Nikkei Automotive_2021.10 특집 (p36-49)

폭스바겐의 'ID.3' 분해
EV전용 플랫폼 시대의 개막

비 내리는 요코하마항에 1대의 전기자동차(EV)가 상륙했다. 독일 폭스바겐(VW)의 ‘ID.3’다. VW이 처음으로 개발한 EV전용 플랫폼(PF)을 탑재했고, 소프트웨어 업데이트는 OTA(Over The Air)를 통해 대응한다. EV에 사운을 걸고 소프트웨어 기업으로 변신을 도모하는 VW의 기술력은 어느 정도일까? 일본에서 아직 발매되지 않은 ID.3를 유럽에서 수입해 분해한 결과, 차세대 PF의 윤곽이 드러났다.

Part 1. 폭스바겐의 EV 전용 플랫폼
엔진차의 기술 자산은 버리지 않는다

성장의 원천은 EV와 소프트웨어다. 현재 전략 전환이 한창 이루어지고 있는 독일 폭스바겐(VW). 유럽을 중심으로 진행되는 탈엔진의 방향성에 따르기 위해 차기 EV 개발을 서두른다. 그 기점이 되는 것이 최초의 전용 PF을 탑재하는 양산 EV ‘ID.3’다.

"아직 다듬어지지 않았지만 열관리 시스템을 통합화하겠다는 의지를 강하게 느낄 수 있다." ID.3 분해에 참여한 자동차 기술자는 이렇게 분석한다. 다른 전문가는 “1개의 PF으로 폭넓은 배터리 용량이나 모터 출력에 대응하는 아이디어를 엿볼 수 있다. 모듈 PF의 엔진차를 대량 생산해 온 노하우를 활용했다”라고 추측한다.

VW은 ID.3을 필두로 하는 ‘ID. 패밀리’의 EV를 25년에는 연간 150만 대 양산할 계획이다. 비용을 억제하면서 다양한 차종을 대량 생산하기 위해서 VW이 준비한 것은 EV 전용 PF인 ‘MEB(Modular electric drive matrix)’이다.

자산이냐 족쇄냐. 축적한 경험이나 어떠한 구속이 없는 미국 테슬라는 제로에서 새로운 EV를 개발했다. 그러나 엔진차의 역사를 갖고 있는 많은 자동차업체가 과거를 무시하기는 어렵다. 게다가 활용할 수 있는 지식까지 버릴 필요는 없다.

실제로 EV 전용 PF 시대의 막이 오르는 타이밍에 VW이 설계한 ID.3에는 엔진차 시대의 잔향도 감돌고 있다. 저비용의 EV를 양산하는 어려움이나 소프트로 수익을 확보하는 구조의 구축 등 VW의 개발진이 고민한 모습을 분해 차량을 통해 엿볼 수 있었다.

-- 차기 PF ‘SSP’의 개발에 착수 --
30년에 세계 판매의 50%를 EV로 한다. VW이 21년 7월 13일에 밝힌 그룹 전략이다. 진두지휘를 맡는 사람은 허버트 디스 폭스바겐 CEO다. VW은 주요 시장에서 판매하는 신차의 거의 100%를 제로 에미션(배기가스 제로) 차량으로 할 계획이다.

VW이 그룹 전략을 발표한 다음날, 유럽위원회는 자동차의 주행 중에 관한 이산화탄소(CO₂) 배출량 규제를 한층 더 강화하는 새로운 법안을 공표했다. 35년까지 100% 감축해 사실상 엔진차 판매를 금지한다.

유럽위원회의 방침과 보조를 맞춰 EV 시프트를 추진하는 VW. 그럼 디스 CEO가 “ID.3에 의해 폭스바겐의 새로운 시대가 시작된다”라고 강조하는 양산 EV는 어떤 차량일까? 가장 큰 특징은 MEB를 채택했다는 점이다. VW 최초의 EV 전용 플랫폼 MEB이지만, VW의 EV 개발 역사에서는 제2세대로 평가 받는다.

제1세대는 'e-up!'이나 'e-골프' 등의 소형 EV다. 모두 가로놓기 FF(전부 엔진∙전륜구동) 차량용 PF 'MQB(가로놓기 엔진 차량용 모듈 매트릭스)'를 유용한 EV다. 엔진차와 PF를 공용했기 때문에 탑재 공간의 사정에 의한 작은 배터리 용량이나 차량 실내의 거주성 등에 과제가 있었다.

