지난 3월 자동차부품연구원은 테슬라 모델 S를 티어다운하고 분석한 결과를 발표했다. 티어다운을 진두지휘한 성시영 박사는 배터리와 모터로 대표되는 모델 S의 전기 파워트레인 혁신과 커넥티비티 전자장치에 박수를 쳤지만, 2만 대가 넘는 판매량에도 불구하고 유지보수 및 차량 완성도 측면에서는 아쉬워했다.

모델 S를 해부하다
지난 3월 20일 천안의 자동차부품연구원(KATECH)을 찾았다. ‘하이테크’ 마케팅, 전기차의 신화로 일컬어지는 Tesla Model S의 실체를 보기 위해서였다. 모델 S의 티어다운을 진두지휘한 KATECH 소재융합디자인연구센터의 성시영 센터장은 “대기업들은 자체적으로 이러한 그린카의 분석이 가능하지만, 대부분의 중소기업에게 7만 달러가 넘는 모델 S를 구입해 벤치마킹하는 것은 상당히 부담스러운 일”이라면서 자동차부품 중소겵煞?기업을 위한 기술지원 취지를 밝혔다.

KATECH의 성 센터장은 Tesla Model S에 대한 Teardown 벤치마크 분석을 전동화 파워트레인 및 커넥티비티, 열제어, 섀시 및 브레이크, 내외장재, 바디 등 총 5가지 분야로 구분해 진행했다. 2013년 2만 2,477대가 판매된 Tesla Model S는 1충전 332 km 이상의 주행거리와 225 kW 트랙션 모터를 적용한 스포츠한 주행성능, 17인치 터치스크린으로 대변되는 커넥티비티 등의 기술과 발상은 혁신적이지만, 유지보수성 등의 완성도에서는 향후 개선의 여지가 있는 것으로 분석됐다.

Tesla Model S는 여러 면에서 기존의 전기차들과 다른 특징을 보여주고 있었다. 현재까지 양산된 전기차 중에서 주행거리가 가장 길면서, 출력 및 토크도 가장 우수한 성능을 나타내고 있다. 이 대형 세단은 애스턴 마틴을 디자인했던 프란츠 폰 홀츠하우젠(Franz von Holzhausen)이 디자인했다. 85 kWh의 배터리를 장착한 최고 퍼포먼스 모델의 경우 제로백(0-96 km/h)이 4.2초, 416마력, 최고속도가 220 km/h다. 고성능 수퍼 세단(60 kWh) 모델은 제로백 5.9초, 302마력, 최고속도가 200 km/h이다.

성 센터장은 “이번에 벤치마킹한 Tesla Model S는 60 kWh의 배터리 용량이 적용된 모델로, 테슬라의 기술 자료에 따르면 90 km/h의 속도로 정속주행하면 400 km를 달릴 수 있고, EPA-5 Cycle로는 332 km 주행이 가능하다. 무게는 1,999 kg”이라고 소개했다.


커넥티비티 혁신

Tesla Model S의 충전은 110 V, 240 V 모두 사용 가능하다. 110 V로는 완충에 48시간 이상이 걸리고 240 V, 40 A로는 6~8시간 정도 걸린다. 기본 옵션으로 10 kW급 온보드 차저가 장착돼 있다. 또 트윈으로 확장이 가능하고, 급속충전인 수퍼차저는 120 kW로 온보드 차저를 거치지 않고 직접 배터리에 충전되는 것으로 알려져 있다. 

17인치 터치스크린 제어로 대변되는 커넥티비티는 전기 파워트레인에 이어 Tesla Model S의 중요 혁신이다. 이는 전기차만이 아니라 모든 모델의 커넥티비티에 대한 중요한 롤모델이 되고 있다.

17인치 터치스크린은 미디어, 내비게이션, 에너지, 인터넷, 후방 카메라, 블루투스 폰 링크 등 총 6개의 기본 메뉴로 구성된다. 다른 첨단 인포테인먼트 시스템처럼 다양한 콘텐츠를 즐길 수 있다. 구글 맵을 사용하는 내비게이션은 급속충전이 가능한 가장 가까운 곳의 위치와 그곳까지의 도달 시간을 알려준다. 실제로 테슬라 터치스크린은 가장 가까운 수처차저 스테이션으로 7,700 km 이상 거리의 미국 서부 충전소들을 표시하고 있었다. 

