진정한 전기차 시대 개막 위한 필수 관문 ‘BMS'로 안전한 전기차 시대 연다
진정한 전기차 시대 개막 위한 필수 관문 ‘BMS'로 안전한 전기차 시대 연다
  • 김윤혜 기자
  • 승인 2022.01.12 09:23
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미래차 대전환 시대의 도래, 신산업 생태계를 선도하는 대한민국

내연기관차 시대의 종말을 예고하는 전기차 시장이지만 본격적인 진입을 위해서는 아직까지 풀어야 할 숙제가 남았다. 배터리의 안전 문제다. 전기차 사용자의 만족도와 직결되는 배터리의 내구성과 안전성을 담보하기 위해서는 배터리관리시스템(BMS; Battery management system)의 고도화가 필수적이다. ‘BMS 국내 1호 박사’ 충남대학교 김종훈 교수는 다양한 기능을 갖춘 첨단 BMS 연구에 몰두하며 보다 안전한 전기차 시대를 열고 있다. 

충남대학교 전기공학과 김종훈 교수 Ⓒ김윤혜 기자
충남대학교 전기공학과 김종훈 교수 Ⓒ김윤혜 기자

전기차 안전 담보하는 BMS, 국내 BMS 분야 개척해온 선구자

“2019년과 2020년 사이에만 국내에서 총 69건의 전기차 화재가 발생했는데, 그중 40건이 전기적 요인으로 인한 화재로 밝혀졌습니다. 온도에 민감한 리튬 이온 배터리의 고장 진단과 상태 이상 등을 능동적으로 진단해주는 BMS 시스템의 고도화가 중요한 이유입니다.”
  전기차(EV; Electric vehicle) 및 에너지저장장치(ESS; Energy storage system)의 화재 사고가 발생하면 어김없이 배터리 및 BMS 결함이 주요인으로 지목된다. 김종훈 교수는 전기차의 안전한 이용을 위해서는 BMS의 성능 고도화가 반드시 필요하다고 강조한다. 모니터링 데이터 활용 상태 추정 기반 배터리 효율성 및 안전성 통합 관리 시스템인 BMS는 어플리케이션 및 환경에 따른 최적화를 수행하며 배터리의 유지 및 관리를 도맡는다. 하드웨어 측면에서는 셀 밸런싱을 통한 배터리 보호와 충전 제어 및 열 관리 등 보호·측정·통신·제어의 기능을, 소프트웨어로는 배터리 상태 추정, 고장 진단 등의 기능을 수행한다.
  “배터리 어플리케이션이 점차 다양해지고 있습니다. 가장 대표적인 전기차, ESS를 비롯해 항공우주, 철도차량, 전기선박, e-mobility, 드론, 로봇, 국방, UAM(Urban air mobility) 등 활용 범위가 크게 확대되었지요. 이와 함께 사용자의 안정적 활용이 강조되며 SOC(State-of -Charge), SOH(State-of-Health) 등 배터리 컨디션을 표현하는 지표 SOx(State-of-x)가 기본 정보화되고 있습니다. BMS 분야에도 이러한 요구가 반영되며 그 중요성이 커지고 있습니다.”
  김 교수는 ESS와 전기자동차 배터리 팩 등과 관련한 선도적 연구로 관련 기술의 발전을 견인하는 인물이다. 국내 최초로 BMS 분야를 주 전공으로 박사 학위를 수여한 선구자로 알려진 그는 배터리 응용분야인 전기자동차, 에너지저장장치 등에 적용되는 BMS 관련 다수의 국가 과제와 기업협력연구를 수행해왔으며, 국내저널·SCI 논문 발표, 특허 등록 등 숱한 성과를 이루어왔다. 에너지저장변환연구실(ESCL; Energy Storage Conversion Laboratory, http://escl.cnu.ac.kr)을 이끄는 것 또한 그의 업적에서 중요한 자리를 차지한다. ESCL은 국내 대학 중 유일하게 BMS를 전문으로 하는 연구실이며 연료전지 및 전력전자를 같이 연구한다. 배터리 관련 재료?소재 연구를 수행하는 대학 연구실은 많지만 BMS에 포커스를 맞춘 곳은 찾아보기 힘들다. 또한 배터리 셀, 모듈, 팩 단위 실험을 위한 실험 환경을 갖춘 것은 물론 다수의 충방전기, 환경 챔버를 활용해 심도 깊은 연구를 수행하는 것으로 정평이 났다. 
  ‘국내 최초’, ‘국내 유일’이라는 수식어가 따라붙는 김 교수가 현재의 자리에 도달하기까지 숱한 도전이 있었다. 배터리 분야의 유망성을 알아본 지도 교수의 권유로 BMS라는 생소한 분야를 연구주제로 선택했다는 그는 연구 과정에서 어려움이 컸지만 그 과정을 극복해냈기에 이제는 BMS 분야 전문가로 인정받을 수 있게 되었다며, 자부심을 갖고 연구에 임하고 있다고 전했다.
  “제게 BMS 분야를 권해주신 교수님께 늘 감사한 마음을 갖고 있습니다. 교수님께 ‘평생의 은인’이라 말씀드릴 정도로 BMS라는 분야에 애정을 갖고 있죠. ESS와 전기자동차 분야의 급성장과 함께 BMS에 대한 관심이 커지고 있는 만큼 폭넓은 연구를 통해 분야 발전에 기여하고자 합니다.”

