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전기차 / 배터리 시스템

전기차 배터리: 셀에서 팩까지, 그리고 차세대로

셀 한 개의 화학반응이 차량 한 대의 주행으로 이어지는 길에는 모듈, 팩, BMS(Battery Management System, 배터리 관리 시스템), VCU(Vehicle Control Unit, 차량 제어기), 그리고 셀 제조사·시스템 공급사·완성차로 나뉜 책임 분담 구조가 차곡차곡 쌓여 있다. 자동차용 배터리 산업의 안쪽 구조를 한 번 펴 보았다.

목차
  1. 배터리 시장의 무게 중심이 옮겨가는 길
  2. 환경 규제와 완성차의 전동화 로드맵
  3. 전기 구동 부품, 통합으로 가다 — PE 시스템과 ICCU
  4. 셀에서 팩까지: 무엇을 빼고 무엇을 합치는가
  5. 차량 제어기 VCU와 배터리 모델링의 어려움
  6. BMS의 일과 한계 — 청진기로 암을 진단할 수 있는가
  7. SOC를 정확히 맞춘다는 것
  8. 안전성: 다층 보호와 차량 특유의 제약
  9. 셀 회사 · 시스템 회사 · 완성차의 협업 모델
  10. 차세대 배터리와 신시장 — 리튬메탈, 전고체, UAM

1. 배터리 시장의 무게 중심이 옮겨가는 길

리튬이온 이차전지의 출발선에는 휴대전화와 노트북이 있었다. 피처폰에서 스마트폰으로, 노트북에서 태블릿으로 어플리케이션이 늘어나는 사이 시장은 줄곧 우상향을 그렸다. 어느 시장조사 기관의 데이터를 보더라도 방향은 같다. 다만 분야별 성숙도가 다를 뿐이다.

스마트폰·노트북·파워툴·태블릿이 차지하는 IT 소형 전지 시장은 도입기·성장기를 지나 안정기에 들어섰다는 평가가 우세하다. 그 뒤를 따라 빠르게 커지는 것이 자동차 시장이다. 도입기를 통과해 한창 성장기에 들어선 단계로, 일부 시장조사 자료는 2030년까지 가파른 증가를 예측한다. 산업용에서는 ESS(Energy Storage System, 에너지저장장치)가 한 축이 되어 있다. 낮 시간대에 충전한 전력을 심야 전력으로 활용하는 용도뿐 아니라, 전력망의 안정화와 발전소 출력의 주파수 조정 같은 그리드 레귤레이션에서도 사용된다.

이해를 돕는 비유

배터리 시장을 인구 피라미드로 비유하면, 한때는 휴대용 기기라는 “청년층”이 인구의 대부분이었다. 지금은 자동차라는 “장년층”이 빠르게 늘어나면서 무게 중심이 그쪽으로 옮겨가고 있다. ESS와 도심형 모빌리티는 그 옆에서 자리를 넓혀가는 새로운 인구 집단에 해당한다.

자동차 산업의 변화 자체도 단순한 동력원 교체가 아니다. 과거의 차량이 “이동성”을 제공하는 도구였다면, 지금의 차량에는 친환경, 경제성, 편리함, 안전한 이동성, 인터넷 연결, 자율주행, 모빌리티 사업의 확장이라는 요구가 동시에 얹혀 있다. 완성차 그룹들은 친환경 전기 동력원과 효율적인 동력원을 개발하면서 동시에 차량과 사물·전력망을 연결하는 V2X(Vehicle-to-Everything, 차량 사물 통신)를 함께 연구한다. UAM(Urban Air Mobility, 도심항공교통)과 라스트마일 모빌리티까지 같은 비전 안에 들어와 있다.

2. 환경 규제와 완성차의 전동화 로드맵

전동화의 속도를 끌어올리는 가장 직접적인 외부 압력은 환경 규제다. 유럽이 가장 빠르고 북미·아시아가 뒤를 따른다. 수출 중심의 제조사 입장에서는 전동화 차량의 양산 비중을 일정 수준 이상 채우지 못하면 그대로 클레임과 부담금이 비용으로 돌아온다. 평균 이산화탄소 배출량 규제는 메이커가 “피하기 위해” 각자의 방식으로 분투해야 하는 숫자가 되어 있다.