제2세대 MEB는 부품 배치를 EV에 최적화함으로써 넓은 차내 공간을 확보했다. 리튬이온 배터리는 바닥 아래에 배치해 보다 많은 용량을 탑재할 수 있다. 전동 액슬이나 열관리 시스템과 같은 부품의 공통화를 통해 실현한 비용 저감도 간과할 수 없다.
 

Part 2. 중핵 ECU의 공격과 수비
테슬라에 육박할 수 없는 차량 탑재 네트워크

분산형에서 중앙집중형으로 이행하고 있는 전기/전자(E/E) 아키텍처. 그 과도기에 등장한 것이 독일 폭스바겐(VW)의 ‘ID.3’다. 엔진차에서는 약 70개였던 ECU(전자제어유닛)의 수를 줄였다는 것을 알았다. 과거에 분해 조사한 미국 테슬라의 ‘모델3’와의 차이도 명확해졌다.

찾고 있던 ECU는 끝까지 나오지 않았다. 자율주행/선진운전지원시스템(ADAS)을 관장하는 ‘ICAS2’다.

VW는 ID.3부터 새로운 E/E 아키텍쳐 ‘E31.1’을 도입했다. 그 핵심을 담당하는 것이 ‘ICAS(In-Car Application Server)’라고 이름 붙인 3개의 통합 ECU이다. ID.3에 탑재되었던 것은 차량제어 컴퓨터인 ‘ICAS1’과 HMI(휴먼 머신 인터페이스)용의 ‘ICAS3’의 2개다. 탑재 위치는 조수석 측의 글로브 박스와 대시 보드 사이의 공간이다. ICAS2는 자율주행용 소프트웨어나 센서 등의 개발이 완성된 단계에서 탑재를 시작할 것으로 보인다.

이렇게 발전 가능성을 남기고 있는 ID.3의 E/E 아키텍처. 차량탑재 네트워크라는 관점에서 분석해 보면 테슬라와의 설계 사상의 차이가 분명해진다. 새로운 아키텍쳐에 도전하는 VW의 다음 한 수도 알았다. 관건은 ID.3부터 대응하기 시작한 OTA(Over The Air)다. 소프트웨어로 수익을 확보하는 시스템의 구축을 서두른다.

-- 차량탑재 네트워크를 극력 배제한 테슬라 --
ID.3에서는 차종을 초월한 소프트 개발∙실행 환경 ‘VW.OS’를 채용하고 있다. 온라인 소프트웨어 업데이트를 통해 버그를 수정하거나 새로운 기능을 추가할 수 있게 하는 것이 목적이다. 이를 실현하기 위해 VW가 선택한 것이 E³1.1이었다.

ICAS1~3 이외의 ECU는 센서에서 얻은 정보를 ICAS에 보내는 것과 ICAS로부터 받은 제어신호에 따라 액추에이터를 움직이는 것을 주요 태스크로 한다. 이렇게 함으로써 업데이트할 때 이 3개의 통합 ECU를 중심으로 펌웨어를 업데이트하면 좋아진다. 지금까지는 판단과 제어를 각 ECU가 담당하는 경우가 많았다.

이를 실현하기 위한 차량탑재 네트워크로서 VW가 적극적으로 채용하려고 하는 것이 이더넷이다. 특히 ADAS용 카메라나 센서를 통한 데이터 전송, LTE나 5G 접속, 다채널 및 광대역 음악 재생 등을 실현하기 위해서는 현재의 CAN으로는 대역이 부족하다.

실제로 분해를 통해 ID.3의 차량탑재 네트워크를 조사해 보면, 이더넷이 채용된 것은 ICAS1과 ICAS3, 디스플레이, 후방 카메라, 인터넷∙액세스∙컨트롤∙유닛, 단안카메라 등 대용량 데이터가 흐르는 부분이었다. 그 이외의 ECU는 CAN(일부 LIN)으로 연결되어 있었다. 향후 제어 집중화가 점차 진행됨에 따라 CAN은 줄어 들고 이더넷으로 대체될 것 같다.