 

응용 연구 통한 BMS 고도화로 배터리 안전 지킨다
 코나 EV 및 에너지저장장치의 여러 화재사고에 이어 2020년 12월 서울에서 전기자동차(테슬라) 화재 사고로 탑승자가 사망했던 사고는 전기자동차 안전에 대한 요구를 극대화시키는 계기가 되었다. 화재로 차량 전력 공급이 끊기면 내부에서 뒷좌석 문을 열기 어렵다는 사실이 알려지며 정치권을 중심으로 비상전력 의무화에 대한 논의가 이어지고 있다. 김종훈 교수는 지난해 말 구자근 의원이 주최한 ‘화재시 대피 어려운 전기자동차, 현황과 대안’ 정책 토론회에 발제자로 나서며 화재 시 전력을 일정 시간 사용하기 위한 별도의 전력 공급 장치가 필요함을 강조했다. 비상 전력 설치로 전 차종에서 전자식 수동 개폐가 가능하도록 의무화해야 한다는 설명이다.
  “BMS와 관련한 여러 강연과 세미나, 연구 등 다양한 활동을 수행했지만 구자근 의원의 요청으로 국회에서 발제를 한 것이 2021년 한해의 가장 인상 깊은 이벤트였습니다. 그만큼 전기자동차 안전에 대한 관심이 커지고 있음을 확인한 계기였죠. 해당 주제가 보다 다양한 곳에서 논의되며 BMS 분야가 발전할 수 있길 기대합니다.”
  김 교수는 전기자동차 화재를 막으려면 BMS 고도화가 필수라 단언했다. BMS 고도화 기술은 사용자별 차량 배터리에서 수집된 측정 데이터를 기반으로 배터리의 잔여 수명을 예측하는 것부터 전체 사용자의 주행 데이터와 고장 진단 정보를 바탕으로 한 빅데이터로 통합 솔루션을 마련하고, 이를 차량 BMS로 전송해주는 등 성능 최적화에 이르기까지 활용 영역을 넓혀가고 있다. 그 또한 제어 기반의 BMS를 넘어 다양한 기능을 갖춘 BMS 최적화 연구에 집중하고 있다. 김 교수는 최적화된 소프트웨어 알고리즘 적용부터 인공지능, 빅데이터 등 다양한 기술과의 융합 연구를 수행 중이라며, 사고의 예후, 징후 실험 데이터를 모두 반영하고 이를 학습한 결과가 인공지능에 반영되면 사고를 차단하고 고장성을 줄이는데 기여할 수 있을 것이라 내다봤다. 
  “BMS의 장점 중 하나가 응용 연구가 가능하다는 점입니다. 배터리 충·방전 실험 시 쌓인 데이터를 인공지능으로 해석해 배터리 고장이나 화재를 진단하는 등 다양한 융합이 가능하지요. 다양한 기관 및 기업들과의 공동연구 외에도 국내외 교수님들과의 협업을 통해 다양한 융합연구를 진행하고 있습니다.”
  전기자동차 시장이 확대되는 과정에서 빼놓을 수 없는 문제도 있다. 폐배터리가 그 주인공이다. 실제로 중국의 전기자동차 폐배터리는 2021년 약 20만 톤에서 2025년 35만 톤 규모까지 늘어날 것이라 예측된다. 김 교수는 수명이 만료된 전기자동차 폐배터리를 처리하기 위한 방법론 중 하나가 폐배터리를 ESS로 활용하는 것이라며, 이를 구현하고 안전하게 관리하기 위한 BMS를 연구하고 있다고 전했다. 이외에도 리튬 등 자원 고갈에 대비한 차세대 전지용 BMS나 배터리 전주기 관리시스템을 구상하는 등 BMS에 관한 폭넓은 연구를 수행 중이다. 그는 다양한 기관이나 기업, 대학과의 협업을 통해 BMS 연구를 이어가고 있다고 설명했다.

