기계/조선

TOYOTA Technical Review_2021.2 (p6~11)

다양화하는 가치와 자동차 제조
신형 미라이(MIRAI)와 GR야리스(Yaris)

● 친환경차의 새로운 모델을 제안하는 신형 미라이의 개발

1. 머리글

자동차는 지금까지 인류에게 이동의 자유를 가져다 주고 경제∙사회∙문화의 발전에 크게 기여해왔다. 그러나 한편으로는 지구 환경에 여러 가지 영향을 미치고 있으며 온실가스(CO₂)로 인한 이상기온이 세계 각지에서 발생하는 등, 우리가 생각하는 것 이상으로 지구 환경이 영향을 받고 있다.

도요타도 환경문제를 가장 중요한 과제 중 하나로 인식해 다양한 기업 활동을 추진해 왔으며, 2015년에 지속 가능한 사회 실현에 기여하기 위한 새로운 도전으로서 ‘도요타 환경 챌린지 2050’를 설정. 2050년을 목표로 6가지 도전을 내걸었다.

그 중 신차에 대해서는 주행 시의 CO₂ 배출량을 90% 감축(2010년 대비)한다는 높은 목표를 설정해 그 이정표로서 2030년 신차 판매에 있어서 전동차를 550만대 이상으로 하되, 그 중 100만대 이상을 EV(전기차), FCV(연료전지차)로 한다는 목표를 공표했다.

다시 말해, 세계적으로 널리 전동차 보급을 확대시킴으로써 CO₂ 감축과 환경 개선에 기여해 나간다는 방침이다.

2. 수소에너지에 도전하는 의의

수소는 CO₂ 배출량의 절감 효과와 더불어, 에너지 문제를 대응하는데 있어서 중요한 아이템이라고 생각한다. 수소는 ‘물’의 형태로 지구상에서 가장 풍부하게 존재하는 원소 중 하나이며, 자원 고갈에 대한 걱정 없이 전기에 비해 에너지 밀도가 높아, 수송 및 저장의 관점에서도 유리하다. 풍력이나 수력, 태양광 발전 등을 통해 만들어진 전기로 물을 분해하여 수소를 제조해 저장∙수송을 함으로써 자연에너지의 비계획성을 보완함과 동시에, 에너지의 지역적 편재를 제정하는 것이 가능하다.

이처럼 수소에는 지속 가능한 사회의 에너지로서 상당한 기대를 받고 있으며, 수소사회 실현을 위한 정부의 정책 (수소∙연료전지의 로드맵)에도 제시되어 있다.

그 수소를 연료로 하는 연료전지 자동차(FCV)는 ‘높은 에너지 효율’ ‘짧은 연료 중전 시간과 긴 상속거리’ ‘주행 중에 유일하게 물만 배출’이라는 특징을 가지고 있으며, 서스테이너블(Sustainable)한 모빌리티를 실현하는 ‘궁극의 친환경차’로 자리매김해, 수소사회의 실현에 FCV의 보급이 불가결하다고 사료된다.

3. 진정한 보급을 목표로 크게 진화한 신형 미라이

이 ‘궁극의 친환경차’인 미라이는 FCV의 보급과 그 이후의 수소사회 실현을 위한 상징적인 존재로 거듭나길 바라고 있다.

초대 미라이는 도요타가 2014년에 세계 최초로 시판한 양산형 FCV이며, ‘자동차의 새로운 100년을 위한 수소에너지 사회 실현의 선구자가 되는 자동차’로서 개발해, 지금까지 전세계에서 1만대 이상을 판매했으며 FCV시장 개척에 큰 방향을 일으켰다.

제2세대인 신형 미라이는 초대 모델에서의 미숙한 점의 개선은 물론, 자동차 본유의 매력을 크게 진화시킴으로써 ‘FCV이기 때문에 선택한 것이 아니라, 이런 자동차를 원했고 그게 바로 FCV 미라이였다’라는 말을 들을 수 있도록 목표를 세웠다. 그러기 위해서는 환경 조건뿐만 아니라, 디자인이나 스타일링, 패키지, 동력 성능, 조종 안정성, 안전 성능 등 모든 면에서 진화 및 심화를 실현시킬 필요가 있다고 판단되어, 장대한 계획을 세우는 것부터 시작했다.

