포르쉐 전기차의 비밀
E-퍼포먼스
헤어핀 스테이터부터 후축의 2단 변속기까지, 포르쉐(Porsche)는 전기 구동 시스템의 모든 구성 요소를 활용하여 효율성과 주행 역학을 새로운 수준으로 끌어올린다. 그 결과는 새로운 기준을 세우는 전기 추진력이다.
자동차에서 전기 모터의 사용에는 엄청난 잠재력이 있다. 포르쉐의 엔지니어와 개발자들은 이를 일관되게 활용할 뿐만 아니라 완전히 다른 차원으로 끌어올린다. 간단히 말해서, 이는 기술의 가능성을 가장 작은 세부사항까지 탐구하고 가능한 모든 것을 추출한다는 의미다.
포르쉐의 사고방식은 페르디난드 포르쉐(Ferdinand Porsche) 시대부터 변하지 않았지만, 기술적 요구사항은 달라졌다. 페르디난드 포르쉐는 상대적으로 단순한 직류 모터를 사용할 수 있었다.
오늘날에는 공급되는 모든 와트에서 최대한을 추출하는 고도로 발달된 전기 모터가 사용된다. 포르쉐는 구동 시스템이 무엇이든 성능에 전적으로 전념하기 때문이다.
전기 모터의 핵심 원리
모든 것의 중심에는 전기 모터의 작동 원리가 있다. 영구자석 동기 모터(PSM)와 비동기 모터(ASM)가 있다.
가장 눈에 띄는 차이점은 PSM이 더 높은 연속 출력을 제공하고 과열에 덜 취약하다는 것이다. 제공하는 많은 장점 때문에 포르쉐는 더 높은 비용에도 불구하고 PSM 기술을 사용하기로 선택한다.
타이칸 GTS(Taycan GTS)는 1월에 제어된 드리프트로 얼음 위에서 132바퀴를 완주하여 46분간 지속되며 15.503km를 커버해 세계 기록을 세웠다.
포르쉐 E-퍼포먼스의 체감
레이스 트랙에서 타이칸 GTS를 작은 스트레스 테스트에 투입했다. 지속적인 출력, 극도로 강한 제동, 코너에서의 급가속이 모두 일정에 포함되었다.
타이칸은 서스펜션과 댐핑 설정 덕분에 뛰어난 핸들링으로 인상을 줄 뿐만 아니라 놀라운 기술로도 인상을 준다.
모든 코너 출구에서의 추진력은 단순히 경이로우며 10번째, 11번째, 또는 12번째 강한 가속 후에도 일관되게 유지된다. 20km에 걸친 풀 로드 레이싱 조건에서도 타이칸의 성능은 조금도 줄어들지 않는다. 그리고 엄청난 부담에도 불구하고 브레이크는 일관된 감속을 제공한다.
물론 이러한 기동은 일상 주행에서 요구되지 않는다. 그러나 좋은 브레이크와 필요할 때 정말 빠른 가속은 실제 주행 시나리오에서 안전성과 자신감에 기여한다.
시골길에서의 추월 기동은 쉽게 실행되고, 중요할 때 브레이크는 타이칸 GTS를 빠르게 정지시킨다. 모든 것이 포르쉐에서 기대하는 바와 같다. 하지만 또한 모든 것이 새롭고, 모든 것이 전기다. 그 뒤의 기술은 무엇인가?
마칸 일렉트릭(Macan Electric)은 폴란드 포르쉐 드라이빙 센터 실레지아 링에서 열린 e-퍼포먼스 데이에서 보는 바와 같이 뛰어난 핸들링을 반복적으로 보여준다.
E-퍼포먼스 작동 원리
포르쉐의 PSM은 전력 전자장치에 의해 3상 교류로 공급되고 제어된다. 모터 속도는 영점을 중심으로 양수에서 음수로 진동하는 교류의 주파수에 의해 결정된다. 타이칸과 마칸 모두의 모터에서 스테이터의 회전 자기장 주파수는 펄스 인버터에 의해 제어되어 로터 속도를 조절한다.
한편 로터는 제조 중에 강한 방향성 자기장에 의해 영구적으로 자화되는 네오디뮴-철-붕소 합금으로 만들어진 고품질 영구자석이 장착되어 있다. 이러한 영구자석은 또한 회생 제동을 통한 극도로 높은 에너지 회수를 가능하게 한다.
