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전기자동차 기술 및 특허 동향
2017년 9월 1일 (금) 00:00:00 |   지면 발행 ( 2017년 9월호 - 전체 보기 )

 Ⅲ. 테슬라 전기자동차 핵심 특허기술 분석(1)
        -모터 및 차체(車體)에 대한 기술을 중심으로(2)

"엘론 머스크가 만들어 가는 아름다운 테슬라 자동차는 기술적으로 무엇이 다른가?"
첫째 : 전기자동차의 모터(Motor)가 가진 가장 근본적인 취약점인 모터의 파워(Power)가 약한 것을 근본적으로 향상.
둘째 : 모든 소프트웨어가 합리적인 단일 시스템으로 통합된 바퀴달린 컴퓨터를 구현.

본 지면을 통해서 석·박사 과정에서 전기기계(모터 및 발전기 등) 및 전력전자(전력변환)을 전공한 필자가 강조하고 싶은 첫째 포인트는 테슬라 전기자동차는 “모터(Motor)가 가진 가장 근본적인 취약점인 모터의 파워(Power)가 약한 것을 근본적으로 향상시켰다”는 점이고, 테슬라 전기자동차의 특허를 바라보면 볼수록 가장 감동되는 부분이다. 둘째 포인트는 “모든 소프트웨어가 합리적인 단일 시스템으로 통합된 바퀴달린 컴퓨터를 구현한 것”이다.

이를 설명하자면, 테슬라 전기자동차의 경우, 기존의 내연
기관 자동차와 다른 방식의 설계를 채택하였다. 기존의 자동차 생산방식은 금속판을 찍어서 틀을 만들어 내고, 용접, 페인트칠을 하고, 모든 인테리어를 마친 후에 최종적으로 모든 자동차를 조립하는 방식을 채택하고 있다. 현재의 내연기관 자동차는 수십 개의 컴퓨터가 모여서 1개의 자동차로 디자인 되어있다. 대략 60~70개의 개별로 동작하는 컴퓨터, 20여개 회사에서 제작된 각기 다른 소프트웨어 및 130kg이 넘는 전선으로 구성되어 있다. 하지만, 테슬라 전기자동차의 혁신은 바로 기존의 자동차 제조방식과 전혀 다른 설계시스템으로 자동차를 움직이는 모든 소프트웨어가 합리적인 단일시스템으로 통합되었다는 것이다.

테슬라 자동차는 ‘바퀴달린 컴퓨터’라고 명명하기 적합한 전기자동차이며, 모든 소프트웨어가 단일시스템으로 통합되기에 컴퓨터의 수가 적고 간결하다. 또한, 소프트웨어 통합도가 가장 높은 것을 특징으로 하며, 원격조정으로 업그레이드 가능한 컴퓨터와 같은 전기자동차를 구현하였다. 이는 혁신적인 발전임이 분명하다.  “소프트웨어 통합도가 가장 높은 바퀴달린 컴퓨터의 구현”도 분명 위대한 진보다. 하지만, 특허전문가이고 전기기계 및 전력전자 분야 전문가인 필자의 눈에 들어오는 테슬라 자동차의 기술 및 특허의 위대함은 바로, 테슬라 전기자동차가 컴퓨터로서의 완벽함이 아니라 자동차로서의 완벽한 파워를 구현했다는 것이다. 어쩌면, 테슬라 전기자동차가 최고 시속 250km, 제로백 1~100km를 도달하는 시간 4.4초, 최대출력 417마력은 분명하게, 전기모터에 의해 구현되기가 가장 어려운 부분이라고 할 수 있다.


