BMW코리아 그룹은 2019년 삼성SDI와 3조8000억원대 공급계약을 맺었는데요. 그 만큼 배터리 기술에 있어 우리나라의 위상이 한 층 놓아졌다고 볼 수 있습니다. 그런 의미에서 이번 포스팅에서는 BMW i3의 배터리를 중점으로 전기차 배터리 구성에 대해 알아보도록 하겠습니다.
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전기차 배터리 '셀 → 모듈 → 팩'으로 구성된다
전기차 가동을 위해서는 스마트폰의 수천 배에 달하는 엄청난 양의 전력이 필요합니다. 때문에 배터리 셀이 수십 개에서 많게는 수천 개까지 필요하죠. 전기차 종류에 따라 구성이 조금씩 차이가 있을 수 있겠지만, 일반적으로 전기차 배터리는 셀(Cell), 모듈(Module), 팩(Pack)으로 구성됩니다.
수 많은 배터리 셀을 안전하게 그리고 효율적으로 관리하기 위해 모듈과 팩이라는 형태를 거쳐 전기차에 탑재하는 것입니다. 셀, 모듈, 팩은 쉽게 배터리를 모으는 단위로 생각하면 됩니다. 배터리 셀을 여러 개 묶어서 모듈을 만들고, 모듈을 여러 개 묶어서 팩을 만드는 것이죠. 전기차에는 최종적으로 배터리가 하나의 팩 형태로 들어가게 됩니다.
대표적인 순수 전기차(EV) BMW i3의 배터리를 예로 들어 볼까요? BMW i3에는 배터리 셀이 총 96개 탑재됩니다. 셀 12개를 하나의 모듈로 묶고, 8개의 모듈을 묶어 하나의 팩 형태로 들어가는 것이죠.
하나씩 살펴보면, 먼저 배터리의 기본이 되는 셀은 자동차 내 제한된 공간에서 최대한의 성능을 발현할 수 있도록 단위 부피당 높은 용량을 지녀야 하고, 일반 모바일 기기용 배터리에 비해 훨씬 긴 수명이 필요합니다. 또한, 주행 중에 전달되는 충격을 견디고, 저온/고온에서도 끄덕 없을 만큼 높은 신뢰성과 안정성을 지녀야 하죠.
여러 개의 셀은 열과 진동 등 외부 충격에서 좀 더 보호될 수 있도록 하나로 묶어 프레임에 넣게 되는데요, 이 상태를 모듈이라고 부릅니다. 그리고 모듈 여러 개를 모아 배터리의 온도나 전압 등을 관리해 주는 배터리 관리시스템(BMS, Battery Management System)과 냉각장치 등을 추가한 것이 배터리 팩입니다. 이런 방식으로 전기차에는 배터리 셀 여러 개가 하나의 팩 형태로 들어가는 것이랍니다.
| 구분 | 정의 |
| 배터리 셀(Cell) | 전기에너지를 충전 방전해 사용할 수 있는 리튬이온 배터리의 기본단위. 양극, 음극, 분리막, 전해액을 사각형 알루미늄 케이스에 넣어 만듦. |
| 배터리 모듈(Module) | 배터리 셀(Cell)을 외부 충격과 열, 진동 등으로부터 보호하기 위해 일정한 개수로 묶어 프레임에 넣은 배터리 조립체(Assembly) |
| 배터리 팩(Pack) | 전기차에 장착되는 배터리 시스템의 최종형태. 배터리 모듈에 BMS(Battery Management System), 냉각 시스템등 각종 제어 및 보호 시스템을 장착하여 완성됨. BMW i3에는 배터리 팩 8개 모듈(모듈당 12개 셀)이 들어감. |
전기차 배터리 시장, 이제는 '모듈-팩' 경쟁으로...
