BYD Blade 배터리 완벽 가이드: 구조와 성능 분석

BYD가 2020년 1월 전기차 100인 회의와 3월 29일 블레이드 배터리 출시 컨퍼런스에서 처음으로 블레이드 배터리를 발표한 이후, 업계에서는 BYD blade 배터리에 대한 논의가 더욱 활발해졌습니다.

현재 주요 의견은 두 가지로 나뉩니다.

첫 번째 의견은 블레이드 배터리가 새로운 아이디어가 아니며, CATL의 CTP와 유사하고 BYD가 만든 단순한 마케팅 전략에 불과하다는 것입니다.

두 번째 의견은 블레이드 배터리가 리튬인산철 배터리의 많은 단점을 해결했으며 획기적인 기술이라는 것입니다.

이번 글에서는 BYD blade 배터리에 대해 자세히 알아보겠습니다.

1. 블레이드 배터리란 무엇인가?

기존 배터리 시스템은 먼저 배터리 셀을 배터리 모듈로 조립합니다. 이후 계층적 관리를 위해 배터리 모듈을 배터리 시스템에 설치합니다.

배터리 모듈은 기계적 구조 안에서 배터리 셀을 지지하고, 고정하며, 보호하는 역할을 합니다.

배터리 시스템은 배터리 모듈을 지지하고 고정하며 보호하는 역할을 수행합니다.

블레이드 배터리는 완전히 새로운 설계 개념입니다. 긴 형태의 배터리를 사용하면서 중간 단계의 모듈 연결 구조를 제거하고, 배터리를 배터리 시스템에 직접 설치합니다. 이를 통해 무게와 비용을 효과적으로 줄일 수 있습니다. 이는 CATL 시대의 CTP 기술과 유사한 개념입니다.

동시에 BYD의 배터리 구조 설계는 허니컴 알루미늄 패널의 원리를 참고했습니다. 배터리 셀은 구조용 접착제를 사용해 두 개의 알루미늄 플레이트 사이에 고정되며, 배터리 셀 자체가 구조 부품 역할을 하도록 설계되어 전체 시스템의 강도를 높입니다.

각형 셀 vs 블레이드 셀

다시 블레이드 배터리를 살펴보고, 현재 시장에서 널리 사용되는 각형 배터리와 블레이드 배터리를 비교해 보겠습니다.

• 각형 셀(prismatic cell)의 길이는 148mm, 두께는 79mm, 높이는 97mm입니다. 내부 구조는 권취 방식이며 외관은 벽돌과 같은 형태입니다.
• 블레이드 셀(blade cell)의 길이는 960mm, 두께는 13.5mm, 높이는 90mm이며 내부 구조는 적층 방식입니다. 블레이드 배터리는 길고 얇은 형태가 칼날(blade)과 비슷하기 때문에 이러한 이름이 붙었습니다.

2. 블레이드 배터리의 역사

최근 몇 년 동안 순수 전기차용 배터리 소재의 발전 방향을 살펴보겠습니다. 전기차 분야에서는 항상 삼원계 배터리와 리튬인산철 배터리라는 두 가지 기술 노선이 존재해 왔습니다.

삼원계 배터리는 높은 에너지 밀도로 인해 대부분의 자동차 제조사가 선택하고 있습니다. 하지만 높은 비용이라는 단점이 있습니다.

반면 리튬인산철 배터리는 비용이 낮지만 에너지 밀도가 낮습니다. 또한 현재 리튬인산철 배터리의 에너지 밀도는 이론적 한계에 가까워지고 있습니다.

BYD는 리튬인산철 배터리 제조업체입니다. 현재 BYD는 대부분의 순수 전기차에 삼원계 배터리를 사용하고 있지만, 리튬인산철 기술 노선을 포기한 적은 없습니다. 소재 측면에서 에너지 밀도를 더 이상 높이기 어렵기 때문에 BYD 엔지니어들은 시스템 통합 관점에서 해결책을 찾았습니다.

배터리 화학 소재에 따른 차이를 더 자세히 알고 싶다면 배터리 화학 비교 내용을 확인해 보세요.

배터리 시스템 통합의 발전 규칙을 정리해 보겠습니다.

