고전압

시트에 딱 붙어 앉으시라. 포르쉐 타이칸 터보 S의 가속 페달을 끝까지 밟으면, 안정적인 자세로 앉아야 하는 1만 2000가지 이유를 누구나 경험하게 된다. 전기 스포츠카 최상위 모델이 네 바퀴에 일순간에 1만 2000N・m에 이르는 토크를 전달하면 (포르쉐 타이칸 터보 S (유럽 기준) 전기 소모량 복합: 25.6–24.3kWh/100km, 복합 CO₂ 배출량: 0g/km (2021/03 기준)), 운전자와 동승자는 숨이 멎을 정도로 강하게 뒤로 밀려 쿠션에 파묻힌다. 한데 모은 동력을 지체 없이 완전히 분출하고, 프런트와 리어 액슬에 배치한 두 전기모터에서 나온 추진력을 최고 속도에 이를 때까지 일정하게 유지한다. 이러한 역동성은 아드레날린처럼 포르쉐의 독특한 구동 기술에 활력소가 된다. 저명한 자동차 관리 센터(Center of Automotive Management, CAM)가 2020년 전 세계에서 가장 혁신적 모델로 타이칸을 선정한 결과는 우연이 아니다. 포르쉐에 혁신이란 항상 극한을 추구하는 기술을 뜻한다. 타이칸은 이전에 아무도 시도해 본 적이 없는 방식으로 전기 구동 장치의 잠재력을 활용한다. 

포르쉐가 전기 구동 콘셉트를 구상한 시기는 최근이 아니다. 몇십 년 전도 아니고 벌써 120년이 넘었다. 당시 청년 페르디난트 포르쉐는 휠 허브에 전기모터를 결합해 달리는 전기차를 개발했다. 사상 초유의 발명품이었다. 전기 자동차의 잠재력에 자극받은 페르디난트 포르쉐는 야심 차게 레이싱카 개발에 매달렸다. 휠 허브 전기모터 네 개를 갖춘 레이싱카는 전 세계에 최초로 선보인 4륜 구동 승용차였다. 

초창기에 나온 단순한 직류 전기모터는 이미 오래전에 정교한 기계 바뀌었지만, 물리적 기본 원리는 여전히 동일한 자기력이다. 자석은 항상 N극과 S극으로 나뉘는데 다른 극끼리 끌어당기고 같은 극끼리 밀어낸다. 소립자의 상호작용에 기반한 영구자석도 있다. 자기장은 전하가 운동할 때도 생긴다. 전자기력을 증폭하기 위해 전기모터 안에 있는 전도체를 코일 형태로 배열한다. 전기모터 설계 방식에 따라 전자석과 영구자석을 두 가지 구성 요소로 배치한다. 고정한 부분은 스테이터, 회전하는 부분은 로터라고 한다. 전압이 주기적으로 발생하면 끌어당기는 힘과 밀어내는 힘이 발생하면서 회전자에 회전 운동이 일어난다. 

모든 유형의 전기모터를 자동차 구동계로 사용할 수는 없다. 포르쉐는 영구 자화 동기식 기구(Permanently excited synchronous machine, PSM)를 이용한다. 가격이 저렴하고 널리 사용하는 비동기식 기구(Asynchronous machine, ASM)와 비교해 PSM은 과열이 덜 일어나 연속해서 높은 출력을 내므로 임의로 출력을 낮추지 않아도 된다. 포르쉐 PSM은 3상 교류 전압을 사용하는 전력 전자 장치가 공급과 제어를 담당한다. 전기모터의 회전 속도는 0을 중심으로 양에서 음으로 진동하는 교류 전압의 주파수에 따라 결정된다. 

타이칸에 사용하는 전기모터에서 펄스 제어 인버터는 고정자의 회전 영역 주파수를 지정해 회전자의 회전수를 조절한다. 회전자에는 네오디뮴-철-붕소 합금으로 만든 고품질 영구 자석이 들어 있다. 영구자석은 강력한 방향성을 보이는 자기장을 이용해 자화되는 제조 과정을 거쳐 만든다. 영구자석을 사용하면 제동 시 회수 과정을 거쳐 매우 많은 에너지를 회생할 수 있다. 오버런 모드에서는 전기모터가 회생 모드로 바뀌고 자석은 전압과 전류를 고정자 코일로 유도한다. 포르쉐 E 모터의 에너지 회생 성능은 경쟁차 중에서 가장 우수하다. 