많은 소비자들이 전기차 구매를 고려할 때 가장 큰 고려 요인을 '주행가능 거리'로 생각하죠. 이를 위해 배터리 기업들은 같은 부피에 더 많은 에너지를 넣을 수 있도록 '고 에너지 밀도' 배터리 셀을 개발하는 데 박차를 가하고 있습니다. 업계에서는 보편적으로 셀 개발 방향이 에너지 밀도를 더욱 높이면서 안전성도 확보하는 쪽으로 가는 양상입니다.
배터리 셀 개발에 대한 방향성이 어느 정도 잡힌 반면, 최근에는 모듈과 팩 기술에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 그 동안에는 배터리 셀 성능에 대해 집중했다면, 이제는 모듈과 팩을 얼마나 더 효율적으로 설계하고 구성하느냐 하는 고민을 맞이하고 있는 상황인 것이죠. 전기차에 최종적으로 탑재되는 형태는 팩 형태이기 때문에, 팩의 스펙이 전기차의 전반적인 디자인과 긴밀한 관계를 갖습니다.
전기차에 탑재되는 배터리 팩이 얼마나 슬림하냐에 따라 전기차의 디자인이 더 멋있게 바뀔 수 있는 것이죠. 배터리 셀의 에너지 밀도를 높이는 것은 기본이고, 이제 모듈과 팩 디자인 경쟁이 치열해지고 있는 이유입니다.
삼성SDI, 맞춤형 모듈·팩 솔루션으로 시장 공략 나서
삼성SDI는 올 초 전기차 배터리 모듈 플랫폼인 ‘확장형 모듈’을 공개하며 자동차 제조사들의 이목을 집중시킨 바 있습니다. 앞선 셀 기술을 바탕으로 셀의 효율을 극대화하는 모듈을 선보인 것이죠.
기존 전기차용 배터리 모듈 한 개엔 통상 12개 내외의 셀이 들어가고 용량이 2~3kWh 수준이었습니다. 삼성SDI가 새로 내놓은 '확장형 모듈'은 모듈 1개당 24개 이상의 셀을 넣을 수 있도록 첨단 기구설계 공법을 적용했고, 기존 대비 2배가 넘는 6~8kWh의 에너지 용량을 구현했습니다.
사진으로 보시다시피 모듈 하나에 더 많은 셀을 담을 수 있도록 개선하면서, 하나의 팩에 들어가는 모듈 수가 줄어 여러 연결 부품을 줄이고 공간을 아낄 수 있게 된 것이죠.
기존 내연기관 자동차에서도 납축 배터리를 대체하거나 추가 장착하는 방식으로 활용할 수 있는 저전압 배터리 시스템(LVS)도 최근 각광받고 있는데요. 기존 자동차 모델에 비교적 적은 설계 변경으로도 배터리 성능을 크게 업그레이드해 전장기능을 활용할 수 있도록 하는 솔루션입니다. 기존 내연기관차 제조 플랫폼을 최대로 활용해 하이브리드(HEV) 전기차의 장점을 상당부분 구현할 수 있다는 장점이 있죠.
이와 더불어 삼성SDI는 자동차 제조사들의 다양한 니즈에 맞는 맞춤형 팩 솔루션 개발에도 앞장서고 있습니다.
또, 전기차 설계에서 배터리가 차지하는 공간을 줄이고 최적화하기 위한 다양한 팩 기술을 개발하고 있습니다. 팩에 모듈 없이 셀을 바로 탑재할 수 있는 형태 등 모듈과 팩의 설계와 디자인에 다양한 아이디어와 첨단 기술을 적용해 새로운 솔루션을 개발해 나가고 있죠. 조만간 도래할 전기차 대중화 시대를 맞아 자동차 회사들이 다양한 디자인의 전기차를 만들 수 있도록 팩의 형태도 다양해질 수 밖에 없을 것입니다. 이런 미래를 미리 준비해 나가기 위해 셀, 모듈, 팩을 다양한 형태로 배치시키는 이른바 '배터리 디자인' 시대를 열어가겠다는 복안입니다.
원본출처 : 삼성SDI(www.samsungsdi.co.kr)
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