전기차(EV)의 본격적인 상용화를 목표로 미국의 벤처 테슬라 모터스(Tesla Motors)가 야심차게 선보인 모델 S는 5인승 세단으로 공인 426 km의 항속 주행거리를 실현했다. 테슬라가 당초 발표했던 480 km에는 미치지 못하지만 닛산 리프의 160 km와 비교하면 큰 폭으로 향상된 수치다. 제로백(0-96 km/h)은 4.4초다.
모델 S는 충분한 공간 확보를 위해 바디를 전기차용으로 아예 재설계했다. 테슬라가 그간 판매해온 최초의 2인승 전기 스포츠카 ‘로드스터’는 ‘로터스 엘리제’ 섀시를 기반으로 했기 때문에 엘리제의 미드십 마운트(Midship Mount)에서 자유로울 수 없었다.
높은 가격은 전기차 보급의 최대 걸림돌로 지적돼온 단골 메뉴다. 모델 S의 판매 가격은 최근 가격 인상 내용을 반영해 배터리 용량 40 kWh 사양의 경우 5만 9,900달러이다. 이번 가격 인상은 모델 S 출시 이후 처음 있는 일로 기존보다 4.4% 인상됐다. 85 kWh 사양의 미국시장 기본 가격은 7만 7,400달러이다.
모델 S는 최신 IT 기술을 도입해 똑똑함까지 더했다. 올 디지털 미터 패널과 승용차로는 업계 최대 크기인 17인치 터치스크린 화면의 인포테인먼트 및 내비게이션 시스템을 탑재했다. 미터 패널은 NVIDIA Tegra 비주얼 컴퓨팅 모듈(VCM)의 강력한 성능을 통해 12.3인치 LCD 디스플레이에 3D 그래픽의 아름다운 화면을 구현한다. 운전자의 취향에 따라 표시를 정의할 수도 있다. Tegra VCM은 3D 그래픽 성능, 강력한 멀티미디어 기능 및 높은 전력 성능을 자랑한다. Tegra VCM에 탑재된 모바일용 슈퍼 칩은 멀티코어 ARM CPU와 초저전력의 NVIDIA GeForce GPU, 오디오/비디오/이미지를 각각 담당하는 전용 프로세서가 통합돼 있다.
모델 S는 또 한 가지 비밀이 있다. Over-the-Air 방식으로 펌웨어 업그레이드가 가능하다. 이 업데이트는 무선랜이나 3G 연결을 통해 지원된다.

공통의 기본 플랫폼

테슬라는 섀시 부분을 언론에 공개했다. 섀시는 경량화를 위해 모두 알루미늄을 사용했다. 테슬라는 이것을 기본 플랫폼으로 바디를 통해 차종을 다변화하는 전략을 취했다. 즉, 모델 S가 5인승 세단이지만 동일한 섀시로 7인승 미니밴 같은 차도 만들 수 있다.
테슬라가 채택한 AC 유도 모터는 축구공보다 약간 큰 크기이며 기어박스는 1단이다. 인버터를 포함하더라도 매우 콤팩트하다. 섀시의 바닥 전면에는 랩톱용 원통형 18650 타입(지름 18 mm, 높이 65 mm) 표준 리튬이온 셀 수천 개를 나란히 연결한 배터리 팩을 깔았다. 18650 타입 셀은 로드스터에 탑재된 셀에 비해 30% 정도 배터리 용량이 증가됐다.
[그린카 콘서트] 저자 박철완 박사에 따르면, 테슬라에서 채용한 이차전지 시스템 버전 1은 2,100 mAh 3.7 V 원통형 18650 셀로 개발된 366 V 53 kWh의 리튬이온 전지 시스템이다. 이 시스템은 총 6,831개의 셀로 구성돼 있다. 버전 2에서는 2,200, 2,400 mAh 셀을 사용해 366 V 60 kWh로 업그레이드 됐다.
박철완 박사는 테슬라가 18650 타입 전지를 계속해서 사용하는 데 대해 세 가지 이유를 꼽는다. 첫째는 배터리의 공급 단가를 충분히 낮출 수 있다는 점이다. 둘째는 공급에 제한적이지 않다는 점이다. 마지막은 높은 신뢰성과 사이클 수명을 확보할 수 있다는 점이다. 테슬라가 사용하는 원통형 18650 셀은 이미 500만 셀을 넘어섰다.