완성차들의 전동화는 보통 몇 단계의 세대 구분을 거쳐 진화해 왔다. 1단계는 기존 내연기관 플랫폼 위에 모터·배터리를 얹은 마일드 하이브리드 양산 시도였다. 한국에서는 2009년 7월 LPG(Liquefied Petroleum Gas, 액화석유가스) 기반의 마일드 하이브리드 양산이 그 시작점에 가까웠다. 2단계는 동일한 내연기관 플랫폼 위에 풀 하이브리드와 플러그인 하이브리드를 양산 체제로 올린 단계다. 3단계에 들어 처음으로 환경차 전용 플랫폼이 등장한다. 한국 시장에서는 “아이오닉” 계열이 이 단계에 해당한다. 4단계는 연료전지차의 양산 확대와 함께, E-GMP(Electric Global Modular Platform, 전기차 전용 글로벌 모듈러 플랫폼) 같은 전용 플랫폼 위에서 다양한 차종이 동시 전개되는 단계다.

이 흐름의 다음 페이지에는 라인업 확대와 100% 전동화 선언이 들어 있다. 어느 글로벌 완성차 그룹의 사례를 보면, 2030년까지 전기차 187만 대 판매, 글로벌 점유율 16%, 프리미엄 브랜드 100% 전동화 같은 목표를 내건다. 35년 유럽 전체 전동화, 40년 메이저 시장 전동화, 45년 탄소중립을 단계적으로 잡은 식이다. 모든 선언이 그대로 지켜지는 것은 아니지만, 그 방향으로 그룹 전체가 움직이고 있다는 사실 자체가 부품 공급 구조와 R&D(Research and Development, 연구개발) 투자 우선순위를 재배열하고 있다.

3. 전기 구동 부품, 통합으로 가다 — PE 시스템과 ICCU

전기차의 동력계는 크게 다섯 덩어리로 나뉜다. 배터리, 구동 모터, 그리고 모터에 3상 교류 전력을 공급하는 인버터, 고전압 배터리에서 12V 차량 전장 전원을 만들어 주는 LDC(Low voltage DC-DC Converter, 저전압 직류 변환기), 외부에서 차량을 충전하는 OBC(On-Board Charger, 차내 탑재 충전기). Tier 1(1차 협력사)들은 한동안 이 부품을 따로따로 개발·납품했지만, 일충전 주행거리를 늘려야 한다는 요구가 강해지면서 통합 설계가 표준이 되어 가고 있다.

PE 시스템 — 모터·인버터·감속기의 일체화

PE(Power Electric, 전력 전자) 시스템은 모터·인버터·감속기를 하나의 어셈블리로 묶은 통합 구동 부품이다. 기존에 따로 흩어져 있던 세 부품이 하나의 케이스 안에서 정렬되면 부피·무게·배선 손실이 동시에 줄어든다. 같은 차량 공간에서 더 많은 셀을 실을 수 있다는 뜻이고, 결과적으로 일충전 주행거리가 늘어난다.

ICCU — 충전기와 컨버터의 통합

ICCU(Integrated Charging Control Unit, 통합 충전 제어 장치)는 OBC와 LDC, 그리고 V2L(Vehicle-to-Load, 차량 외부 전원 공급) 기능을 하나로 묶은 구성이다. 과거에는 급속 충전 커넥터와 완속 충전 커넥터가 따로 있던 자리들이 지금은 메인 인버터·컨버터 영역으로 통합되면서, 커넥터 하나로 충전과 외부 전원 공급, 차량 내부 전원 분배까지 분기되는 구조로 바뀌었다.

이해를 돕는 비유

예전에는 휴대전화·MP3·디지털카메라가 각자 충전기를 가지고 다녔다면, 지금은 한 어댑터에 USB-C 케이블 하나로 여러 기기를 충전한다. PE 시스템과 ICCU의 통합도 본질적으로 같은 흐름이다. 기능이 사라진 것이 아니라, 따로 있을 때 낭비되던 공간·무게·배선·발열 손실을 줄이기 위해 한 케이스 안에 정돈해 넣은 것이다.

마일드 하이브리드의 토폴로지 명명

48V(볼트) 마일드 하이브리드는 시스템의 위치에 따라 P0~P4로 분류된다. P0는 보조 벨트 위치(스타터-제너레이터 역할), P2·P3로 갈수록 토크 어시스트가 강한 위치에 모터가 들어가 차량 정지 상태에서 출발할 때 에너지를 더 많이 전달한다. 숫자가 올라갈수록 토크 어시스트의 에너지 밀도가 커진다고 이해하면 된다.

