구동장치

→ 현황

기후보호 기여, 신규 시장 개척, 화석 연료 의존도 경감. 모빌리티와 특히 자동차제조산업에 관해 새로운 인식이 움트고 있다. 전기모빌리티의 계속적 발전은 전 세계 자동차 산업계의 미래지향적 주제이다. 전기모빌리티는 기후친화적 모빌리티의 열쇠이다. 이는 특히 정책 규정 때문에 촉진된다. 이 규정에 따르면 유럽 자동차 회사는 2020년까지 자사 신차 전체의 이산화탄소 배출량을 평균 95g/km로 감축해야 하기 때문이다.

포르쉐의 미래는 전기차에 있다. 6년 이내에 판매되는 포르쉐 2대 중 1대에 전기구동장치가 장착될 것이다.

실제로 전기자동차의 수효는 비약적으로 급증하고 있다. 총수효가 2018년 초까지 약 320만대로 증가했다. 이는 전년에 비해 55% 늘어난 수치이다. 이 통계에는 전기로 충전되는 모든 차량, 다시 말해 플러그인 하이브리드 차량도 포함되어 있다. 시장은 주로 중국에 의해 주도된다. 중국에서는 현재 120만대 이상의 전기차가 운행된다. 2017년에만 해도 57만 9천대가 추가되었다. 미국에서는 2017년 19만 5천대 증가하여 75만대 이상에 도달했다. 독일에서는 보급률이 비교적 저조하다. 하지만 54,490대 늘어나 92,740대에 이르렀다. 신규등록 비율은 1.6%였다. 성장률이 2017년 수준과 비슷하게 유지되면, 2025년에는 전기자동차 연간 신규등록 건수가 전 세계적으로 2,500만대 이상이 될 것이다.

포르쉐의 미래는 전기차에 있다. 포르쉐는 다른 어떤 독일 자동차 제조사보다 더욱 신속히 전기 모빌리티로 전환하고자 한다. 2025년에는 판매되는 포르쉐 2대 중 1대에 전기구동장치가 장착될 것이다. 포르쉐는 2019년에 최초의 전기차 모델 타이칸을 출시할 예정이다. 판매대수는 연간 약 2만대에 이를 것으로 추산된다. 이는 911의 현재 판매대수의 3분의 2에 해당한다.

→ 과제

산화질소 및 CO₂부문 정책 기준치뿐만 아니라 도시화도 자동차 제작산업의 전기화를 촉진시키고 있다. 세계는 도처에서 도시화되고 있다. 2007년부터는 도시주민과 시골주민의 수가 같아졌다. 아시아와 아프리카 일부 지역에서는 도시화가 최고속도에 이르고 있다. 도쿄, 뭄바이, 상하이 등의 거대도시는 도시화 진행의 상징이다.

도시화가 자동차산업에 미치는 영향은 엄청나다. 포르쉐의 가장 중요한 임무는 스포츠 성능이 탁월하고, 디자인이 독특하며, 긴 주행거리 덕분에 일상생활에도 유용한 차량을 개발하여 이러한 변화에 보조를 맞추는 것이다. 그러려면 다음과 같은 과제를 해결해야 한다. 성능과 효율성, 주행역학과 일상적 유용성에서 새로운 척도를 설정하는 전기자동차를 개발하려면 어떻게 해야 할까? 배터리의 무거운 중량을 상쇄시키려면 어떻게 해야 할까? 전기 차량에서 전형적 포르쉐의 승차감을 느끼려면 어떻게 해야 할까?

→ 포르쉐의 길

바이삭의 엔지니어들은 포르쉐 최초의 순수 전기차를 위한 구동장치 컨셉을 개발했다. 이 컨셉은 모든 포르쉐가 지향하는 원칙인 ‘지능형 성능’ 원리에 따른다. “우리는 타이칸에 영구자기화 동기엔진(PSM)을 채택했습니다.”라고 구동엔진 프로젝트 책임자 하이코 마이어(Heiko Mayer)는 말한다. “이 엔진은 높은 전력밀도로 강한 연속출력과 최대 효율을 제공합니다.” 르망 챔피언인 919 하이브리드에 사용된 것과 같은 동기엔진 2대가 쉴 새 없이 회전운동을 일으키며, 이 회전운동은 언제든지 불러올 수 있다. 이러한 일이 일어나는 것은, 항상 자기화되어 있는 로터(회전자)가 스테이터(고정자)의 자기장에서 회전운동을 하게 되기 때문이다.

