2012년 테슬라 모터스(Tesla Motors)에서 개조의 수준이 아니라 독자 개발로 순수 전기자동차 테슬라 모델 S를 출시하였을 당시, 국내외 언론 및 완성차 메이커는 긍정적 평가보다는 신생 메이커의 기술적 한계와 완성도를 중심으로 의심어린 눈초리를 보낸 것이 대부분이었다. 필자의 경우에도 기존의 전기자동차와 큰 차별성이 없을 것으로 예상하였으나, 테슬라 모델 S 60 kWh 모델을 직접 주행 평가하고 Teardown 벤치마크를 진행하면서 이러한 예상이 크게 빗나갔음을 확인하였다.

테슬라 모델 S는 기존 완성차 메이커 전기자동차의 문제점을 철저하게 분석하고 새로운 시각에서 기술적 차별성을 확보하고 있었다. 그 중에서 고전압 배터리(high voltage battery), 주행 모터(traction motor), 고전압 인버터(high voltage inverter) 및 열관리(thermal management)의 기술적 차별성을 바탕으로 향후 출시될 저가형 전기자동차 테슬라 모델 3의 성공 가능성을 살펴보고자 한다.

18650 Li-ion battery, 신의 한수인가? 잘못된 선택인가?

18650 Li-ion battery, 신의 한수인가?
잘못된 선택인가?

전기자동차 전문가 및 매체에서는 테슬라 모델 S의 원통형 18650 Li-ion 배터리 채택을 두고 전기자동차에 적용되는 파우치형(pouch type) 및 각형(prismatic type)에 비해 경제적일 수는 있지만, 1990년대 전자기기용으로 개발된 배터리이기 때문에 전기자동차의 고전압 배터리로 부적합하며, 특히 노트북 화재 사건과 같이 배터리의 열폭주(thermal runaway) 현상이 발생할 경우 제어하기 어려운 문제점이 있다고 지적하였다. 전문가들의 이러한 기술적 문제점에 대한 지적은 지극히 합리적인 것이지만, 테슬라 모델 S는 18650 Li-ion 배터리의 단점을 최소화 하고 장점을 극대화하기 위하여 셀(cell), 모듈(module) 및 팩(pack) 단위로 기술적 차별성을 확보하였다.

셀에서는 기존 18650 대비 측면을 두껍게 설계하고, 기존에는 상부에만 있던 이상 발열 반응 시 셀을 보호할 수 있는 벤트(vent)를 상하 2개로 확대 적용하였으며, 모듈에서는 각각의 셀이 전극과 연결 시 열폭주로 벤트가 열리면 전극과 연결된 알루미늄 전선이 단선되는 구조를 통하여 열폭주 현상이 발생된 셀에서 주변 셀로 전파되는 것을 제어하였다. 팩의 경우에도 안전성을 확보하기 위해 알루미늄 압출재 및 판재를 사용하였으며, 압력제어용 벤트 적용하였다. Teardown 분석 결과, 18650 셀 적용 배터리 팩에서는 수냉 방식의 구조적 개선점과 추가적 경량화 여지를 확인할 수 있었으며, 향후 테슬라 모델 3에서 개선된 팩이 적용된다면 경량화와 경제성을 동시에 확보할 수 있을 것으로 예상된다.

전기자동차 전문가 및 매체에서는 테슬라 모델 S의 원통형 18650 Li-ion 배터리 채택을 두고 전기자동차에 적용되는 파우치형(pouch type) 및 각형(prismatic type)에 비해 경제적일 수는 있지만, 1990년대 전자기기용으로 개발된 배터리이기 때문에 전기자동차의 고전압 배터리로 부적합하며, 특히 노트북 화재 사건과 같이 배터리의 열폭주(thermal runaway) 현상이 발생할 경우 제어하기 어려운 문제점이 있다고 지적하였다. 전문가들의 이러한 기술적 문제점에 대한 지적은 지극히 합리적인 것이지만, 테슬라 모델 S는 18650 Li-ion 배터리의 단점을 최소화 하고 장점을 극대화하기 위하여 셀(cell), 모듈(module) 및 팩(pack) 단위로 기술적 차별성을 확보하였다.

