테슬라社는 미국 도로교통안전국(NHTSA)의 안전평가 전 부문에서 별 다섯 만점을 받은 2016년형 볼보 S60과 테슬라 모델 3과) 측면에서 32km/h로 실험한 충돌시험결과를 공개하였다([그림 1] 참조). 이 자리에서 테슬라社 회장인 엘론 머스크(Elon Reeve Musk)는 “볼보 차량은 이제 세계에서 두 번째로 안전한 자동차”라며, 자동차 측면 충격에서 테슬라 전기자동차가 가장 강인함을 우회적으로 강조하였다. 테슬라 전기자동차의 측면충돌 시험에 대한 자신감의 바탕에는 배터리의 보호기술이 가장 중요한 몫을 차지하고 있다. 테슬라社의 특허를 살펴보면, 테슬라 전기자동차의 경쟁력은 바로 이 리튬-이온 배터리 팩에서 구현되는 것을 알 수 있다.
테슬라 전기자동차 배터리 보호로 인한 장점 - 전 세계 모든 자동차 중 측면 충격에서 가장 강인성 및 안정성을 가진다. 테슬라 전기자동차의 배터리 분야 최고의 기술은 무엇인가? 전문가 입장에서 보자면, 테슬라社 리튬-이온 배터리의 최고 특허는 바로 배터리 배치에 있다. ▲배터리의 배치(Battery Placement) ▲배터리 관리 시스템(BMS: Battery Management System) ▲배터리 냉각(Battery Cooling) 등이 그것이다. 테슬라社는 158건의 미국 등록특허 중에서 리튬이온배터리 배치(Battery Placement)와 관련하여 총 25건(15.8%) 특허를 출원하였으며, 배터리 관리 시스템(BMS: Battery Management System)과 관련하여 총 28건(17,7%)의 특허를 출원하였다.
이와 함께 배터리 냉각(Battery Cooling)과 관련하여 총 14건(8.9%)의 특허를 출원하는 등 배터리와 관련하여 총 67건(42.4%)의 특허를 출원하였다. 테슬라社는 전기자동차 차체 외관과 관련하여 총 44건(27.8%)의 특허와 디자인을 출원하였지만, 결국 가장 많이 특허로 출원한 기술은 배터리이다. 전체 158건의 특허 중에서 총 67건(42.4%)이 배터리와 직접, 또는 간접적으로 관련된 특허에 해당한다. 테슬라社는 정말 자동차 산업의 이단아답다. 유도전동기 모터와 AAA 건전지 타입의 18650 리튬-이온 배터리를 선택한 것이 이를 잘 설명해준다.
2. 테슬라社의 4단계 배터리 보호기술 특허 테슬라 전기자동차가 가진 최고의 배터리 기술은 무엇인가? 필자가 분석하기에 배터리를 세운 것이다.
18650 리튬-이온 배터리를 세워서 전기자동차 차체(車體) 바닥에 배치한 것
18650 리튬-이온 배터리를 눕혀서 (+)극과 (-)극으로 연결한 것이 아니라 세워서 배치하였다. 배터리를 세워서 배치하면, 자동차의 전면(前面), 또는 측면(側面) 충격에 가장 강한 구조가 된다. [그림 2]에서 나타난 배터리 배치(Battery Placement) 기술이 테슬라社의 배터리 특허 속에 고스란히 녹아있다. [그림 2]는 테슬라 전기자동차 리튬-이온 배터리 실제 배치를 나타내며, [그림 3]은 테슬라 전기자동차리튬-이온 배터리의 직렬 및 병렬연결에 관한 특허US7433794호이다.
[그림 4] 및 [그림 5]는 리튬-이온 배터리 배치판에 관한 특허 US8216502호, US8833499호 및 US9577227호를 나타낸 것이다. US7433794호에서는 리튬-이온 배터리를 세워서 직렬 및 병렬로 연결시키는 것을 기술적 특징으로 한다.