한편 테슬라의 모델3에서는 이더넷은 거의 사용되지 않았다. 구체적으로는 자율주행 ECU와 멀티미디어용 ECU(MCU: Multimedia Control Unit) 사이에 사용되고 있는 정도였다. 액추에이터나 센서는 ‘보디 컨트롤러’라는 ECU에 직접 접속되고 있어, 여기에서 12V 전원을 공급함으로써 제어되고 있었다. VW과 같이 센서나 액추에이터의 근처에 ECU는 없다.

센싱정보와 제어정보의 교환이 보디 컨트롤러에 닫혀 있는 구조로 함으로써, 이더넷과 같은 차량탑재 네트워크의 출연을 최소화했다. 덧붙여 자율주행 ECU와 MCU, 보디 컨트롤러의 사이는 CAN로 접속되고 있었다. 테슬라는 ECU의 집중화를 추진하고 있어 이 아키텍처가 향후 크게 바뀔 가능성은 낮다.

ID.3과 모델3의 네트워크 분석을 통해 가장 인상에 남은 것은, 낡은 설계도 살리면서 꿋꿋하게 새로운 아키텍쳐에 도전하는 VW과, 도전자다운 테슬라의 대담함이다. VW는 지금까지의 차량 네트워크 자산을 남기면서, 그곳을 새로운 구조로 감싸는 방법으로 서서히 새로운 아키텍쳐로 이행 할 수 있도록 하고 있다.

-- 가일층의 ECU 삭감이 필요 --

Part 3. 전동 파워트레인에 진화의 여지
‘폭스바겐판 옥토밸브’가 열관리의 핵심

독일 폭스바겐(VW)이 전동파워트레인을 쇄신했다. ‘ID.3’ 시스템에서 핵심은 VW 최초의 통합형 열관리 시스템이다. 배터리 팩도 신형이며, 재활용하기 쉬운 설계를 채용한 것이 밝혀졌다. 동시에 26년에 양산할 차세대 차량을 위해 개량해야 할 점도 가시화되었다.

지금까지 본 적이 없는 이상한 십자형 부품이 8개 줄지어 있었다. 분석 결과 이 부품은 ID.3의 통합형 열관리 시스템의 핵심 부품으로 드러났다.

바닥에 깔린 배터리는 상당히 긴 대형 라미네이트 셀을 채택했다. 분해를 담당한 배터리 기술자가 “마치 판초콜릿 같다”라고 놀랄 정도다.

새로운 부품을 많이 채용한 ID.3지만 전동파워트레인의 완성형은 조금 더 기다려야 한다. 소형∙경량화나 비용 저감의 여지는 많다. 주행 성능을 높이는 성장의 여지도 남아 있었다.

-- ‘익숙하지 않은’ 폭스바겐의 열 시스템 --
배터리나 모터 등을 최적 온도로 제어하면서 쾌적한 공조를 실현하는 통합형 열관리 시스템에 대한 관심이 높아지는 가운데 선두를 달리는 것이 미국 테슬라다. 공조나 배터리, 파워트레인, 차량탑재 컴퓨터 등 냉각∙가온이 필요한 부품의 열관리를 통합 제어하는 시스템을 ‘모델Y’나 ‘모델3’에 탑재했다. 그 ‘사령탑’ 역할을 담당하는 부품이 ‘옥토밸브’이다.

옥토밸브 내부에는 8개의 유로(流路)가 있다. 그 이름이 라틴어로 ‘8’을 뜻하는 옥토에서 유래한 것은 이 때문이다. 모든 냉각∙가온 회로를 옥토밸브와 연결해 열을 운반하는 냉각수(쿨런트)가 흐르는 경로를 조건에 따라 바꾼다.

ID.3의 열관리 시스템은 라디에이터 유닛에서 배관된 냉각수를 순환시키는 부분과 냉매를 순환시키는 부분으로 구성되어 있다. “냉각수와 냉매의 배관이 복잡하게 얽혀있어 아직 익숙하지 않다는 인상을 준다”(어느 자동차 부품업체의 열기술자). 실제로 테슬라의 열관리 시스템보다 배관은 길고, 시스템 전체 질량으로 비교하면 10kg 가깝게 무겁다.

차량에서 꺼낸 ID.3의 열관리 시스템 중 단연 눈길을 끈 것이 첫머리에 소개한 8개의 십자형 부품이었다. 조사한 결과, 냉매의 순환을 제어하기 위한 밸브인 것을 알았다. 2개씩의 밸브 유닛으로 집약되어 있었다.

