Nikkei Automotive_2020.2 특집 요약 (p46-65)

테슬라 파워의 원천을 파헤치다
통합 ECU의 충격

미국 테슬라의 기술력은 어느 정도일까? 실력을 확인하기 위해 테슬라의 첫 본격 양산차 ‘모델3’를 구입해 분해해 봤다. 연간 50만대 규모를 계획하고 있는 전기자동차(EV)의 내부를 보고 가장 크게 놀란 것은 자율주행만이 아니라 차량 전체를 제어하는 통합 ECU(전자제어유닛)다. 3kg에 미치지 못하는 ‘두뇌’는 테슬라의 파워의 원천이다. 동시에 자동차업계의 부품공급망(서플라이체인)을 완전히 바꿀 영향력을 갖는다.

Part 1. 테슬라의 전자플랫폼
도요타나 폭스바겐보다 6년 먼저 이상형 플랫폼 도입

신형 EV나 자율주행 개발에 주목이 집중되고 있는 테슬라. 그러나 테슬라의 파워의 원천은 다른데 있다. 차량탑재 전자플랫폼(기반)이다. 기존의 자동차업체가 25년 이후에 도입 예정인 ‘이상형’ 플랫폼을 빨리 도입했다. 이 실용화는 자동차업계의 기존 서플라이체인을 붕괴시킬 가능성을 안고 있다.

“우리 회사는 불가능하다”. 어느 국내 자동차업체의 기술자가 테슬라의 차량탑재 컴퓨터를 보고 백기를 들었다.

테슬라는 양산 중인 EV ‘모델3’나 ‘모델S’ 등에 ‘HW3.0’이라는 차량탑재 컴퓨터를 탑재한다. 내장하는 반도체를 자사 개발해 자율주행과 인포테인먼트 등의 기능을 통합 제어하는 ECU의 역할을 일임했다.

차량탑재 전자플랫폼의 중핵으로 고성능 컴퓨터를 설치하는 아키텍처는 ‘중앙집중형’이라고 불린다. 자동차업계의 관계자는 이구동성으로 “실용화는 25년 이후”라고 설명해 왔다.

한편 테슬라가 HW3.0을 도입한 것은 19년 봄이다. 타사보다 6년 이상이나 앞선 것이다. 테슬라는 자율주행시스템의 진화에 맞춰서 차량탑재 전자 기반을 쇄신. 14년 9월에 제1세대를 투입한 이후에는 2~3년이라는 극히 짧은 사이클로 개발을 추진하고 있다.

압도적인 속도로 구축한 테슬라의 중앙집중형 차량탑재 전자기반은 다른 자동차업체뿐 아니라 업계 전체에 위협이 된다. 긴 세월을 들여 축적해 온 기존의 부품공급망을 붕괴시킬 가능성을 안고 있기 때문이다.

-- 기존업체는 서플라이체인이 부담으로 --
앞에서 말했듯이 국내의 어느 자동차업체의 기술자가 “우리 회사는 불가능하다”라고 말한 이유는 개발력이 부족하기 때문은 아니다. 우수한 인재와 거액의 연구개발비를 확보하고 있는 자동차업체라면 실현하지 못할 이유가 없다.

그럼에도 불구하고 자동차업체에 의한 실용화는 25년 이후로 늦다. 최대 이유는 ‘속박’이다. 이는 동시에 신흥세력인 테슬라가 파워를 발휘할 수 있는 영역이기도 하다.

도요타자동차나 독일 폭스바겐을 포함해 기존의 자동차업체가 차량탑재 전자기반을 변경하지 못하고 있는 이유는 부품업체의 업무를 빼앗을 수 있기 때문이다. 중앙집중형으로 변경하면 ECU의 수는 극감한다. 많은 ECU를 출하하며 사업 규모를 확보하고 있는 부품업체에게는 사활이 달린 문제다. 때문에 자동차업체는 신중해질 수 밖에 없다.

결과적으로 수십 개의 ECU가 복잡하게 얽혀있는 ‘스파게티 상태’의 전자기반을 계속 사용할 수밖에 없다. 지금까지 자동차업체의 성장을 지원해 온 강고한 서플라이체인이 부담이 되기 시작했다.

