배터리관리시스템(BMS)은 최적의 배터리 제어를 통해 배터리 셀 간의 균형을 잡아 배터리 성능의 극대화와 안전성을 동시에 확보하는 역할을 한다. 이는 전기자동차 보급에 중요한 기술로 주목받고 있다. 배터리 팩에 저장된 전기에너지를 완벽히 활용할 수 있도록 해서 주행거리를 연장해주고 안정적인 연료 측정을 통해 전기차에 대한 신뢰도를 높일 수 있기 때문이다. 또한 발전소에서 생산된 전력을 저장해뒀다가 일시적으로 전력이 부족할 때 송전해주는 에너지저장장치(ESS)의 효율성 제고를 위해서도 BMS는 중요한 기능을 한다. 현재 세계시장에서 LG화학, 덴소, 테슬라, 칼소닉칸세이, 혼다, 비야디 등이 BMS의 기술 개발 및 생산을 진행 중이다.

신은경 프로스트앤드설리번 연구원

전세계적으로 이산화탄소 배출 및 석유 의존도 감소, 에너지 효율 증대 등에 대한 관심이 높아지면서 재생에너지나 전기자동차 등 환경친화적인 기술과 관련 산업에 대한 신규 투자가 많이 이뤄지고 있다. 신재생에너지의 대표 주자인 태양광과 풍력, 친환경자동차, 나아가 스마트폰, 태블릿PC 등의 휴대용 전자제품은 공통적으로 효율이 높은 전기에너지를 저장하는 배터리 없이는 작동할 수 없다. 이에 따라 배터리에 대한 관심과 투자가 확대되는 것은 부인할 수 없는 사실이다.

전기자동차 제조사인 테슬라는 약 5조원을 투자해 ‘기가팩토리’(Giga Factory) 프로젝트를 진행 중이다. 이 프로젝트는 2020년까지 연간 50GWh 배터리를 생산할 수 있는 세계 최대 규모의 리튬이온배터리 생산공장 설립을 주요 뼈대로 한다. 테슬라는 이를 통해 전기자동차만이 아닌 가정용 배터리도 함께 출시해 영역을 확대한다는 방침이다.

▲ 2015년 10월 서울 삼성동 코엑스에서 개막한 ‘대한민국 에너지대전’을 찾은 관람객들이 LG화학의 리튬폴리머배터리를 장착한 현대자동차의 쏘나타 하이브리드 차량을 살펴보고 있다. 연합뉴스

미국과 유럽연합(EU) 선진국에서는 환경 규제 대응과 정부 보조금 및 인센티브 지원에 힘입어 배터리 개발을 가속화하고 있다. 하지만 현재까지 가장 보편적으로 사용되는 리튬이온배터리의 경우 불량 혹은 과충전으로 인한 폭발 가능성 등 안전 문제가 해결되지 않은 상황이다. 2015년 말 홍콩에서 리튬이온배터리를 사용한 전기버스가 폭발해 중국 당국이 버스에 해당 종류의 배터리 사용을 금지하기도 했다.

이에 따라 배터리의 안전사고 발생을 예방하고 효율적인 전기에너지 사용을 위해 배터리관리시스템(BMS·Battery Management System)의 역할이 중요해지고 있다. BMS는 배터리 내의 전압·전류·온도 등을 측정하는 장치로 충전 용량, 수명 등 배터리 상태를 모니터링해서 과충전이나 방전 혹은 전압 변동으로 위험한 상황이 발생하기 전에 스위치에 제어 신호를 보내 전원을 차단하는 기능을 한다. 이를 통해 배터리 손상을 방지하고 사용 범위를 최적화한다.

배터리 팩 안에 있는 각각의 셀을 관리한다는 의미에서 흔히 사람의 뇌에 비유되기도 한다. 커뮤니케이션, 데이터 관리, 셀 보호 같은 기본적인 기능 수행에서부터 의사결정 과정 관여 등 첨단 기능까지 사용처에 따라 기능이 천차만별로 달라진다.

