼 커패시터를 사용함으로써 EV의 회생과 가속을 단시간에 바꿀 수 있다. 배터리 셀이나 배터리 모듈간의 통신에 무선 기술을 사용하는 방법이나 전력 망을 통신용에도 사용하는 전력선 통신 등의 기술도 소개했다.

배터리의 열화 상태를 진단하는 기술로서, 펄스 전류를 계측해 배터리 내부의 상태를 파악하는 ‘impedance spectroscopy’를 제시했다. 고정밀도 전류 계측 기술로서는 전하를 세는 ‘coulomb counting’를 소개했다. 또한 앞으로는 배터리 내부의 압력이나 가스를 측정하는 새로운 센서 기술도 필요해진다고 한다. 과잉 부하가 걸리면 내부에서 이산화탄소(CO₂)가 발생하기 때문이다.

열 제어 분야에서는 히트펌프 활용이나 인버터와 배터리 사이에서 전력을 순환시켜, 배터리를 예열하는 기술 등을 제시했다. 이처럼 배터리 시스템에는 아직 개선의 여지가 많기 때문에 반도체 업체 입장에서는 많은 사업 기회가 있다.

-- 전동차의 시장 동향도 해설 --
인피니온은 전동차 시장 동향이나 배터리 비용 분석 등에 대해서도 해설했다. CO₂ 배출량의 규제는 유럽을 중심으로 세계의 자동차 시장에서 엄격해지고 있다. 유럽에서는 CO₂ 배출량 규제를 21년에 95g/km, 25년에 81g/km, 30년에 59g/km로 한다. “59g/km의 규제를 달성하기 위해서는 PHEV나 EV 밖에는 해답이 없다”(Clemens Mueller 씨).

영국의 시장조사 회사 IHS마킷의 예측에서는 30년의 신차 시장의 약 30%를 HEV와 PHEV, EV가 차지할 전망이다. 이들은 모두 고전압 배터리 시스템을 사용한다.

EV 파원트레인의 비용은 대부분이 배터리가 차지한다. 또한 배터리 비용 내역은 18년에 독일 BMW가 발표한 수치에 따르면, 75%가 배터리 셀 등의 재료, 남은 25%가 시스템이나 소프트다.

EV 시장에서는 신규 참여가 이어지고 있다. 20년 전에는 EV를 전개하는 업체는 대형 자동차업체 등 약 20사였다. 현재는 이에 추가로 약 40사의 벤처기업이 참여하고 있다.

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