타력 주행 모드에서 전기 모터는 발전기 모드로 전환되어 자석이 스테이터 권선으로 전압과 전류를 보낼 수 있게 한다. 포르쉐 전기 모터의 회생 전력은 시장에서 가장 높은 수준이다.
하지만 그게 전부가 아니다. 모터의 권선과 펄스 인버터도 최대 성능 달성에 기여한다.
핵심 구성 요소는 타이칸의 전축에서 포르쉐가 사용하는 소위 헤어핀 권선이다. 이 설계에서 스테이터 코일은 둥글지 않고 직사각형인 와이어로 구성된다.
끝없는 스풀의 구리선을 사용하는 전통적인 권선 방법과 달리, 헤어핀 기술은 성형 기반 조립 공정이다. 직사각형 구리선을 개별 섹션으로 자르고 헤어핀과 유사한 U자 모양으로 구부린다.
콤팩트한 파워
이러한 개별 헤어핀 와이어는 권선이 들어가는 스테이터 적층에 삽입되어 직사각형 단면의 평평한 표면이 서로 맞닿게 된다. 이것이 헤어핀 기술의 핵심 장점이다.
와이어를 더 조밀하게 포장할 수 있어 스테이터의 구리량을 증가시킨다. 기존 권선 방법이 약 50%의 구리 충전율을 달성하는 반면, 포르쉐가 사용하는 기술은 거의 70%에 도달한다.
이는 같은 설치 공간 내에서 출력과 토크를 증가시켜 컴팩트한 파워하우스를 만든다.
이러한 기술적 장점은 마칸과 타이칸의 후축에서 사용되는 포르쉐의 I-핀 기술에도 적용된다. 헤어핀(또는 U-핀)과 달리 I-핀은 구부리지 않고 양쪽에서 용접한다.
와이어 클립의 끝은 레이저 용접되어 코일을 형성한다. 또 다른 중요한 장점은 인접한 구리선 사이의 균질한 접촉이 열 전달을 개선하여 헤어핀 스테이터를 훨씬 더 효율적으로 냉각할 수 있다는 것이다.
전기 모터는 에너지의 90% 이상을 추진력으로 변환하지만, 연소 엔진보다는 현저히 적지만 여전히 폐열을 발생시키므로 이를 방출해야 한다. 따라서 전기 모터에는 냉각수 재킷이 장착되어 있다.
정밀한 제어를 위한 전력 전자장치
전력 전자장치는 영구 여자 동기 모터를 정밀하게 제어하는 데 중요하다. 여기서 펄스 인버터가 등장한다. 포르쉐는 이 장치에 광범위한 노하우를 투자했다.
배터리에서 800볼트 직류를 교류로 변환하여 두 개의 전기 모터에 공급한다. 원래 포르쉐 919 하이브리드 레이스카를 위해 개발된 800볼트 기술은 타이칸에서 양산 모델에 처음 사용되어 더 얇은 케이블을 통해 무게와 설치 공간을 줄이는 동시에 더 짧은 충전 시간을 가능하게 한다. 전기 모터는 분당 최대 16,000rpm에 도달한다.
주행 역학, 효율성, 최고 속도 사이의 전형적인 포르쉐 균형을 위해 이 속도 범위를 최적으로 활용하기 위해 전면과 후면 구동 장치는 각각 자체 변속기를 가지고 있다.
타이칸은 리어 액슬에 2단 변속기를 특징으로 하는 최초의 전기 스포츠카였으며, 1단 기어는 매우 짧은 비율을 가진다. 프론트 액슬은 단일 유성 기어를 사용하여 전기 모터에서 바퀴로 동력을 전달한다.
리어 액슬의 더 긴 비율의 2단 기어는 더 높은 속도에서 효율성과 최적의 동력 전달을 보장한다. 이 조합으로 타이칸 터보 S는 최대 700kW(952PS)의 엄청난 출력을 발휘할 수 있다.
터보를 위한 부스터
하지만 포르쉐와 개발자들은 지금까지 달성한 것에 만족한 적이 없다. 따라서 더 높은 성능 달성이 할 일 목록의 거의 최상위에 있다는 것은 놀라운 일이 아니다.