먼저 1세대 배터리 팩을 살펴보면, 이는 특수 형상 배터리 팩입니다. 비용 절감을 위해 표준 모듈을 사용하지만, 그룹 효율은 비교적 낮습니다.

2세대 배터리 팩 역시 특수 형상 배터리 팩입니다. 그룹 효율을 향상시키기 위해 배터리 구조에 맞는 비표준 모듈을 선택했으며, 이를 통해 그룹 효율이 크게 향상되었습니다.

위의 두 가지 배터리 팩은 모두 기존 승용차 플랫폼을 기반으로 합니다.

3세대 배터리 팩은 주로 순수 전기차 플랫폼에 사용됩니다. 세 가지 서로 다른 발전 방향이 존재하지만 공통점은 모두 평판형 배터리라는 점입니다. 그러나 각각 모듈리스 기술, 블레이드 배터리 기술, 590 표준 대형 모듈 기술이 적용됩니다. 이를 통해 그룹 효율을 다시 한번 크게 향상시킬 수 있습니다.

그중 블레이드 배터리의 개선 효과가 가장 큽니다. 블레이드 배터리는 배터리 소재 자체에서 더 높은 에너지 밀도를 달성한 것은 아니지만, 배터리 시스템 통합 분야에서 획기적인 발전을 이루었습니다. 이를 통해 리튬인산철 배터리의 짧은 주행거리 문제를 해결했습니다.

이것이 바로 블레이드 배터리가 탄생하게 된 배경입니다.

3. BYD blade 배터리 사양

4. 블레이드 셀의 장점

1. 에너지 밀도 향상

LFP 배터리의 낮은 에너지 밀도라는 단점은 피할 수 없습니다.

배터리 셀의 길이를 늘리고, 배터리 구조에서 불필요한 설계와 배터리 셀 개수를 줄임으로써 BYD 엔지니어들은 셀의 체적 에너지 밀도와 배터리 팩의 체적 에너지 밀도를 효과적으로 향상시킬 수 있었습니다. 이를 통해 차량의 주행거리를 증가시킬 수 있습니다.

BYD가 공개한 특허 데이터를 통해 다양한 셀 길이와 배터리 팩 에너지 밀도 사이의 관계를 확인할 수 있습니다. 배터리 셀 길이가 208mm에서 435mm로 증가할 때 에너지 밀도는 변화하지 않는다는 것을 명확하게 확인할 수 있습니다. 하지만 길이가 945mm까지 증가하면 에너지 밀도는 10% 향상됩니다.

2. 우수한 방열 성능

블레이드 배터리의 또 다른 장점은 우수한 방열 성능입니다.

우리는 배터리가 온도에 매우 민감하다는 것을 알고 있습니다. 이는 배터리 급속 충전 시간을 제한하는 주요 원인이기도 합니다. 따라서 방열 성능은 배터리 셀의 매우 중요한 지표입니다.

블레이드 배터리는 더 넓은 방열 면적과 얇은 두께를 가지고 있기 때문에 블레이드 배터리 셀은 더욱 뛰어난 열 관리 성능을 제공합니다. BYD가 공개한 블레이드 배터리 특허 데이터에서 블레이드 배터리 내부의 다양한 두께를 가진 셀 온도 시뮬레이션 결과를 확인할 수 있습니다. 배터리 셀의 두께가 계속 감소할수록 급속 충전 과정에서 셀과 배터리 팩의 온도 상승 폭이 점점 작아지고, 방열 성능은 더욱 향상되는 것을 확인할 수 있습니다.

위의 두 가지 장점은 우리에게 하나의 중요한 시사점을 제공합니다. BYD는 배터리 팩과 배터리 셀을 병렬적으로 개발합니다.

개발 과정에서 다양한 설계 시뮬레이션을 진행하고 배터리 셀 설계를 지속적으로 최적화하여, 배터리 셀이 배터리 팩과 최대한 일치하도록 설계합니다. 이를 통해 배터리 셀의 성능을 최대한 활용할 수 있습니다. 이것은 BYD 수직 통합 전략의 가장 큰 장점이기도 합니다.

전기차에 사용되는 다양한 셀 구조와 특징은 전기차 배터리 셀 종류에서 자세히 확인할 수 있습니다.

5. BYD blade 배터리의 장점

1. 배터리 에너지 밀도 향상

앞서 이 부분에 대해 언급했습니다.

