전기차 배터리 구조와 속성, 핵심 용어 정리

안녕하세요, 자동차와 데이터를 연결하는 스마트 모빌리티 파트너 자스텍엠입니다.

전기차를 비교할 때 단순히 배터리 용량이나 주행 거리 숫자만 보는 경우가 많습니다.

하지만 배터리 구조와 성능 용어를 이해하면, 각 수치가 의미하는 바를 보다 정확히 해석할 수 있습니다.

이번 게시글에서는 전기차의 배터리와 관련해서, 배터리의 구조와 주요 속성(성능을 판단하는 지표)을 알아보겠습니다.

전기차 배터리의 기본 구조 : 셀, 모듈, 팩

전기차 배터리는 하나의 큰 배터리로 구성되어 있는 것처럼 보이지만, 실제로는 여러 단계의 구조를 가지고 있습니다.

전기에너지를 저장하는 가장 작은 단위는 배터리 셀(Cell)입니다.

셀은 배터리 단품 하나를 의미하기도 하고, 셀 단위로 전기에너지를 충전/방전하여 사용할 수 있습니다. 셀의 내부는 음극, 양극, 분리막과 전해질로 이루어져 있습니다.

여러 개의 셀이 묶여 모듈(Module)을 이루고, 이 모듈들이 다시 하나로 결합된 형태가 배터리 팩(Pack)입니다.

이렇게 셀 - 모듈 - 팩 단위로 배터리를 관리하는 것은 수많은 배터리 셀을 외부 충격과 열로부터 보호하면서 효율적으로 관리하기 위함입니다.

모듈은 외부 충격으로부터 셀을 보호할 수 있는 프레임을 제공하며, 셀의 상태를 모니터링할 수 있는 장치도 포함됩니다.

배터리 팩은 모듈의 단순한 결합을 넘어서 냉각시스템, BMS(배터리 관리 시스템) 등 각종 제어 및 보호 시스템을 포함한 것입니다.

배터리 시스템의 구조(출처=배터리인사이드-LG에너지솔루션. https://inside.lgensol.com/)

셀, 모듈, 팩 (출처=삼성 SDI 뉴스룸. https://news.samsungsdi.com/)

차량 하부에 장착되는 것은 이 배터리 팩 단위이며, 차량 제조사가 제공하는 배터리 용량이나 성능 수치 역시 대부분 팩 기준으로 설명됩니다.

전기차 배터리의 주요 속성 및 성능 지표

전기차 배터리의 주요 속성에는 배터리 용량, 전압, 에너지 밀도, 수명(충전 주기), 주행가능거리, 에너지 효율 등이 있습니다.

전압 Voltage

배터리 전압은 전기를 움직이게 하는 힘(압력)으로, 단위는 볼트(V)를 사용합니다.

전압에는 상황과 목적에 따라 활용되는 다양한 세부적인 종류가 있습니다.

기본 상태, 즉, 외부 회로에 연결되지 않아 전류가 흐르지 않는 상태에서 측정된 전압입니다.

이를 통해 배터리가 얼마나 충전되었는지(잔량)를 가장 정확하게 알 수 있습니다.

배터리 수명을 지키는 마지노선에 대한 전압입니다.

배터리는 무조건 꽉 채우거나 완전히 바닥날 때까지 쓰는 것이 좋지 않습니다. 안전을 위해 미리 정해둔 '충전의 끝'과 '방전의 끝'이 있습니다.

• 상한 전압: 너무 많이 충전해서 불이 나지 않게 막아주는 최대 전압.
• 하한 전압: 배터리가 '방전'되어 완전히 망가지는 것을 막아주는 최소 전압.

흔히 차에서 쓰는 배터리 용량은 이 두 선 사이의 안전한 구간만을 사용하는 것입니다.

배터리가 방전되는 동안 나타내는 전체 전압의 평균치이며, 각 배터리를 대표하는 '배터리 세계의 표준 전압' 역할을 하는 지표입니다.

배터리는 쓸수록 전압이 조금씩 떨어지기 때문에, 딱 하나의 숫자로 말하기 어렵습니다. 그래서 정한 '평균' 전압이 바로 공칭 전압입니다.