타이칸 특수 차량의 기술 프로젝트 매니저인 크리스티안 뮐러(Christian Müller)와 그의 팀이 이를 담당했다. “출력 증가는 최고 성능을 위해 설계된 모델의 필수 요소다. 그래서 우리는 개발 초기에 이를 다뤘다.”라고 말한다.
타이칸 터보 S와 비교하여 최상위 모델 터보 GT는 최대 10초간 최대 120kW(163PS)의 추가 출력을 부스터처럼 사용할 할 수 있다.
여기서도 펄스 인버터가 중요한 역할을 한다. 타이칸 터보 S는 600암페어(A) 인버터를 사용하여 전기 모터를 제어하고 105kWh 고전압 배터리의 직류를 교류로 변환한다.
그러나 타이칸 터보 GT의 인버터는 최대 900A의 전류로 작동하여 모터로 더 많은 전기 에너지를 보낸다. 또한 터보 GT의 인버터는 반도체 재료로 실리콘 대신 실리콘 카바이드를 사용하여 스위칭 손실을 줄이고 더 빠른 스위칭 주파수를 가능하게 한다.
“이는 상당히 개선된 효율성을 가져오며, 전기 모터의 최적 튜닝과 결합하여 더 높은 연속 출력도 달성한다”고 뮐러는 설명한다.
과거에는 엔진 배기량, 실린더, 또는 마력이 자동차 사양의 핵심 요소였지만, 오늘날에는 펄스 인버터의 강도, 충전 시간, 또는 주행 거리가 더 중요하다 – 포르쉐가 다시 한 번 최전선에 있는 범주들이다.
인버터의 변경과 함께 영구자석 동기 모터와 후축의 2단 변속기를 재조정해야 했다. 더 높은 입력 토크로 인한 증가된 부하는 변속기 구성 요소의 수정을 요구했다. 기어 쌍의 표면이 그에 따라 처리되고, 베어링이 수정되고, 클러치가 강화되었다.
305km/h의 더 높은 최고 속도를 달성하기 위해 2단 기어에 더 긴 비율이 주어졌다. 전체적으로 타이칸 터보 GT는 580kW(789PS)의 출력을 제공한다.
런치 컨트롤(LC)이 활성화되면 760kW(1,034PS)의 출력을 사용할 수 있고, 오버부스트가 있는 런치 컨트롤이 활성화되면 최대 2초간 815kW(1,108PS)를 사용할 수 있다. 런치에서 숨 쉴 시간이 없다. 순수한 흥분이 보장된다.
전기차 배터리는 얼마나 커야 하는가?
펄스 인버터의 출력과 엄청난 중요성에 대해 많이 말했다. 하지만 전기 자동차의 수용성과 지속가능성에 적어도 그만큼 중요한 것은 구동 배터리다. 적절한 주행 거리를 가능하게 하려면 에너지 저장 장치가 얼마나 커야 하는가? 출력과 효율성을 모두 달성하기 위해 어떤 셀을 사용해야 하는가?
예상대로 포르쉐는 여기서도 자체 경로를 택한다. 스포츠카 고객의 요구에 맞는 배터리 크기를 찾기 위해 우선순위와 실제 일상 사용이 고려되고 분석되었다. 주행 역학이 스포츠카 고객의 우선순위 목록에서 높다는 것은 당연하다.
반면 빠른 재충전이 가능하다면 장거리 여행에서 더 짧은 주행 거리가 용인된다. 대형 배터리는 종종 더 긴 주행 거리, 더 짧은 이동 시간, 우수한 주행 역학과 연관된다. 그러나 뉘르부르크링 노르트슐라이페에서의 랩에 대한 가상 시뮬레이션은 너무 크거나 너무 작은 배터리의 무게가 성능에 부정적인 영향을 미친다는 것을 보여줬다.
주행 거리, 성능, 지속가능성 사이의 균형에서 포르쉐는 여행 시간에 초점을 맞췄다. 약 100kWh의 배터리 크기가 최적의 균형을 제공한다.
현재 타이칸은 105kWh(총) 및 97kWh 순 용량을 가지며, 최적 조건에서 DC 충전소에서 최대 320kW로 충전할 수 있다. 이는 이전보다 50kW 높다. 증가된 충전 견고성으로 인해 300kW 이상의 높은 충전 전력을 최대 5분간 지속할 수 있다.
