서론
글로벌 자동차 산업이 전동화로 빠르게 전환되는 가운데, 동력 배터리는 전기자동차의 ‘심장’일 뿐만 아니라 차량의 성능, 안전성, 제조 원가를 결정하는 핵심 부품이다. 주행 거리, 안전성, 가격 경쟁력에 대한 시장 요구가 지속적으로 높아지면서, 전극 소재나 전해질 등 셀 화학 성능 향상만으로는 한계가 분명해지고 있다. 이에 따라 배터리 시스템의 잠재력을 구조적으로 극대화하려는 기술 혁신이 본격화되었으며, 배터리 팩 집적 기술은 기존의 블록형 구조에서 고집적·지능형 구조로 빠르게 발전하고 있다.
본 글에서는 CTM, CTP에서 CTC/CTB에 이르는 기술 발전 흐름을 체계적으로 정리하고, 각 방식의 장단점과 적용 사례를 분석하며, 향후 산업 구조와 배터리 시험 분야에 미치는 영향을 고찰하고자 한다.
CTM: 모듈화 시대의 기반 기술
CTM(Cell to Module)은 오랜 기간 사용되어 온 전통적인 배터리 집적 방식이다. 기술 경로는 명확하다. 단위 셀을 표준화된 모듈로 조립한 뒤, 여러 모듈을 하나의 배터리 팩으로 구성하고, 이를 차량 섀시에 탑재하는 구조이다. 이 방식은 배터리 시스템에 표준화·모듈화된 프레임워크를 제공한다. 초기 및 현재 다수의 주류 전기차 모델이 해당 방식을 채택하고 있으며, 예를 들어 폭스바겐 ID 시리즈 초기 모델에서는 셀은 CATL이 공급하고, 모듈과 배터리 팩 집적은 폭스바겐이 담당하였다(그림 1).
그림 1 폭스바겐 ID.4 배터리 팩
CTM의 가장 큰 장점은 높은 표준화와 유연성이다. 표준 모듈은 자동화 생산, 품질 관리, 공급망 운영에 유리하며, 완성차 업체와 배터리 공급사 간 역할 분담이 명확하다. 또한 사후 유지보수 시 개별 모듈 교체가 비교적 용이하다.
반면 구조적 한계도 뚜렷하다. 다층 구조로 인해 공간 활용 효율이 낮으며, 모듈 프레임과 케이스, 모듈 간 간극이 상당한 체적을 차지한다. 그 결과 CTM 배터리 팩의 공간 활용률은 약 40% 수준에 그치며, 부품 수가 최대 600개에 달해 중량 증가와 원가 상승을 초래하고, 주행 거리 향상에 제약을 준다.
CTP: 모듈 제거를 통한 효율 중심의 주류 기술
CTM의 한계를 극복하기 위해 CTP(Cell to Pack) 기술이 등장하였다. 핵심은 모듈을 제거하고 셀을 직접 배터리 팩에 집적하는 데 있다. 이를 통해 셀에서 팩으로의 집적 경로가 크게 단축된다. 비야디가 2020년 출시한 블레이드 배터리는 CTP 기술의 대표 사례로, 길게 설계된 셀이 구조체 역할을 수행하며 배터리 팩 내부에 직접 배열된다(그림 2).
그림 2 비야디 블레이드 배터리(CTP)
또한 CATL의 CTP 기술(예: 기린 배터리)은 테슬라 모델 3, 샤오펑 P7 등 다수 차량에 적용되었다. 시장 통계에 따르면 2024년 1~10월 기준, 모듈화 집적 방식은 신에너지 승용차 시장의 65%를 차지했으며, 이 중 CTP 비중은 약 61%로 플러그인 하이브리드 및 주행거리 연장형 차량에서 특히 높은 채택률을 보였다.
CTP의 효과는 명확하다. CTM 대비 체적 활용률이 15~20% 향상되고, 부품 수는 약 40% 감소하며, 생산 효율은 약 50% 향상된다. 시스템 에너지 밀도는 200Wh/kg 이상으로 증가하여 동일 차체 크기에서 더 많은 셀을 탑재할 수 있다. 또한 제조 공정 단순화로 원가 절감이 가능하다.
그러나 새로운 과제도 존재한다.
· 첫째, 모듈이 제거되면서 셀 고정, 보호, 열폭주 차단을 포함한 안전 설계와 열관리 난도가 상승한다.
· 둘째, 유지보수 편의성이 저하된다. 단일 셀 고장 시 전체 팩 또는 대형 구성 요소 교체가 필요해 수리 비용과 복잡성이 증가한다.
CTC와 CTB: 차체 일체화의 새로운 단계
집적 범위가 배터리 팩 내부를 넘어 차량 섀시로 확장되면서 CTC(Cell to Chassis)와 CTB(Cell to Body) 기술이 등장하였다. 두 방식 모두 배터리와 차체 경계를 허물어 고도 일체화를 실현하는 것을 목표로 하지만, 구현 방식에는 차이가 있다.