출력 (Power)

배터리 출력은 배터리가 순간적으로 얼마나 많은 전력을 공급할 수 있는지를 의미합니다.

표기 단위는 주로 kW (킬로와트)를 활용하며, kW가 높을수록 더 큰 힘(전류)을 빠르게 내보낼 수 있어 가속력 등에 영향을 줍니다.

배터리 용량이 크더라도 출력이 낮다면 가속 성능은 제한될 수 있습니다.

따라서 배터리 성능은 용량뿐 아니라 출력 특성도 함께 고려해야 합니다.

배터리 (에너지)용량 (kWh)

배터리 용량은 배터리가 저장할 수 있는 전기에너지의 양을 의미합니다.

배터리 용량은 원래 Ah(암페어시) 또는 mAh(밀리암페어시) 단위로 표기했지만 최근 전기차의 경우 kWh(킬로와트시)로 표기하고 있습니다.

배터리 전압이 동일했던 과거와 달리 제조사별로 상이해지면서 Ah 단위로는 배터리의 에너지 저장 한도를 나타내기 어려워졌기 때문입니다.

kW는 1000와트(W)의 전력, h는 시간을 뜻합니다. 이 지표는 전비(전기차의 연비)의 단위로도 사용되는데요, 전비가 8km/kWh인 전기차라면 1kWh의 전기로 약 8km를 달릴 수 있다는 의미입니다.

일반적으로 배터리 용량이 클수록 한 번 충전으로 주행할 수 있는 거리가 늘어납니다.

다만 동일한 용량이라 하더라도 차량 무게, 공기저항, 주행 환경에 따라 실제 주행 거리는 달라질 수 있습니다.

에너지 밀도

에너지 밀도는 배터리의 단위 질량/부피 당 얼마나 많은 에너지를 저장할 수 있는지를 나타내는 지표이며, 단위는 Wh/kg로 측정됩니다.

에너지 밀도가 높을수록 배터리를 더 작고 가볍게 설계할 수 있으며, 이는 차량의 무게 감소와 공간 활용성 향상으로 이어집니다.

결과적으로 에너지 밀도는 주행 효율과 차량 설계 전반에 영향을 미치는 요소입니다.

NCM(니켈·코발트·망간) 배터리는 LFP(리튬·인산철) 배터리보다 에너지 밀도가 높아 고성능 차량에 주로 사용됩니다.

수명 (Life Cycle)

배터리가 충전과 방전을 반복할 수 있는 횟수(충전 주기)를 의미합니다.

배터리 수명은 완전 충전 및 방전을 최소화할 때 연장될 수 있으며, LFP 배터리가 NCM보다 일반적으로 수명이 긴 경향이 있습니다.

주행 가능 거리

주행 가능 거리는 배터리를 완전히 충전했을 때 주행할 수 있는 최대 거리를 의미합니다.

제조사가 제공하는 수치는 표준 시험 조건에서 측정된 값입니다.

실제 운행 환경에서는 도로 상황, 외부 온도, 운전 습관 등에 따라 주행 거리에 차이가 발생할 수 있습니다.

따라서 주행 가능 거리는 절대적인 수치보다는 비교 기준으로 이해하는 것이 적절합니다.

에너지 효율

에너지 효율은 1kWh당 주행 거리를 기준으로 판단합니다. 2024년 4월부터 한국 정부는 '전기차 에너지효율 등급제'를 전면 시행했습니다. 이는 국내의 시판 중인 전기차의 전비에 대해서 5가지 구간으로 나눠서 고효율 전기차에 대한 변별력을 강화한 것입니다.

출처= 대한민국 정책브리핑 누리집. 산업통상자원부 보도자료 , 전기차 에너지효율 등급제 전면 시행

이상으로 전기차 배터리 구조와 주요 속성 및 성능 판단 기준 정리를 마치겠습니다.

이런 정보가 전기차의 성능과 한계를 판단하고 차량을 선택하는 데에도 도움이 되길 바랄게요~!