4. 셀에서 팩까지: 무엇을 빼고 무엇을 합치는가

BMA · 모듈 · 팩의 위계

차량용 배터리는 위계 구조를 가진다. 셀이 가장 작은 전기화학 단위이고, 셀을 직병렬로 묶어 BMA(Battery Module Assembly, 배터리 모듈 조립체)를 만든다. 여러 BMA를 다시 직병렬로 연결한 것이 팩 어셈블리(Pack Assembly)다. 자동차 산업에서는 같은 대상을 “팩”과 “시스템”이라는 두 단어로 혼용해 왔다. 해외에서는 셀 외 전체 구성을 한꺼번에 “팩”이라고 부르는 반면, 한국 완성차 업계는 BMA와 구조물까지만 “팩”으로 부르고, 그 위에 BMS와 고전압 회로까지 결합한 전체 어셈블리를 “시스템”이라 부르는 경우가 많다.

셀-투-모듈에서 셀-투-팩, 셀-투-섀시로

일충전 주행거리를 늘리려면 셀이 차지하는 비중을 최대한 키워야 한다. 셀과 모듈을 묶을 때 들어가는 사출물, 버스바, 센서 라인, 모듈 간 갭은 모두 “셀이 아닌 무게와 부피”다. 이 비셀(非-cell) 비중을 줄여 가는 흐름이 CTP(Cell-to-Pack, 셀투팩)와 CTC(Cell-to-Chassis, 셀투섀시)다.

완성차들은 다음 세대 전용 플랫폼 배터리에서 셀 외 구성품을 줄여 에너지 밀도를 50% 가까이 끌어올리고, 원가를 40% 이상 절감하며, 급속 충전 시간도 대폭 단축한다는 목표를 공통으로 내건다. 정확한 숫자는 메이커별로 다르지만, 방향성과 자릿수는 비슷한 흐름 안에 있다.

한국 시장 양산차의 팩 구조

국내 양산 전기차의 대표적인 팩 구성은 다음과 같다.

이해를 돕는 비유

책장으로 비유하면, 셀은 책 한 권, 모듈은 책 몇 권을 묶은 “섹션”, 팩은 책장 전체다. 셀-투-팩은 섹션 칸막이를 떼어 같은 부피에 더 많은 책을 꽂는 것이고, 셀-투-섀시는 책장 자체를 벽으로 만들어 방의 구조까지 겸하게 하는 발상이다. 다만 칸막이를 없앤 만큼, 책 한 권이 무너졌을 때 옆 책으로 번질 가능성을 막아 줄 다른 장치가 더 정교해져야 한다.

셀이 차지하는 무게의 비중

팩 전체에서 셀이 차지하는 무게 비중은 흔히 60% 안팎이다. 케이스가 굉장히 무거워 보이지만, 그래도 셀이 절대적인 비중이다. 그래서 단순한 무게 절감은 셀에서 나오는 효과가 가장 크다. 다만 셀은 한 번 양산되고 나면 설계 변경이 어려우므로, 무게당 출력·에너지 밀도가 셀 단독의 경쟁력으로 직접 측정된다.

완성차 입장에서 본 “더 많이 vs. 더 가볍게”

완성차 측에서 보면, 차량의 세그먼트에 따라 0–100km/h 가속 시간, 등판 성능, 가속 성능의 요구 사양이 정해진다. 거기서 모터의 최대 출력과 연속 출력 값이 결정되고, 그에 맞춰 배터리 용량의 하한이 결정된다. 즉 차량의 미니멈 퍼포먼스를 만족시키는 선이 우선이고, 그 너머는 비용 문제다.

셀을 더 많이 넣는 쪽이 안전한 듯 보이지만, 셀은 비싸기 때문에 가능한 최소한으로 미니멈 퍼포먼스를 맞춘 뒤, 장거리 옵션이 필요한 소비자에게는 “레인지 익스텐디드(Range Extended)” 옵션 팩을 따로 제공하는 식이 일반적이다. 두 옵션 모두 동일한 팩 케이스를 사용하고, 내부 모듈 구성만 다르게 가져가 라인 운영을 단순화한다.

5. 차량 제어기 VCU와 배터리 모델링의 어려움

VCU가 하는 일

차량의 가속·등속·감속·정지 한 사이클을 통제하는 것은 VCU다. 운전자가 밟는 액셀, 기어 위치, 브레이크 페달 같은 입력 신호와 차량 상태를 종합해 모터에 토크를 얼마나 낼지, 배터리에서 얼마의 전력을 빼낼지, 회생 제동으로 얼마나 충전할지를 결정한다. VCU는 다음과 같이 동작한다.