전기차 배터리 비용의 16%가 BMS

BMS 시장은 규모나 트렌드, 성장 전망 면에서 배터리 시장의 환경과 일맥상통한다고 볼 수 있다. 배터리 및 BMS 시장은 크게 적용 분야와 지역별로 구분할 수 있는데 여기에선 그에 따른 BMS의 수요와 트렌드에 대해 이야기하겠다.

우선 적용 분야 관점에서 보면 크게 자동차(Auto motive), 고정형(Stationary), 기타 분야로 구분할 수 있다. 자동차 분야는 전기차 등 친환경 자동차를 포함한다. 고정형 분야는 에너지저장시스템(ESS)과 텔레콤 시장으로 나뉜다. 마지막으로 기타 분야는 항공우주 및 방위장치, 휴대용 전자기기 등을 포함한다. 이 중 전기차와 ESS가 수천 개의 대용량 배터리와 연계한 고성능 BMS가 가장 많이 사용되는 분야다.

자동차용 BMS는 전체 BMS의 약 40%로 가장 많은 매출을 차지한다. 최근 자동차 동력원의 전기화 추세에 따라 핵심 기술이 엔진 및 기계장치에서 전기장치로 이동하면서 시장은 점차 확대될 것으로 전망된다. 전장부품의 증가로 더 높은 출력과 많은 양의 전기에너지가 필요해지면서 기존 12V로는 에너지 요구량을 충족하는 것이 힘들어져 사용 전압이 48V로 높아지고 이를 채택하는 완성차 업체가 증가하는 추세이다.

▲ 전기자동차 제조사인 테슬라는 약 5조원을 투자해 2020년까지 연간 50GWh 배터리를 생산할 수 있는 세계 최대 규모의 리튬이온배터리 생산공장 설립에 착수했다. 2015년 9월 독일 프랑크푸르트 모토쇼에 전시된 테슬라 전기충전 시설. REUTERS

하이브리드(HEV), 플러그인하이브리드(FHEV), 전기자동차(EV), 수소연료전지차(FCEV) 등 각각의 배터리 팩에 맞춰야 하기 때문에 다른 적용 분야에 사용되는 BMS에 비해 가장 고가이며 복잡한 구조를 띠고 있다. 배터리 셀이 전기차의 총비용에서 60%를 차지하는데, 대용량 배터리의 충·방전 사이클을 효율적으로 관리하는 데 필요한 BMS는 전기차 배터리 비용의 16% 정도를 차지하는 것으로 추정된다.

자동차용 BMS 제조업체들은 배터리 제조사, 배터리 통합사 및 완성차 업체와 긴밀하게 협조하며 제품을 공급하고 있다. BMS 공급업체로는 덴소, 테슬라, 칼소닉칸세이, 혼다, LG화학, 비야디가 있다. LG화학과 비야디는 배터리 셀부터 배터리 팩, BMS를 포함해 완성차 업체에 맞춤형 배터리 뱅크를 제공하는 주요 업체로 꼽힌다. 또한 세계적인 리튬이온배터리 선두 주자로 잘 알려진 LG화학의 경우 미쓰비시, 르노삼성, GM, 포드, 볼보, 테슬라 등 굴지의 글로벌 자동차 제작사에 BMS를 공급하고 있다.

최근 관련 기업과 연구 업계에서 BMS의 기술 고도화를 위해 다양한 연구·개발이 이뤄지고 있다. 2013년부터 2015년까지 EU의 지원을 받아 진행된 ICAB (Integrated Circuit for Advanced Battery Management) 프로젝트는 전기차의 대용량 리튬이온배터리 팩에 적용 가능한 대표적인 BMS 개발 사업이다. 혁신적인 통합회로를 개발해 낮은 생산비용으로 안전성과 효율성을 확보하는 것이 이 프로젝트의 목표다. 또한 전기차의 대량생산에서 중요한 역할을 할 수 있도록 비용을 최소화하는 동시에 고정형 ESS에도 적용하는 것에 목적을 두고 연구·개발이 진행되고 있다.