셀에서는 기존 18650 대비 측면을 두껍게 설계하고, 기존에는 상부에만 있던 이상 발열 반응 시 셀을 보호할 수 있는 벤트(vent)를 상하 2개로 확대 적용하였으며, 모듈에서는 각각의 셀이 전극과 연결 시 열폭주로 벤트가 열리면 전극과 연결된 알루미늄 전선이 단선되는 구조를 통하여 열폭주 현상이 발생된 셀에서 주변 셀로 전파되는 것을 제어하였다.

팩의 경우에도 안전성을 확보하기 위해 알루미늄 압출재 및 판재를 사용하였으며, 압력제어용 벤트 적용하였다. Teardown 분석 결과, 18650 셀 적용 배터리 팩에서는 수냉 방식의 구조적 개선점과 추가적 경량화 여지를 확인할 수 있었으며, 향후 테슬라 모델 3에서 개선된 팩이 적용된다면 경량화와 경제성을 동시에 확보할 수 있을 것으로 예상된다.

Cu 유도 모터가 희토류 영구자석 동기 모터보다 효율적인가?

모터의 출력이 60kW 내외인 하이브리드 및 소형 전기자동차에서는 Nd계 희토류 영구자석 동기 모터가 효율, 에너지 밀도의 측면에서 가장 우수한 것이 사실이지만, 테슬라 모델 S는 200kW가 넘는 고출력 중대형 전기자동차에서 Cu 유도 모터가 효율 및 에너지 밀도의 측면에서 훨씬 우수함을 입증하였고, 모터의 스테이터(stator)만이 아니라 로터(rotor)까지 수냉할 수 있는 기술적 차별성을 보여주었다. 테슬라 모델 S의 Cu 유도 모터는 대량 생산이 가능한 다이캐스팅(die-casting) 공법이 아닌, Cu bar를 압입 후 브레이징(brazing)하는 공법으로 제조한 것으로 분석되었으며, 이는 테슬라 모델 S가 초기에 연간 3만대 이상 대량 생산을 확신할 수 없는 상황에서 선택한 제조 공법으로 분석된다.

향후 테슬라 모델 3에서 대량 생산을 위해 다이캐스팅 공법을 적용한다면 효율성 향상과 경제성을 동시에 확보할 수 있을 것이다. 또한 테슬라 모델 S 모터 구동의 핵심 고전압 전장 부품인 인버터는 일반적인 전기자동차 전용인 alumina ceramic substrate 방식의 IGBT(insulated gate bipolar transistor) 스위칭 반도체 소자가 아니라, 600V 75A 용량의 discrete IGBT를 16개 단위로 병렬 연결한 1,200A급 용량의 인버터로서, 이를 경제적으로 자체 개발하여 생산 기술력을 확보하고 있다.

전기자동차의 기술적 차별성과 경쟁력은 어디에서 확보되는가?

전기자동차 산업계에서 가장 우선적으로 확보해야할 필요 기술로 모든 메이커가 목표로 내세우는 것이 바로 1회 충전 주행거리의 연장이다. 이를 위하여 필요한 핵심 기술이 무엇인가라고 질문한다면, 일반적으로 배터리, 모터, 인버터 및 경량화 기술이라고 할 수 있지만, 필자는 열관리 기술이라고 대답할 것이다. 열관리에 필요한 PTC(positive temperature coefficient) heater, Cu coil heater 및 electric compressor 등에서는 각각 평균적으로 5kW의 소비전력을 필요로 하며, 혹한기 혹서기의 조건에서는 Li-ion 배터리 자체의 기전력에도 변화가 발생하기 때문에, 한정된 배터리 용량으로 주행거리 연장을 위하여 최적의 열관리 기술은 선택이 아니라 필수이다. 테슬라의 모델 S의 경우에는 혹한기에는 모터 및 전장 부품의 폐열을 이용하여 배터리 히터의 소모 전력을 최소화시키고 있으며, 혹서기의 경우에는 에어컨 냉매를 이용한 배터리 열제어 기술로 1회 충전 주행거리 연장을 위한 경쟁력을 확보하고 있다. 향후 테슬라 모델 3에 기존의 직/병렬 열관리 시스템 최적화를 통하여 안정적인 주행거리 확보가 가능할 것으로 예상된다.