PSM 전기엔진은 전기애그리게이트엔진 가운데 터보엔진이다. 이 엔진은 매우 높은 성능과 최고의 효율성으로 깊은 인상을 준다. 타이칸에서는 엔진 1대가 후방액슬을 구동하며, 다른 1대가 전륜을 구동한다. 두 엔진의 공동출력은 440kW(600마력) 이상이며, 500km의 주행거리를 보장하는 충전지에서 전력을 공급받는다. 이 엔진들은 3.5초 이내에 타이칸을 100km/h로, 12초 이내에 200km/h로 가속한다. PSM 구동장치는 강한 연속출력을 통해 매우 효율적이고 균일하게 전기에너지를 출력으로 변환시키면서도 비교적 적은 열을 발생시킨다. 전기구동장치가 장착된 포르쉐는 물론 원형루트에서도 우수한 성능을 보인다.

그뿐 아니라 PSM 엔진은 매우 소형으로 제작할 수 있다. 마이어는 이렇게 말한다. “그러므로 출력데이터가 동일한 엔진을 훨씬 작고 가볍게 설계할 수 있습니다.” 공간을 더욱 절약하기 위해 전기엔진의 솔레노이드 코일이 이른바 헤어핀 기술로 제작되어 있다. “코일을 구성하는 전선이 원형이 아니라 사각형입니다.”라고 포르쉐의 전기구동장치 책임자 나저 아부 다카(Naser Abu Daqqa)는 설명한다. “그리하여 전선이 더욱 밀착되고 코일기계에 더 많은 구리를 넣을 수 있어, 동일 용적에서 출력과 토크가 상승합니다.” 타이칸의 출력전자장치도 효율성에 최적화되어 있다. 배터리의 직류전압을 전기엔진용 교류전압으로 변환시키는 인버터는 보통의 경우와 달리 고정 주파수가 아니라 연속 가변 주파수로 작동한다. “그리하여 전기엔진이 항상 최상의 동작점에서 작동합니다.”라고 마이어는 설명한다. 그밖에 냉각장치도 지능형 성능을 제공한다. 온도 센서가 실시간으로 냉각 필요를 파악하면, 소프트웨어가 냉각수를 정확한 위치로 보낸다. 운전자가 액셀을 힘껏 밟으면 냉각장치도 최대로 작동하여 엔진이 안정적 출력을 발휘하게 한다. 

배터리

→ 현황

배터리는 전기차의 핵심부품이다. 전기자동차는 내연 엔진에 비해 더 비싸고, 주행거리가 짧다. 오늘날에도 인프라 및 전력공급 구조가 충분치 않아, 고객의 관심을 많이 끌지는 못하고 있다. 충전지 안전도 고객을 불안하게 한다. 배터리를 만드는 회사의 과제다. 전기차 배터리 요구사항은 매우 까다롭다.

“주행거리는 고객에게 가장 중요한 구매기준 중에 하나입니다.”라고 포르쉐의 전기모빌리티책임자 오트마 비체(Otmar Bitsche)는 말한다. 현재는 최신 리튬이온 기술의 고압배터리가 기준이 되고 있다. 이 배터리의 에너지함량은 현재 약 270Wh/kg(킬로그램당 와트시)에 이른다. 휴대폰과 충전지 발전과 마찬가지로 전기차 배터리 기술도 연간 최대 5%의 지속적 발전을 보이고 있다.

전기모빌리티의 중요성이 커짐에 따라 전 세계 개발자들은 최상의 솔루션을 찾으려고 노력한다. 신종 원료로 기존의 리튬이온 기술을 최적화하는 방법도, 고채 전해질을 기반으로 완전히 새로운 배터리 기술을 발명하는 방법도 연구되고 있다.

→ 과제

세가지 중요한 요인이 발전을 결정짓는다. 첫째는 중량이고, 둘째는 온도이며, 셋째는 원료 이용 가능성이다. 먼저, 이론적으로는 오늘날에도 500km 이상의 주행거리가 가능하지만, 파워팩의 중량이 핸디캡으로 작용한다. 따라서 리튬이온을 최대 밀도로 채운다. 충전지에 리튬이온이 더 많이 들어갈수록, 동일한 공간에 전자와 에너지를 더 많이 저장할 수 있다. 이를 위해서는 셀의 원자 및 분자 차원에서 물리적 화학적 과정이 변화된다. 다음으로, 배터리는 최적 온도에서 완벽하게 작동한다. 리튬이온 충전지는 20~40°C에서 최상으로 기능한다. 이는 충전할 때도, 주행모드일 때도 마찬가지이다. 끝으로, 자동차 제조사들에게는 두 가지 중요한 과제가 아직 남아 있다. 원료의 충분한 이용 및 지속적 채굴 가능성이 그것이다. 이 두가지 문제에도 포르쉐는 치밀하게 대비하고 있다.