-- 전자기반은 내제(内製)에 집착하다 --

Part 2. 통합 ECU에서 리드
소수 정예의 ECU가 경쟁력으로

테슬라의 ‘모델3’ 차량의 분해를 통해 모델3가 다른 차량과 압도적으로 다른 점이 밝혀졌다. 불과 몇 개의 ECU로 ‘주행하고, 회전하고, 정지하는’ 제어를 완결시킨다. 전자플랫폼의 중핵인 통합 ECU의 처리 칩은 내제(内製)다. 자동차업계의 상식을 무시하고 개발한 통합 ECU는 테슬라의 경쟁력의 원천이 되기 시작했다.

‘모델3’의 인스트루먼트 패널의 안쪽에서 ‘핵심’이 모습을 드러냈다. 테슬라가 독자 개발한 통합 ECU다. 컴퓨터의 연산처리 성능은 초당 144조회(TOPS)로 높고, 소비전력은 72W에 달한다. 방열 대책으로서 고비용의 수냉 기구를 갖추고 있다.

이 컴퓨터의 이질적인 특징은 도요타자동차나 미국 제너럴모터스(GM) 등이 19년 10월에 설립한 자율주행 컴퓨팅 컨소시엄 ‘AVCC(Autonomous Vehicle Computing Consortium)’의 대응을 비교하면 알기 쉽다.

“25년의 양산차에 탑재할 수 있도록 개발해 나가고 싶다. 저가의 공냉시스템으로 하기 위해서는 소비전력은 30W가 한계다”. 이렇게 말하는 것은 도요타의 대표로서 AVCC를 담당하는 Toyota Research Institute-Advanced Development(TRI-AD)의 바이스 프레지던트 다니구치(谷口) 씨다.

다니구치 씨는 “차량탑재 컴퓨터는 비경쟁 영역이었으면 좋겠다고 생각한다”라고 말한다. 개발 규모가 상당히 커지고 있는데 자동차업체별로 개발하는 것은 비효율적이라고 판단했다.

AVCC가 제시한 자동차업계의 상식적인 로드맵이나 성능 요건을 완전히 무시하는 테슬라. 자율주행용의 차량탑재 컴퓨터의 내부에 인포테인먼트용 기판도 탑재해 통합 ECU로 만들었다.

모델3는 ‘주행하고, 회전하고, 정지하는’데 관련된 제어를 통합 ECU와 3개의 바디계 ECU만으로 집중 관리하고 있다는 것을 분해를 통해 알았다. 이 차량탑재 전자플랫폼은 ‘중앙집중형’이라고 불린다. 테슬라는 ECU의 수를 극단으로 줄여 경쟁력을 높이는 전략을 채용했다.

-- 몇 개의 ECU로 차량을 제어 --
-- 통합 ECU에 ‘Made in Taiwan’이라는 글자 --
-- 카메라는 ‘이미지처리칩 리스’로 --
-- Mobileye나 NVIDIA를 사용하지 않는다 --
-- 쉽게 카메라의 수를 늘릴 수 있도록 --

Part 3. 자율주행 기능의 실력
ACC 작동 시의 자동 브레이크를 시험하다

테슬라가 개발한 자율주행용 컴퓨터의 성능을 어느 정도일까? 실력을 확인하기 위해 긴급 자동브레이크 기능을 독자적으로 평가했다. 수동 운전뿐 아니라 차속을 자동 조정하는 ACC를 작동시킨 조건도 설정. ACC 작동 시에는 테스트 드라이버가 혀를 내두를 정도로 원활하게 감속했다.

“지금 브레이크를 밟았나요?” 테스트 드라이버에게 확인을 할 정도로 자연스럽게 정지했다. 브레이크 페달을 밟지 않고도 보행자 역할의 인형 약 4m 앞에서 자동차는 멈췄다. 독자적으로 실시한 테슬라 ‘모델3’의 자동 브레이크 시험의 한 장면이다.

이번에 설정한 것이 ACC(Adaptive Cruise Control)를 이용하고 있는 상황에서의 자동 브레이크 시험이다. ACC는 차속을 유지하거나 선행 차량과 적절한 차간 거리를 유지하며 추종하거나 하는 것. 테슬라는 운전지원시스템 ‘Autopilot’의 기능의 하나로서 ACC를 준비한다.

