마일드 하이브리드 시스템은 하이브리드 시스템 중 전기자동차 주행모드가 없는 시스템으로 회생제동, Idle Stop, 동력보조 등의 기능으로 연비를 향상시키는 전기자동차 시스템이다. <그림 1>은 전기자동차 시스템이 전압에 따라 단순히 Stop Start만 할 수 있는 시스템에서 기능이 회생제동, 동력보조(Boost), 전기자동차 구동으로 점차 늘어가며 최종적으로는 배터리로만 구동하는 BEV까지 전개된다는 것을 보여주고 있다. 이 중 마일드 하이브리드 시스템은 지금까지는 주로 100~150V의 전압을 사용해 왔다. 그런데 최근에 들어 비용을 더욱 절감하기 위하여 전압을 60V 이하로 낮춰 시스템을 간단히 하고 변속기를 개조하는 타입에서 엔진에 벨트로 연결하는 시스템으로 개발 방향이 진행되고 있다. <그림 2>에 12V 시스템을 포함한 저전압 리튬전지의 성장성에 대해서 조사한 결과를 나타내었다. 저전압 전지의 경제성으로 인하여 기존의 납축전지(LAB)를 제외하고도 2020년까지 약 1000만대 정도의 시장이 예상된다는 것을 알 수 있다.

시스템을 제대로 설계하기 위하여는 그 시스템을 사용하는 상위 시스템의 요구 사항을 제대로 이해할 필요가 있다. 성능 요구 사양을 파악하기 위하여 고객의 VOC를 조사한 결과를 <그림 3>에 나타내었다.

상대적인 조사결과이기는 하지만 에너지/용량 밀도, 자가방전 특성보다는 수명, 비용 특히 고율 충전 특성에 대한 요구가 강하다는 것을 알 수 있다. 즉 에너지보다는 파워가 방전보다는 충전 특성이 요구된다는 것을 알 수 있다. 필요한 출력 특성에 대해서는 시뮬레이션을 통하여 어느 정도의 출력이 필요한지를 알아 보았다. <그림 4>에 필요한 충전 출력에 따른 가능한 회생 제동 에너지를 표시하였다. 충전 출력특성이 좋아질수록 회생에너지를 많이 받을 수 있지만 주행 모드에 따라 감속도 및 감속 시간이 제한이 있기 때문에 어느 정도 수준 이상의 출력은 필요 없게 된다. <그림 4>를 보면 북미 기준 대표적인 사이클인 UDDS 기준으로 10kW 정도의 출력을 가지면 최대한의 회생에너지를 저장시킬 수 있다는 것을 알 수 있다. 그래서 배터리의 출력 특성은 10kW로 정하고 모터는 그 특성에 맞도록 발전을 해줄 수 있는 용량으로 선정하는 게 적합하다.

<그림 5>에 필요한 배터리 특성의 상대적인 중요도를 레이더 차트에 표시하였다. 필요특성이 기존에 많이 개발하고 있는 EV, HEV와는 다르다는 것을 알 수 있다. EV용 배터리에는 가장 중요한 특성이라고 여겨지는 에너지 밀도(Energy Density), 저온 특성의 중요도가 떨어지고 충전특성, 수명, 등에 초점을 맞춘 배터리 물질을 선정해야 함을 알 수 있다.

48V 배터리 시스템을 개발하기 위하여는 기존에 개발해왔던 HEV, EV용 배터리와는 다른 접근이 필요하다. 멀티 차종(SUV, 승용 등)에 공용으로 적용할 수 있는 컴팩트한 설계가 필요하고 상대적으로 저전압인 60V 이하 사용 환경에 맞는 부품의 국산화 개발이 필요하다. 또한 저전압 사양의 구동형 리튬이온 전지의 차량 안전성 및 신뢰성을 평가하고 검증할 수 있는 기술을 개발하는 게 필요하다. 그래서 당사에서는 녹색산업 선도형 이차전직 기술 개발 사업에 참여하여 여러 협력 업체와 시스템을 개발하였다. <그림 6>에 개발 체계도를 도시하였다.

이를 위하여 <그림 6>에 나타나 있듯이 전체시스템은 삼성SDI가 리드하고 셀 개발은 자체적으로 수행하면서 수명모델의 개발을 위한 연구기관, 부품을 개발할 국내의 주요 협력업체와 시스템을 평가 검증할 수 있는 연구원 등과 협력관계를 구축하여 시스템을 개발하였다. <그림 7>에는 48V용 배터리 시스템 다이아그램을 표시해 놓았다. 상대적으로 저 전압이기는 하지만 배터리 셀과, 이를 제어하는 BMS, 전류 센서, 전기를 개폐할 수 있는 릴레이 및 냉각용 팬 등으로 구성되어 있다.

시스템을 최적화 시키기 위하여는 전압 사양에 맞춰서 사양을 낮춰야 비용을 최적화시킬 수 있다. 기존에 많이 개발되어 있는 부품(릴레이, 전류센서 등)은 200V 이상의 고전압에 맞도록 개발되어 있다. 그 사례를 <그림 8>에 나타내었다. 기존의 부품을 그대로 사용하게 되면 개발하기는 편하지만, 400~450V까지 동작되도록 되어 있는 릴레이도 과사양이고, 전류센서도 고전압 절연이 적용되므로 이를 60V 이하에서 주로 사용하게끔 신규 사양을 개발함으로써 시스템을 최적화 시킬 수 있었다.