→ 포르쉐의 길

‘중량보다 속도’가 바이삭의 모토다. 포르쉐는 무거운 충전지를 장착하기보다 신속한 충전에 초점을 맞추고 있다. 고속 충전을 위해 직렬 및 병렬로 연결된 약 400개의 셀에 전류가 흐른다. 각 셀의 전압은 약 4V이다. 간단히 말해 배터리 관리장치의 제어를 받아 800V 충전지가 생긴다.“이때 충전 시나 방전 시에 전체 온 영역에서 엄청난 배터리 출력을 보장하는 것이 중요한 문제가 됩니다.”라고 포르쉐 에너지 저장 시스템 책임자 니나 로벤슈타인(Nora Lobenstein) 은 말한다. 솔루션은 지능형 충전 프로토콜과 효율적 열교환 시스템으로서, 이는 충전지를 신속하게 가열하여 작동 온도에 이르게 하고, 집중 사용 시(다시 말해 고출력 필요 시나 고속충전 시) 충전지를 확실하게 냉각한다. 포르쉐 고속충전시스템의 목표는 15분 만에 400km 주행에 필요한 에너지를 충전하는 것이다. 800V 기술의 이점은 충전을 위한 정지시간이 단축되고 자동차의 전기케이블이 가늘어지는 것이다. 중량이 줄어드는 이유다.

포르쉐 차량은 다른 브랜드 차량보다 훨씬 긴 수명을 자랑한다. 포르쉐 충전지도 그래야 한다.

로벤슈타인에게 충전지 문제는 이것으로 해결된 것이 아니다. 바이삭에서는 지속가능성이마케팅 슬로건으로 그치지 않는다. 따라서 포르쉐 개발자들은 배터리를 향후 재사용할 수 있는 방안을 집중 연구한다. 기본적으로 포르쉐 차는 다른 브랜드 차보다 훨씬 긴 수명을 자랑한다. 포르쉐 충전지도 그래야 한다. 최소한 두 번은 사용할 수 있어야 한다. 

충전

→ 현황

충전스테이션 간의 거리가 멀고, 결제 방식이 균일하지 않다. 플러그 장비가 각양각색이고,전기네트워크가 빈약하다. 따라서 빈 충전지에 새 전류를 저장하려는 시도는 쉽게 진전되지 않는다. 수백만대의 전기자동차용 최신 충전스테이션을 전 지역에 설치하기 위한 국제 표준은? 아직까지 마련되어 있지 않다. 기본적으로 전도성 충전과 유도성 충전은 전혀 다른데도 말이다. 전도성 충전은 차와 전기네트워크 사이의 에너지 전달이 충전케이블과 플러그장치로 이루어진다. 유도성 충전은 차와 전기네트워크를 연결하는 케이블 없이 전자기로 충전된다.

케이블 충전인 전도성 충전에서는 기존의 400V 전원콘센트를 통한 최대충전전력 22kW의교류충전과 최대충전전력 350kW의 직류충전이 구별된다. 교류충전은 일반적으로 가정과 직장에서 사용되고, 직류충전은 주행 중 급속 재충전에 사용된다. 교류충전을 위해서는 고정장착된 월박스 혹은 콘센트와 차량 연결에 적합한 충전케이블이 필요하다. 공공 교류충전폴에서는 CCS 플러그가 부착된 특수 케이블만 있으면 충분하다.

추가로 필요한 전기에너지는 2025년까지는 어느 정도 전망이 가능하다. 전기모빌리티로 인해 발생하는 에너지수요는 지역에 따라 다르지만 처음에는 미미하게 증가할 것으로 추산된다. 2035년에 이르러서야 필요한 전기가 분명하게 늘어날 것이라고 한다. 원인은 중국의 발전 때문이다.

→ 과제

차에서 내려, 연료캡을 열고, 노즐을 꽂고, 요금을 결제하고, 몇 분 뒤 다시 주행한다. 자동차 운전자에게 익숙한 주유 방식이다. 현재 전기차 충전에 필요한 기술이 기본적으로 이용 가능하며, 이미 충전인프라 건설이 전 유럽에서 시작됐다. 하지만 고속도로 및 도시지역에서 전기차를 위한 간편하고 신속한 충전과정을 정착시키려면 국제 협약이 필요하다. 이러한 합의는 당연한 일이 아니다. 정책이 필요한 일이다. 오늘날 드문드문 산재하는 고속충전폴은 50kWh(킬로와트시) 이상은 공급하지 못한다. 약 1시간 동안 충전해야 250km의 다음 구간 주행에 필요한 전자가 충전지에 저장된다. 따라서 다음과 같은 문제를 해결해야 한다. 충전속도를 높이려면 어떻게 해야 할까? 표준 충전포인트를 충분히 설치하려면 어떻게 해야 할까? 빈약한 전기네트워크를 증강하려면 어떻게 해야 할까?

