월간전기



전기자동차 기술 및 특허 동향 - 테슬라 자동차를 중심으로

2017-06-01

Ⅱ. 전기자동차 최신 기술개발 현황 및 테슬라 자동차 인기의 비결 - HEV, PHEV, BEV 및 FCEV 자동차 비교 및 테슬라 자동차의 장점에 대하여 [그림 10]에서 전형적인 내연기관인 휘발유, 경유 및 LPG 차량의 경우 순수한 화석에너지를 사용하고 있으며, Citroen社의 C2는 정지 시 엔진을 정지하여 연료를 저감하는 Micro HEV로 5~10%만 전기에너지를 사용하고 있다. 혼다社의 시빅(Civic)은 기존에 내연기관 엔진에 전기모터로 보조하는 Soft HEV로 10~25% 정도의 전기에너지를 사용하고 있다. 도요타社의 프리우스(Prius)는 전기모터가 출발과 가속 시에만 역할을 하는 것이 아니라 주행에 주된 역할을 하는 Hard HEV로 25~40% 정도의 전기에너지를 사용하고 있다. GM社의 쉐보레 볼트(Chevrolet Volt)는 기본적으로 전기모터로 구동되지만, 배터리의 에너지 공급 범위를 넘어서는 거리는 내연기관 엔진을 이용하여 발전기를 돌리는 방식의 Plug-in HEV로 50~100%의 전기에너지를 사용하고 있다. 닛산社의 리프(Leaf) 및 테슬라社의 모델 S, X, 3는 순수하게 배터리의 전기를 사용하는 방식이며, 도요타社의 FCHV-avd는 연료전지 전기자동차(FCEV)로 가장 친환경적인 자동차이다. [그림 10] 에너지 사용률에 대한 자동차 분류 2. 테슬라 자동차 인기의 비결 이제까지 대표적인 HEV, PHEV, BEV 및 FCEV 전기자동차에 대하여 살펴보았고, 모터의 사용정도(전기화 정도)에 따라서 ①Micro(Mild) HEV ②Soft(Power Assist) HEV ③Hard(Full) HEV에 대해 분석하였다. 이상에서 테슬라 전기자동차는 4가지 전기자동차 중 BEV(배터리 전기자동차)이며, 완전 무공해(無公害)로 가장 향상되고 이상적인 전기자동차라고 할 수 있을 것이다. 그럼 테슬라 자동차가 특별히 돌풍을 일으키는 인기의 비결에 대해서 보다 구체적으로 살펴보겠다. 1) 자동차의 개념을 완전히 변화시키다 - 시각성 탁월 디스플레이 및 수납공간 및 넓은 프렁크(Frunk) 등 테슬라 자동차의 경우 기존의 내연기관 자동차와 다른 방식의 설계를 채택하고 있다. 기존의 자동차 생산방식은 금속판을 찍어서 틀을 만들어 내고 용접과 페인트칠을 한 후 인테리어를 거쳐 최종적으로 자동차를 조립하는 방식을 채택하고 있다. 현대의 내연기관 자동차는 수십 개의 컴퓨터가 모여서 1개의 자동차로 디자인 된다. 또한, 대략 60~70개의 개별로 동작하는 컴퓨터, 20여개 회사에서 제작된 각기 다른 소프트웨어 및 130kg이 넘는 전선으로 구성된다. 테슬라 자동차의 혁신은 바로 기존의 자동차 제조방식과 전혀 다른 설계 시스템에 있다. 자동차를 움직이는 모든 소프트웨어가 단일(單一) 시스템으로 통합되었다는 것이다. 테슬라 자동차는 ‘바퀴달린 컴퓨터’라고 명명하기 적합할 정도로 모든 소프트웨어가 단일 시스템으로 통합되어 컴퓨터의 수가 적고 간결하다. 또한, 소프트웨어 통합도가 가장 높은 것을 특징으로 하며, 원격 조정으로 업그레이드 가능한 컴퓨터와 같은 자동차를 구현했다는 것이다. [그림 11]은 테슬라 자동차의 모델 S 운전석, [그림 12]는 테슬라 자동차 운전석 바로 옆에 위치한 터치플레이 가능한 17인치 디스플레이다. 