[그림 6]은 테슬라 전기자동차 배터리 충격흡수 및 열관리 특허 US8906541호를 나타낸다. 이 특허는 배터리 충격흡수를 위하여 18650 리튬-이온 배터리를 지그재그로 배치하고, 그 사이에 물결모양의 냉각 채널을 배치시키는 것을 기술적 특징으로 한다. 테슬라社는 배터리의 단순한 배치만을 고려한 것이 아니라, 자동차 사고 시 충격흡수를 위하여 18650 리튬-이온 배터리를 지그재그로 배치하며, 물결모양의 냉각채널을 이용하여 충격을 흡수하도록 하였다. [그림 6]에서 리튬-이온 상측 배터리 판과 하측 배터리판을 분리·배치하여, 18650 리튬-이온 배터리에서 상측 배터리 판, 또는 하측 배터리 판의 특정부분에서 충격이 발생하여도, 배터리의 충격이 전달되지 않도록 배터리 판을 설계하였다.
[그림 7]은 테슬라 전기자동차 개별 배터리 팩을 나타내며, [그림 8]은 배터리 팩 특허 US7820319호 및 US8277965호를 나타낸다. 여기서 개별 배터리 팩은 444개로 이루어져 있다. [그림 9]는 테슬라 전기자동차 전체 배터리 팩을 나타내며, 개별 배터리 팩이 14개 내지 17개 배치된다. [그림 10]은 테슬라 전기자동차 전체 배터리 팩 특허 US8268469호, US8393427호, US8557415호, US8663824호, US8696051호, US8875828호 및 US9045030호를 나타낸다. 테슬라社는 18650 리튬-이온 배터리의 보호를 위하여 1차적으로 배터리를 지그재그로 배치하고, 물결모양의 냉각 채널을 이용하여 충격흡수를 하도록 하였다. 2차적으로는 이를 18560 리튬-이온 배터리 444개를 1개의 개별 배터리 팩으로 보호하였고, 3차적으로는 개별 배터리 팩이 14개 내지 17개를 전체 배터리 팩(Pack)에 배치하여서 보호하였다.
[그림 11]은 테슬라 전기자동차 배터리 보호강판 특허 US8696051호 및 US8383427호를 나타내며, [그림 12]는 테슬라 전기자동차 배터리 팩을 나타낸다. 테슬라社는 특허 US8696051호 및 US8383427호를 통하여 전체 배터리 팩의 외부에 보호강판을 배치함으로써 자동차 사고로부터 18650 리튬-이온 배터리를 보호하도록 설계하였다. [그림 13]은 개별 배터리 팩 14개 내지 17개를 전체 배터리 팩에 배치하며 감싸는 전체 배터리 팩 특허 US8268469호, US8393427호, US8557415호, US8663824호, US8696051호, US8875828호 및 US9045030호를 나타낸다.
[그림 14]는 테슬라 전기자동차 배터리 배치 특허 US8393427호, US8696051호, US8833499호 및 US9045030호를 나타낸다. 85kWh급에서 배터리 총 무게가 약 550kg이다. 이 대목에서 테슬라 전기자동차는 엄청남 강점을 갖는다. 이는 전기자동차 뿐만아니라, 전 세계 모든 자동차 중에서 무게중심이 가장 낮은 자동차라고 할 수 있다. [그림 15]는 슈퍼충전기를 이용한 테슬라 전기자동차 배터리 충전모습과 및 200kW급 슈퍼충전소 배터리 급속충전 테스터 장치를 나타낸다.
(정리) 테슬라 전기자동차의 4단계 배터리 보호방식
-1단계 : 배터리를 지그재그로 배치하며, 물결모양의 냉각 채널을 이용하여 충격흡수
-2단계 : 18560 리튬-이온 배터리 444개를 1개의 개별 배터리 팩으로 보호
-3단계 : 개별 배터리 팩 14개 내지 17개를 전체 배터리 팩에 배치하여 보호
-4단계 : 전체 배터리 팩의 외부에 보호 강판을 외부에 배치함을 통하여 자동차 사고로부터 18650 배터리를 보호
(긍극적 효과) 테슬라 전기자동차 이러한 배터리 배치로 인한 3가지 장점
1). 전 세계 모든 자동차 중에서 무게중심이 가장 낮은 자동차이다.
2).고속 주행에서 가장 안정적인 자동차이다.
3). 자동차 충돌 사고에서 가장 안정한 자동차이다. * 이 글은 본지의 편집방향과 일치하지 않을 수 있습니다.
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