2018년 동력배터리 및 배터리 관리 시스템 핵심 기술 발전 추세 분석

2018년 동력배터리 및 배터리 관리 시스템 핵심 기술 발전 추세 분석

현재는 2017년 말이며, 모두가 2018년 중국 신에너지 자동차 기술 발전 추세를 분석하고 있다. 또한 과학기술부의 '신에너지 자동차 2018년 중점 특별 사업 신청 지침'이 이미 발표되었으며, 기업들에게 매우 유용한 지침을 제공한다. 아래는 필자가 '신청 지침'을 학습한 후, 2018년도 동력배터리 및 배터리 관리 시스템 핵심 기술의 발전 추세에 대한 분석이다.

1 중국 신에너지 자동차 핵심 기술 주요 추진 방향
《제안 가이드》에 따르면, 2018년 중국 신에너지 자동차 기술의 주요 추진 방향은 다음과 같다: 동력배터리 및 배터리 관리 시스템, 모터 구동 및 전기 에너지, 전자 및 전기차 지능화, 연료전지 동력 시스템, 플러그인/증강형 하이브리드 시스템, 순수 전기 동력 시스템.
총 6개의 방향으로 나누어 24개의 연구 과제를 세분화했다. 『신에너지 자동차 2018년 중점 특별 사업 신청 가이드』는 바로 이러한 상위 설계의 구체적인 구현이다.

① 기업과 정부의 계획이 일치해야 하며, 기업의 경영 활동(기술 개발 포함)은 정부의 전반적인 설계 아래에서 진행되어야 한다.

② 기업의 2018년 신에너지 자동차 연구(개발) 프로젝트는 반드시 6개 방향, 총 24개 연구 과제 중에서 선정되어야 한다.

③ 기업의 구체적인 기술 연구 및 개발 프로젝트는 중앙정부의 연간 계획 기술 공략 프로젝트와 대응되어야 한다.

2018년 동력배터리 및 배터리 관리 시스템 연구 과제는 5개로 나뉜다.
1. 고휘수·고비에너지 승용차 배터리 시스템 기술(중대공통핵심기술류)
① 연구 내용:
승용차의 높은 통합도 요구사항에 부응하기 위해 차량 전체를 일체화한 배터리 시스템의 기계·전기·열 설계를 수행한다. 또한 첨단적이고 신뢰할 수 있는 배터리 관리 시스템과 컴팩트하며 효율적인 열 관리 시스템을 개발한다. 모듈 및 시스템의 전기 구성과 파라미터 매칭, 내구성 및 신뢰성 설계와 검증을 진행한다. 열 시뮬레이션 모델, 열 불안정 및 열 확산으로 인한 사고 분석 모델을 기반으로 배터리 시스템 화재 확산 현상과 소방 안전 대책을 연구하고, 배터리 시스템의 안전 설계 및 보호 시스템 개발과 검증을 실시한다. 또한 배터리 시스템의 경량화 및 컴팩트화 기술, 제조 공정 및 조립 기술에 대한 연구를 수행하여 고효율, 고안전성 승용차용 동력배터리 시스템을 개발한다. 마지막으로 배터리 시스템 성능 테스트 평가 기술에 대한 연구를 진행한다.

② 평가 지표:
배터리 시스템의 비에너지 밀도는 210Wh/kg 이상, 주기 수명은 1200회 이상(80% 방전 깊이(DOD), 연간 기온 분포 모델링)이며, 전체 수명 주기 동안 넓은 작동 온도 범위에서의 충전 상태(SOC), 전력 상태(SOP), 건강 상태(SOH) 추정 오차의 절대값은 3% 이하, 개별 배터리 간 최대 온도 차이는 2℃ 이하, 80% 이상 SOC 상태로 빠르게 충전하는 데 필요한 시간은 1시간 이내이다. 안전성 등 국가 표준 요구사항과 넓은 온도 사용 범위 요건을 충족하며, ISO 26262 ASIL-C 기능 안전 요구사항 및 산업 표준 요구사항을 준수한다. 원가는 1.2원/Wh 이하, 연간 생산 능력은 1만 세트 이상이며, 제품은 최소 2개의 완성차 업체에 공급되며, 차량에 장착된 적용 사례는 3,000세트 이상이다. 열失控 및 열 확산 사고로 인한 피해 분석 및 위험 평가 보고서를 제출하고, 완성차 통합 기반의 배터리 시스템 설계·제조·시험 규격을 수립한다.