테슬라 자동차가 기존의 내연기관 자동차와 다른 점이 바로 자동차 운전석 바로 옆에 위치한 17인치 디스플레이와 그 기능이라고 할 수 있다. 17인치 디스플레이를 통하여 차량 전체의 상태를 체크하고 제어할 수 있으며 배터리 상태, 이미지 센서, 블랙박스(Black Box), 인터넷 및 내비게이션(Navigation), 자율주행 운전 등이 모두 통합적으로 제어 가능하다. 즉 현재까지 자동차 기업이 생산하는 자동차는 차량 중심으로 컴퓨터 및 소프트웨어가 포함된 각 부품을 교체하는 방식이지만, 테슬라 자동차는 통합적인 소프트웨어설계로 터치플레이 가능한 17인치 디스플레이를 통하여 마치 거대한 스마트 폰을 조정하는 것 같이 전기자동차를 제어하는 특징이 있다. 이와 함께 전기자동차의 혁신적인 설계를 통하여 차량의 앞에 짐을 실을 수 있는 새로운 공간인 프렁크(Frunk: 프런트+트렁크의 합성어)의 개념을 만들어가 전방충격을 가장 잘 흡수하고, 가장 넓은 수납공간을 가진 자동차를 만들게 되었다. 2) 세계 최대의 충전 인프라 구축 현재 전기자동차 상용화의 큰 걸림돌은 리튬-이온 배터리의 에너지 저장밀도 한계로 주행거리가 짧다는 것이다. 따라서 전기자동차의 충전 인프라 구축은 필수적이라고 할 수 있다. 이러한 인프라 구축을 위해서 충전기 표준 전압, 표준 커넥터의 마련이 필요하다. 또한, 전기자동차의 주행거리를 고려한 많은 충전소 설치가 필수적이라고 할 수 있다. 현재 전기자동차 분야에서 가장 앞서가는 기업이 바로 미국의 테슬라(TESLA)이며, 현재 전 세계에 전기자동차 충전소 확충에 상당하게 노력을 하고 있다. [그림 14] 미국의 테슬라 전기자동차 충전소 현재 테슬라는 미국과 서유럽에 상당수의 전기자동차 충전소를 구축했으며 중국, 일본 및 멕시코, 호주, 대만, 아랍에미리트(UAE)의 대도시와 고속도로 중심으로 전기자동차 충전소 구축 목적으로 집중적인 투자를 통해 세계 최대의 충전 인프라4)를 구축하고 있다. 아마 3년 이내 서울에도 테슬라 자동차의 충전소가 설치될 것으로 전망된다([그림 14]~[그림15] 참고). 현재 리튬-이온 배터리를 사용하여 세계 최고의 전기자동차 기술을 보유한 테슬라 전기자동차의 경우 주행거리가 430km(최대 480km)다. 미쓰비시, 닛산, 현대, 르노의 전기자동차 주행거리가 140~160km인 점을 고려하면, 전기자동차 충전소의 확충이 필수적이라고 할 수 있을 것이다. 따라서 현재 테슬라의 경우 미국과 서유럽, 중국, 일본 및 호주 등에 전기자동차 충전소의 집중적인 확충을 바탕으로 공격적인 마케팅을 펼치고 있으며, 전기자동차의 대표주자로 자리매김을 하고 있다. 3) 전 세계 전기차 중 최고의 성능 보유 - 급속 충전, 최고속도 및 최장 주행거리 전기자동차를 상용화하는데 또 다른 가장 큰 문제점은 충전시간이라고 할 수 있을 것이다. <표 3>은 세계최고의 기술을 보유한 테슬라社를 비롯하여 다수의 전기자동차 회사의 최고속도, 주행거리 및 완속(緩速)충전시간 비교를 나타낸다. 테슬라 자동차는 현재 전기자동차 분야에서 최고속도와 최장 주행거리의 자동차의 상용화에 성공했으며, 더불어 급속충전을 위하여 슈퍼충전소(Supercharger, [그림 14], [그림 15] 참조)를 전 세계 곳곳에 운영하고 있다. 