[그림 13] 테슬라 전기자동차 모델 S 운전석

테슬라 전기자동차 모델 S의 운전석 바로 옆을 보면, 
터치 플레이 가능한 17인치 디스플레이가 보인다. 이 17인치 디스플레이를 통하여 차량 전체의 상태를 체크하고 제어할 수 있으며, 배터리 상태, 이미지 센서,
블랙박스, 인터넷 및 내비게이션이 모두 통합적으로 제어 가능하다는 것을 잘 알 수 있다. 여기까지만 보았다면, 테슬라 전기자동차가 컴퓨터로서 완벽하며, 매력적인 17인치 디스플레이만 본 것이다. “진정 테슬
라 전기자동차에 대해서 솔직히 아는 게 없는 것이다”

그럼 여기서 이 글을 읽는 독자 분들에게 가장 근본적인 질문을 해보겠다. 테슬라 전기자동차는 “왜? 회사 이름이 테슬라(TESLA)일까?”  테슬라社의 이름은 유도전동기(IM: Induction Motor) 아버지인 니콜라 테슬라(Nikola Tesla)12의 이름에서 비롯된 것이다. 12니콜라 테슬라(Nikola Tesla: 1856년~1943년):교류(AC)전류로 동작하는 유도 전동기 및 교류 시스템, 테슬라 코일(특고압 승압회로) 발명. 라디오, 레이더 및 무선전력 전송발전에 기여한 오스트리아 헝가리 제국 출신의 미국 과학자. 수년간 에디슨 수하에서 연구하였지만, 에디슨과 연구 성향(性向)이 달라서 그만둔 후, 철도 사업가인 웨스팅하우스(Westinghouse)와 손잡고 교류(AC)시스템을 이용하여 전력사업 발전에 기여했다. 후대의 과학자들이 그의 공
로를 기념하여 자기장의 단위를 테슬라[T]로 명명(命名)하였다.

현재 전 세계 대부분의 전기자동차 회사 토요타, GM, 미쓰비시, 닛산, 현대·기아 등의 회사는 모두 영구자석 동기전동기(PMSM)를 사용하여 전기자동차를 상용화하고 있다. 하지만, 테슬라社는 전 세계에서 유일하게 유도전동기(IM)를 사용하여 전기자동차를 상용화한 회사라는 점이 가장 큰 차이점이다. 전기기계 및 전력전자 분야 전문가인 필자가 간단하게 설명하자면, 영구자석 동기전동기(PMSM)는 고정자는 권선이 감겨져 있는 강판이며, 회전자가 영구자석으로 되어있기에 제어가 잘되는 장점을 가진다.
반면, 유도전
동기(IM)는 고정자는 권선이 감겨져 있는 강판이고, 회전자가 도체[정확히, 알루미늄 다이케스팅(Aluminum Diecasting)]로 되어있으며, 회전자의 회전속도가 동기속도 보다 늦기에 제어가 잘 되지 않는 약점이 있는 모터(전동기)이다.


13 한창수 외 공저. 주변국 동향 파악을 통한 전기자동차 핵심부품·소재연구, 한국산업기술진흥원 최종보고서, 2010.04. pp. 104 참조하여 업데이트 함.
<표 2>는 전기자동차에 사용되는 주요 모터인 유도전동기(IM) 및 동기전동기(PMSM)를 비교한 것이다. 영구자석 동기전동기(PMSM), 또는 유도전동기(IM) 모두 가장 큰 단점은 바로 기존의 가솔린(휘발유) 또는 디젤자동차의 엔진과 비교하여 출력이 매우 낮다는 것이다. 모터(Motor)는 일반적으로 마력(HP: Horse Power)을 단위로 쓰는데, 1마력은 약 750[W]이다. 일반적으로 중형 자동차가 100마력[HP] 내·외이고, 대형차 또는 스포츠카가 200~300마력[HP]이 필요한 것을 감안하면, 동기전동기(PMSM) 또는 유도전동기(IM)라는 모터의 가장 큰 약점은 100마력[HP]을 넘기기 어렵다는 것이다.
그래서 운전을 좀 하시는 분들은 가끔 
[그림 14]와 같은 표지판을 보았던 경험이 있을 것이다. 전기기계 및 전력전자 분야 전문가14로서 테슬라 전기자동차를 보았을 때, 가장 크게 감동한 부분은 “어떻게 전기 모터로 이렇게 대단하고, 훌륭한 전기자동차를 만들었을까?” 라는 생각이다. 14 필자는 ‘전기기기 설계’(도서출판 더하심, 2017년 1월 출판)를 집필한바 있다. 따라서 전기자동차의 모터가 417마력[HP]를 낸다는 것이 매우 어렵다는 것을 잘 이해하고 있다.