기술을 극한까지 추구한다는 포르쉐 DNA는 타이칸 전기모터의 특성인 이른바 헤어핀 감기 방식에도 드러난다. 헤어핀 감기 방식에서 고정자 코일은 원형이 아닌 직사각형 와이어로 구성된다. 연속 릴에서 뽑아내는 구리 와이어를 이용하는 전통적인 코일 감기와 달리, 헤어핀 기술은 성형에 기반한 조립 방식이다. 직사각형 구리 와이어를 개별 부분으로 나누어 헤어핀처럼 U자형으로 구부린다. 개별 헤어핀을 코일이 들어가는 고정자 적층에 끼워 넣는데, 직사각형 단면이 서로 위에 놓이도록 쌓는다. 이런 방식이 헤어핀 기술의 결정적인 장점이다. 와이어 밀도를 높여 고정자에 더 많은 구리를 넣을 수 있다. 전통적인 코일 배치 방식은 구리 충진율이 50% 선에 머문다. 포르쉐 기술을 적용하면 70% 수준으로 높아져서, 코일 설치 공간이 같아도 출력과 토크를 키울 수 있다. 코일은 헤어핀 와이어의 끝을 레이저로 용접해 만든다. 중요한 장점은 또 있다. 인접한 구리 와이어 사이에 균일한 접촉으로 인해 열전달이 개선되어서, 헤어핀 고정자의 냉각 효율이 훨씬 높아진다. 전기모터는 에너지를 90% 이상 추진력으로 변환한다. 내연기관과 마찬가지로 손실 에너지는 열로 바뀌고 열은 배출되어야 하므로, 전기모터에도 냉각수 재킷이 필요하다. 

영구 자화 동기식 모터를 정확하게 제어하려면 전력 전자 장치가 회전자의 정확한 각도를 파악해야 하는데, 이때 리졸버가 필요하다. 리졸버는 자기 전도성 금속으로 만든 회전자 디스크, 자화 코일 한 개와 수신 코일 두 개로 구성된다. 자화 코일이 생성한 자기장은 변환기를 거쳐 수신 코일로 전송된다. 수신 코일의 위상이 회전자 위치에 비례해 변환하면서 전압을 유도하고, 제어 장치는 이 과정에서 나온 정보를 토대로 회전자의 정확한 각도를 계산한다. 펄스 인버터라고 부르는 이 제어 장치에 포르쉐의 노하우가 응집되어 있다. 펄스 인버터는 800V 전압 배터리의 직류를 교류로 변환해 E 모터 두 개에 공급하는 역할을 한다. 포르쉐는 800V 전압 시스템을 최초로 구현한 제조사다. 이전에 포르쉐 919 하이브리드 레이싱카를 위해 개발한 전압 시스템을 양산 모델에도 적용한다. 더 얇은 케이블 덕분에 무게와 설치 공간을 줄이고 충전 시간도 단축한다. 

전기모터의 분당 최대 회전수는 1만6000rpm에 이른다. 역동성, 효율성, 최고 속도를 모두 다 누리는 포르쉐의 고유한 특징에 맞게 회전수 범위를 최적으로 활용하도록, 앞뒤 구동장치에 각각 자체 기어박스를 배치했다. 타이칸은 리어 액슬에 2단 변속기를 업계 최초로 도입한 전기 스포츠카다. 1단 기어는 기어비가 아주 짧다. 프런트 액슬에는 유성 기어 감속기가 동력을 바퀴에 전달한다.

이런 구성으로 타이칸 터보 S는 강한 힘을 낸다. 프런트 액슬에서 E 모터에서 나오는 440N・m 토크는 기어를 거치면서 3000N・m로 바뀌어 바퀴에 전달된다. 리어 액슬에서는 610N・m 토크를 1단 기어가 9000N・m로 키운다. 기어비가 긴 2단 기어는 높은 속도에서도 효율성과 예비 출력을 보장하는 임무를 해낸다.

포르쉐는 미래지향적 첨단 기술을 세부 부분까지 적용해 전기 구동 장치의 시대에도 혁신의 전통을 이어간다.