비교를 위해 ACC를 오프로 하고, 운전자가 엑셀/브레이크 페달을 조작해 일정한 차속을 유지하며 충돌 타깃을 향해 돌진하는 시험도 실시했다.

-- 방심한 운전자를 보호할 수 있을까? --
눈 앞에 있는 보행자와의 충돌을 피하면서 운전자를 보호할 수 있을까? 확인하고 싶었던 것은 이 점이다. Autopilot를 작동시키면 시스템은 적극적으로 운전을 지원한다. 여기서 문제가 되는 것은 차량 제어를 시스템에 맡겨버리는 운전자가 나오는 것이다.

시스템을 너무 신용한 나머지 주의가 산만해진 운전자에게 테슬라 차량은 경고를 보내 주의를 촉구한다. 그렇게 해도 방심한 운전자가 돌발적인 위험을 순식간에 감지해 브레이크를 밟기는 어렵다. 운전자의 자만으로 인한 사고는 이미 많이 발생하고 있어 사회의 관심도 높다.

한편 운전지원 기능을 둘러싼 또 다른 관점으로서, 운전자 보호라는 과제가 부상하기 시작했다. 충돌 직전에 긴급 자동브레이크를 작동시키면 운전자는 태세를 미처 갖추지 못해 다칠 수 있기 때문이다.

이러한 과제는 시대가 자율주행으로 향해가는 가운데 나날이 커질 것이다. 완전 자율주행의 실현을 목표하는 테슬라는 과제를 인식하고 대책을 강구하고 있을까? 의문을 해소하기 위해 ACC의 온/오프를 통해, 보행자와의 충돌을 회피하기 위한 제어가 다른지를 실제 차량 시험을 통해 확인하기로 했다.

-- EuroNCAP의 시험에서는 최고 기록 --
-- ACC 작업 시에는 30m 앞에서부터 감속 --

Part 4. 전동 파워트레인의 진화
‘배터리 교환식’을 포기하다

‘모델3’의 파워트레인의 분해를 통해 알게 된 것은 테슬라의 견실함이었다. 다른 자동차업체보다도 먼저 일체형 구동 유닛을 채용하면서 독자적인 기술을 담았다. 인버터나 차량탑재 충전기는 SiC(탄화규소) 파워반도체를 많이 사용한다. 한편으로 배터리 팩은 ‘교환식’에 대한 이상을 버리고 우직하게 용량을 늘리는 방향으로 선회했다.

분해한 모델3는 ‘Long Range’라는 그레이드 차량. 항속거리는 WLTP(Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedure) 모드에서 560km로 길다. 전후 바퀴에 모터를 1개씩 배치하는 4륜구동(4WD) 차량으로, 시스템의 최고 출력은 307kW로 최대 토크는 510N∙m이다.

모터는 인버터나 감속기 등과 일체화한 전동구동모듈 ‘e-Axle’로서 차량에 탑재되어 있었다. 테슬라는 e-Axle을 사용하기 시작한 것은 12년에 발매한 고급세단 ‘모델S’부터로, 타사보다도 빨랐다.

-- 인버터의 질량을 1/6로 --
이번 모델3에 탑재한 e-Axle은 테슬라에게는 2대째다. 모터와 인버터, 감속기와 같은 기본 구성은 바꾸지 않고 소형 경량화, 효율 향상을 추진했다.

대담하게 쇄신한 것은 인버터다. 원통형이었던 모델S의 인버터는 감속기의 커버를 포함한 질량이 24.9kg으로 무거웠다. 한편 모델3의 인버터는 3.9kg으로 가볍다. 체적도 반감했다.

소형 경량화가 가능했던 요인 중 하나는 파워반도체에 전력 손실이 적은 SiC(탄화규소)를 채용한 것이다. 연산 10만대를 넘는 규모의 양산차량에 SiC를 채용한 것은 테슬라가 처음이다.

테슬라는 모델S에서는 Si(실리콘) IGBT(절연 게이트 양극성 트랜지스터)를 탑재하고 있었다. 모델3의 트랜지스터와 다이오드의 쌍방을 SiC로 한 Full SiC의 모듈로 변경했다.

인버터에 탑재한 파워반도체의 수의 경우, 모델S는 96개였던 것을 모델3에서는 20개 미만으로 줄였다. SiC 모듈은 이탈리아∙프랑스 합작기업 STMicroelectronics의 것이다.