최고시속 250km, 제로백 1~100km를 도달하는 시간 
4.4초, 최대출력 417마력. 가솔린(휘발유) 또는 디젤 엔진으로도 417마력[HP]의 엔진을 구현하기 어려운데... 모터로 417마력[HP]의 전기자동차를 만든다??...이거 불가능에 도전하는 것이다.....이제 본 지면에서 그 비밀을 소개하고자 한다.  많은 분들이 [그림 15]와 같은 테슬라 자동차의 프레임을 한번쯤은 보았을 것이다. 테슬라 전기자동차의 구조는 생각보다 간단하다. 후륜구동 방식으로 뒷바퀴에 모터와 인버터15가 있으며, 그 사이에 기어박스가 배치되어 있고 차체의 바닥은 배터리로 구성되었음을 알 수 있다. 15 인버터(Inverter): 모터의 속도 및 토크 제어를 위한 전력변환장치, 일반적으로 6개의 전력용 스위치로 구성되어 있다.

그리고 테슬라 자동차의 모델S [그림 16]은 유도전동기
(IM)를 사용하고 있다. 전문가로서 모터의 사이즈를 보면 대략 그 출력이 예상되는데.... 이 정도의 모터로는 417마력[HP]은 커녕 그 1/2인 200마력[HP] 200마력[HP]도 쉽지 않은데...  테슬라 자동차는 실제 약 100마력[HP]의 모터를 사용하고 있다. 한마디로 이 정도 출력이면, 중형차 수준의 엔진으로 그들이 꿈꾸는 목표인 “최고시속 250[km], 제로백 1~100km를 도달하는 시간 4.4초, 최대출력 417마력”은 솔직히 힘들다. 테슬라社와 엘론 머스크 회장의 가장 큰 도전은 바로 어떻게 약 100마력[HP] 모터를 사용하여, 최대 400마력[HP] 이상의 출력을 낼 수 있는가 하는 점이다.

바로 그 비밀은 모터(Motor)의 냉각 시스템에 있다. 
테슬라 자동차와 관련된 모든 특허를 검토한 필자가 보기에 테슬라 자동차와 관련하여 최고의 특허 4개를 꼽으라면, 미국 등록 특허 US9030063호, US7489057호 및 US7579725호라고 말하고 싶다. 100마력[HP] 모터로 최대 400마력[HP]의 출력을 낸다면 모터(Motor)는 어떻게 될까? 너무나 간단하다. 한 마디로 열이 펄펄 날 것이고, 모터는 타버린다. 모터가 정해진 출력(정격)에 4배의 출력을 발생시킨다면, (물론 제대로 모터가 돌 수도 없겠지만) 모터는 근본적으로 고정자 및 회전자에서 열이 펄펄 날것이다. 테슬라社의 기술과 특허는 “모터 니가 열나니? 내가 냉각 시스템으로 열을 다 빼줄게” 바로 이것이다.
테슬라 자동차의 모터 및 배터리의 냉각 시스템과 관련하여 총 27건의 특허가 있지만, 그 중에 위의 4건이 가장 하이라이트인 이유는 100마력[HP] 모터로 최대 400마력[HP]의 출력을 내는 기술을 완성시켰기 때문이다. 
 