③ 필자 해석:
승용차 전동차 배터리 시스템 기술의 주요 연구 방향은 다음과 같다:
i) 현재 일부 제조업체들이 적극적으로 권장하는 배터리 교체 방식 기술이 아니라 완성차 통합 배터리 시스템이다.
ii) 배터리 시스템의 비용(에너지 밀도)이 210Wh/kg 이상이고, 사이클 수명이 1200회 이상일 것(80% 방전 깊이(DOD) 기준). 이처럼 비용이 210Wh/kg 이상인 것은 반드시 삼원 배터리(리튬-철-인산염 배터리)를 의미하며, 승용차에 리튬-철-인산염 배터리를 보급하는 것은 거의 불가능하다.
iii) 배터리 시스템의 비용이 1.2위안/Wh 이하인 것은 현재 배터리 시스템의 비용이 기본적으로 그보다 높으며, 향후 보조금 지원을 받기 위한 문턱에 해당함을 의미한다.

2. 고휘안성장수명 버스 전동차 배터리 시스템 기술
① 연구 내용:
버스의 고효율 안전 등급과 초장기 보증 주행 거리에 대한 실제 적용 요구를 고려하여, 모듈식 및 분산형 배치 기반의 동력배터리 시스템 전반적인 구조 설계, 기능 및 기계-전기-열 통합 설계 기술을 연구한다. 또한, 첨단적이고 신뢰할 수 있는 배터리 관리 시스템과 효율적인 열 관리 시스템을 개발한다. 동력배터리 시스템의 전기 구성 및 파라미터 매칭, 내구성과 신뢰성에 대한 설계 및 검증을 수행한다. 열 시뮬레이션 모델, 열 불안정 및 열 확산으로 인한 사고 분석 모델을 기반으로 배터리 시스템 화재 확산 및 소방 안전 대책을 연구하며, 배터리 시스템의 안전 설계와 방호 시스템, 감시 시스템의 개발 및 검증을 진행한다. 배터리 시스템의 경량화 및 컴팩트화 기술을 개척하고, 지능형 제조 공정을 구축하여 고효율, 장수명 버스용 동력배터리 시스템을 개발한다. 또한, 배터리 시스템 성능 평가 기술에 대한 연구를 실시한다.

② 평가 지표:
배터리 시스템의 비용량은 170Wh/kg 이상, 주기 수명은 3000회 이상(80% DOD, 연간 기온 분포 모델링)이며, 전체 수명 주기 및 넓은 작동 온도 범위에서 SOC, SOP, SOH 추정 오차의 절대값은 3% 이하, 단일 배터리 간 최대 온도 차이는 2℃ 이하입니다. 80% 이상의 SOC 상태로 빠르게 충전하는 데 필요한 시간은 15분 이내이며, 안전성 등 국가 표준 요구사항과 넓은 온도 사용 범위 요건을 충족합니다. 또한 ISO 26262 ASIL-C 기능안전 요구사항 및 산업 표준 요구사항을 준수하여, 단일 배터리 열失控 후 30분 이내에 시스템이 발화 또는 폭발하지 않도록 보장합니다. 비용은 1.2원/Wh 이하이며, 연간 생산 능력은 3000세트 이상입니다. 제품은 최소 3개의 완성차 업체에 공급되며, 실용 적용은 1000세트 이상입니다. 열失控 및 열확산 사고로 인한 피해 분석 및 위험 평가 보고서를 제출하고, 배터리 시스템 설계·제조·시험에 대한 기술 규격을 수립합니다.

