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테슬라 전기자동차 핵심 특허기술 분석(5) - 세계 최고 기술의 탄생 배경과 그 철학

2017-12-01

전기자동차 기술 및 특허 동향 -테슬라 전기자동차 핵심 특허기술 분석(5) 1. 테슬라 루디크로스(Ludicrous) 모드, 제로백 2.5초의 비밀 2016년 8월 23일 테슬라社는 모델 S P100D를 발표하면서 제로백(0~100km 도달하는 시간) 2.5초라는 루디크로스(Ludicrous) 모델을 발표하였다. 여기서 ‘P’는 퍼포먼스(Performance)의 약어로 주행성능을 강화시킨 것이며, ‘100’은 리튬-이온 배터리의 용량으로 100kWh의 용량을 의미한다. 또한, ‘D’는 듀얼 모터(Dual Motor)의 약어로 전류 및 후륜구동이 모두 가능한 것을 의미하며, ‘루디크로스(Ludicrous)’는 ‘터무니없는’이라는 뜻으로 제로백이 2.5초인 것을 의미한다. 기존까지 테슬라 전기자동차 모델 S 90D는 제로백 가속시간이 4.4초였다. 하지만, 모델 S P100D는 제로백이 2.5초, 모델 S P90D는 제로백이 3초다. 기술적으로 무엇인가 달라졌다는 뜻이다. 과연 어떤 기술이 적용돼서 전기자동차로 제로백 2.5초를 실현한 것인지 그 놀라운 비밀에 대하여 살펴보자. [그림 1]은 세계에서 제로백이 가장 빠른 차량들이다. 그림에서 제로백이 가장 빠른 차량은 영국의 자동차 제작사 에어리얼(Ariel)社에서 만든 아톰(Atom) 500 V8이다. 이 차량은 출력 500마력의 경주용 자동차로, 제로백 가속시간이 2.3초다. 상용화된 차량으로는 세계적인 슈퍼카(Super Car)로 인정받고 있는 독일 폭스바겐(Volkswagen)社의 부가티 베이론 슈퍼 스포트(Bugatti Veyron Super Sport)와 독일 포르쉐(Porsche)社의 포르쉐 918 스파이더 바이삭 패키지(Porsche 918 Spyder Weissach Package)가 제로백 2.6초로 공동 2위다. 폭스바겐社의 부가티 베이론 슈퍼 스포트의 가격은 약 25억~30억 원이며, 포르쉐社의 포르쉐 918 스파이더 바이삭 패키지는 13억~15억 원의 가격으로 판매되고 있다. 특히 폭스바겐社의 부가티 베이론 슈퍼 스포트는 1200마력의 출력을 가지며, 포르쉐社의 포르쉐 918 스파이더 바이삭 패키지는 887마력을 보유하고 있다. 두 차량은 제로백 가속시간이 2.6초로 랭킹 공동 2위다. 스웨덴 에커그룹에서 만든 코닉세그 원(Koenigsegg One)은 1380마력, 일본 닛산(Nissan) GT-R은 545마력으로, 제로백 가속시간이 2.7초로 공동 3위를 차지하고 있다. 위 차량들은 수억에서 수십억 원을 호가하는 엄청난파워를 자랑하는 자동차들이다. 테슬라(TESLA) 전기자동차 모델 S P100D도 제로백 2.5초로를 실현, 2위에 랭크됨으로써 조만간 상용화(대중화) 될 전기차 중 세계 최고의 가속력을 보유한 차량이 될 것이다. ♦세계에서 순간 가속력(제로백)이 가장 빠른 자동차 순위 - 1위 : 영국 에어리얼社 아톰 500 V8(제로백 2.3초) - 2위 : 미국 테슬라社 모델 S P100D(제로백 2.5초) - 3위 : 독일 폭스바겐社 부가티 베이론 슈퍼 스포트제(로백 2.6초) - 3위 : 독일 포르쉐(Porsche)社 918 스파이더 바이삭 패키지 (제로백 2.6초) - 4위 : 스웨덴 에커그룹 코닉세그 원(제로백 2.7초)/ 일본 닛산 GT-R(제로백 2.7초) 이제 테슬라 전기자동차는 그냥 전기자동차가 아니다. 