일반적으로 고정형 적용 분야에서 BMS의 사용은 다소 제한적이다. 대부분의 시간 동안은 작동되지 않다가 응급상황에서만 사용되기 때문이다. 이 분야에서 BMS의 핵심 역할은 배터리를 상시 체크함으로써 정전이 일어났을 때 배터리가 안정적 상태를 유지하며 전력을 공급할 수 있는지 관리하는 것이다.

경쟁업체 늘어나며 가격경쟁 촉발

이 분야에서 BMS는 전력망에 활용될 수 있는 에너지 저장 시스템과 텔레콤 두 분야로 구분할 수 있다. 자동차 분야에 이어 두 번째로 큰 시장이다. 전력 수급 불균형을 해소하는 일환으로 기존 공급자 중심의 전력망 체계에서 수요자 중심의 스마트그리드(기존 전력망에 정보기술(IT)을 접목해 전력 공급자와 소비자가 양방향으로 실시간 정보를 교환함으로써 에너지 효율을 최적화하는 차세대 지능형 전력망 -편집자)로 패러다임이 변화하면서 ESS는 최근 주파수 조정, 신재생에너지 연계, 수요관리 등 다양한 분야에 활용되고 있다. BMS는 전력 계통에서 에너지 저장 및 백업에 사용되는 배터리 뱅크의 충·방전을 관리하며, 태양광이나 풍력발전에서 전력저장장치용 배터리 관리에 사용되고 있다. 신재생에너지 통합은 중·장기적으로 고정형 적용 분야에서 BMS 수요를 이끌 것으로 전망된다.

프로스트앤드설리번은 배터리 기반의 ESS가 전세계적으로 2020년까지 70억달러(약 8조원) 규모의 시장을 형성할 것으로 전망하고 있다. 이 가운데 상업용이 51%, 전력 계통이 30%, 주거용이 19%를 점유하게 될 것이다. 이는 보통 10kW 이하인 주거용 배터리보다 상업용 및 전력 계통에 사용되는 고용량 배터리에서 BMS가 더 활발한 수요가 있을 것으로 예상되기 때문이다. 또한 기존 예비전원으로 활용되는 칩 기반의 BMS에서 요구되는 것보다 더욱 스마트하고 발전된 BMS에 대한 요구가 증가하고 있어 향후 5년 동안 BMS 시장의 건실한 발전이 기대된다.

BMS 시장이 커지면서 타 분야의 시장 진입으로 시장 참여자 수도 늘어나 경쟁이 점차 과열되는 양상을 띠고 있다. BMS만을 전문적으로 공급하는 제조사들은 이제 배터리 제조사, 배터리 통합 업체(Integrator)뿐만 아니라 전자부품 제조사와도 경쟁해야 하는 상황에 이르렀다. 이는 가격전쟁을 시작하게 된 계기로 작용했다. 따라서 한동안은 가격경쟁에서 우위를 선점하기 위해 원가절감 기술 개발이 주를 이룰 것으로 예상된다. BMS의 적용 범위를 확대하고 안정성·정확성 등을 확보하는 방향으로 연구·개발이 전개될 것으로 보인다.

eunkyung.shin@frost.com
* 프로스트앤드설리번(Frost & Sullivan)은 고객 성장의 가속화를 위해 협력하는 ‘성장 파트너’로서 팀리서치(TEAM Research), 그로스컨설팅(Growth Consulting), 그로스팀멤버십(Growth Team Membership) 프로그램을 통해 고객이 효과적인 성장 전략을 수립·평가·실행할 수 있는 성장 위주의 문화를 창조할 수 있도록 지원하고 있다. 또한 50년 이상의 경험을 바탕으로 6대륙 40개 이상 사무소에서 1천여개 글로벌 기업, 새로운 비즈니스 분야 및 투자계와 협력하고 있다.