③ 필자 해석:
버스 전동차 배터리 시스템 기술의 주요 연구 방향은 다음과 같다:
i) 모듈식 및 분산형 배치를 기반으로 한 동력배터리 시스템에 대한 연구. 이 설명에서, 여객차용 동력배터리 시스템은 승용차와는 달리 하나는 일체형이고 다른 하나는 모듈식 및 분산형이다.
ii) 배터리 시스템의 비에너지가 170Wh/kg 이상이고, 주기 수명이 3000회 이상(80% DOD 기준). 이 설명은 버스용으로는 여전히 인산철리튬이 주요 추천 대상이며, 수명이 주요 지표이다.
iii) 단일 열 제어 장치가 고장난 후 30분 이내에 시스템에서 화재나 폭발이 발생하지 않음. 이 지표는 안전 시간이 30분 이상임을 보여주며, 이후의 주관적 방향을 결정하는 기준이 된다.
iv) 버스 전동차 배터리 시스템 비용이 1.2위안/Wh 이하로, 이 지표는 완성차 기업이 시스템 비용에 주목하고 있으며, 배터리 단일 요소 가격에는 관심이 없다는 것을 보여준다.

3. 고에너지 리튬/황 배터리 기술
① 연구 내용:
황 전극 반응의 새로운 메커니즘을 탐구하고, 높은 비용량과 긴 수명을 갖는 황 전극 소재 및 적합한 전해액 체계를 개발한다. 리튬 드라그트성장 메커니즘과 억제 방법을 연구하여 고순환 쿨럼 효율과 우수한 순환 안정성을 동시에 갖는 리튬 음극을 개발한다. 고강도·고안전성 기능성 분리막에 대한 연구를 진행한다. 고부하 황 전극 및 리튬/황 배터리의 설계와 제조 기술을 숙달한다. 리튬/황 배터리의 안전성 향상 기술을 연구하여 고휘발성·장수명의 리튬/황 동력배터리를 개발하고, 차량 장착 시험을 완료한다.

② 평가 지표:
단일 배터리의 비용은 400Wh/kg 이상이며, 주기 수명은 500회 이상(100% DOD)으로 안전성은 국가 표준 요구 사항을 충족한다.

③ 필자 해석:
i) 리튬/황 배터리는 새로운 유형의 배터리로, 차량 탑재 요구 사항을 충족시키기 위해 준비가 필요하며, 현재 차량에 탑재할 수 있는 조건은 아직 성숙하지 않다.
ii) 단일 배터리의 비용은 400Wh/kg 이상, 주기 수명은 500회 이상(100% DOD)이어야 하며, 이 지표는 승용차 및 버스에 대한 수명 요구 사항을 충족하지 못한다.

4. 고에너지 고체 리튬 배터리 기술
① 연구 내용:
고체 폴리머 전해질 및 무기 고체 전해질의 설계와 제조 기술을 연구하여 넓은 전기화학적 창구와 높은 상온 이온전도율을 갖는 고체 전해질 시스템을 개발한다. 또한 활성 입자와 전해질, 전극과 전해질층 사이의 고체/고체 계면 구축 기술 및 안정화 기술을 연구하고, 고체 전극 및 고체 배터리 제조 기술을 개발한다. 마지막으로 고체 배터리의 생산 공정 및 특수 장비에 대한 연구를 진행하여 고휘장안성과 긴 수명을 가진 고체 리튬이온 배터리를 개발하고, 차량 탑재 시범 적용을 실현한다.

② 평가 지표:
실온에서 단일 배터리의 비용은 300Wh/kg 이상이며, 사이클 수명은 2000회 이상(0.3C 이상의 충전 및 방전 조건, 100% DOD)입니다. 안전성은 국가 표준 요구사항을 충족하며, 차량 장착 시 평가를 통과할 수 있습니다.

③ 필자 해석:
i) 리튬/황 배터리 기술과 고체 전지 리튬배터리 기술은 차량에 탑재될 수 있는 차세대 배터리 기술이다.
ii) 현재 시장에서 유행하는 새로운 배터리의 경우 차량에 탑재할 수 있는 기준 달성까지는 아직 더 먼 거리이다.
iii) 다른 기존 배터리로 충전된 제품은 어떤 개선을 하더라도 다시 충전할 수 없음.

