전기차 배터리 구성, 셀? 모듈? 팩? 바로 알자!

2017.09.12

최근 전기차 시장이 점차 확대되면서 전기차의 동력원인 리튬이온 배터리에 대해서도 관심이 많아지고 있습니다. 그런데 전기차 관련 뉴스나 보고서를 보다 보면 배터리를 뜻하는 다양한 용어가 있어 때론 헷갈리지 않으신가요? '배터리 셀', '배터리 모듈', '배터리 팩'... 평소엔 '배터리'라고 통칭하기도 하지만 사실은 조금씩 다른 걸 지칭하는 말인데요.

오늘은 전기차에 탑재되기 위한 전기차 배터리의 '셀, 모듈, 팩'의 의미를 정확히 알아보겠습니다. ^^

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.

BMW i3 

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.

[삼성SDI 전기차용 배터리 셀, 모듈, 팩]

[BMW i3 하부에 탑재된 배터리 팩(모듈 8개, 셀 96개로 구성)]

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.

​[기존 모듈(좌측)과 확장형 모듈(우측)]

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.

[저전압 배터리 시스템(LVS)팩]

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.

이렇게 셀 기술을 넘어 모듈·팩 기술 개발에도 힘을 쏟고 있는 만큼 시간이 갈수록 점점 더 멋진 전기차가 나오지 않을까요? ^^

멀리 가는 전기차의 성능뿐만 아니라, 더 날씬하고 멋있는 디자인의 전기차를 만드는데 배터리가 어떤 활약을 펼칠지 앞으로 지켜봐 주세요!​​