  1. 입력 신호 수신: 키 ON, 브레이크 램프, 기어 상태, 가속 페달 등.
  2. 주행 상태 판단: 정지·가속·등속·감속의 상태별 제어 로직.
  3. 지령 송신: BMS에 “이만큼 출력해라”, 인버터에 “모터 토크를 이만큼 올려라”와 같은 지령을 전송.
  4. 응답 수신: BMS가 가용한 파워를 회신하면 그에 맞춰 가속 결정.
  5. 고장 대응: 부동품에서 결함 신호가 오면 크리프(Creep) 모드 등 안전 모드로 전환.

배터리 모델링의 본질적 어려움

VCU 시뮬레이션이 “잘 맞으려면” 배터리 모델이 정확해야 한다. 그런데 전기화학 셀의 실시간 모델링은 본질적으로 어렵다. 전압·전류·온도·SOC(State of Charge, 충전 상태)·온도 분포·열화(Aging)·안전(Safety)이 모두 결합된 다물리(multiphysics) 문제이기 때문이다.

현장에서는 가장 다루기 쉬운 모델로 ECM(Equivalent Circuit Model, 등가회로 모델)을 쓴다. 셀의 옴저항과 전극 RC(저항-커패시터) 회로 몇 단을 직렬로 연결해 충방전 거동을 근사한다. 상온·낮은 C-Rate에서는 잘 맞지만, 저온·고 C-Rate 같은 가혹 조건에서는 오차가 커진다. Siemens Simcenter Amesim, AVL CRUISE M, Dassault Systèmes 같은 상용 1D 시뮬레이션 툴들이 이런 등가회로를 기반으로 한 시스템 시뮬레이션을 지원한다.

1D(전기화학·시스템) 해석과 3D(열·기계) 해석을 동시에 잘 해내는 “인테그레이션 능력”이 사실상 좋은 팩 회사의 척도다. 셀에서는 양극·음극·전해질·세퍼레이터를 각각 다루는 전문가가 따로 있고, 1D 해석자는 전기화학 베이스, 3D 해석자는 기계공학 베이스인 경우가 많다. 이들의 시각을 한 시뮬레이션 모델 위에서 통합하는 일은 OEM과 Tier 1 모두 여전히 진행형이다.

6. BMS의 일과 한계 — 청진기로 암을 진단할 수 있는가

측정 가능한 변수

BMS가 직접 측정할 수 있는 것은 사실상 세 가지뿐이다.

여기에 고전압 안전을 위해 절연 저항을 항상 모니터링한다. 거의 무한대에 가까워야 할 절연 저항이 떨어지면 즉시 고전압 라인을 차단한다.

BMS의 한계와 “셀 데이터시트”의 필요성

임피던스 분광법(EIS, Electrochemical Impedance Spectroscopy)이나 미분 전압 분석 같은 셀 진단 기법은 실험실에서 강력하지만, 양산 BMS에 그대로 내장하기는 어렵다. BMS는 전압·전류·온도만 가지고 셀의 내부 상태를 “추정”해야 한다. 이 한계 때문에 셀의 열화 메커니즘을 BMS가 미리 예단해 사고를 막아 준다는 일부 마케팅 메시지는, 현재 기술로는 대부분 과장이다. 실제로 가능한 부분은 충방전 프로파일에서 정해진 SOC·온도에서 측정되는 전압 변화량의 추세를 누적 데이터와 비교해 “옴저항이 어느 정도 증가했다”는 식의 거시적 변화를 잡아내는 정도다.

대신 셀 제조사가 BMS 측에 “셀 데이터시트”에 해당하는 정보(특정 SOC·온도·C-Rate에서의 IR(Internal Resistance, 내부저항) 값, 에이징에 따른 변화 추세, 분극(Polarization) 거동 등)를 충분히 제공할수록 BMS의 추정 정확도는 올라간다. 셀 신화학(예: 리튬메탈)에서는 덴드라이트(Dendrite) 생성 같은 고유 메커니즘이 어떤 전압·전류 패턴으로 드러나는지를 셀 회사가 BMS 회사에 “힌트”로 전달해 줄 필요가 있다. 셀 회사·시스템 회사·완성차 셋이 한 테이블에 앉아야 하는 이유가 여기에 있다.

이해를 돕는 비유

병원에서 청진기와 체온계만 가지고 환자의 상태를 모니터링한다고 생각해 보자. 호흡과 체온의 변화로 큰 이상은 잡아낼 수 있지만, MRI나 혈액검사 없이 암을 조기 진단할 수는 없다. BMS가 측정하는 전압·전류·온도가 청진기·체온계라면, EIS나 미분 전압 분석은 MRI에 해당한다. BMS는 청진기로 “심상치 않다”는 신호를 잡아내는 역할까지가 본업이고, 셀의 내부 상태에 대한 “지도”는 셀 제조사가 그려서 BMS에 건네줘야 한다.