 

재료·소재에 편중된 K배터리, BMS 대한 관심 필요해
“우리나라 배터리 관련 연구주제들이 재료나 소재에 편중되어 있습니다. 여기에서 나아가 배터리의 효율적 충방전 및 활용방안, 여러 안전 이슈에 대응하기 위한 배터리의 관리지표 등에 대한 관심이 필요합니다.”
  김종훈 교수는 우리나라의 배터리 셀 제조능력은 세계 최고 수준을 자랑하지만 BMS는 글로벌 톱 수준에 미치지 못함을 지적했다. 그는 현재 독일, 미국, 중국 등이 BMS 분야 발전을 이끌고 있다며, 국내에서도 BMS 분야 경쟁력 창출을 위해 힘을 실어야 할 때라 강조했다. 실제로 해외에서는 무선 BMS 관리 시스템부터 인공지능, 클라우드, 빅데이터 기술 등을 접목시킨 배터리 관리 기술 고도화 연구가 활발히 수행되고 있다. 앞선 국가들을 따라잡기 위해서는 보다 많은 연구개발이 필요한 시점이다. 김 교수는 우리나라가 이미 세계 최고 수준의 배터리 셀 기술력을 확보하고 있는 만큼 정부 차원의 육성이 있다면 상당한 성장이 가능할 것이라 내다봤다. 그는 이러한 생각을 담아 지난해 10월 충남TP 이차전지센터가 개최한 ‘충남 이차전지 산업 육성포럼’에 참여해 충남TP가 BMS 배터리 안전성에 집중하며 차별화를 꾀해야 한다고 목소리를 내기도 했다. 또한 BMS의 중요성이 커짐에도 국내에서 진행되는 연구 대부분이 이러한 변화에 대응하지 못하고 있다며, BMS는 사용자의 배터리 만족도로 직결되는 만큼 보다 심도 깊은 연구가 필요함을 힘주어 말했다.
  BMS 분야 발전을 위한 인재 육성도 빼놓을 수 없다. BMS 전문 인력에 대한 수요가 갈수록 커지고 있기에 관련 제도 개선과 함께 전문인력 양성 기반을 다져야 한다는 설명이다. 한국의 BMS 분야를 개척한 장본인인 김 교수는 제자들에 대한 각별한 애정을 드러냈다. 실제로 제자들에게 존댓말을 사용하고, 연구 외 부수적 업무들은 자신이 도맡아 하며 존중을 보내며 수평적 관계를 만들고자 노력하는 모습이다. 코로나19로 인해 잦은 모임을 갖기는 힘들지만 메신저 등 다양한 창구를 적극 활용하며 학생들과 소통하고 있다. 김 교수는 학생들에게 되도록 겸손한 자세를 보이고자 노력한다며, 자신이 어려운 환경 속에서 연구를 수행하며 현재에 다다른 만큼 지금까지의 경험을 토대로 제자들은 BMS의 저변을 더욱 넓히며 발전시킬 수 있는 인재로 육성하겠다는 포부를 전했다. BMS 관련 기술 전수와 교육을 통해 우리나라 BMS 발전에 이바지할 수 있는 연구자들을 배출하겠다는 다짐과 함께였다.
  “저희 연구실이 배출한 연구자들이 각자의 자리에서 인정받을 때 보람을 느끼곤 합니다. BMS라는 매력적인 분야를 연구 주제로 삼고 있다는 것 또한 큰 기쁨이죠. 제자들에게도 BMS 분야에 전문성을 갖고 있다는데 자부심을 느끼라고 말해주곤 합니다.”