3종류의 배터리 용량 제공

공개된 섀시에 탑재할 수 있는 배터리 용량은 3종류(85/60/40 kWh)다. 지난해 6월 공개된 85 kWh 사양의 모델 S에 이어 올해 60 kWh와 40 kWh 사양이 추가로 출시될 예정이다.
모델 S에 탑재된 배터리 팩 무게는 차량 전체 중량 2.1톤의 약 30%를 차지한다. 그럼에도 낮은 무게 중심으로 놀라울 정도로 훌륭한 코너링을 자랑한다. 노면에 딱 붙는 21인치 서머타이어는 차치하고 여기엔 테슬라의 비밀이 숨어 있다. 테슬라의 생각은 두 가지다. 하나는 같은 용량의 셀 수를 줄여 섀시에 탑재하는 것이며, 다른 하나는 서로 다른 용량의 셀을 같은 수로 탑재하는 것이다.
배터리를 탑재한 섀시의 무게와 전후좌우의 무게 균형이 맞지 않으면 자동차 설계는 처음부터 다시 해야 한다. 배터리 용량마다 섀시를 설계하면 저렴한 비용으로 차를 만들 수 없다. 가능한 동일한 무게와 무게 균형이 필요하다. 배터리 용량마다 셀을 바꾸게 되면, 역시 저렴한 비용으로 만들 수 없다. 따라서 같은 셀을 사용해 그 개수를 변경하는 동시에 무게의 균형을 유지하기 위해 더미 셀을 탑재해 동일한 무게를 확보하는 것이 자연스럽다.

적재 공간 BMW 5의 2배

배터리 셀은 섀시 면에 수직으로 배열되기 때문에 더 많은 셀을 탑재할 수 있다. 또한 배터리 중량으로 인해 무게중심이 낮아져 안정적인 주행이 가능하다. 고속도로를 주행할 경우에는 에어 펌프에 의한 서스펜션 동작으로 차체를 더 낮춤으로써 안정성을 높이고 공기저항을 줄일 수 있기 때문에 주행거리를 연장할 수 있다.
평면 구조의 배터리 팩을 수용하는 섀시이기 때문에 내부 공간이 넓고 자동차 전방에도 적재 공간을 둘 수 있다. 자동차 전방에는 서스펜션 제어를 위한 에어 펌프, 브레이크 펌프, 컴프레서를 위한 배터리와 모터를 별도로 두고 있다. 그래도 그 부피가 적어 적재 공간이 충분하다.
엔진에 해당하는 모터와 인버터는 뒷바퀴 가까이 설치해 뒷바퀴를 구동한다. 공랭식 모터를 채용한 로드스터와 달리, 모델 S의 모터와 인버터는 액냉식이다. 이것은 냉매를 전방에서 펌프를 이용해 후방의 모터와 인버터로 보내 냉매를 순환시키는 방식이다.

셀 밸런싱 자체 설계

전기차는 셀 밸런스가 중요하다. 배터리 셀은 충방전을 반복하면 셀 간에 편차가 생길 수 있다. 예를 들어 충전의 경우 어떤 셀은 충전이 완료되었으나 어떤 셀은 충전 중일 수 있다. 따라서 셀 전하(전류)를 감지해 셀 간의 편차를 줄이는 것이 대단히 중요하다. 모델 S의 셀 밸런싱은 테슬라가 자체 설계했다. 테슬라의 배터리 기술 담당 커트 켈티(Kurt Kelty) 디렉터는 셀 간의 편차가 작은 배터리를 사용했음을 강조했다. 그는 테슬라로 옮기기 전, 파나소닉(당시는 마츠시타 전기산업)에서 약 15년 간 전지 기획과 개발, 마케팅을 담당했던 인물이다. 테슬라는 2011년 10월 자사의 주주이기도 한 일본 파나소닉과 리튬이온 전지 공급 계약을 체결했다.
2012년 10월 말 기준으로 모델 S의 누적 생산대수는 1,000대를 넘어섰다. 이는 테슬라 모터스의 엘론 머스크 CEO가 자신의 트위터에서 밝힌 내용이다.

AEM_Automotive Electronics Magazine