전기차 배터리 모듈 유형: 원통형, 각형 및 파우치형 셀 형식 비교

엔지니어와 구매팀이 "EV 배터리 모듈 유형"이라고 언급할 때, 실제 결정 변수는 셀 형식, 즉 개별 전기화학 단위의 물리적 형상과 외피입니다. 셀 형식은 모듈 내 셀 배치 방식, 팩에서 열이 방출되는 방식, 팽창 관리 방식, 그리고 열 관리 시스템에 필요한 냉각판 및 인터페이스 설계 등을 결정합니다. 원통형, 각형, 파우치형은 각각 에너지 밀도, 열 관리, 제조 비용, 안전성 측면에서 장단점이 뚜렷하게 구분됩니다. 모든 용도에 적합한 단일 형식은 없습니다.

Trumonytechs는 전기차 및 에너지 저장 시스템(ESS) 열 관리 프로그램에서 세 가지 셀 포맷 모두를 다룹니다. 셀 포맷은 콜드 플레이트 형상, 열전도성 물질(TIM) 선택, 접촉 압력 사양 결정에 있어 가장 중요한 선행 입력 요소 중 하나입니다.

전기차 배터리 셀의 세 가지 주요 형식

원통형 세포

원통형 전지는 가장 오래된 대량 생산 리튬 이온 전지 형태입니다. 전극 재료를 단단한 금속 원통으로 말아 만든 형태로, 표준 AA 배터리와 모양은 비슷하지만 크기가 더 큽니다. 일반적인 형태로는 18650, 21700, 그리고 테슬라의 4680 등이 있습니다.

원통형 배터리 셀의 주요 장점은 제조 공정의 성숙도와 공급망의 폭넓음입니다. 원통형 셀은 고도로 자동화된 생산 라인을 사용하며 규모의 경제 효과를 누릴 수 있습니다. 이는 단위 비용을 낮추고 단일 공급원 위험을 줄여줍니다. 견고한 케이스는 본질적인 구조적 보호 기능을 제공합니다. 각형 또는 파우치형 셀과 달리 원통형 셀은 충방전 과정에서 팽창하지 않으므로 모듈 압축 설계가 간소화됩니다.

안전성 측면에서, 팩은 원통형 셀 사이의 간격을 두어 인접한 셀 간의 전파를 제한할 수 있습니다. 평면형 팩은 이러한 수동적인 보호 기능을 제공하지 않습니다. 원통형 셀 간격은 이러한 문제에 대한 구조적 대응책 중 하나입니다. 세포 간 열 폭주 평면 포맷은 다른 디자인 방식을 통해 이러한 문제를 해결해야 합니다.

가장 큰 절충점은 팩의 부피 효율성입니다. 원통형 셀 사이의 간격은 불가피하며, 이로 인해 평면형에 비해 공간 활용도가 떨어집니다. 또한, 동일한 에너지 저장 용량을 얻으려면 대형 각형 셀 디자인보다 더 많은 셀이 필요합니다. 이는 BMS의 복잡성과 전기 연결 오버헤드를 증가시킵니다.

테슬라는 초기 차량에 원통형 배터리 셀을 사용했는데, 처음에는 18650, 그 다음에는 21700, 그리고 나중에는 4680을 사용했습니다. 이러한 선택은 가용성, 제조 기술의 성숙도, 그리고 비용에 기인했습니다.

프리즘형 세포

각형 전지는 전극 재료를 견고한 직사각형 알루미늄 또는 강철 케이스로 감쌉니다. 평평하고 쌓을 수 있는 구조 덕분에 전지 팩의 공간 활용도가 향상됩니다. 여러 개의 전지를 서로 직접 쌓아도 불필요한 공간이 최소화됩니다.

높은 셀 용량(일반적으로 전기차 애플리케이션에서 50~200Ah)은 전체 셀 개수를 줄이고 BMS 및 버스바 설계를 단순화합니다. 평평한 면은 냉각판과 직접 접촉할 수 있도록 설계되었으며, 적층형 내부 레이어 구조는 셀 두께를 통한 열 방출을 촉진합니다. 이러한 특성 덕분에 각형 셀은 열 관리가 중요한 애플리케이션에 매우 적합합니다.

팽창은 중요한 설계 고려 사항입니다. 각형 전지는 충방전 과정에서 가스가 축적되고 전극이 변형되면서 팽창합니다. 모듈 외함은 팽창을 고려한 여유 공간을 확보해야 합니다. 적절한 압축 관리가 이루어지지 않으면 팽창으로 인해 냉각판 접촉면에서 접촉 압력이 불균일해지고 시간이 지남에 따라 열 균일성이 저하됩니다. 팽창 정도는 전지의 화학적 조성, 용량 및 충방전 이력에 따라 달라지며, 모든 각형 전지에서 고정된 값이 아니므로 사용되는 특정 전지에 맞춰 특성을 파악해야 합니다.