인버터에 SiC 파워반도체를 이용하는데 있어서 반드시 필요한 것이 방열 대책과 비용 저감이다.

파워반도체에는 대전류가 흐르기 때문에 수냉에 방열 기구가 필수다. 테슬라는 이번에 특수한 냉각핀을 이용한 수냉 기구를 채용했다. 막대 모양의 핀에 물을 직접 닿게 해 냉각 성능을 강화한 기구는 닛산의 EV ‘리프’도 채용하고 있다.

-- 차량탑재 충전기도 SiC를 채용 --
-- 배터리 교환식 시스템은 단념 --
-- “공격적인” 배터리 셀의 배치로 밀도 향상 --

Part 5. 양산차의 바디 설계
알루미늄에서 강철로 되돌아가다

테슬라가 ‘모델3’를 통해 목표하는 것은 양산차업체라는 지위 확립이다. 그 결의를 드러내는 것이 바디다. 경량화보다도 양산성이나 비용 저감을 우선시켰다. 판매 가격을 ‘3만 5,000달러부터’로 억제하며 연간 50만대 규모의 양산을 목표하기 때문에 고급 세단 ‘모델S’에서 많이 이용한 알루미늄(Al) 합금은 최소한으로 했다.

모델3의 바디는 골격에 인장 강도가 980MPa급 이상의 고장력 강판을 적용했다. 알루미늄 합금을 사용하는 것은 외판(外板)이 중심으로, 다른 자동차업체의 모노코크(Monocoque) 바디처럼 설계했다. 골격에 고장력 강판을 사용함으로써 바디 골격의 질량 증가를 가능한 한 억제하면서 충돌 안전에 대응한다.

바디 전체를 가볍게 하기 위해 외판에서는 프런트 후드나 전후 펜더, 전후 좌우의 도어, 짐칸 도어에 AI 합금을 사용했다. 이들 부위에 AI 합금을 적용한 것은 모델S와 마찬가지다.

한편, 비용 증가를 억제하면서 전방향(전방, 후방, 측면)의 충돌 안전에 대응하기 위해 골격에는 AI 합금을 사용하지 않고 초고장력 강판을 적용했다. 전방 충돌 대응 면에서는 프런트 프레임이 고장력 강판이다.

그러나 프런트 사이드 멤버의 끝부분은 AI 합금으로 했다. 전면 충돌 시에 이 끝부분을 변형시켜 충돌 에너지를 효율적으로 흡수하기 위해서다.

센터필러나 프런트필러, 사이드실, 루프레일, 플로어∙크로스∙멤버 등에도 고장력 강판을 사용했다. 측면 충돌 시에 차량 내부나 리튬이온 배터리 팩을 변형시키지 않기 위해서다. 특히, 고강도가 요구되는 센터필러 등에는 인장 강도가 1.5GPa급의 핫스탬프(열간프레스재)를 적용했다.

후방 충돌 대응에서는 차량 후부(짐칸 부분)를 완만하게 변형시켜 충돌 에너지를 흡수시키는 구조로 했다. 때문에 짐칸 부분이나 짐칸 주변을 둘러싼 프레임 부분을 Al합금으로 했다. 프런트 후드 밑은 비어 있어 짐칸으로서 사용할 수 있다. 그 때문에 차량의 후부가 무거워진다. 짐칸 부분에 Al합금을 사용한 것은 차량 질량의 전후 배분을 50대 50으로 하려는 목적도 있다.

모델3의 바닥 부분 강판은 두께가 0.6mm로 상당히 얇다. 배터리 팩을 제외한 상태에서 사람이 타면 바닥이 휘어질 정도다. 구동용 리튬이온 배터리팩을 밑에서 바닥 부분에 밀착시킴으로써 배터리팩 측에서 바닥의 강성(剛性)과 강도를 확보하도록 했다.

한편, 모델S는 외장뿐 아니라 바닥 부분이나 필러도 Al합금판으로 구성한다. 유일하게 센터필러의 실내 측 구조재와 외판 내측에 있는 구조재는 측면 충돌 대응에서 강도를 확보하기 위해 고장력 강판을 채용하고 있었다. 외판의 Al합금판과 실내 측의 구조재와는 리벳으로 결합하고 있다.

 -- 끝 --

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