CTC 기술은 테슬라와 링파오(零跑)를 대표 사례로 들 수 있다. 테슬라는 배터리 팩 상부 커버를 셀과 접합하고 좌석 크로스 멤버 등 구조 부재와 통합하여 승객실 바닥을 구성함으로써 기존 상부 커버를 제거하였다(그림 3).
그림 3 테슬라 CTC 배터리 팩
링파오 C01의 CTC 방식은 더욱 급진적이다. 배터리 케이스와 상부 커버를 모두 제거하고, 모듈을 섀시와 결합된 트레이에 직접 집적하여 배터리 골격과 차체 하부 구조를 일체화하였다(그림 4).
그림 4 링파오 C01 배터리 팩 구조 개념도
CTB 기술은 주로 비야디가 대표하며, CTP의 확장 형태로 볼 수 있다. 비야디 씰 모델의 CTB 구조는 배터리 팩 상부 커버와 차체 바닥을 통합하여 ‘차체 바닥 일체형 상부 커버–셀–트레이’의 샌드위치 구조를 형성한다(그림 5). 완전한 배터리 팩 구조를 유지한 채 차체와 통합되므로 밀봉성과 위험 관리 측면에서 유리하다.
그림 5 비야디 CTB 배터리 팩 구조도
이들 고집적 기술은 구현 방식이 달라도 혁신적인 성능 향상을 제공한다. 비야디 씰은 차체 비틀림 강성 40,000N·m/deg 이상을 달성하였으며, 테슬라는 CTC 적용으로 부품 수 370개 감소, 차량 중량 10% 절감, 주행 거리 14% 향상을 보고하였다. 링파오는 실내 수직 공간 10mm 확대, 부품 수 20% 감소, 차체 강성 25% 향상을 제시하였다.
CTC/CTB의 장점은 배터리를 넘어 차량 시스템 전반에 미치며, 높은 공간 활용도, 우수한 차체 강성과 안전성, 낮은 무게중심에 따른 주행 성능 개선, 그리고 부품 감소에 따른 원가 및 중량 절감 효과를 제공한다.
반면 근본적인 과제도 존재한다.
· 첫째, 정비성과 수리 경제성 문제로, 고집적 구조는 손상 시 고비용 총성 교체를 요구한다.
· 둘째, 산업 분업 구조의 재편으로, 배터리 기업이 섀시 설계에 깊이 관여하게 되어 기존 완성차 업체와 공급사 간 경계가 모호해진다.
· 셋째, 차체와 영구 결합된 구조는 배터리 교환 모델과 구조적으로 충돌하여, 초고속 충전과 교환식 배터리 중 전략적 선택을 요구한다.
배터리 시험 장비: 집적 기술의 품질 검증자
CTM의 배터리 모듈부터 CTP, CTC, CTB의 셀과 팩에 이르기까지, 모든 방식은 정밀한 배터리 시험 장비를 필요로 한다. 시험 장비는 각종 전기적·열적 파라미터를 정확히 식별하여 잠재적 결함 배터리를 사전에 선별해야 한다. 그렇지 않을 경우 단락, 과충전·과방전, 급격한 용량 저하, 열폭주 위험으로 이어질 수 있다. 따라서 고성능 배터리 시험 시스템이 필수적이다. NEWARE는 다양한 전류 및 전압 범위를 지원하는 배터리 시험기를 제공하며, 정전압, 직류 내부저항, 간헐 적정, 혼합 펄스 출력 특성, 자기방전 등 다양한 전기화학 성능 시험을 지원한다.
결론
배터리 팩 집적 기술은 전기차 제조사가 주행 거리와 성능을 결정하는 핵심 요소로 집중 투자하는 분야이다. 현재는 비용 효율성과 성숙도를 바탕으로 CTP가 시장 주류를 유지하고 있다. 치열한 가격 경쟁 속에서 고효율 집적 기술에 대한 수요는 지속될 것이며, CTP 연구는 계속 확대될 전망이다. 동시에 CTC/CTB는 더 높은 집적 수준을 실현하는 차세대 방향으로, 대용량 배터리 탑재를 가능하게 하는 핵심 기술로 부상할 것이다. 이에 따라 다양한 집적 구조에 대응 가능한 배터리 시험 장비 역시 향후 시험 장비 제조사의 주요 연구 개발 방향이 될 것이다.
Seoul: NEWARE
19th Taerung Techno Town, Gasan-dong, Geumcheon-gu, Seoul 1314, 70 Gasan digital 2-ro, Geumcheon District, Seoul, Korea
(서울특별시 금천구 가산디지털2로 70, 대륭테크노타운19차 1314호)