현재 테슬라社의 급속충전은 배터리 80% 충전에 30분, 100% 충전에 1시간이 소요되고 있어 이제까지 상용화된 전기자동차 중에서 최고의 급속충전 성능을 보이고 있다. 4) 테슬라 자동차의 가장 큰 매력, 최고의 가성비, 경제성 및 저렴한 유지비 테슬라 자동차의 가장 큰 인기비결은 무엇인가? 아주 간단하게 이야기하면, 가성비(가격대비 성능) 및 유지비용이 가장 우수하다는 것이다. 기존의 테슬라社 모델 S 및 모델 X의 경우, 약 1억 원 정도5)로 매우 고가였다. 이는 벤츠, 페라리, BMW 등 최고급 사양의 자동차 가격과 맞먹어서 일반 대중(大衆)이 구입하기에는 경제적인 부담이 많았다. 하지만, 2016년 3월 테슬라 자동차는 가격이 약 1/2로 저렴한 모델 36)을 발표했고, 예약판매를 했다. 약 2년 후에나 자동차를 인수받을 수 있는데도 몇 주 만에 사전예약이 30만 명을 돌파할 정도로 폭발적인 인기를 누리게 되면서, 전기자동차 업계의 돌풍을 일으키고 있다. 2년 넘게 기다려야 차를 인수받는데, 왜 이렇게 인기가 많은 것일까? 그 이유는 간단하다. 일반적인 자동차 운전자에게 1억 원 정도의 테슬라社 모델 S 및 모델 X는 매우 부담스러운 가격이지만, 약 1/2가격의 테 슬라社 모델 3은 대중들이 신형 자동차에 그 정도는 지불할 용의가 충분히 있다는 것이다. 기존의 휘발유 자동차와 비교하여 전기자동차의 경우 유지비가 상당히 저렴하다. 어쩌면 테슬라 자동차의 가장 큰 돌풍 의 이유는 가성비와 경제성 및 유지비가 최고라는 점 때문이다. 본고에서 전기자동차 최신 기술개발 현황 및 테슬라 자동차 인기의 비결을 살펴보았다. 현재 연구되고 있는 4가지 대표적인 HEV, PHEV, BEV 및 FCEV 전기자동차의 기술적 특징 및 장·단점을 살펴보았으며, 테슬라 전기자동차가 돌풍을 일으키는 이유를 분석했다. 테슬라 자동차는 ▲첫째, 시각성이 탁월한 디스플레이 및 수납공간이 넓은 프렁크(Frunk)를 갖는다. 마치 휴대폰과 같은 신개념 전기자동차 구현에 성공했다. ▲둘째, 세계 최대의 충전 인프라 ▲셋째, 급속 충전, 최고속도 및 최장 주행거리 등 전기자동차 중에서 최고의 성능 및 ▲넷째, 최고의 경제성, 가성비 및 유지비를 보이기 때문에 소비자의 마음을 흔들고 있는 것이다. 여기에다 테슬라 자동차의 차체(車體) 디자인도 상당히 매력적이어서, 남녀를 불문하고 모든 운전자를 유혹하고 있다. * 이제 테슬라 자동차는 특정 부유층을 위한 고가(高價) 자동차가 아닌 대중(大衆)의 니즈(needs)를 만족시키며, 완전 무(無)공해의 친환경 대중의 자동차로 변신에 성공한 것으로 보인다. 그래서 분명한 것은 조만간 테슬라 전기자동차를 대한민국 서울에서 자주 보게 될 것이며, 대한민국에서 테슬라 자동차가 달릴 날이 얼마 남지 않았다. 마치 2007년 스마트 폰이 처음 나왔을 때, 모든 모임의 대화 주제가 스마트 폰이 되었던 것처럼, 테슬라 자동차가 한국 서울에 달린다면, 사람들의 대화 주제가 테슬라 자동차가 될지도 모르겠다. 이제 거리를 지나면서, “우와!! 테슬라 자동차다!!”라는 말을 하게 될 것이다. 분명한 것은 사람들의 관심과 환호, 그 속에는 엄청난 기술적 혁신이 녹아있다는 것이고, 그 혁신이 우리의 눈앞에 현실로 다가왔기 때문이다. 다음 호에서는 어떤 기술로 인하여 테슬라 자동차가 대중이 환호하는 세계 최고의 전기자동차가 되었는지 보다 구체적으로 핵심 특허기술에 대하여 살펴보겠다. [그림 16] 2016년 3월 테슬라 자동차 모델3 사전 예약장 모습 < Energy News >