블레이드 배터리는 모듈 설계를 제거하고 많은 구조 부품의 사용을 줄였습니다.

동시에 상부와 하부 케이스가 배터리 셀과 밀접하게 연결되어 체적 에너지 밀도를 크게 향상시켰습니다. 이는 BYD가 널리 홍보한 체적 에너지 밀도 50% 증가 효과이기도 합니다.

2. 낮은 비용

블레이드 배터리는 모듈 설계를 제거하고 배터리 구조 설계를 최적화했습니다. 2차 배터리 부품의 수를 40% 감소시켰으며, 저비용 LFP 시스템을 적용하여 비용을 효과적으로 절감했습니다.

3. 강력한 구조 강도

블레이드 배터리 PACK은 배터리 셀의 상부와 하부에 설계되며, 두 개의 고강도 강판을 구조용 접착제로 결합합니다. 이는 허니컴 알루미늄 패널과 유사한 구조를 형성하여 각각의 셀이 구조 빔 역할을 수행할 수 있도록 합니다. 기존 배터리 팩은 일반적으로 4~5개의 빔만 가지고 있지만, 블레이드 배터리는 각각의 셀이 구조 부품 역할을 하기 때문에 그 강도는 충분히 예상할 수 있습니다. 배터리 하부에서 충돌이 발생할 경우 배터리 셀은 일정 범위의 힘을 직접 견딜 수 있습니다.

4. 뛰어난 열 관리

블레이드 배터리의 액체 냉각 플레이트는 배터리 셀 위쪽에 배치됩니다. 동시에 배터리 셀 사이에는 열전도층이 설계되어 있습니다. 이러한 구조는 기존 각형 배터리 셀보다 훨씬 넓은 열 교환 면적을 제공합니다. 이를 통해 배터리 셀에서 발생하는 열을 효과적으로 수냉 플레이트로 전달할 수 있습니다.

또한 블레이드 배터리는 우수한 방열 성능을 가지고 있기 때문에 블레이드 배터리의 히트 파이프 설계도 뛰어나며, 배터리 내부 최대 온도 차이를 1℃ 이내로 제어할 수 있습니다. 현재 업계 기준은 5℃입니다.

5. 플랫폼화

블레이드 배터리는 다양한 사양으로 제공됩니다. 길이는 435~2500mm 사이에서 변경할 수 있습니다. 또한 표준 평판형 배터리 팩 구조를 가지고 있습니다. BYD blade 배터리는 차량 내부 공간에 따라 X축과 Y축 방향의 배터리 팩 크기를 변경할 수 있으며, 다양한 사양의 배터리를 개발할 수 있습니다.

이러한 플랫폼 기반 배터리는 개발 비용과 시간을 효과적으로 줄여줍니다. 해당 특허에 따르면 최소 8가지 이상의 블레이드 배터리 솔루션이 존재합니다. 또한 다양한 크기의 배터리와 배열 방식에 대응하기 위해 이중층 배터리 솔루션도 고려되었습니다. 캐비닛 통합 측면에서는 차체와 캐비닛을 분리하는 기존 방식뿐만 아니라 두 구조를 하나로 통합하는 일체형 섀시 솔루션도 존재합니다.

6. 더 낮은 배터리 팩 높이

이는 차량 전체의 인체공학적 설계를 효과적으로 개선합니다. 왼쪽의 두 가지 그림을 살펴보겠습니다. 일반적으로 기존 배터리 셀에서는 고전압 와이어 하니스와 온도 및 전압 센서가 배터리 셀 위쪽에 위치하며, 일정한 공간을 차지합니다. 따라서 상부 케이스는 이러한 부품으로부터 최소 5mm 이상의 거리를 유지해야 합니다.

블레이드 배터리의 고전압 와이어 하니스와 센서는 배터리 셀의 Y 방향에 배치됩니다. 따라서 상부 케이스가 배터리 셀과 직접 접촉할 수 있습니다. 이를 통해 블레이드 배터리는 동일한 사양의 배터리와 비교했을 때 높이를 10~20mm 줄일 수 있습니다. BYD 블레이드 배터리의 높이 설계 목표는 승용차 기준 105mm, SUV 기준 120mm입니다.