당당하게 슈퍼카 대열에 그 이름을 올린 자동차로 급부상한 것이다. 그동안 슈퍼카는 주로 독일, 영국, 스웨덴 등의 유럽 자동차 회사가 그 순위를 차지하고 있었지만, 테슬라가 순수 100% 친환경 전기자동차 최초로 이 대열에 합류하게 된 것이다. 테슬라社는 기존 제로백 4,4초에서 어떻게 2.5초를 실현했을까? 과연 무엇이 달라졌을까?? 전기공학 박사인 필자의 눈에 그것은 기술의 혁신이자, 기술을 넘어서는 예술의 경지에 이른 것으로 설명된다. 테슬라社의 158건 미국 등록특허 중 전력변환 및 모터기술이 13건(8.23%)이다. 이를 세부적으로 살펴보면, 유도전동기와 관련된 기술 6건(3.80%), 유도전동기 제어를 위한 인버터(Inverter) 제어기술 3건(1.90%), 배터리충전 및 유도전동기 전력변환을 위한 양방향(bidirectional) 컨버터 기술 2건(1.27%), 기타 기술 2건(1.27%)으로 구성되어 있다. [그림 2] 테슬라 전기자동차 유도전동기 구조에 관한 특허 US8365392호 [그림 2]는 테슬라 전기자동차 유도전동기 구조에 관한특허 US8365392호를 나타낸다. 이 특허에서 테슬라社는 회전자의 축(軸) 가운데로 냉매가 흐를 수 있는 베어링 및 회전자 구조체를 제안하였다. 이미 앞에서 설명한 것처럼 유도전동기의 고정자 및 회전자를 냉각시키는 기술은 유도전동기 최대 출력을 약 4배 이상으로 끌어올려 테슬라 전기자동차의 강력한 파워를 만드는 가장 핵심기술이라고 할 수 있다. 약 100마력 유도전동기로 최대 400마력 이상의 출력(파워)을 만드는 기술이다. 즉 제로백 4.4초를 실현한 가장 핵심기술이라고 할 수 있을 것이다. 다시 말하면, 테슬라社가 제로백 2.5초는 US7741750호, US8122590호, US8154166호 및 US8154167호의 4건의 미국 등록특허를 통하여 이룩한 것으로 보인다. 유도전동기에서 초기에 기동전류를 줄이고, 큰 기동토크를 얻는 방법으로 유도전동기의 이중농형(Double squirrel case)³⁾ 기술이 있다. 또한, 기동 및 정지가 빈번하게 일어나는 유도전동기에서 냉각효과가 우수한 방법으로 유도전동기의 심구농형(Deep bar rotor)⁴⁾ 기술이 있다. 테슬라社는 제로백 2.5초를 달성하기 위하여 바로 유도전동기의 이중농형과 심구농형을 결합시킨 새로운 형태의 테슬라 유도전동기를 만든 것으로 분석된다. 전기기계 분야의 전문가가 아닌 일반인들은 이중농 형과 심구농형이라는 기술이 상당히 어색할 수 있지만, 이중농형은 회전자의 도체를 넣을 수 있는 슬롯(Slot)이 2중(2단)으로 배치되어 있는 유도전동기를 의미한다. [그림 3]은 대표적인 이중농형 방식의 유도전동기 구조를 나타낸다. ◆ 테슬라 전기자동차의 파워와 순간 가속력의 비밀 1) 유도전동기 고정자 및 회전자 냉각기술 - 약 100마력 유도전동기로 400마력 이상의 출력을 발생시킴(미국 특허 US7489057호, US7579725호 및 US9331552호) 2) 이중농형+심구농형을 결합시킨 유도전동기 기술 - 제로백 2.5초를 달성(미국 특허 US7741750호, US8122590호, US8154166호 및 US8154167호) [그림 4]는 심구농형 방식의 유도전동기 회전자 슬롯(Slot) 단면을 나타낸다. 