BMS의 작업 목록

BMS가 실제로 담당하는 기능은 측정 외에도 다음과 같다.

7. SOC를 정확히 맞춘다는 것

SOC를 추정하는 데 단일한 방법은 없다. 현장에서는 네 가지를 복합적으로 쓴다.

  1. OCV(Open Circuit Voltage, 개방 전압) 방식: 정지 상태에서 측정한 단자 전압을 SOC에 대응시킨다. 팩을 처음 사용하기 시작했을 때 정확. 다만 충전 평탄 영역(예: LFP(Lithium Iron Phosphate, 리튬인산철) 같은 셀의 SOC 30–80% 구간)에서는 전압이 거의 변하지 않아 분해능이 떨어진다.
  2. 쿨롱 카운팅(Coulomb Counting): 흘러나간 전류를 시간에 대해 적분해 잔량을 계산. 짧은 시간 스케일에서는 정확하지만, 사이클이 누적될수록 측정 오차가 쌓인다.
  3. 룩업 테이블(Lookup Table): 미리 셀 단위로 측정해 둔 SOC × 온도 × C-Rate × 전압의 매핑을 활용. 셀 제조사가 제공하는 데이터에 의존한다.
  4. 내부 저항 추적(Internal Resistance Estimation): 분극 거동을 기준으로 셀의 내부 저항을 추정해 SOC와 에이징 상태를 함께 추정한다.

이들은 상황에 따라 가중치를 다르게 두고 결합된다. 처음 팩을 장착했을 때는 OCV가 정확하고, 충방전이 잦은 운행 중에는 쿨롱 카운팅이 유리하다. 시간이 지나면 누적 오차를 다른 방식으로 보정(Calibration)해 줘야 한다.

ASOC와 RSOC

같은 SOC라도 두 가지 정의가 사용된다.

SOC를 “잘 맞춘다”는 것은 결국 충전 말기·방전 말기·평탄 영역에서의 추정 오차를 균형 있게 가져가는 일이다. 평탄 영역의 정확도가 가장 까다롭다. SOC 추정에 실패하면 사용자는 “3% 남았는데 갑자기 꺼지는 차”를 경험하게 된다. 노트북에서 7%·5%·3%에서 단계적 알람을 띄우고, 3%에서 작업 문서를 저장한 뒤 하이버네이션에 들어가는 시퀀스는 SOC 추정 실패를 “관리된 실패”로 만드는 안전망이다. 자동차에서는 일충전 주행거리를 가능한 끝까지 활용하면서, 동시에 마지막 5%에서의 갑작스러운 출력 저하가 안전 문제로 번지지 않도록 버퍼 설계와 SOC 표시를 함께 조정한다.

SOC가 차량 사양과 만나는 지점

완성차의 “100km 갈 수 있는 팩” vs. “90km 갈 수 있는 팩” 같은 옵션 차이는 셀을 더 넣고 덜 넣는 것뿐 아니라, 같은 셀을 가지고도 에이징 버퍼·세이프티 버퍼·예약 용량(Reserve Capacity)을 얼마나 떼어 두는가에 따라 갈린다. 디자인 캐퍼시티의 0–100%를 모두 쓰면 좋겠지만, 셀의 끝단에서는 언더볼트·오버볼트 보호가 걸리기 때문에 시스템 차원에서는 항상 양쪽에 여유를 둔다.

어플리케이션별로 사용 SOC 윈도우의 폭이 다르다. 휴대전화·노트북은 거의 0–100%까지 사용한다. 하이브리드는 가감속과 EV 모드 구간이 짧기 때문에 SOC 중간 영역(보통 20–80% 안팎)에서 고출력 셀을 운영한다. 순수 전기차는 도입 초기에는 10–90% 정도로 협소하게 설계했지만, 일충전 주행거리 경쟁이 격해지면서 5–95% 또는 2.5–97.5%로 윈도우를 점점 넓혀 왔다. 다만 화재 사고와 에이징 가속 문제가 누적되면서 다시 버퍼를 일부 회복시키려는 흐름이 나타난다. 안전과 주행거리, 수명이라는 세 변수의 균형이 시스템 설계의 핵심이다.

8. 안전성: 다층 보호와 차량 특유의 제약

3중 보호 구조

휴대용 IT 기기와 자동차의 배터리 보호는 회로 토폴로지가 비슷하다. 두 경우 모두 다음과 같은 다층 보호 구조를 갖는다.