주행한 거리, 주행 습관에 따른 에너지 소비량도 모니터링할 수 있다. 스크린 하단의 컨트롤 모드로 들어가면 공조제어, 차량충전, 도어 개폐, 라이트 온/오프, 서스펜션 높이, ESC 세팅 등을 직관적인 인터페이스에서 터치로 조정할 수 있다.

또한, 이러한 6개의 메뉴 및 컨트롤 모드 이외에도 3G 망을 통해 테슬라 본사와 차량의 상태를 모니터링 할 수 있는 커넥티비티 네트워크 기능을 구현했다. 메인 프로세서는 엔비디아 Tegra 3 프로세서가 장착됐다. 12.3인치 인스트루먼트 패널 클러스터에도 엔비디아 듀얼코어 Tegra 2 프로세서가 적용됐다.  



리튬이온 배터리 팩

Tesla Model S가 기존의 전기차와 차별성을 가지는 것은 바로 1충전 주행거리이다. 이러한 주행거리 확보를 가능하게 하는 것이 리튬이온 배터리 팩이다. 리튬이온 배터리 팩의 무게는 약 500 kg 정도인데, 상판 및 하판은 고장력강이 적용됐다. 내부의 격벽 및 강화재는 알루미늄 압출재가 적용됐다.

기본적인 체결과 실링은 볼트에 의해 결합돼 있지만, 방수 및 기밀성 확보를 위해 접착제가 적용됐으며, 이로 인해 배터리 팩은 한번 장착된 후에 유지보수를 위한 분해가 어려운 구조다.

60 kWh 리튬이온 배터리 팩의 경우에는 총 14개의 모듈이 적용됐는데, 하나의 모듈은 66개 셀이 병렬로 연결된 그룹 6개가 직렬로 연결돼 총 396개의 셀이 탑재됐다. 따라서 배터리 팩에 적용된 총 셀의 수는 5,544개다. 리튬이온 셀은 직경 18 mm, 길이 65 mm의 18650 리튬이온 배터리가 사용됐으며, 테슬라에서는 이러한 리튬이온 배터리를 이용해 8년 20만 km를 보장하고 있다.

Tesla Model S에 적용된 리튬이온 셀은 현재 파나소닉의 18650, 3,100 mAh 용량이 적용됐는데, 기존의 파나소닉 18650, 3,100 mAh 모델과 비교해 약 5.6% 정도 무게가 증가했다. 이는 기존 셀보다 케이스의 두께가 더 두꺼워졌기 때문이다. 또한 열폭주(thermal runaway) 발생 시 가스 벤트의 경우 일반적인 모델은 위쪽에만 적용됐지만 테슬라에는 위·아래에 모두 적용된 것으로 확인됐다.

모듈 단위에서 큰 특징은 절연 방안에 있다. 절연을 위한 셀 하우징은 외부 충격, 차량 진동으로부터 확고하게 셀을 고정시키기 위해 폴리머를 적용했으며, 모듈 상하부에 66개 셀을 병렬로 연결하고 알루미늄 판재 전극을 양면 테이프를 이용해 접합했다.

셀과 모듈 단위의 특징은 열폭주 현상이 발생할 경우, 셀의 가스 벤트가 열리면서 전극과 연결된 와이어 본딩이 끊어지면서 더 이상 열폭주가 주변의 셀로 전달되지 않도록 해 안전성을 확보하고 있는 점이다.

Tesla Model S의 배터리 팩은 396개의 셀로 이뤄진 14개 모듈, 총 5,544개 셀로 이뤄지며, 총 전압은 366 V다.  Tesla Model S의 배터리 팩은 14개의 모듈과 함께 제어를 위한 배터리 매니지먼트 시스템(BMS), 코일 컨택터, 고전압 버스바 등으로 구성돼 있으며, 향후 배터리 스왑 적용을 대비해 배터리 교체 시 쉽게 착탈이 가능하도록 커넥터가 설계된 것으로 분석됐다.

BMS는 프리차지 레지스터, 전류ㆍ고전압 측정, 배터리 모니터링 보드 통신단자, 코일 컨택터 드라이브 컨트롤, 통신단자 등으로 구성된다. 기존의 전기차 및 하이브리드의 경우에는 전류 측정에서 대부분 비접촉 홀 센서(hall sensor) 방식을 썼는데 테슬라는 션트 저항(shunt) 방식을 썼다. 션트 저항은 고유 저항을 갖고 있기 때문에 자체 전압 드롭을 해 직접 출력하는 방식이다. 

