배터리하우징

한화첨단소재 강화 열경화성플라스틱(SMC)을 활용한 전기차용 배터리하우징. (사진=한화첨단소재)

배터리하우징(Battery-housing)은 전기차용 배터리와 관련 부품을 일체화한 배터리모듈을 상자 형태로 감싸는 부품이다. 외부 충격에 취약한 전기차 배터리를 안전하게 보호하는 핵심부품으로 배터리의 열 방출을 위해 열전도율이 우수한 알루미늄 소재가 주로 사용되고 있으며 정밀 압출 및 가공 등의 첨단 기술이 필요하다. 배터리하우징은 기존 차량의 엔진만큼 중요한 배터리를 보호하기 때문에 성능유지가 필수인 부품이다. 때문에 각 업체들은 배터리하우징 기술을 업그레이드하기 위해 많은 돈과 시간, 인력을 투입하는 실정이다.

기존 업계에서는 배터리하우징 소재로 알루미늄과 철을 적용했지만 한화첨단소재는 열경화성 수지에 충진제·촉매·이형제 등을 혼합한 후 유리섬유를 넣어 강화한 SMC로 신시장을 개척하고 있다. SMC 전기차용 배터리하우징은 전기차 배터리를 감싸는 팩(Pack)을 철 대신 플라스틱으로 대체, 무게를 줄이는 동시에 열과 충격으로부터도 보호해준다. SMC는 경쟁 소재 대비 약 15~20% 가벼우면서도 강도가 뛰어나 흠집과 손상에 강하고, 디자인 용이성을 인정받아 자동차용 부품으로 주목받고 있다. 2016년부터 GM이 생산하는 차세대 전기자동차 '볼트'에 납품하고 있으며 상하이 폭스바겐 전기차 'e-라비다'에도 적용되었다.

한국생산기술연구원은 알루미늄 부품 제조 전문기업 대주코레스와 함께 알루미늄 합금 용접에 적합한 마찰교반용접 기법을 적용해 초경량 전기차용 배터리하우징을 제조하는데 성공했다. 한국생산기술연구원이 개발한 배터리하우징은 배터리 모듈을 상자 모양으로 감싸 외부 충격으로부터 보호하는 2 x 2.3m 크기 대형 조립품이다. 알루미늄 합금 소재로 배터리하우징을 제작한 것은 이번이 세계 처음이다. 배터리하우징에 기존의 철강 대신 알루미늄 합금 소재를 적용할 경우 무게가 300㎏에서 100㎏ 수준으로 가벼워진다. 이 배터리하우징 제품은 재규어의 전기차 I-pace 16만 대에 탑재된다.

또 전기 자동차의 배터리 팩을 보호하는 배터리하우징 씰링 기술이 주목을 받고 있다. 전기차 배터리 유지관리에서의 중요한 전제 조건은 차체 하부에 있는 배터리하우징을 서포트하는 영구적으로 작동하는 씰(Seal)이다. 헨켈((Henkel))은 선더호프(Sonderhoff) FERMAPOR K31 제품군 및 기술력을 통해 2성분 폴리우레탄폼으로 차체 하부에 설치된 배터리하우징을 매끄럽게 씰링한다. 습도, 부식 및 먼지 등 위험 요소로부터 전기차 배터리를 완벽히 보호하며, 진동을 최소화하고, 폴리우레탄으로부터의 온도 및 화학적 변화를 방지한다. 이를 통해 궁극적인 전기차 배터리의 수명 주기 향상을 이뤘다.

필요성

현재 친환경 자동차에 적용되는 배터리는 대부분 리튬이온 배터리이며, GM Volt, 테슬라 모델 S의 경우처럼 배터리 셀 파손에 의한 화재 발생 등 안전성 확보가 배터리 출력 및 용량 확대만큼 중요한 이슈가 되고 있다. 하지만 배터리 셀 자체의 안정성 확보의 경우 LG화학, 삼성 SDI 같은 배터리 셀 제조 메이커에 의존해야 하며, 배터리의 열적 안정성 조절하는 BMS를 포함한 배터리 패키징 분야의 경우 배터리 시스템의 핵심적인 기술로 전략적으로 완성차 메이커나 현대모비스 대형 부품 메이커를 중심으로 연구개발을 진행하고 있다.

테슬라의 대표적인 전기자동차인 모델 S는 미국 교통안전국(National Highway Traffic Safety Administration)이 실시한 충돌 테스트에서 최고 등급인 별 다섯 개를 받으며 그 안전성을 인정받았으나, 2013년 10월~11월 사이 3건의 주행 중 화재 사건이 발생하여 당시 테슬라의 주가가 대폭 하락 등 큰 이슈가 되었다. 당시 발생한 화재사건은 모두 차량 하부에 있는 배터리에서 발생하였으며 화재 발생 사유는 외력에 의한 배터리의 손상이었다.