충남대학교 전기공학과 김종훈 교수 Ⓒ김윤혜 기자
충남대학교 전기공학과 김종훈 교수 Ⓒ김윤혜 기자

무한한 잠재력 지닌 BMS 저변 확대에 기여할 것
김종훈 교수는 매년 전기자동차에 대한 수요가 폭발적으로 증가할 것이라 예측하는 동시에 전기자동차의 핵심 동력인 배터리의 안전성을 담보할 수 있는 조기 솔루션 기술이 필요하다고 거듭 전했다. 그 역시 전기자동차나 ESS의 화재 이슈에 대응할 수 있는 솔루션 개발이 가장 급선무인 만큼 배터리 안전을 위한 더 나은 솔루션을 찾을지에 대한 연구를 이어갈 계획이다.
  “내연기관차에서 전기자동차로 넘어가며 배터리 연구가 더욱 필요할 것이라는 생각에 BMS라는 분야를 택했지만 시장이 이렇게까지 가파르게 성장하리라고는 예측하지 못했습니다. BMS를 연구주제로 택한데 대해 감사하고 있습니다.”
  김 교수는 BMS를 ‘양파’라 표현했다. 아직까지 시작 단계인 만큼 무궁무진한 연구주제가 나올 수 있다는 판단에서다. 그는 리튬배터리 외에도 다양한 차세대 전지에 대한 BMS 연구도 필요한 만큼 더 많은 관심을 기울여줄 것을 당부했다. 그 또한 배터리나 자동차 기업과의 협업 외에도 산업통상자원부, 국토교통부 등 정부과제를 수행하며 관련 연구에 몰두하고 있었다. BMS에 대한 니즈가 확대되고 있는 만큼 연구과제 또한 풍부하다는 설명이다. 김 교수는 배터리 급속 충전 최적화, 임베디드 EIS 기반 배터리 상태 추정, 인공지능 기반 고장진단, 재사용 배터리 분류·검사·관리 시스템 연구, 무선통신 배터리관리시스템 등에 대한 연구를 수행하고 있다. 그는 전기·전자를 기본으로 하지만 재료?소재 등 다양한 분야와의 융합 연구도 중요하다며, 융합연구에 더욱 힘을 싣겠다는 계획을 전했다.
  국제적 응용과 융합이 중요한 BMS인 만큼 제자들의 융합형 연구도 지지하고 있었다. 그 또한 전기선박이나 UAM 등 다양한 응용분야에 BMS 기술을 접목하기 위한 연구를 이어갈 계획이다. 김 교수는 개인적으로도 융합형 연구를 좋아한다며, 다양한 시도와 도전을 통해 BMS의 저변을 넓혀갈 것이라 설명했다. 블록체인을 BMS에 접목하기 위한 연구나 전기자동차 빅데이터 수집 및 분석을 통한 통합 솔루션 제공 등의 연구를 그 사례로 들 수 있다. 
  “제자들에게 우스갯소리로 ‘너희들은 복받았다’는 말을 자주하곤 합니다. 저는 넓은 실험실의 구석에서 혼자서 배터리를 연구해야했지만 지금은 배터리 실험을 위한 여러 장비를 갖추고 연구에 집중할 수 있어서죠. BMS에 대한 관심이 커지며 더 나은 환경이 갖춰진 만큼 보다 우수한 연구 성과들이 탄생하길 기대합니다.”
  기업 관계자에 대한 당부도 이어졌다. 배터리가 이슈가 되며 연구가 활발히 진행되고 있지만 소비자의 만족도와 직결되는 BMS에 대한 연구는 여전히 더딘 까닭이다. 김 교수는 기업들의 BMS 연구가 필수적으로 요구되는 시대라며, 진정한 배터리 경쟁력을 갖추기 위해서는 보다 깊이 있는 BMS 연구를 수행해야 한다고 힘주어 말했다. 
  “세미나 등에서 마지막으로 드리는 말씀이 ‘배터리 잘 써 주세요’라는 말입니다. 배터리를 사용자 관점에서 안전하게 사용할 수 있는 다양한 연구들을 수행하며 배터리에 대한 신뢰도를 높이는데 기여하고자 합니다. 고도화된 BMS로 보다 안전한 배터리 사용을 도우며 차세대 배터리의 성장에 힘을 보태겠습니다.”


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