CATL과 삼성 SDI는 다양한 OEM 프로그램에 대형 프리즘형 셀을 공급합니다. BYD의 블레이드 배터리는 대표적인 프리즘형 배터리입니다. 블레이드는 길쭉한 셀 형상을 사용하여 중간 모듈 층을 제거하고 팩 구조에 직접 통합됩니다. BYD는 블레이드 팩이 기존 모듈 기반 아키텍처보다 공간 활용도가 훨씬 높고, 열 안정성이 향상되었으며 열 폭주 위험이 낮다고 밝혔습니다. 테슬라는 비용을 절감하고 팩의 직접 통합을 용이하게 하기 위해 중국에서 생산되는 일반 주행거리 모델 3와 모델 Y에 CATL에서 공급받은 LFP 프리즘형 셀을 도입했습니다.

파우치 세포

파우치형 전지는 전극 재료를 유연한 적층 알루미늄-플라스틱 필름으로 감싸는 구조입니다. 이 구조는 세 가지 형태 중 가장 높은 중량당 에너지 밀도를 제공하며, 불규칙하거나 공간 제약이 있는 모듈 설계에도 적합한 전지 형상을 구현할 수 있도록 해줍니다.

하지만 이러한 패키징의 장점에는 두 가지 설계상의 어려움이 따릅니다. 첫째, 파우치 셀은 파우치 재질을 통한 열전도율이 상대적으로 낮습니다. 열에 민감한 응용 분야에서는 더 넓은 냉각판 접촉 면적이나 양면 냉각(셀 스택 양면에 냉각판 설치)이 필요할 수 있습니다. 둘째, 파우치 셀은 충방전 과정에서 팽창합니다. 단단한 케이스를 가진 프리즘형 셀과 달리, 파우치 셀의 팽창은 압축 프레임과 구속 구조를 통해 모듈 수준에서 관리해야 합니다. 압축이 제어되지 않으면 수명 동안 팽창으로 인해 냉각판 접촉면에서 접촉 압력 변화가 발생합니다. 이는 충방전 과정에서 셀 간 온도 차이를 유발합니다. 모듈 압축 설계 및 배터리 TIM 선택 파우치 세포 프로그램에서 이 두 가지는 상호 의존적입니다. 어느 하나도 다른 하나와 독립적으로 설정될 수 없습니다.

SK온은 특정 전기차 프로그램에 사용되는 파우치형 배터리 셀을 포드에 공급합니다. LG에너지솔루션과 삼성SDI 또한 자동차용 고용량 파우치형 배터리 셀을 생산하고 있습니다.

주요 차이점을 한눈에 살펴보세요

시장 형식 트렌드

배터리 포맷별 시장 점유율에 상당한 변화가 있었습니다. 2024년 전 세계 전기차 배터리 보급 데이터를 기준으로 볼 때, 각형 셀은 약 69%의 점유율을 차지할 것으로 예상됩니다. 이는 2020년의 약 40%에서 크게 증가한 수치입니다. 이러한 변화는 각형 포맷과 잘 어울리는 LFP(Long-Fluorescence Product)의 도입 확대와 셀-팩 통합 기술의 성장을 반영합니다. 원통형 셀의 점유율은 상대적으로 감소했으며, 파우치형 셀의 점유율은 소폭 증가했습니다.

이는 프리즘형 배터리가 모든 프로그램에 적합한 선택이라는 의미는 아닙니다. 이는 특히 중국에서 비용 및 통합 우선순위가 어떻게 변화했는지를 반영한 것입니다. 고성능 및 장거리 통신 애플리케이션에는 여전히 고에너지 밀도 NMC 배터리가 사용됩니다. NMC 배터리는 OEM의 전략에 따라 세 가지 포맷 모두에 적용됩니다.

세포 크기가 열 관리에 미치는 영향

세포 형태는 열 추출 형상을 결정하고 생존 가능한 세포 수를 제한합니다. 배터리 냉각 시스템 종류 상세한 열 설계가 시작되기 전입니다. 팩 전체의 온도 균일성을 달성하기 위해 필요한 인터페이스 설계는 포맷에 따라 크게 다릅니다.

원통형 셀은 열을 방사형으로 방출합니다. 냉각판 경로는 각 셀의 바닥이나 측벽에 도달해야 합니다. 셀 사이의 자연적인 간격은 열 폭주 확산을 제한합니다. 이는 수동적인 안전 이점입니다. 이러한 간격은 팩의 부피 효율을 감소시키지만 셀 수준에서의 열 절연을 단순화합니다.

프리즘형 및 파우치형 전지는 평면 냉각판 접촉 방식을 사용합니다. 이는 냉각 구조를 단순화하지만, 접촉 압력 균일성을 매우 중요한 변수로 만듭니다. 프리즘형 전지의 경우, 충방전 과정에서 발생하는 팽창으로 인해 접촉 조건이 점진적으로 변화합니다. 따라서 모듈 설계는 초기 조립 시뿐만 아니라 전체 수명 주기 동안 적절한 압력을 유지해야 합니다. 파우치형 전지의 경우, 압축 프레임은 열 접촉을 유지하면서 팽창을 효과적으로 제어해야 합니다. 양방향 냉각은 원통형 구조보다 파우치형 및 프리즘형 구조에 더 적합합니다.