6. 블레이드 배터리의 단점

모든 새로운 기술의 보급 과정에서는 필연적으로 일부 단점이 존재합니다. 다음으로 블레이드 배터리의 단점을 살펴보겠습니다.

1. 절대적으로 “안전하다”

블레이드 배터리와 삼원계 배터리의 침투 테스트 결과를 보면, 삼원계 배터리는 격렬한 반응을 보이는 반면 블레이드 배터리는 거의 반응이 없는 것을 명확하게 확인할 수 있습니다. BYD는 침 테스트 결과를 활용하여 블레이드 배터리의 안전성을 대대적으로 홍보했습니다.

하지만 이러한 표현은 엄밀하지 않습니다.

침투 테스트는 열 폭주 이후 배터리의 반응 정도를 시뮬레이션하는 시험입니다. 블레이드 배터리는 침투 테스트에서 실제로 일부 장점을 보여주었습니다. 실험 결과는 블레이드 배터리의 열 폭주로 인해 발생하는 온도가 삼원계 배터리보다 높다는 점을 보여줄 뿐입니다. 또한 열 폭주 발생 시간도 삼원계 배터리보다 조금 늦습니다. 하지만 이것이 블레이드 배터리가 열 폭주를 절대 겪지 않는다는 것을 의미하지는 않습니다. 소비자가 전기차 안전성을 판단하는 기준은 전기차가 자연 발화하지 않는 것입니다. 현재 대부분의 자연 발화 사고는 배터리 셀의 열 폭주로 인해 발생합니다. 진정한 안전성은 배터리 열 폭주 자체를 방지하는 것입니다.

2. 낮은 온도에서의 성능 저하

현재 전기차는 일반적으로 겨울철 짧은 주행거리라는 단점을 가지고 있습니다. 블레이드 배터리는 리튬인산철 시스템이며, 저온 성능은 더욱 떨어집니다. -30℃ 환경에서 삼원계 배터리의 방전 용량은 86%인 반면, 리튬인산철 배터리는 70%에 불과합니다. 이는 블레이드 배터리가 해결해야 할 문제 중 하나입니다.

3. 높은 유지보수 비용

블레이드 배터리의 모든 셀은 구조용 접착제로 서로 고정되어 있습니다. 이는 이후 특정 배터리 셀에 문제가 발생하여 수리가 필요할 경우 전체 팩을 교체해야 한다는 의미입니다. 이러한 수리 방식은 비용이 더 높습니다. 기존 배터리 팩은 모듈 교체 방식으로 해결할 수 있습니다.

4. 의존성 증가

BYD는 블레이드 배터리에 대해 소재, 셀, 배터리 및 생산 공정을 포함하여 300개의 특허와 핵심 공정 관리 포인트를 보유하고 있다고 밝혔습니다. 따라서 OEM 업체는 공급업체의 개발 및 생산 능력에 대한 의존도가 높아지며, 이는 공급업체 관리와 가격 협상을 더욱 어렵게 만들 수 있습니다.

7. 요약

블레이드 배터리에 대한 분석을 통해 볼 때, BYD blade 배터리는 현재 전기차용 배터리 산업에서 연결고리 역할을 수행하고 있습니다. 블레이드 배터리는 여전히 여러 가지 단점을 가지고 있지만, 이러한 문제들은 시장 적용과 기술 반복 개선을 통해 지속적으로 해결될 수 있습니다.

현재의 기술 시스템에서는 블레이드 배터리가 우수한 에너지 밀도를 유지하면서 배터리 비용을 낮추는 역할을 합니다. 미래 기술 시스템에서는 블레이드 배터리가 구조적 혁신을 제공하여 산업이 소재 혁신으로 인한 한계에만 머무르지 않도록 합니다.

하지만 BYD 블레이드 배터리는 여전히 전기차용 배터리의 궁극적인 해결책은 아닙니다. 이는 소재 자체의 특성이 리튬인산철 배터리의 한계를 결정하기 때문입니다. 블레이드 배터리는 앞으로 몇 년 동안만 유효한 하나의 기술 노선에 속할 가능성이 높습니다. 그러나 어떤 경우에도 전기차 배터리 산업에서 이루어지는 모든 혁신은 차량 전동화 시대에 한 걸음 더 가까이 다가가도록 만들어 줄 것입니다.