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전기차 배터리 구조, 셀부터 팩까지 완전 정리! 전기차 배터리 시험을 위한 배터리팩 설계, 배터리 기본 구조, 배터리 종류와 특징에 대해 알아보세요.

전기차의 핵심 부품은 단연 배터리입니다. 전기차 배터리는 하나의 단일 부품이 아니라 셀(Cell), 모듈(Module), 팩(Pack)으로 구성된 복합 시스템입니다. 이러한 전기차 배터리 구조는 에너지 저장과 공급, 안전성, 효율성에 이르기까지 차량 성능 전반에 영향을 미칩니다.

이 글에서는 전기차 배터리 구조적 단위를 이해하고, 배터리셀과 배터리팩의 차이점과 연결 방식을 살펴보겠습니다. 또한 배터리셀 구조, 배터리 종류, 각 단계별 역할과 특징에 대해서도 자세히 알아보겠습니다.

1.  전기차 배터리 구조

1) 배터리의 기본적인 구조 알아보기

출처 :Freepik

전기차 배터리는 차량의 구동을 위한 전력을 저장하고 공급하는 핵심부품으로, 주로 리튬이온 배터리가 사용됩니다. 이러한 전기차 배터리 구조는 ‘배터리셀 -> 모듈 -> 배터리팩’ 순서로 이어지는 계층적 시스템입니다.

1️⃣ 셀(Cell)

• 전기에너지를 저장하고 방출하는 전기차 배터리 구조의 기초 전기화학 단위.
• 리튬이온의 이동을 통해 충∙방전 반응이 이루어지는 공간입니다.
• 내부는 양극, 음극, 분리막 및 전해질로 구성되어 있습니다.
• 에너지 밀도, 충전 속도, 안정성에 직접적인 영향을 미칩니다.

2️⃣ 모듈(Module)

• 여러 개의 셀을 직렬 또는 병렬로 연결하여 전압 및 용량을 조정할 수 있도록 구성한 전기차 배터리 구조의 중간 단위.
• 셀 간의 전기적 연결뿐 아니라, 기계적 고정, 열 감지, 냉각 경로 등 기본적인 열관리 기능이 포함됩니다.
• 이상 상태 발생 시, 모듈 단위로 교체 및 관리가 가능하여 유지 보수가 비교적 용이합니다.

3️⃣ 팩(Pack)

• 전기차 배터리 구조 중, 차량 전체에 전력을 공급하는 실질적인 전원 장치.
• 설계와 구성에 따라 전기차의 성능이 크게 달라질 수 있습니다.
• BMS, 열관리 시스템, 보호용 하우징, 고전압 전기 인터페이스 등 서브시스템이 통합되어 있습니다.

🔋 배터리 셀과 배터리 팩의 모든 것

2. 전기차 배터리팩의 설계

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전기 자동차 배터리팩은 전기차 배터리셀과 모듈을 기반으로, 전기차 전체에 전력을 공급하는 하나의 에너지 시스템입니다. 안전성, 성능, 내구성, 열관리 효율, 공간 활용성 등을 종합적으로 고려하여 설계됩니다. 이는 차량의 주행거리, 충전 속도, 전체 효율성 뿐만 아니라 사용자의 안전과 직결됩니다.

배터리팩은 전기차 배터리셀을 직렬 및 병렬로 연결한 모듈 단위로 구성되며, 이들 모듈을 통합하여 최종적인 팩을 구성하게 됩니다. 내부에는 배터리 관리 시스템이 탑재되어 전기차 배터리셀 단위의 전압, 전류, 온도 등을 실시간으로 모니터링하고 셀 간 전압∙전류 밸런싱 및 과충전∙과방전 방지 등의 기능을 수행합니다. 열관리 시스템은 배터리의 성능과 수명을 좌우하는 온도 제어를 담당합니다.

기계적 측면에서 전기 자동차 배터리팩은 차량 구조에 적합하게 제작되어야 하며, 충돌 시의 안전성과 진동 및 외부 충격에 대한 내구성이 확보되어야 합니다. 또한, 화재 및 열폭주를 방지하기 위해 셀 간 절연 구조와 열 차단재를 사용해야 합니다. 이러한 안전 설계는 배터리 시스템의 신뢰성과 안전성을 보장하는 핵심요소입니다.

전기 자동차 배터리팩은 일반적으로 차량 하부 플로어에 배치되어, 실내 공간을 넓히고 무게 중심을 낮춰 주행 안정성을 향상시킵니다.

3. 배터리 종류와 구조의 연관성

1) 전기차에 사용되는 주요 배터리 종류

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전기차 배터리 종류에는 리튬이온 배터리 기반에서 파생된 다양한 화학 조성 배터리가 있습니다. 대표적인 화학 조성으로는 NCM(니켈∙코발트∙망간), NCA(니켈∙코발트∙알루미늄), LFP(리튬∙인산철)배터리가 있습니다.