층주체동작 시점역할
1차 보호BMS (마이컴 + AFE(Analog Front End))전압·전류·온도 임계치 도달 시릴레이/FET를 통한 차단. 응답 시간 10~100ms 수준.
2차 보호독립 보호 ICBMS보다 빠른 감지가 필요한 비정상 상황전기적 퓨즈를 절단해 회로 영구 차단.
3차 보호셀 내부 안전 소자BMS·2차 보호가 모두 실패할 경우각형 셀의 내장 퓨즈, 원통형 셀의 CID(Current Interrupt Device, 전류 차단 장치) 등.

일부 휴대용 기기에서 사용되는 4.3V 도달 시점 비교 같은 기법은, 같은 전류로 충전했을 때 에이징된 셀이 신품보다 4.3V에 도달하는 시간이 짧다는 사실을 이용한다. 마이컴이 판단하기 전에 2차 보호 IC가 미리 차단해 “라면이 끓다 넘치기 직전에 가스불을 끄는” 효과를 낸다.

차량에 그대로 적용할 수 없는 이유

그런데 자동차에서는 동일한 보호 로직을 그대로 쓰지 못한다. 운전자가 차량을 제어하는 중에 배터리가 즉시 차단되면, 차량 자체가 제어 불능 상태에 빠진다. 갓길로 안전하게 빠질 수 있는 최소한의 시간 동안은 출력을 유지해 줘야 한다는 안전 요구가 우선이다. 그래서 차량용 BMS는 “이상이 감지된 즉시 차단”이 아니라, 운전자가 차량을 멈출 수 있을 정도의 파워와 시간을 확보하면서 단계적 출력 저감과 경고를 거쳐 차단으로 가는 시퀀스를 따른다.

셀 단위로 즉시 끊는 것이 안전 측면에서는 가장 이상적이지만, 직병렬로 연결된 수백 개의 셀마다 릴레이를 다는 일은 비용·공간·신뢰성에서 비현실적이다. 그래서 셀 자체에 내장된 안전 소자(각형 셀 내장 퓨즈, 원통형 셀의 CID)가 “시스템이 못 막은 마지막 한 줄”의 역할을 한다.

차량 충돌과 침수, 그리고 화재 대응

팩은 시속 60·80km 정면 충돌, 측면 충돌, 후면 충돌 시험을 통과해야 한다. 충격으로 차량 측면이 일그러져 팩이 일부 밀려 들어와도 셀이 손상되지 않도록, 팩 내부 버퍼와 마운팅 구조가 설계된다. 그러나 시속 100km, 120km 이상의 고에너지 충돌에서는 안전이 보장된다고 말하기 어렵다.

전기차 화재에서 사용되는 “수조 침수” 방식은 팩 측면에 별도로 물을 주입하는 홀이 있는 것이 아니라, 차량 전체를 임시 부조물 안에 가두고 그 안에 물을 채워 팩을 완전히 잠기게 하는 방식이다. 수밀 구조가 이미 깨졌다는 가정 위에서 진행되는 진압이다.

잔존열·열폭주 대비 추가 구조

최근에는 열폭주(Thermal Runaway)의 셀 간 전파를 막기 위해 셀 사이에 방염 시트, 화염 차단 시트, 또는 단열·내열 소재가 추가된다. 케이스만으로는 한 셀에서 시작된 폭주를 옆 셀로 번지지 않게 막기 어렵기 때문이다. 이런 사이드 보강은 케이스를 더 무겁게 만들지만, “팩 하나가 통째로 발화하는” 사고를 막는 마지막 방어선이다.

9. 셀 회사 · 시스템 회사 · 완성차의 협업 모델

책임 분담의 현실

전기차 배터리에서 셀 제조사, 배터리 시스템 제조사(Tier 1), 완성차 OEM의 세 단위는 명확히 분리되어 있다. 셀에 문제가 생기면 어디까지가 누구의 책임인지가 사고 후에 늘 다투어지는 지점이다. 일반적으로는 다음 흐름이다.

실제 사례에서는 OEM과 Tier 1이 비용을 분담하는 형태가 적지 않다. 셀 회사가 사실상 단독으로 모든 책임을 짊어졌던 사례도 있지만, 통상은 분담 구조가 우세하다.

완성차의 셀 내재화 전략

완성차들의 셀 수직 통합 전략은 회사마다 갈려 있다. 폭스바겐 그룹은 자회사 PowerCo를 통해 통합 셀(Unified Cell)을 자체 생산하는 길로 명확히 들어섰다. Salzgitter, Valencia, St. Thomas 세 곳의 기가팩토리를 단계적으로 가동하며, 2025년 12월 Salzgitter에서 첫 통합 셀이 양산 라인에 올랐다. 반면 BMW는 셀 자체 제조에는 들어가지 않는다는 입장으로 알려져 있다.