지금까지 2년에 걸쳐서 배터리 시스템을 개발해 왔고 주요 개발 결과는 다음과 같다. 배터리 팩 주요 항목 별 실적은 <표 1>과 같다. 개발된 배터리 시제품은 <그림 9>에 나타내었는데, <표 1>에 나타낸 바와 같이 팩의 크기는 개발목표에 선정된 크기 목표를 달성하였고, 냉각 성능 또한 열해석 결과와 함께 비교하였는데, 목표를 달성하는 수준임을 확인하였다. 샘플 팩은 총 23개를 제작하여 환경신뢰성, 안전성 및 실차 탑재 시험을 실시하였다.

주요 시험 항목은 대부분 합격하였는데 아직 몇가지 미진한 부분이 있어 현재 개선 작업이 진행 중이다. 전기적 성능의 항목은 전항목 만족하였으나, 주요 문제점은 EMC Test 항목 중 발생하였다. RE, CE, BCI 항목이 불합격인데 BMS 보드에 개선안을 적용하여 제작 중에 있다. 개선 내용은 입력 전원(+12V) 경로에 CMF/DMF를 적용한 것과 DCDC Converter 스위칭 부에 Snubber회로를 적용한 것이다. 또한 제작된 배터리 팩을 실제 차량에 장착하여 그 연비 평가를 진행 중인데 <그림 10>에 나타내었다.

주요 부품 개발 결과 60V 이하의 저전압에서 동작하는 배터리 팩 부품을 목표 사양에 맞춰 개발하는 부품이 릴레이, 하우징, 전류센서, 냉각 팬 등인데 각 부품의 개발 현황을 소개하겠다.

먼저 릴레이의 개발 목표 및 실적을 <표 2>에 나타내었다. <그림 11>은 개발된 릴레이를 보여준다. 내구 수명개선을 위하여 최적 접점 갭을 선정하였고, 접점 바운스를 방지하는 설계를 48V 전용으로 설계하여 개발 목표를 만족시켰다. 전류센서로는 션트 타입 전류센서를 개발하였다. 개발 목표는 전류 측정 오차를 1% 이내로 개발하는 것이였는데 현재 목표를 만족하는 수준이다. <그림 12>에 개발된 전류센서를 나타내었다. 전류 센서의 성능 평가 결과는 아래 <그림 13>에 나타내었다. 개발된 전류 센서는 16bit ADC를 적용하였고 BMS와는 CAN으로 통신할 수 있는 인터페이스를 장착하였다. 온도별 특성을 보면 극 저온에서 다소 저항 값이 작아지나 개발 목표인 측정 오차 1% 이하를 달성할 수 있었다.

<그림 14>는 개발된 저전압 용 냉각팬 시제품이다. 주요 개발 항목 별 목표 및 실적을 <표 3>에 나타내었다. 풍량은 최대 10(CMH/Pa)가 목표였는데 약간 초과하는 수준이고 크기도 개발 목표 대비 높이를 2mm 줄이는 설계를 해서 전체패키지를 줄이는데 크게 도움이 되었다. 제품의 신뢰성을 확보하기 위하여 자동차향 SMD 레이아웃을 적용하였고 모터 효율 37% 이상을 만족시키기 위하여 BLDC 모터의 고효율화 설계를 실시하였다. 연속 운전 수명은 1000시간 목표를 달성하였다. 2차년도까지 안전성 개발 목표는 70%를 달성하는 것이였다.

<표 4>에 안전성 항목과 시험결과를 나타내었다. 안전성 기준은 국내 기준과 유럽기준을 통합하여 실시하였고 13개 항목 중 12개 항목의 기준이 적합하였다. 부적합 항목은 Mechanical Integrity 항목인데 이는 3차년도에 설계 개선을 통하여 개선할 계획이다. 본 배터리 팩의 개발 목표 중 중요한 항목이 장수명이므로 고율로 충방전 하는 배터리의 수명에 대하여 전기화학적 모델을 개발하였고 이를 시험 데이터와 비교함으로써 수명에 대한 이론적, 실험적 기반을 확보하였다. 배터리 셀 열화 모델은 초기 활물질에서 용매의 환원 반응으로 SEI Layer가 생기고 계속되는 부반응으로 인해 필름의 두께가 증가하여 최종적으로 SEI Layer에 의한 리튬 이온이 감소되는 메커니즘을 갖고 있는데 이를 Multi-Scale Multi Domain으로 미소스케일에서 셀의 설계까지 고려한 모델을 개발하였다. <그림 15>에 개발된 모델 결과와 실험 결과를 같이 나타내었는데, 2% 오차 내에서 잘 일치하고 있음을 알 수 있다.

친환경제품에 대한 요구와 수요가 전세계적으로 증가하고 있는 현실에서, Full HEV 시스템과 비교하여 적은 개조 비용으로 상대적으로 높은 CO2 배출량 감소와 연비개선 효과가 기대되는 Mild HEV 48V 리튬이온 배터리 팩에 대한 관심이 점차 증가하고 있다. 본 과제는 이러한 동향에 발맞추어 대기업을 중심으로 중견기업과 대학 및 여러 연구기관이 상호 협력하여 부품 국산화 개발, 배터리 셀 및 배터리 팩 개발, 배터리 수명 모델 개발, 팩의 신뢰성·안전성 검증 기술 개발을 진행하고 있는 주요 사례이며, 향후 예상되는 저전압용 배터리 팩 시장의 확대에 앞서서 대응할 수 있는 기술 마련에 의의가 있다고 볼 수 있다.