5. 동력 배터리 테스트 및 평가 기술
① 연구 내용:
동력배터리의 핵심 소재 및 모듈 성능 평가 방법을 연구하여 '소재-배터리-성능'의 폐쇄형 연계 평가 메커니즘을 구축한다. 배터리의 전 생애주기 동안 전기적 성능과 안전성의 변화 규칙을 연구하고 시뮬레이션 분석 기술을 개발한다. 관리 시스템의 기능 평가 및 성능 특성화 방법에 대한 연구를 수행하며, 소프트웨어와 하드웨어 테스트 장비 또는 장치를 개발한다. 배터리 시스템의 성능 평가 방법과 실제 운용 조건에 기반한 신뢰성, 열안전성 및 기능안전성 평가 방법을 연구하고, 배터리의 열失控 및 열확산으로 인한 사고 원인 분석을 실시하며, 동력배터리의 안전 등급 분류 기준을 연구한다. 국내외 동력배터리 시스템에 대한 비교 분석을 수행하고, 동력배터리 분야의 권위 있는 테스트 평가 플랫폼 및 데이터베이스를 구축한다.

② 평가 지표:
동력배터리의 전반적인 평가 체계를 구축한다. 이는 소재부터 시스템에 이르는 전기 성능 테스트 방법, 단일 배터리의 전체 수명 주기 동안의 안전성 특성화 방법, 관리 시스템의 기능 및 성능 평가 방법, 실제 운용 조건을 고려한 동력배터리 시스템의 신뢰성, 열안전성 및 기능안전성 평가 방법 등을 포함한다. 또한 국제적 선진 수준의 동력배터리 테스트 및 평가 플랫폼을 구축하고, 테스트 평가 및 동력배터리 안전 등급 분류 분야에서 10개 이상의 표준 제안을 마련한다. 제품 데이터베이스를 구축하여 배터리 시스템 샘플 수를 최소 200개 이상으로 확보한다.

③ 필자 해석:
i) 동력배터리의 핵심 소재 및 모듈 성능 평가 방법 연구는 매우 중요한 의미를 지니며, 배터리 제조업체들이 반드시 해결해야 할 과제이다.
ii) 완성차 제조사가 이러한 동력배터리의 핵심 소재 및 개별 모듈의 성능을 평가하는 방법은 주로 이해하기 위함일 뿐이다.

3 배터리 시스템 기술의 핵심 기술 발전 추세 요약
① 승용차 전동차 배터리 시스템 기술의 핵심 기술 발전 방향은 통합 설계를 중심으로 한 고안전성과 높은 에너지 밀도를 목표로 하며, 주요 지표는 배터리 시스템의 에너지 밀도가 210Wh/kg 이상이어야 하고, 사이클 수명은 80% 방전 깊이(DOD)에서 1200회 이상이어야 한다.

② 버스 전동차 배터리 시스템의 핵심 기술 발전 방향은 분산형 설계를 중심으로 한 고안전성과 장수명을 목표로 하며, 주요 지표는 배터리 시스템의 비에너지(1kg당 170Wh 이상)와 사이클 수명(80% DOD 기준 3,000회 이상)이다.

③ 승용차 전동차 배터리 시스템과 버스 전동차 배터리 시스템의 비용 지표는 1.2위안/Wh 이하로 설정되었다. 이 결론은 보조금 정책의 추가 감축을 위한 중요한 근거가 된다.

④ 승용차용 삼원 배터리는 기본적인 추세로, 여객차는 주로 리튬이온 배터리를 사용하고 있으며, 여객차는 빠른 충전이 요구되며, 빠른 충전 시간은 15분 이내이다.

⑤ 고에너지 비율 리튬/황 배터리와 고에너지 비율 고체 리튬 배터리는 차세대 배터리로, 현재까지 수명 요건을 강조하지 않고 있으며, 2018년에 대규모로 차량에 탑재될 가능성은 낮다.

⑥ 전기 버스의 안전성은 주요 지표로, 단일 열失控 후 30분 이내에 시스템에서 화재나 폭발이 발생하지 않아야 한다.

4. 요약

① 핵심 기술의 발전 추세는 시간적 지표를 통해 나타난다. 일부 형용사는 여러 번 사용될 수 있지만, 핵심 기술을 이해하고 파악하는 데는 지표값이 핵심이다.

② 과학기술부의 『신에너지 자동차 2018년 중점 특별 사업 신청 가이드라인』은 국가급 기준으로, 그 지표값이 가장 권위를 갖는다. 다른 전문가(학자)들의 정보는 최고 수준의 설계를 대변하지 않는다.