우리는 이 커다란 도전을 이뤄냄으로써 FCV의 새로운 매력을 창출하고 그 가능성을 넓혀, 보다 많은 고객에게 FCV의 ‘새로운 매력’을 선사할 것이다. 그리고 FCV가 한층 더 보급될 수 있도록 힘을 더욱 보태고 싶다. 이와 같은 생각을 실현시키기 위해 신형 미라이의 개발은 플랫폼을 재검토해 탑재를 포함한 유닛 설계를 쇄신하는 등, 진정으로 고객이 원하는 자동차를 만들기 위해 스타일링의 개발을 추진해왔다.

3.1 신개발의 제2세대 도요타 퓨얼셀(Fuel Cell) 시스템
개발에 대한 도전에는 여러 가지가 있으며, 그 중에서도 가장 중요하다고 할 수 있는 FC 시스템 개발은 커다란 도전이었다.  2014년에 개발한 도요타 퓨얼셀 시스템(TFCS)으로부터 유닛 레이아웃을 큰 폭으로 변경하면서 경량, 콤팩트, 성능 면에서도 비약적으로 향상시켰다.

또한 본격적인 양산을 가능하게 하는 생산 혁신도 추진함으로써 양산성 또한 비약적으로 향상되어 보급을 향한 연간 약 3만대 규모의 양상 체제를 구축할 수 있었다.

3.2 차량 패키지와 플랫폼 (P/F) 선택
차량 패키지는 승차감, 편리함, 디자인 및 성능 등 차량의 모든 것을 결정짓는 상당히 중요한 요소이다. 특히 FCV에 있어서는 FC 스택 및 수소 탱크 등 유닛의 배치가 패키지를 결정하는데 있어서 중요한 열쇠를 쥐고 있기 때문에 이번 신형 미라이의 패키지 기획에서는 다음과 같은 2가지의 커다란 착안점에서부터 시작했다.

① 항속거리 확대에 필요한 충분한 수소 탑재량의 확보
② 초대 미라이에서는 아쉬웠던 승차감과 디자인성의 향상

위의 두 가지 실현을 위해 제일 먼저 P/F 검토부터 시작했다. 목표로 하는 P/F가 무엇인지에 대해 모든 P/F를 감안해 검토를 진행했다. 특히 고객이 안심하고 탈 수 있도록 충분한 항속거리를 실현하기 위해 FC 스택의 발전 효율 향상과 더불어, 물리적으로 수소 탑재량을 늘리는 것을 목표로 했다. 또한 승차감과 디자인성 향상을 시야에 두고, 초대 미라이에서는 프런트 시트 아래에 탑재했던 FC 스택을 신형에서는 스택 본체의 소형화와 함께 후드 아래에 탑재하는 것을 목표로 했다.

이것들에 대해 반복적으로 검토해 최종적으로 GA-L 플랫폼을 선택. FC 스택을 프런트에 탑재하는 등, 유닛의 레이아웃을 재검토해 3개의 고압 수소탱크를 ‘〒 자(우편 모양)’으로 배치, 수소 탑재량을 초대 미라이의 4.6kg에서 5.6kg으로 증가, 뒷좌석의 승차감도 대폭적으로 향상시킬 수 있었다.

또한 차량의 높이를 낮출 수 있게 되어 비율이 좋은 디자인을 이끌어냄과 동시에, 중량물을 차량 중앙 하부에 배치함으로써 저중심화와 전후 배분의 최적화가 가능하게 되어 운동 성능의 향상에도 크게 기여하고 있다.