[그림 17, 18]은 테슬라社의 특허(US9030063호)에서 
공개한 전체적인 배치인 모터, 인버터 및 기어박스를 보여준다. [그림 19, 20]은 테슬라 자동차에서 모터 고정자 냉각시스템을 보여주는 것으로 냉매가 순환하는 통로를 보여준다. 테슬라社의 모든 기술과 특허의 하이라이트는 모터의 회전자 열을 빼내는 냉각 시스템이고, 필자가 미국 등록 테슬라社는 모터가 가진 가장 근본적인 취약점인 모터의 파워가 약한 것을 근본적으로 향상시켰다. 전기자동차가 진정한 출력의 자동차로 거듭날 수 있는 최고의 비밀은 바로 ‘모터 냉각시스템’이다. 테슬라社의 엘론 머스크 회장은 모터 회전자에 냉각시스템을 적용하기 위해 회전자가 영구자석으로 된 영구자석 동기전동기(PMSM)가 아닌, 회전자가 도체(알루미늄 다이케스팅)로 된 유도전동기(IM)를 테슬라 자동차의 주력 모터로 선택한 것이다.

그렇다면, 영구자석 동기전동기(PMSM)는 제어가 쉽지
만, 다음의 3가지 근본적인 문제점이 있었을 것이다.
- 첫째, 영구자석에서 발생하는 자기력 이상의 모터의 출력을 발생시키기 어려움
- 둘째, 회전자에 영구자석이 삽입되어 있기에 회전자 냉각 시스템을 적용하기 어려움
- 셋째, 전기자동차 모터로 영구자석 동기전동기(PMSM)를 사용한 핵심 특허는 일본의 도요타 등 주요 자동차 회사가 모두 점유하고 있음.

따라서 테슬라社의 엘론 머스크(Elon Reeve Musk) 회
장이 추구한 발상의 전환은 바로 진정한 출력의 자동차로 거듭날 수 있는 최고의 비밀을 유도전동기(IM)에서 찾은 것이고, 그래서 유도전동기(IM)로 전기자동차를 상용화시킨 회사는 오직 테슬라社 밖에 없다는 것을 알 수 있다. [그림 20, 21]을 참고하면, 테슬라 자동차는 냉매를 빨대와 같은 관의 중앙으로 보내고, 관의 외측에 스크류와 같은 것에 의해서 관의 바깥을 통하여 냉매가 지속적으로 순환하면서 유도전동기(IM) 회전자에서 발생하는 열을 냉각시키는 것을 가장 큰 기술적 특징으로 하고 있다. 그래서 필자는 감히 이렇게 말하고 싶다. 테슬라 자동차의 최고 핵심기술은 가솔린(휘발유) 및 디젤엔진을 능가하는 전기모터가 출력이 발생되도록 ‘모터 냉각 시스템’을 구현했다는 것이고, 이 점이 세계 최고의 전기자동차로 성장할 수 있는 토대가 된 것이다. 그래서 전기자동차가 가솔린(휘발유) 및 디젤 자동차를 능가하는 진정한 출력의 자동차로서 상용화했다는 점이다. 그 비밀을 유도전동기(IM)에서 찾았고, 그 기술을 아름답게 완성했기에 그래서 이 자동차 회사의 이름이 바로 테슬라(TESLA)인 것이다.

*
이 글을 쓰는 필자로서 독자 여러분에게 제가 느낀 감동이 충분히 전달되었는지는 모르겠다. 하지만 분명한 것은 테슬라 자동차의 최고 기술인 ‘모터 냉각시스템’만으로 모든 기술을 다 알았고 감동하기에는 너무 성급하다.  테슬라 자동차의 모든 특허를 검토한 필자가 보기에 진정한 출력의 자동차로 완성한 또 다른 비밀은 ‘리튬-이온 배터리 시스템’에 있다. 다음 호에서는 테슬라 자동차의 또 다른 비밀인 ‘리튬-이온 배터리 시스템’에 대하여 소개할 것이며, 여러분과의 계속된 만남을 기대한다.
 

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