이중농형은 유도전동기의 고정자 슬롯이 2중 구조로 되어있는 방식을 의미한다. 이중농형은 상부 슬롯에 저항이 높은 고저항 도체를 삽입하고, 하부 슬롯에 저항이 낮은 저저항 도체를 삽입하는 유도전동기 구조다. 초기 기동시의 전류는 저항이 높은 상부도체로 흐르므로, 기동토크가 증가하고 동시에 기동 전류가 작다. 반면, 정상상태에서는 저항이 낮은 하부 도체 전류가 흐르므로 우수한 운전특성을 보이는 기술적 특징이 있다. 또한, 심구농형은 유도전동기에서 회전자 슬롯이 폭에 비해 현저하게 깊은 방식으로, 유도전동기의 기동 및 정지가 자주 되풀이되는 경우에 적합하다. 특히 냉각특성이 우수한 것이 장점이다. [그림 6] 테슬라 이중농형+심구농형 유도전동기 특허 US8122590호, US8154166호 필자가 진정 감동하고 있는 것은 바로... 테슬라 전기자동차 제로백 2.5초의 유도전동기 기술은 이중농형+심구농형을 환상적으로 결합시킨 기술이라는 것이다. 정말 좋은 기술과 특허를 보게 되면, 필자에게는 가슴 뛰는 감동이 있는데... 테슬라社의 유 도전동기 400마력 이상의 파워를 발생시키는 냉각기술과 제로백은 2.5초까지 끌어올리는 이중농형+심구농형 결합형 유도전동기 기술이 그것이다. “기가 막히다!”, “Very Good!”, “Fantastic!” 마치 기술이 드디어 예술로 승화되는 느낌이랄까?유도전동기 기술 중에서 이중농형은 순간 가속력을 높이는 기동토크와 기동전류가 작은 장점은 있지만, 냉각특성이 우수하지 못하다. 슬롯을 이중으로 제작해야하므로 가공비용이 높은 것이 단점이다. 반면, 심구농형은 기동 및 정지가 빈번하게 일어나는 유도전동기에서 유리하고 냉각특성이 우수하다. 자동차는 기동 및 정지가 빈번하게 일어나는 장치다. 경우에 따라서는 하루에도 수백, 또는 수천 번 ‘가다 서다’를 반복한다. 그러나 자동차 운전자들은 순간 가속력이 높은 것을 선호한다. 테슬라 전기자동차 유도전동기는 바로 이중농형의 장점과 심구농형의 장점을 결합시키며, 이중농형의 냉각특성이 우수하지 못한 것과 가공비용이 높은 단점을 심구농형 방식으로 극복하는 해법을 제안한 것이다. [그림 5], [그림 6]은 테슬라 이중농형+심구농형 유도전동기 특허 US7741750호, US8122590호, US8154166호 및 US8154167호다. 테슬라社는 유도전동기 회전자슬롯의 전체적인 형상을 슬롯 폭에 비해 현저하게 깊게 회전자 도체를 적용시킨 심구농형으로 하였다. 또한, 심구농형 슬롯에 저항 값이 낮은 저저항 도체와 저항값이 높은 고저항 도체를 2중(2단)으로 배치한 새로운 테슬라 유도전동기를 제안했다. 즉, 심구농형에 이중농형의 권선배치를 한 것이다. 이제까지 전기자동차 휘발유나 경유차보다 출력은 약하고, 작고 가벼우며, 속도가 느리다는 이미지였다. 그러나 테슬라 전기자동차가 전기자동차에 대한 이런 부정적인 이미지를 불식시킬 수 있을 것으로 기대되고 있다. 