3.3 ‘직관적으로 느껴지는 감성적인 디자인’을 추구
제2세대인 차기 미라이의 중요한 사명은 자동차 본래의 매력을 크게 진화시키는 것에 있다. 디자인은 그 가운데 가장 중요한 요소 중 하나로, 친환경차이지만 세련미가 느껴지는 차량을 만들고 싶다라는 바램에서 디자인 개발이 시작되었다. 디자인 개발의 테마는 ‘Silent Dynamism’. ‘FCV이기 때문에’ 또는 ‘친환경차이기 때문에’가 아닌 스타일링으로 선택될 수 있는 ‘감성적인 디자인’ 실현이란 목표 아래, 도로 위를 달리는 모습이 아름다운 ‘속도감 넘치는’ 차체의 비율과 대담한 차체 표면의 변화, 캐릭터 라인에 의존하지 않는 ‘미니멀하지만 여유 있는 조형’을 추구하는 디자인 개발을 추진했다.

인테리어 디자인은 신형 미라이가 목표로 하는 차내의 감성 가치로서 ‘운전하는 즐거움’과 ‘첨단적인 분위기 속의 편안함’이 고차원적으로 융합된 새로운 사적 공간을 창조하는 것을 목표로 했다. 이를 위해 미니멀한 기능 표현과 탑승자를 감싸는 듯한 소재의 새로운 코디네이션을 통해 운전하는 즐거움/고양감, 탑승자의 편안함을 동시해 만족시킬 수 있는 인테리어 디자인을 추구했다.

3.4 높은 퀄리티와 ‘Fun to Drive’를 겸비한 차량 성능
신형 미라이의 차량 성능은 디자인의 이미지에 맞는 ‘주행이 시작된 순간부터 진동이나 소음이 없는 높은 퀄리티를 느낄 수 있으며 기분 좋게 스피드를 낼 수 있는 Fun to drive를 즐길 수 있는 자동차’를 목표로 기획되었다.

3.4.1 차량의 운동 성능(속도감, 운전 시의 안정감, 승차감)
FCV는 모터 구동만이 가진 진동∙소음이 적다는 특성뿐만 아니라 파워풀 하고 엑셀 조작의 반응성이 좋아 선형적(線形的)인 가속 성능의 우수함이 호평을 받고 있다. 또한 주행 상황에 맞게 차량 속도 및 하중 이동을 컨트롤해 손쉽게 가속도와 감속도를 얻을 수 있도록 구동력 성능을 설계했다.

더 나아가 가속도 및 높은 주행 속도에도 안심하고 운전을 즐길 수 있도록 ‘진동이 적은 승차감’, ‘묵직한 조종 안정감’, ‘반응성이 좋아 한계가 높은 선회 성능’은 본 차량 개발에 있어 가장 주력했던 점이다.

이를 위해 전후 중량 배분은 50:50이 되도록 파워레인 부품을 배치했고, 바디의 단단함 느낌을 구현하기 위해 후방 바디를 변형시켜 강성(剛性) 향상 효과를 낼 수 있도록 설계를 추진했다.

3.4.2 NV(진동∙소음) 성능
NV 성능은 ‘주행이 시작된 순간부터 높은 퀄리티를 느낄 수 있는’ 성능을 목표로 했다.

FCV는 엔진으로 인한 진동∙소음은 없지만, 그로 인해 기존의 차량에서는 느낄 수 없었던 미세한 노이즈가 부각된다. 이 때문에 ‘풍절음’이나 ‘로드 노이즈’는 물론, ‘FC 시스템 기기의 작동음’과 ’모터 노이즈’에 대해서도 발생음 저감, 마운트 구조 연구를 통한 전달력 저감, 바디의 흡차음(吸遮音) 등을 도입해 고품질의 NV 성능을 실현했다.

한편, 진동∙소음이 적음에도 불구하고 높은 회전력(Torque)의 가속감은 모터 구동 차량만이 느낄 수 있는 감각으로, ‘조용하게 스피드를 내는 것’이 특징이지만 보다 운전의 즐거움을 높이기 위해 ‘가속 사운드’를 개발했다.

이 가속 사운드는 ‘감성적인 디자인’에 상응하는 음색을 차량 속도, 가속도, FCV의 흡기와 발전 상태 등에 따라 제어하기 때문에 차와 운전자가 커뮤니케이션 할 수 있는 ‘가속 사운드’로 제작했다. 꼭 그 성능을 체험해보길 바란다.

