Nikkei Automotive_2020.10 특집요약 (p66-70)

도요타, 'e-Palette'에 철도용 도어 채용
개폐방식, 내구성, 안전성 고려

도요타자동차는 MaaS(Mobility as a Service)용 자율주행 EV(전기자동차) 'e-Palette'에 후지전기의 철도용 도어 개폐시스템을 채용했다. 자동차 도어 개폐에 철도용 시스템을 사용하는 것은 이번이 처음이다. 자동차 도어 개폐시스템을 전개하는 업체에게는 강력한 라이벌이 등장한 것이다. 왜 도요타는 e-Palette에 철도용 도어 개폐시스템을 채용한 것일까?

자율주행차 'e-Palette은 사람의 이동이나 물류, 판매 등의 다양한 이동 서비스에 대응하는 MaaS용 차량이다. 차량 주위를 감시하는 센서로서 단안카메라나 LIDAR 등을 탑재해 고정밀도 3차원(3D) 지도도 이용한다.

이 차량은 길이5255ⅹ폭2065ⅹ높이2760mm로, 휠 베이스는 4000mm. 정원은 20명이다. 휠 베이스를 길게, 도어 개구부를 넓게 함으로써 많은 사람이 쉽게 승하차할 수 있도록, 큰 짐을 쉽게 싣고 내릴 수 있도록 했다. 또한 최대 4명의 휠체어 이용자가 이용할 수 있다.

e-Palette 실용화의 제1탄은 21년에 개최 예정인 ‘도쿄올림픽∙패럴림픽’이다. 도요타는 이 대회에 e-Palette을 수십 대 제공한다. 선수촌 내부를 주행하는 자율주행 EV 버스로서 선수나 대회 관계자의 이동을 담당한다.

이 차량은 미국 자동차공학회(SAE)가 정한 ‘레벨4’ 상당의 자율주행을 실시, 19km/h 이하의 저속으로 주행한다. 가감속이나 조타 등의 모든 조작은 시스템이 담당하지만 시스템에 이상이 발생했을 때는 차량에 동승하는 담당자가 수동으로 차량을 정지시킨다.

도요타가 실현을 목표하는 커넥티드 시티 ‘Woven City’에서도 e-Palette의 이용을 상정하고 있다. 거리에 정비하는 도로를 3종류로 분류해, e-Palette 등의 자율주행 차량 만이 주행하는 차량 전용 도로를 만들 계획이다.

-- e-Palette의 도어에 필요한 3개의 기능 --
현재의 노선 버스나 미니밴 등의 자동 도어는 운전자가 조작해 개폐한다. 이에 대해 e-Palette의 도어는 동승하는 담당자가 도어 개폐를 담당한다.

그럼 e-Palette의 도어 개폐시스템에는 어떠한 기능이 요구될까? 주요 키워드는 (1)개폐 방식, (2)내구성, (3)안전성이다. 이 3점을 고려해 도요타는 e-Palette의 도어 개폐시스템에 국내외의 철도 차량에 많은 채용 실적이 있는 후지전기의 ‘전기식’ 제품을 채용했다.

첫 번째 개폐 방식은, e-Palette의 도어가 좌우로 슬라이드하며 열리는 ‘양쪽 열림 슬라이드 도어’다. 차량의 사용 상황 등을 감안해, e-Palette에서는 양쪽으로 열리는 도어를 채용했다.

도어의 개폐 속도의 문제도 있다. 미니밴 등의 자동 도어는 승차하고 있는 사람의 안전을 고려해 천천히 개폐한다. e-Palette에서는 많은 승원이 신속하게 승하차할 수 있도록, 안전성을 확보하면서 개폐 속도를 가능한 한 빠르게 할 필요가 있다. 이러한 점 때문에 철도용 도어가 적합한 것이다.

-- 수백만 회의 개폐에 견딜 수 있는 신뢰성 --
두 번째 내구성은, 많은 횟수의 개폐에 견딜 수 있는 신뢰성을 말한다. 철도 차량의 내용연수는 수십 년 이상으로 길다. 도어의 개폐시스템에도 같은 내구성이 요구된다. 후지전기 사회솔루션사업부의 우에야나기(上柳) 부장은 “철도 차량의 도어 개폐시스템은 라이프사이클을 통해 수백만 번의 개폐에 견딜 수 있도록 설계하고 있다”라고 말한다.

이에 대해 자동차의 내용연수는 통상 10년 정도다. 철도 차량처럼 십수 년 이상 사용할 수 있지만 그래도 도어를 개폐하는 횟수는 철도 차량보다 훨씬 적다. 자동차용 도어 개폐시스템은 수백만 번의 개폐에 견딜 수 있도록 설계되어 있지 않다.

세 번째의 안전성은, 손가락이나 우산, 유모차, 휠체어 등이 도어에 끼일 것 같은 상황에서 바로 문을 열어 사고를 예방하거나 사고 피해를 경감하는 기능을 탑재하는 것이다. 이러한 기능은 철도용 도어에 많이 채용되고 있다.