세포 화학과 형태: 상호작용 방식

전지의 형태와 화학적 조성은 독립적인 변수이지만, 열 관리 사양에서는 상호 작용합니다. NMC는 에너지 밀도가 높지만 열 안정성이 낮아 더욱 엄격한 온도 제어가 필요합니다. LFP는 에너지 밀도는 낮지만 열 안정성이 뛰어나고 수명이 길습니다. LFP는 상용 전기차, 에너지 저장 시스템(ESS), 그리고 비용 효율적인 승용 전기차 프로그램에 각형 전지 형태로 널리 사용됩니다.

실질적인 의미는 명확합니다. NMC는 셀 형식과 관계없이 LFP보다 더 엄격한 ΔT 제어와 더 보수적인 온도 제한을 요구합니다. 셀 형식만으로 콜드 플레이트 형상을 지정하는 것은 열 설계의 일부를 정의하지 못한 채로 남겨둡니다. 배터리 팩 열 관리 채널 형상 또는 인터페이스 사양을 확정하기 전에 셀 형식과 화학적 특성 모두를 확인해야 합니다.

표준 및 안전성 검증 맥락

배터리 셀 규격은 안전성 검증 구조에 영향을 미칩니다. 전기차 배터리 셀 및 모듈에 적용되는 주요 표준은 다음과 같습니다.

• IEC 62660-1전기차 구동 시스템에 사용되는 리튬 이온 전지의 성능 및 수명 테스트
• IEC 62660-2신뢰성 및 오용 테스트
• IEC 62660-3안전 성능 요구사항
• 유엔 38.3리튬 전지 및 배터리 운송 테스트
• GB 38031-2025중국의 전기차 구동 배터리 셀, 모듈 및 팩에 대한 안전 요구사항 및 시험 방법

이러한 표준은 세 가지 형식 모두에 적용됩니다. 그러나 형식별 기계적 특성, 특히 프리즘형 및 파우치형 형식의 팽창은 압축, 밀폐 및 열 관리 설계가 오용 및 반복 테스트 요구 사항에 대해 검증되어야 하는 방식에 영향을 미칩니다.

각 형식을 선택해야 하는 시점은 언제인가요?

포맷 선택은 시스템 수준의 결정입니다. 일반적인 지침은 다음과 같습니다.

원통형 배터리 셀은 공급망의 폭넓음, 저비용, 그리고 수동식 열폭주 방지 기능이 중요한 응용 분야에 적합합니다. 고성능 승용 전기차 및 셀 개수를 늘려도 문제가 없는 표준화된 배터리 팩 설계에 효과적입니다.

프리즘형 전지는 팩 공간 활용도, 간소화된 BMS 설계, 그리고 냉각판과의 직접적인 접촉이 중요한 응용 분야에 적합합니다. 상용 전기차, 정지형 에너지 저장 시스템(ESS), 그리고 LFP 전지를 사용하는 비용 최적화형 승용 전기차 프로그램에 가장 적합합니다.

파우치형 전지는 중량 에너지 밀도와 포장 유연성이 중요한 응용 분야에 적합합니다. 무게와 공간 효율성이 추가적인 압축 공학을 정당화하는 프리미엄 승용 전기차 및 하이브리드 차량이 주요 사용 사례입니다.

실제로 OEM 포맷 결정은 공급업체 관계, 지역 공급망 접근성 및 통합 아키텍처에도 달려 있습니다. 따라서 만능 해결책은 없습니다. 적합한 포맷은 특정 프로그램에 대한 모든 설계 제약 조건에 따라 결정됩니다.

결론

원통형, 각형, 파우치형 배터리 셀은 에너지 밀도, 열 관리, 제조 공정, 안전성 측면에서 각각 뚜렷한 장단점을 가지고 있습니다. 현재 전 세계 전기차 배터리 시장은 LFP(액상 플라스틱) 채택과 셀-팩 통합 트렌드에 힘입어 각형 셀이 주도하고 있습니다. 하지만 세 가지 형태의 배터리 셀 모두 다양한 차량 종류와 용도에서 여전히 활발하게 사용되고 있습니다.

Trumonytechs에서는 새로운 열 관리 프로그램을 시작할 때 가장 먼저 확인하는 요소 중 하나가 셀 포맷입니다. 셀 포맷은 콜드 플레이트 형상, 인터페이스 재료 요구 사항, 그리고 설계에 필요한 압축 및 접촉 압력 조건을 결정하는 중요한 요소입니다. 새로운 프로그램을 위해 셀 포맷을 선택하거나 기존 열 설계를 다른 셀 형상에 맞게 조정하는 경우, 팩 레이아웃, 셀 포맷, 배터리 화학 구성, 그리고 열 목표를 저희 팀과 공유해 주십시오. 저희가 인터페이스 설계를 검토하고 최적의 방향을 제시해 드리겠습니다. 전기차 배터리 수냉판 그리고 특정 용도에 따라 TIM을 선택합니다.

자주 묻는 질문