3.4.3 항속거리 확대를 위한 노력
‘Fun to Drive’에는 항속거리에 대한 안심도 중요하다. 후속 거리를 늘리기 위해서는 보다 많은 수소를 탑재해 주행 저항(공기 저항과 타이어 회전 시의 저항)을 저감하는 것이 핵심이다. 이를 위해 차량 바닥 밑에 수소 탱크를 3개 탑재했지만 전체 높이를 낮출 수 있는 공력 패키지를 채택해 풀언더커버(차량 하부를 보호하기 위해 차량 하부 대부분을 플라스틱이나 금속 재질로 된 커버를 장착한 것)를 통해 바닥 밑을 평활하게 했다. 또한 프런트 디자인 개발, 유닛 개발과 면밀하게 연계해 디자인성을 헤치지 않게 발전과 냉각에 필요한 공기를 주입. 효율적인 바람의 흐름을 가능하게 했다.

타이어 개발에 있어서도 제동 정지 거리, 로드 노이즈, 조작 안정성, 승차감 등 고차원적으로 양립시키면서 타이어의 회전 마찰을 낮췄다.

또한 발열원이 없는 EV 차량은 난방에 많은 에너지를 소비한다는 점이 항속거리에 큰 영향을 미치는데 반해, FCV는 발전 시의 열을 난방으로 유효하게 활용할 수 있다. 스티어링 히터, 시트 히터, 통풍시트 등 인체를 직접 냉∙난방하는 장치를 설치해 이를 일괄하여 효율적으로 자동 제어하는 ‘ALL AUTO’ 기능도 구비, 항속거리에 대한 영향을 최소화하면서 에어컨의 쾌적성도 확보했다.

3.4.4 충돌 안전 성능
초대 미라이에서 FC 유닛의 레이아웃을 큰 폭으로 변경해 차량 바닥 밑에 고전압의 모터 유닛과 고압의 수소 탱크를 3개 탑재하는데 있어서 충돌 안정성은 중요한 성능으로, 개발 초기부터 이에 대한 연구에 주력했다. 신형 미라이는 각국의 충돌 안전 성능 어세스먼트에서 탑 클래스 레벨의 충돌 안전 성능 확보는 물론 ‘고전압으로부터의 탑승자 보호’와 ‘수소 누출 방지’에 대해서도 안전 성능을 확보했다.

3.5 안심∙안전의 첨단 장비
3.5.1 최신 첨단 안전 기능을 탑재
자동차를 안심 및 안전하게 즐길 수 있도록 하는 것이 도요타의 자동차 개발의 베이스이다. 이번 신형 미라이에 있어서도 지금보다 더욱 진화된 최신 예방 안전 패키지 ‘Toyota Safety Sense’를 탑재해, 최첨단 예방 안전 기술을 폭넓게 채택했다. 또한 사회문제가 되었던 액셀의 페달 조작 미스로 인한 사고에 대해서도 예방 기술 개발을 추진해, 장애물이 없는 경우에도 패달을 잘못 밟았을 때 가속을 억제할 수 있는 장비를 준비했다.

3.5.2 도요타의 고도운전지원 (Toyota Teammate)
신형 미라이에서는 사람의 감각에 비중을 둔 최신 고도운전지원 기술로서 ‘Toyota Teammate’를 채택했다. ‘Toyota Teammate’는 사람과 자동차가 교류하면서 운전 효율을 높여간다. 자동차가 사람을 대신해 운전을 할 경우에도 단순한 교체가 아닌, 사람과 자동차가 한 팀을 이루는 것처럼 함께 운전한다는 도요타 특유의 사고방식을 바탕으로 개발되었다.

드라이버와 자동차가 대화하는 속에 서로의 상태를 확인해 보완함으로써 안전 운전과 쾌적한 이동을 가능하게 하는 기술인 것이다.