한국 완성차들도 셀 내재화 가능성을 두고 내부 검토를 이어 왔지만, 현재로서는 셀 제조 자체보다 차세대 셀 회사에 대한 투자(스타트업 지분 투자, 공동 개발)와 셀 공급사 다변화를 통해 영향력을 확보하는 쪽에 무게가 실려 있다.

완성차 내부의 셀 평가 역량

완성차의 R&D 조직은 셀 자체에 대한 평가·연구도 직접 수행한다. 다만 모듈·팩 단위의 시작품(Pilot) 개발과 평가는 Tier 1에 의존하는 경우가 많다. 차세대 셀이 등장했을 때 OEM이 단독으로 팩까지 자체 개발한 사례는 드물고, 보통은 Tier 1과 공동 프로젝트 또는 컨소시엄 형태로 진행된다.

Tier 1의 위치

Tier 1 배터리 시스템 회사는 최근 모터·인버터·컨버터·충전기·배터리를 각각 따로 공급하는 모델에서, 차량의 세그먼트와 사양에 맞는 “구동 부품 일체”를 OEM에 제안하는 모델로 옮겨가고 있다. 셀을 제외한 영역에서 차량과 가장 많은 정보를 공유하는 위치이기에, OEM과 셀 회사 사이의 통역사 역할을 겸한다.

10. 차세대 배터리와 신시장 — 리튬메탈, 전고체, UAM

차세대 셀의 후보군

현재 시장에서 “차세대”라고 불리는 셀의 주요 후보는 다음 세 가지로 정리된다.

차세대 셀 스타트업과 OEM의 관계

차세대 셀 분야에서는 스타트업과 완성차 사이의 직접적인 자본·기술 연결이 활발하다. 미국의 SES AI(이전 사명 SolidEnergy Systems), QuantumScape 등이 대표적인 사례다. 이런 흐름의 배경에는 다음과 같은 인식이 있다.

수명·생산 능력의 현실

차세대 셀 스타트업이 공개하는 사이클 수명 데이터는 보통 “대외용”과 “내부용”이 따로 있다. 대외적으로 1,000~1,200 사이클 수준을 보고하는 회사가 내부 벤치마크에서는 4,000 사이클 이상을 측정하는 경우도 있다. 다만 외부에 공개된 결과는 차량의 실제 사용 조건(저온, 고 C-Rate, 다양한 SOC 윈도우)을 모두 망라하지 않는 경우가 많아, 이 숫자를 그대로 양산 차량의 수명으로 가져오기는 어렵다.

생산 능력도 마찬가지다. 파일럿 라인 수준에서 연간 6,000~수만 셀 정도가 가능하지만, 차량용으로 의미 있는 수량(연간 수십만~수백만 셀)에 도달하려면 별도의 양산 라인 투자가 필수다. “지금 당장 한 차종 분량”을 공급하기에는 어떤 차세대 셀 회사도 충분한 규모에 도달하지 못한 상황이다.

이해를 돕는 비유

차세대 배터리 스타트업의 현재 위치를 비유하자면, 신차 공개 전 “콘셉트카”와 비슷하다. 사양은 인상적이고, 가능성은 충분해 보인다. 하지만 콘셉트카가 그대로 양산 라인을 통과할 수 있는 것은 아니다. 양산 사양에 맞춰 검증·법규 인증·공급망 구축을 모두 끝내려면 시간이 더 걸리고, 그 사이 기존 라인에서 점진적으로 진화한 셀이 “지금 당장 차량에 실을 수 있는” 자리를 계속 차지하고 있다.

셀 사이즈 전략의 분화

완성차마다 셀 사이즈 전략도 분화돼 있다. 폭스바겐 PowerCo는 통합 셀(Unified Cell, 256 × 24.8 × 106mm 각형)이라는 대형 표준 포맷을 채택해 LFP·NMC(Nickel Manganese Cobalt, 니켈·망간·코발트 산화물)·향후 전고체까지 같은 외형에서 화학을 갈아 끼우는 길을 잡았다. 반면 BMW는 검증된 작은 사이즈의 셀을 더 많이 직병렬로 묶어 안전 마진을 우선시하는 전략으로 알려져 있다. 큰 셀 한 개가 나가는 것보다, 같은 용량을 작은 셀 여러 개로 나눠 한 개의 고장이 전체에 미치는 영향(Derating)을 줄이는 발상이다.