테슬라 전기자동차는 아마 스스로에게 이렇게 말하고 있을지 모르겠다. “이제 나는 웬만한 휘발유나 경유차보다 파워가 더 센데... 누구 나랑 한번 달려볼까... ” “나 이제 제로백 2.5초야...휘발유 및 경유차, 나 이길 수 있겠니?” “나는 이제 부가티, 포르쉐와 같은 수준이야....” 다음 호에서는 테슬라 자동차 회장 엘론 머스크가 꿈꾸는 감동적인 미래기술인 스페이스X, 하이퍼루프 등을 주제로 독자 여러분과 함께 하겠습니다. <주> 1) 테슬라 전기자동차 모델 S는 현재 60S, 60D, 75S, 75D, 90S, 90D, P90S, P90D의 모델이 있다. 그리고 앞으로 P100S, P100D를 생산할 예정이다. 2) 월간전기 2017년 8월호 ‘전기자동차 기술 및 특허 동향; 테슬라 자동차를 중심으로’에서 자세하게 설명하였다. 3) 이중농형(Double squirrel case) : 이중(二重)이라는 의미는 회전자 슬롯이 2개의 구멍으로 되어있는 유도전동기이다. 기동토크가 크고 기동전류가 작은 것이 장점이다. 참고로, 농형(籠形)은 항아리 형의 구조물을 의미하는 것이다. 4) 심구농형(Deep bar rotor) : 슬롯 폭에 비해 현저하게 깊게 회전자 도체를 적용시킨 유도전동기로, 기동 및 정지가 빈번하게 일어나는 유도전동기에서 냉각효과가 우수한 것이 장점이다. 5) 김현수,‘ 이중농형 특성을 갖는 외측 회전형 유도전동기에 관한 연구’, 한국해양대학교 박사학위논문, pp. 13-17, 2002년 2월 6) 이중농형(Double squirrel case) 동작원리 : 이중농형 유도전동기는 기동 시에는 회전자 주파수가 고정자 주파수와 같이 크게 되므로, 회전자 전류는 저항보다 리액턴스(Reactance)에 의해서 제한된다. 따라서 대부분의 전류는 리액턴스가 큰 하부 슬롯에는 거의 흐르지 않고, 저 항이 높은 상부도체로 흐르게 된다. 기동토크는 회전자 저항에 비례하므로 기동 시에는 저항이 높은 상부 슬롯에 흐르는 전류에 의해서 큰 기동토크가 발생한다. 즉 이 기동토크에 의해서 테슬라 전기자동차는 제로백 2.5초를 달성할 수 있었던 것이다. 유도전동기가 가속하여 슬립(Slip)이 적은 상태로 운전하면, 회전자 주파수가 작기 때문에 회전자 누설 리액턴스는 대단히 작게 된다. 따라서 회전자 전류는 저항에 의해서 제한되며, 대부분의 전류는 저항이 작은 하부 슬롯에 흐르게 된다. 7) 심구농형(Deep bar rotor) 동작원리 : 심구농형 유도전동기는 회전자 슬롯 안의 도체에 전류가 흐르면, 슬롯 바닥에 가까운 도체일수록 많은 누설자속과 쇄교한다. 기동 시에는 회전자 주파수가 높으므로 슬롯 바닥에 가까운 도체부분에 누설 리액턴스는 현저하게 커져 회전자 저 항이 크고, 회전자 리액턴스가 작은 유도전동기로 동작하여 큰 기동토크가 발생한다. 또한, 회전자 가속으로 슬립(Slip)이 감소하여 정상 운전상태에 도달하면, 회전자 주파수는 극히 낮아지므로 표피효과는 거의 없어지고 회전자 도체 내의 전류분포가 균일하게 되어 회전자 저항 이 높은 유도전동기로 동작한다. 심구농형 방식의 장점은 슬롯이 긴 단면을 가지므로 이중농형과 비교하여 효율특성이 우수한 것이다. * 이 글은 본지의 편집방향과 일치하지 않을 수 있습니다. < Energy News >