1️⃣ NCM

니켈, 코발트, 망간 세 가지 원소를 조합한 배터리로 리튬이온 또는 삼원계 배터리라고 부릅니다. 충전 시 양극에서 리튬 이온이 음극으로 이동하고, 방전 시에는 반대로 이동하면서 전류를 생성합니다. 니켈 함량이 크면 클수록 에너지 밀도가 증가합니다. 높은 에너지 밀도와 우수한 출력이 특징인 배터리입니다.

2️⃣ NCA

니켈, 코발트, 알루미늄을 조합한 배터리로, 높은 에너지 밀도를 가진 대표적인 배터리 종류입니다. 니켈 비율이 높고, 고에너지 밀도를 구현할 수 있는 특징을 지니고 있으며, NCM 배터리와의 가장 큰 차이점은  망간 대신 알루미늄이 포함되어 있다는 점입니다. NCM보다 에너지 밀도가 높아 장거리 주행 전기차에 적합합니다. 다만 고온에서의 폭발 위험이 존재하여 정밀한 열관리 설계가 필요합니다.

3️⃣ LFP

리튬과 인산철이 만나 생성되는 배터리로 코발트를 사용하지 않아 비교적 저렴한 가격대의 배터리입니다. 우수한 열적 안정성과 긴 수명이 특징입니다. 열폭주에 강한 구조로, 고온에서도 화재 위험이 낮습니다. 다만 에너지 밀도가 낮아 NCM/NCA와 동일한 용량을 구현하기 위해 더 많은 공간이 필요합니다.

2) 배터리 종류가 구조에 미치는 영향

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전기차 배터리 종류별 화학적 특성 및 배터리셀 구조와 특성이 다르기 때문에, 배터리팩의 설계와 구조에도 다양한 영향을 미칩니다. 삼원계 리튬이온(NCM/NCA)은 에너지 밀도가 높아 열 발생량이 크고, 이에 따른 고도화된 냉각 시스템이 필요합니다. 화재 및 열폭주 위험이 높아 셀 간 격리 구조, 방열판, 화재 차단재 등의 안전 설계가 요구되며, 이러한 요구 사항은 배터리셀 구조의 특성에 따라 정교하게 반영되어야 합니다. 셀 균일성 관리와 정밀한 BMS 설계는 구조적으로 반드시 요구됩니다.

LFP는 열 안정성이 높아 단단한 보호 구조 없이도 사용 가능합니다. 다만, 에너지 밀도가 낮아 주행거리가 짧습니다. 이러한 에너지 밀도 문제를 극복하기 위해 부피를 크게 만들기도 하는데, 이 경우 배터리셀 구조의 효율성 및 모듈 배치 방식에 영향을 미치며, 무게 증가와 함께 효율성 저하나 공간 제약 등의 문제가 발생할 수 있습니다.

❓자주 묻는 질문 FAQ

Q1. 배터리셀과 배터리팩은 정확히 어떻게 다른가요?

A. 전기차 배터리셀은 전기화학 반응을 통해 에너지를 저장하는 최소 단위이며, 전기차 배터리의 기본 구성요소입니다. 반면, 배터리팩은 여러 셀과 모듈을 조합하고, 여기에 BMS(배터리 관리 시스템), 냉각 장치, 보호 구조 등을 통합한 전기차용 완성 배터리 시스템입니다.

Q2. 전기차에는 어떤 배터리 종류가 가장 많이 사용되나요?

A. 현재 전기차에서는 NCM(니켈∙코발트∙망간)과 LFP(리튬∙인산철) 계열이 가장 많이 사용됩니다. 고출력과 에너지 밀도가 중요한 프리미엄 모델에는 NCM이, 안정성과 수명을 중시하는 대중형 모델에는 LFP가 주로 채택되고 있습니다.

Q3. 자동차 배터리팩 시험은 어떤 것을 포함하나요?

A. 전기 자동차 배터리팩 시험에는 구조적 안전성, 열 관리 성능, 환경 내구성 시험 등이 포함됩니다. 특히 충격, 진동, 온도 변화 등 실제 주행 조건을 모사한 시험이 중요하며, 화재 확산 방지나 셀 간 이상 감지 기능도 평가 대상입니다.

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4. 전기차 배터리 시험은 엘레멘트코리아에서

전기차 배터리 시험은 배터리의 성능, 안전성, 내구성을 평가하는 중요한 과정입니다. 배터리 시험을 통해 배터리의 효율적 운용과 장기적인 신뢰성을 확보할 수 있습니다. 

엘레멘트코리아는 전기차 배터리 분야에서 다양한 시험 경험을 바탕으로 배터리의 환경시험, 내구시험까지 전문적으로 지원합니다. 전기차 배터리 구조에 대한 이해와 함께 배터리 시험을 고려 중이라면 엘레멘트코리아와 함께하세요.

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