-- ‘유리카모메’가 벤치마크 --
그래서 도요타는 무인운전 철도 ‘유리카모메’의 양쪽으로 열리는 슬라이드식 도어에 주목했다. 유리카모메의 경우는 역에 도착해 정지한 후 잠깐의 시간을 두고 문이 자동으로 열린다. 일정 시간 도어가 열린 상태를 유지한 후, 도어가 닫힌다는 것을 승객에서 소리 등으로 알리고 도어를 닫고 출발한다. 이러한 유리카모메 도어의 운용 형태나 도어의 움직임은 자율주행 차량인 e-Palette과 닮았다.

실은 e-Palette에 채용한 도어 개폐시스템은 유리카모메용으로 후지전기가 제공하고 있는 것과 기본적으로 같은 구조다. e-Palette의 도어 개구부의 폭은 유리카모메와 같다. 개구부의 상부에 탑재하는 개폐시스템의 길이도 유리카모메의 시스템과 거의 같다. “수백만 번의 개폐에 견딜 수 있는 유리카모메의 시스템이라면 e-Palette에서도 충분히 사용할 수 있다”(후지전기의 우에야나기 씨).

그러나 유리카모메의 도어 개폐시스템은 100V로 구동한다. 그러나 e-Palette 시스템의 구동 전압은 그 절반 이하다. 후지전기 사회솔루션사업부의 후지타(藤田) 씨는 “낮은 전압에서 구동하도록 시스템을 개량해 제공했다”라고 말한다.

-- TNGA의 사고방식에 합치한 모듈화 --
채용의 결정타가 된 요소는 그 외에도 있다. 시스템의 소형∙경량화와 모듈화다. 후지전기의 현행 철도용 시스템은 기존의 시스템과 비교해 14%의 경량화와 20~30%의 소형화를 실현했다. 이를 통해 철도 차량보다 크기가 작은 e-Palette 등의 자동차에도 탑재할 수 있다.

또한 복수의 구성 부품을 일체화(모듈화)하여 도요타에 납품했다. 도요타는 모듈화한 제품을 e-Palette에 장착하기만 하면 된다. 도요타는 현재 ‘TNGA(Toyota New Global Architecture)’라는 자동차의 개발 방법을 신형차에 적용하고 있다. 이 방법은 부품의 모듈화를 전제로 한다. 모듈화한 후지전기의 제품은 도요타의 자동차 제조의 사고방식에 합치했다.

-- 제어가 쉬운 전기식 시스템 --
철도 차량의 도어 개폐시스템에는 ‘공기식’과 ‘전기식’이 있다. 앞에서 말했듯이 후지전기의 제품은 전기식이다.

압축 공기를 이용해 도어를 개폐하는 공기식 시스템은 공기를 압축하는 컴프레서나 실린더, 구동기구 등으로 구성된다. 구조가 단순하고 확실하게 작동하며 고장이 적다는 이점이 있다. 현재 일본의 철도 차량의 대부분은 공기식이다. 그러나 이 시스템은 도어에 낀 장애물을 감지하는 것이 어렵고, 도어가 열려 있는 상태와 닫혀 있는 상태만 파악할 수 있다. 도어의 개폐 속도를 조정하는 것도 어렵다.

전기식 시스템은 서보모터나 구동기구, 인코더, 컨트롤러 등으로 구성된다. 인코더는 위치 결정용 센서, 컨트롤러는 도어 작동을 제어하는 장치다.

전기식은 서보 제어의 기술을 사용함으로써 장해물의 감지가 용이하다. 열린 상태와 닫힌 상태는 물론 도어의 현재 위치나 부하 상태 등을 파악할 수 있다. 도어의 개폐 속도는 소프트웨어를 통해 변경이 가능하다. 이러한 이유에서 세계의 철도 차량의 도어 개폐시스템은 공기식에서 전기식으로 대체되고 있다고 한다.

예를 들면 전기식 시스템은 장애물을 감지하는 데 센서를 사용하지 않는다. 인코더의 위치정보와 모터의 전류값의 변화를 통해 장해물의 존재를 감지한다. 무언가 도어에 닿으면 모터의 전류값이 오른다. 또한 완전히 닫힌 상태와 완전히 열린 상태는 인코더의 위치 정보가 다르다.

이들 정보를 바탕으로 장해물의 존재를 감지하고, 도어에 장해물이 끼일 것 같은 상황이 되면 자동으로 도어가 열린다. 도어의 자동 개폐 속도나 도어의 개폐 타이밍(도어를 열고 나서 닫기까지의 시간) 등은 후지전기가 개발한 소프트웨어로 제어한다.

또한 도요타는 e-Palette을 실용화하는 데 있어, MaaS용 서비스 플랫폼 ‘MSPF’를 통해 다양한 모빌리티 서비스를 제공할 계획이다. 이 플랫폼에서는 수집한 차량 정보를 차량에 탑재한 DCM(차량탑재통신기기)을 통해 도요타의 빅데이터센터 ‘TBDC’에 축적한다.

이 데이터센터에 축적한 차량 정보를 바탕으로 도요타는 e-Palette의 운행 상태(도어의 동작 상태를 포함) 등 차량의 상태를 관리한다. 후지전기의 전기식 도어 개폐시스템은 이러한 도요타의 차량관리시스템에도 대응할 수 있다고 한다.

 -- 끝 --

Copyright © 2020 [Nikkei Automotive] / Nikkei Business Publications, Inc. All rights reserved.