Tesla Model S는 배터리 팩뿐만 아니라 열제어가 필요한 핵심 부품과 총 29개의 열전대를 적용해 능동적으로 열관리를 하고 있다. 배터리, 온보드 차저, 정션박스 등 고전압 핵심부품들에는 충돌에 의해 변형 및 변위 차이가 발생할 때 전원을 차단하기 위해 마그네틱 센서를 적용했다.

고효율 Cu 다이캐스팅 로터 적용 모터

Tesla Model S의 모터는 기존의 전기차에서 가장 많이 사용하고 있는 희토류 자석 동기 모터를 적용하지 않고, Cu 다이캐스팅 로터로 제조된 유도 모터를 채택했다. 모터의 구동전압은 375 V, 최대 회전수는 1만 6,000 rpm이다.

Tesla Model S 모터의 큰 특징은 열제어 방법이다. 일반적인 Cu 다이캐스팅 로터가 적용된 모터는 열전도성이 우수하기 때문에 수냉보다는 로터 끝단에 적용된 팬을 이용한 공냉을 이용하지만, 테슬라는 전기차로서의 열적 안정성을 더 확보하기 위해 스테이터에도 수냉을 적용했다. 또 로터에서도 로터 샤프트 사이 중앙을 관통하는 방식으로 수냉을 적용했다.

Tesla Model S의 변속기에는 후진 기어가 적용되지 않았다. 모터를 이용해 후진하는 방식이며, 후진 시 최고속도는 15 km/h로 제한돼 있다.

Tesla Model S에 적용된 인버터는 리튬이온 배터리 팩의 직류를 3상 교류로 변환해 모터를 구동하는 핵심 전장 부품으로, 배터리 직류단자 2개가 3개의 하프 브릿지로 연결되고, 여기서 3상 교류로 변환하는 구조다. 수냉을 위한 냉각 라인의 기밀성 확보를 이용해 접착제와 볼트가 동시에 적용됐다.

모터의 제어는 운전자 액셀에 의한 토크 커멘드, 배터리 전압ㆍ전류 상태, 모터ㆍ스테이터ㆍ로터ㆍ인버터의 열관리와 인버터 변환 상태 등을 모니터링한 다음 PID 방식으로 제어된다. 인버터의 냉각은 하프 브릿지마다 냉각을 통해 IGBT와 제어부를 냉각하는 방식이다.

전기적 측면에서 일반 저전압 하네스는 양산차 대비 품질 완성도가 낮은 편이지만, 고전압 케이블은 효율성 향상을 위해 초음파 접합을 적용했으며, 차폐 성능도 우수했다.

온보드 차저는 10 kW급이 적용됐는데, 온보드 차저로 입력되기 이전에 고전압은 정션박스에서 분배가 된다. 수퍼차저로 급속충전을 할 경우 온보드 차저를 거치지 않고 직접 배터리를 연결하기 위해서다.

열관리

기존의 전기차 경우에는 열관리에 있어서 개선이 필요한 부분이 많았다. 특히 여러 가지 쿨러들이 차량의 전방에 다층(multi stacking)으로 구성돼 열관리 효율이 저하됐다. 그러나 Tesla Model S는 총 3개의 쿨러가 서로 겹치지 않고 전동 로우버(Louver)를 이용해 각각의 쿨러에 대해 독립적으로 냉각을 제어해 냉각효율을 향상시켰다.

배터리, 모터, 인버터 및 온보드 차저와 같은 핵심 전장부품의 냉각은 열관리 상황에 따라서 독립적으로 냉각하는 병렬방식과 냉각 성능 향상이 필요한 상황에 모두 연결되는 직렬방식으로 변환되는 특징이 있다. 이를 위해 4 way 및 3 way 밸브가 적용됐다. 제어의 경우에도 일반적인 HVAC 제어 유닛이 아니라 별도의 열관리 유닛이 탑재됐다.
혹한기의 저온에서는 리튬이온 배터리 자체의 효율이 저하되고 주행거리 감소의 원인이 되기 때문에, 이를 제어하기 위해 구동전압 450 V, 5.6 kW 용량의 배터리 팩 전용 PTC 히터가 적용됐다.

Tesla Model S는 안정적인 주행거리 확보, 스포츠한 주행성능, 혁신적인 커넥티비티 시스템을 바탕으로 2013년 2만 대 이상 양산돼 전기차의 혁신을 주도하고 있다. Tesla Model S가 현재 주목받고 있는 혁신을 지속하기 위해서는 자동차로서 요구되는 기본적 사항인 차량의 조립 정밀도 및 유지 보수성 확보가 필요할 것으로 분석됐다.