→ 포르쉐의 길

전기자동차를 위해 전 지역에 충전네트워크를 구축하는 데는 여러 해가 걸릴 것이다. 이를 앞당기기 위해 포르쉐도 협력한다. “충전속도를 높이려면 충전출력이 좋아야 한다는 것은 두말할 필요가 없습니다.”라고 포르쉐 충전 인프라 건설 책임자 파비안 그릴(Fabian Grill)은 말한다. 그의 직원들은 속도 개선을 위한 중요한 전제조건을 해결했다. 순수하게 배터리로 구동하는 최초의 포르쉐 스포츠카 타이칸은 800V 배터리로 작동한다. 이러한 기술적 가능성을 공공장소에서도 활용하기 위하여 포르쉐는 고속충전인프라 건설을 추진하고 있다.

포르쉐는 3가지 충전옵션을 추구한다. 첫째 충전폴이나 유도성 바닥플레이트를 이용한 가정에서의 충전, 둘째 기존의 인프라를 활용한 도시에서의 충전, 셋째 유럽의 주요 간선도로에서의 충전이다. 이를 위해 핵심 역할을 하는 것은 아이오니티(Ionity)라는 회사다. 포르쉐는 BMW 그룹, 다임러 AG, 포드 자동차 회사, 아우디를 포함한 폭스바겐 그룹과 함께 유럽 전기자동차용의 강력한 고속 충전 네트워크를 구축하기 위한 첫걸음을 내딛고 있다. 2020년까지 총 400개 가량의 고속 충전 파크를 건설해 운영하는 일은, 장거리 노선에서도 전기차를 이용할 수 있게 한다. 시장에 정착시키기 위한 중요한 조치이다. 아이오니티 고속충전파크마다 여러 개의 충전폴이 설치된다. 이를 이용하여 차량들은 유럽의 고속도로망에서 100~150km마다 충전할 수 있다. 전기차량의 수가 증가하면 인프라도 함께 확장될 것이다. 그리하여 고객들은 2020년까지 브랜드나 출력과 관계없이 수천개의 HPC(고출력 충전의 약자) 충전포인트를 이용할 수 있게 된다. 충전포인트 당 최대 350kW를 충전할 수 있다. 이에 맞게 설계된 차의 충전시간은 현재사용 가능한 시스템보다 현저히 단축된다.

포르쉐는 개발 전문 자회사 포르쉐 엔지니어링과 함께 초고속 충전파크를 위한 독자적 모듈식 컨셉을 모색하고 있다.

‘꽂자마자 고속충전’이 모토이다. 결제는 완전 자동화된다. 포르쉐는 개발 전문 자회사 포르쉐 엔지니어링(Porsche Engineering)과 함께 초고속 충전파크를 위한 독자적 모듈식 컨셉을 모색하고 있다. 시골 충전스테이션이나 고속도로의 수많은 충전폴에서도 지능형 시스템을 추구하고 있다. 이는 충전파크를 효율적이고 수익성과 연관된 요점이다. 포르쉐 고객에게 가장 중요한 일은 전력 네트워크가 빈약한 곳에서도 차를 고속으로 충전할 수 있다는 것이다. 중간에 삽입되어 있는 버퍼배터리 덕분에 가능하다. 고속충전이란 구체적으로 설명하자면, 어떤 포르쉐 충전포인트에서든 15분만 충전하면 400km를 주행할 수 있다는 것이다. 충전폴은 은행 ATM과 마찬가지로 터치디스플레이로 손쉽게 사용할 수 있으며, 안전하다. 전 지역에 충전인프라를 건설하는 일은 미국과 중국에서도 가속화될 것이다.

부언하자면, 포르쉐의 솔루션은 모든 전기차에 범용적으로 적용할 수 있다. 제어전자장치가 전기차의 타입을 인식해 고속충전용으로 설계된 차가 아니면 충전 속도가 느려지기 때문이다. 이런 인프라가 완성되면 선구적 착상이 자명한 현실로 바뀌고 넉넉한 주행거리가 확보될 것이다.