이는 더 큰 배터리 용량에도 불구하고 10에서 80% 충전 상태(SoC)까지 충전하는 데 필요한 시간을 거의 4분 단축하여 18분으로 줄인다.
더 높은 충전 전력과 개선된 효율성으로 단 10분 충전으로 최대 315km의 주행 거리를 추가할 수 있다. 이는 1세대 타이칸과 비교하여 40% 증가에 해당한다. 이러한 성능 데이터가 스포츠카 제조업체의 특징으로 남아있다.
포르쉐는 또한 새로운 셀 화학으로 배터리의 에너지 밀도를 약 10% 증가시켰다.
또한 최적화된 소프트웨어가 있는 수정된 펄스 인버터, 수정된 열 관리 시스템, 차세대 히트 펌프도 사용되었다.
이 모든 것은 새로운 타이칸의 WLTP 주행 거리를 거의 680km로 만들어 이전 모델보다 175km 더 길다. 이는 이전보다 장거리 여행을 훨씬 더 수월하게 만든다.
충전 정지 사이의 시간을 최대화하는 또 다른 중요한 요소는 회생 제동이다. 운전자가 브레이크 페달을 밟자마자 전기 모터가 발전기 모드로 전환된다. 바퀴를 구동하는 대신 모터가 차량을 감속시키고 동시에 배터리 충전에 사용할 수 있는 전기를 생성한다.
타이칸과 마칸 모두에서 일상 주행의 모든 제동의 최대 90%를 유압 제동 시스템을 포함하지 않고 순수하게 전기적으로 할 수 있다. 타이칸에서 엔지니어들은 최대 회수율을 290에서 최대 400kW로 30% 증가시킬 수 있었다.
800볼트 기술을 장착하고 아우디(Audi)와 공동 개발한 PPE(Premium Platform Electric)에 구축된 최초의 포르쉐 모델인 마칸도 최대 240kW의 상당한 회수 전력을 달성할 수 있다.
최적 조건에서 고전압 배터리는 적절한 충전 지점을 사용하여 최대 270kW로 충전할 수 있다. 배터리를 10에서 80%까지 충전하는 데 단 21분이 걸리고, 100km 주행 거리에 충분한 에너지를 추가하는 데 단 4분이 걸린다.
차량의 열 관리 시스템은 편안한 실내 온도를 보장할 뿐만 아니라 고전압 배터리의 최적 컨디셔닝도 보장한다. 충전소와 도착 시 예상 SoC에 따라 배터리가 최적 작동 온도로 조절된다.
마칸은 특히 추운 날씨에서 셀이 적절한 온도로 유지되도록 하는 6kW 고전압 히터를 장착하고 있다. 타이칸에서는 고전압 히터와 히트 펌프의 조합으로 최대 17kW의 난방 출력까지 달성할 수 있다.
체코 공화국 브라티슬라비체에 있는 페르디난드 포르쉐의 어린 시절 집에 파나메라 터보 E-하이브리드가 있다. 현재 브라티슬라비체인 마퍼스도르프에 뿌리를 둔 이곳은 페르디난드 포르쉐가 처음으로 기술적 능력을 발휘한 곳(우연히 전기 자동차 분야에서)이며, 이제 가끔 포르쉐 전기차가 방문한다.
포르쉐 전기차 개발은 계속 발전한다
부분적으로 배터리 기술의 발전 덕분에 앞으로 몇 년간 더 짧은 충전 시간과 훨씬 더 개선된 주행 역학이 예상된다.
일반적인 전기 구동과 관련하여 포르쉐가 터보, 터보 S, 또는 터보 GT뿐만 아니라 GTS 배지와 같은 명칭을 계속 사용한다는 것이 놀라울 수 있다. 하지만 스포츠카 제조업체는 연소 엔진 자동차에서와 마찬가지로 각 모델 버전의 성능 수준을 명확하게 나타내고자 한다.
성능과 감정은 항상 포르쉐 열정의 중심에 있었다. 이는 페르디난드 포르쉐가 개발한 첫 번째 모델들부터 변하지 않았다 – 전기든 연소 방식이든. 이를 달성하려면 새로운 아이디어, 세심한 개발 작업, 순수한 헌신이 필요하다. 포르쉐는 스포츠카 생산 초기와 마찬가지로 오늘날에도 이 목표에 전념하고 있다.