신시장 — UAM과 로봇

차세대 셀이 가장 먼저 의미 있게 자리잡을 분야로 OEM들이 주목하는 곳은 자동차 그 자체가 아니라 UAM 시장이다. UAM 기체는 “이륙·체공·착륙”의 단순 사이클 안에서 매우 높은 출력 밀도와 에너지 밀도를 동시에 요구한다. 이륙 시 짧은 시간 동안 큰 전력이 필요하고, 체공 중에는 지속적인 에너지 공급이 요구되는데, 기존 자동차용 셀은 이 두 조건을 동시에 만족시키지 못한다.

국내외 셀 대기업과 차세대 셀 스타트업 모두 UAM용 셀을 따로 개발하고 있다. 자동차용에서 한국·중국 기업과 직접 경쟁하기 어려운 일부 일본 셀 기업도 UAM 시장에서는 다시 진입 기회를 보고 있다. 어느 글로벌 완성차 그룹이 미래 사업 포트폴리오를 “차량 50%, UAM 30%, 로봇 20%”로 공표한 것도 같은 흐름 위에 있다.

교환식 배터리(Battery Swap)

중국 일부 OEM은 충전 시간 문제를 우회하기 위해 교환식 배터리 모델을 운영한다. 차량 출고 시점에 배터리를 분리해 가격을 낮추고, 운영 회사가 배터리 풀(Pool)을 관리하는 구독형 비즈니스 모델이다. 기술적으로는 팩 분리·체결·냉각수 재연결을 자동화하는 일이 그렇게 어려운 영역은 아니다. 다만 누가 배터리 풀을 운영하느냐, 그 책임은 어디까지냐 하는 비즈니스 구조 문제가 더 크다. 이스라엘 Better Place의 초기 시도가 기존 OEM의 주도권에 막혀 좌초된 이후 한동안 잠잠했지만, 중국 시장에서 다시 의미 있는 실험이 진행되고 있다.

마치며 — 배터리 산업은 “용역의 기술”이다

전기차 배터리에 관한 어떤 자료를 읽더라도 가장 자주 마주치는 단어는 에너지 밀도, 일충전 주행거리, 충전 시간, 셀-투-팩, 차세대 셀 같은 것들이다. 그런데 실제 산업 현장에서 가장 자주 부딪히는 단어는 그보다 더 평범하다. “요구사항을 어디서 어디까지 받아오는가”. 셀 회사가 자기 셀의 용량·출력만 말하면, 그 셀이 시스템에 들어왔을 때 어떤 사용 SOC 윈도우, 어떤 온도 범위, 어떤 C-Rate 패턴에서 운영되는지를 모르게 된다. 반대로 시스템 회사가 자기 운영 조건만 알면, 그 안에서 셀이 어떤 열화 메커니즘을 가지는지를 모르게 된다.

그래서 한 셀 메이커가 같은 셀을 여러 고객에게 공급해도 그 결과는 OEM마다 다르게 나타난다. 한 OEM이 같은 BMS를 여러 셀에 붙여도 결과가 다르게 나타나는 이유 역시 같다. 좋은 팩은 결국 셀의 거동, 시스템의 운영, 차량의 사이클 사이의 “정보 흐름”을 가장 잘 통합하는 회사가 만든다. 셀 제조사가 셀만, 시스템 회사가 시스템만, 완성차가 차량만 잘하려고 해서는 다음 세대로 넘어가기 어렵다.

BMS는 결국 청진기다. 청진기로 진단할 수 있는 정보의 폭은 정해져 있다. 그 한계를 넘어서기 위해 셀 회사의 “셀 데이터시트”가 더 풍부해져야 하고, 시스템 회사의 추정 알고리즘이 더 정교해져야 하며, 완성차의 차량 운영 데이터가 다시 셀 회사로 흘러 들어가는 폐회로가 만들어져야 한다. 차세대 셀이 어떤 화학으로 결판이 나든, 이 협업 구조가 단단해지지 않으면 어떤 새로운 화학도 양산 차량에 실리기까지 오랜 시간이 더 걸린다.

— 끝.

※ 이 글은 자동차용 리튬이온 배터리 시스템과 차세대 배터리 산업 협업 구조에 관한 강의·토론 기록을 기반으로, 화자·장소·소속을 모두 비식별화하고 기술 내용을 일반 독자가 이해할 수 있는 수준으로 재구성한 것이다. 산업 동향 수치는 본문 작성 시점의 공개 자료를 기준으로 한다.