테슬라 모델 S의 경우 주행거리 연장을 위해 차체 등 대부분의 부품이 알루미늄으로 제조되었으며, 배터리 시스템을 보호하는 하우징 역시 두께 1/4 인치의 알루미늄 소재가 적용되었다. 이로 인해 도로 상에 방치된 금속조각 등 고강도의 물체가 차량 주행 시 튀어 올라 차량의 하부에 위치한 배터리하우징을 관통할 경우 차량 내부의 배터리 셀 손상을 초래하여 화재가 발행하게 되었다. 화재 발생의 원인이 규명된 이후 테슬라 모델 S의 경우 배터리하우징 소재를 알루미늄에서 스틸소재로 바꿔야 한다는 이슈가 제기 되었지만, 티타늄 판과 알루미늄 구조물을 추가하여 구조적으로 배터리 케이스를 보호하는 방향으로 개선하였다. 추가된 보호장치는 ① 알루미늄 중공 디플렉터 바(deflector bar) ② 티타늄 보호판 ③ T형 알루미늄 구조물 3가지 였으며, 주행거리를 유지하기 위해 배터리하우징을 스틸소재로 변경하지 않고 고가의 티타늄 소재 보호장치를 추가하는 방식으로 개선을 하였다. 이 후 강성 향상을 위해 배터리하우징의 소재도 Al+Mg 또는 Al+Mg/Si 같은 고강도 알루미늄 합금으로 변경하였다.

토요타 프리우스 등 하이브리드 자동차의 경우 배터리가 비교적 작기 때문에 트렁크 쪽에 배치되었고, 배터리의 외부 노출이 없기 때문에 테슬라 모델 S의 경우처럼 외부 이물질의 충돌에 의한 안전사고 문제는 없었다. 하지만 배터리 용량이 증가하기 시작한 플러그인 하이브리드 자동차부터 100kg이 넘는 배터리를 탑재해야 하기 때문에 운전성능 및 승차감 향상을 위해 차량 하부에 배터리가 위치하기 시작하였다. 이로 인해 도로면의 이물질, 우천 시 수분 침투 등에 대한 배터리 보호가 필요함에 따라 차량 경량화를 역행하더라도 배터리의 안전성을 확보할 수 있는 고장력강 등 스틸 소재가 적용된 고강도 배터리하우징의 중요성이 대두되기 시작하였다.

배터리 시스템의 안전을 확보하기 위해 고강도 배터리하우징을 채택하는 것뿐만 아니라, 자동차 초기 설계 시 배터리 시스템의 위치를 차량 프레임 사이에 배치하여 측면 충돌 시 안전성을 강화하거나, 언더커버 등 배터리 시스템을 보호할 수 있는 부품들을 추가하는 등 다양한 방식으로 안전성 확보를 추구하고 있다.

시장 전망

글로벌 시장조사회사 리서치앤마켓닷컴은 28일(한국시간) 최신 보고서를 통해 2025년 세계 전기차 배터리하우징 시장 규모가 44억7800만 달러(약 5조원) 수준에 이를 것으로 내다봤다. 2020년 글로벌 배터리하우징 시장 규모는 8억7340만 달러(9720억원)였다.

현재 주로 사용되는 전기차 배터리는 니켈크롬이다. 잦은 충전 및 방전에 따라 성능저하가 뚜렷한 니켈크롬배터리는 충격에 의해 쉽게 파손되거나 폭발하는 또 다른 단점을 갖고 있다. 때문에 배터리하우징은 차량이 주행 시 받는 다양한 충격을 가정해 설계된다.

조사 결과에 따르면 지난해 279.7kt(킬로톤)이던 세계 전기차 배터리하우징 총수요는 2025년 무려 1167.3kt까지 증가한다. 리서치앤마켓닷컴은 "중국이나 미국, 유럽, 일본은 물론 인도 등 신흥 전기차 시장이 성장하면서 배터리하우징 수요가 폭발적으로 증가할 것"이라고 설명했다.

참고자료

• xEV 배터리하우징 산업 동향 - https://repository.kisti.re.kr/bitstream/10580/6369/1/2016-002%20xEV%20%EB%B0%B0%ED%84%B0%EB%A6%AC%20%ED%95%98%EC%9A%B0%EC%A7%95%20%EC%82%B0%EC%97%85%20%EB%8F%99%ED%96%A5-%EC%9D%B4%EB%8F%99%EC%9B%90.pdf
• 최수린 기자, 〈헨켈(Henkel), 선더호프 기술력으로 ‘전기차 배터리 하우징’ 씰링 선도〉, 《산업일보》, 2021-01-20
• 안병준 기자, 〈전기차 배터리케이스 세계 1위 노린다〉, 《매일경제》, 2018-11-29
• 차연준 기자, 〈전기차 핵심 배터리하우징 시장, 2025년 5조원 규모 성장〉, 《디지털머니》, 2021-04-28
• IT조선, 〈재규어 전기차에 韓 배터리하우징 탑재〉, 《네이버 포스트》, 2019-04-15

같이 보기

• 배터리
• 배터리팩
• 배터리 케이스

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