4 환경 성능과 사회 공헌

4.1 FCV의 특성을 살린 공기 정화 시스템
알려진 바와 같이 FCV는 수소와 산소가 반응했을 때 부생성 물질로서 만들어지는 ‘물’이 유일한 배출물로, 주행 중 CO₂ 배출이 제로인 점 등 이전부터 환경 성능이 높은 차량으로 인지되어왔다. 이 FCV에 새로운 부가가치 창출을 목적으로 발전(發電)을 위해 주행 시 공기(산소)를 흡입하는 FCV만이 가진 특성을 살려 흡입한 공기를 정화해 배출하는 ‘공기 청정 시스템’을 개발했다. 공기를 흡입할 때 고성능의 공기청정기를 통과시킴으로써 대기를 정화시킨다는 발상으로, 대기 중의 PM 2.5 제거 효율 향상을 위해 먼지 필터에 일렉트렛(Electret) 가공을 추가, 화학물질 제거를 위한 케미컬 필터 탑재를 시행했다.

4.2 차체 부품에 리사이클 알루미늄 재료 활용
주행 중의 CO₂ 배출 제로뿐만 아니라 LCA(Life Cycle Assessment)의 관점에서도 제조 과정에서의 CO₂ 절감을 전방위적으로 추진하고 있다. 이번에 새롭게 자동차용 바디 프레스 부품 최초의 기술로서 알루미늄 제조사 내 피복 재료를 포함한 공정 내 여분의 조각들을 리사이클한 알루미늄 후드를 채택, LCA에 기여할 수 있는 신규 기술을 내제화할 수 있었다.

4.3 유사시 도움이 되는 외부 급전 기능
FCV는 발전(發電)을 하면서 주행하는 전동차라는 특징을 활용해 급전 차량으로서의 측면도 가지고 있다.

최근 일본에서도 자연 재해로 인한 대규모 정전 등이 산발적으로 발생하고 있으며 실제로 피난소나 가정집 정원에서 FCV의 유력이 발휘되었다.

신형 미라이에서는 항속거리 확대와 함께 급전 기능도 강화해 더욱 편리성 향상을 도모했다. 1,500W까지의 가전제품의 경우, 차내에 2곳 설정된 AC 100V 콘센트를 통해 직접 급전이 가능하고, 대량의 전력이 필요할 경우에는 AC 변환기(별도 판매)를 이용해 최대 9kW까지 전력 공급을 할 수 있다.

도요타는 FCV가 비상시의 대용량 급전기로서 사회의 공기(公器) 역할을 할 수 있도록 이 기능을 표준 설정했다.

5 마무리

미라이는 2014년에 초대 모델이 발매되어 전세계적으로 1만대 이상이 판매. 많은 고객들에게 FCV의 존재를 알리고 사랑 받게 되었다.

사회적으로도 ST정비 등의 인프라 확충도 추진되어 수소사회 실현을 향해 착실하게 나아가고 있다. 한편, 사회적 정서도 달라지면서 자동차에 있어서의 환경 기술도 크게 진화되어 여러 가지 형태의 전동차 개발이 추진되고 있는 가운데, 수소사회 실현을 위해서는 FCV를 보다 많이 보급시켜야 할 필요가 있다. 이를 위해서는 누구나가 갖고 싶다고 생각되는 자동차를 목표로 개발∙생산에 관련된 직원 모두 일체가 되어 개발에 주력해왔다.

그리고 완성된 신형 미라이의 환경 성능이 좋은 것은 당연. 도시의 혼잡 속에 기분전환을 위해 우아하고, 럭셔리하며 조용하게 도로를 드라이브하며 향하는 곳은 외곽의 구비길. 전동차다운 빼어난 속도감과 기분 좋은 핸들링으로 마음 내키는 대로 운전하다 보면 어느새 미소 짓고 있는 자신을 발견하게 된다. ‘이 정도로 엑셀을 세게 밟아도 될까?’라고 자문하지만, 센터 디스플레이에 표시된 ‘에어 청정 미터’가 신형 미라이는 ZEV(Zero Emission Vehicle)보다 더 나아간 마이너스-에미션카라는 것을 알려준다. ‘원하는 만큼 밟아주세요, 지구를 위해’라고.

이러한 미라이가 지지를 받음으로써 FCV의 새로운 가능성이 제시되고, 수소사회 실현을 향한 두 번째, 세 번째 도약의 발판이 되는 것을 염원해본다.

 -- 끝 --