완성차 메이커에서 제조한 기존의 전기자동차와 비교할 때, 테슬라 모델 S의 차별성과 기술적 우수성은 앞에서 설명한 배터리, 모터 및 열관리 시스템만이 아니라 충전 시스템, 차량 모니터링 및 제어 관리, 섀시 및 경량화와 안전성을 확보한 차체 등 각각의 기술마다 지면을 할애해도 부족할 정도로 많다. 기존의 전기자동차와의 가장 큰 차이점은 제조자의 입장에서는 고부가가치를 확보할 수 있으며, 소비자의 입장에서는 사고 싶은 전기자동차라는 점이고, 전기자동차 생태계의 측면에서는 고효율 기술과 신재생에너지 활용을 통한 청정성 확보라고 할 수 있다. 테슬라 모델 S가 고가의 스포츠 세단에 초점이 맞추어져서 상품성을 확보할 수 있었다면, 모델 3는 저가의 보급형 세단의 대량생산을 통한 상품성 확보라고 할 수 있다. 테슬라가 모델 S에서 보여준 기술적인 혁신을 바탕으로 대량 생산 기술까지 안정적으로 확보할 수 있다면, 테슬라 모델 3는 보급형 전기자동차 세단의 확대를 통하여 새로운 전기자동차 생태계 조성에 기여할 수 있을 것이다.

전기자동차 산업계에서 가장 우선적으로 확보해야할 필요 기술로 모든 메이커가 목표로 내세우는 것인 바로 1회 충전 주행거리의 연장이다. 이를 위하여 필요한 핵심 기술이 무엇인가라고 질문한다면, 일반적으로 배터리, 모터, 인버터 및 경량화 기술이라고 할 수 있지만, 필자는 열관리 기술이라고 대답할 것이다. 열관리에 필요한 PTC(positive temperature coefficient) heater, Cu coil heater 및 electric compressor 등에서는 각각 평균적으로 5kW의 소비전력을 필요로 하며, 혹한기 혹서기의 조건에서는 Li-ion 배터리 자체의 기전력에도 변화가 발생하기 때문에, 한정된 배터리 용량으로 주행거리 연장을 위하여 최적의 열관리 기술은 선택이 아니라 필수이다.

테슬라의 모델 S의 경우에는 혹한기에는 모터 및 전장 부품의 폐열을 이용하여 배터리 히터의 소모 전력을 최소화시키고 있으며, 혹서기의 경우에는 에어컨 냉매를 이용한 배터리 열제어 기술로 1회 충전 주행거리 연장을 위한 경쟁력을 확보하고 있다. 향후 테슬라 모델 3에 기존의 직/병렬 열관리 시스템 최적화를 통하여 안정적인 주행거리 확보가 가능할 것으로 예상된다.

완성차 메이커에서 제조한 기존의 전기자동차와 비교할 때, 테슬라 모델 S의 차별성과 기술적 우수성은 앞에서 설명한 배터리, 모터 및 열관리 시스템만이 아니라 충전 시스템, 차량 모니터링 및 제어 관리, 섀시 및 경량화와 안전성을 확보한 차체 등 각각의 기술마다 지면을 할애해도 부족할 정도로 많다. 기존의 전기자동차와의 가장 큰 차이점은 제조자의 입장에서는 고부가가치를 확보할 수 있으며, 소비자의 입장에서는 사고 싶은 전기자동차라는 점이고, 전기자동차 생태계의 측면에서는 고효율 기술과 신재생에너지 활용을 통한 청정성 확보라고 할 수 있다.

테슬라 모델 S가 고가의 스포츠 세단에 초점이 맞추어져서 상품성을 확보할 수 있었다면, 모델 3는 저가의 보급형 세단의 대량생산을 통한 상품성 확보라고 할 수 있다. 테슬라가 모델 S에서 보여준 기술적인 혁신을 바탕으로 대량 생산 기술까지 안정적으로 확보할 수 있다면, 테슬라 모델 3는 보급형 전기자동차 세단의 확대를 통하여 새로운 전기자동차 생태계 조성에 기여할 수 있을 것이다.

성시영

자동차부품연구원 박사