ID.3는 CO₂(R744) 냉매에 의한 히트펌프 시스템을 탑재한다. 이 R744 냉매를 내보내는 히트펌프용 전동 컴프레서나 콘덴서, HVAC(냉난방 공조장치), 어큐뮬레이터, 그리고 냉매와 냉각수의 열을 융통하기 위한 열교환기(칠러) 등의 각 부품을 8개의 십자밸브 및 배관으로 연결하고 있었다.

테슬라의 시스템과의 차이는 ‘옥토’ 부품의 배치다. VW은 냉매의 흐름을 제어하기 위해서 8개의 밸브를 사용한다. 한편 테슬라는 옥토밸브로 냉각수를 8 방향으로 분배함으로써 배터리나 파워트레인, ECU(전자제어유닛) 등의 온도를 관리한다.

냉각수의 제어라는 관점에서 양자를 비교하면 테슬라가 ‘한 수 위’라고 할 수 있다. 테슬라는 옥토밸브만으로 냉각수를 집중 제어하면서 각 부품을 최적 온도로 만들 수 있도록 독립된 유로를 마련하고 있다.

한편 VW의 ID.3은 냉매와 냉각수에 관한 부품이나 배관이 복잡하게 얽혀 있었다. 처음에 강압형 DC-DC 컨버터를 냉각시킨 후, 배터리팩 측과 모터 측에 냉각수를 나누는 등 부품 배치 면에서 개량의 여지가 있다.

-- 사라져갈 운명의 ‘판초콜릿’ 배터리 셀 --

Part 4. 한국 업체들의 부품 속속 등장
LG전자가 통합 ECU나 표시 부품 공급

독일 폭스바겐(VW)은 독일에서 생산하는 ID.3에 한국 업체의 부품을 대거 채용한 것으로 나타났다. 한국 LG전자는 디스플레이나 그 제어를 담당하는 통합 ECU(전자제어유닛)를 공급한다. 배터리 및 열관리 시스템 부품의 일부도 한국 업체가 제조한다. 또한 전자 부품을 중심으로 중국 업체의 것도 볼 수 있었다.

ID.3의 전기/전자(E/E) 아키텍처의 핵심을 담당하는 통합 ECU ‘ICAS(In-Car Application Server) 1~3’ 가운데 ICAS3를 공급하는 것이 LG전자다. 이 ECU가 접속하는 것은, 속도나 배터리 잔량 등을 표시하는 미터 디스플레이, 터치 패널식 중앙 디스플레이, AR(증강 현실) 표시에 대응하는 HUD(헤드 업 디스플레이) 등이다. 이들 가운데 미터 디스플레이와 HUD가 LG전자의 제품이다. 게다가 인터넷 접속을 담당하는 ECU나 긴급통보 시스템을 담당하는 부품군도 LG전자가 공급한다.

배터리 셀과 모듈은 한국 LG화학의 제품이다. 현재는 LG화학의 배터리사업 자회사인 LG에너지솔루션이 공급한다. 분해한 차량이 제조된 것은 LG에너지솔루션 설립 이전이기 때문에 배터리를 제조한 것은 LG화학이다.

열관리 시스템은 전동 컴프레서나 냉매 흐름을 제어하는 밸브가 한국 한온시스템(Hanon Systems)의 제품이다.

-- 차량탑재 충전기에는 중국 업체도 --
차량탑재 충전기 케이스를 절삭해서 열었다. 내부를 구성하는 전자 부품을 확인해 보니 일본과 중국 업체들이 많이 제조하고 있다는 것을 알았다.

일본 업체가 제조하는 것은 출력 측의 변압기와 중앙에 6개 늘어선 Al 전해 콘덴서다. 이 변압기는 스미다코퍼레이션의 제품이며, Al 전해 콘덴서는 엘라(ELNA)의 제품이다.

중국 업체가 제조하는 것은 리액터와 입력 측의 3개의 변압기, 입력 측의 6개의 필름 콘덴서이다. 리액터와 변압기는 중국 Shenzhen Click Technology의 제품이며, 필름 콘덴서는 중국 BM capacitor의 제품이다.

중국 업체의 부품을 채용한 것은 차량탑재 충전기뿐만이 아니다. ID.3의 LED 헤드램프 ‘IQ. Light’를 제어하는 ECU는 중국 Keboda Technology의 제품이다.

이 ECU에 ‘MQB’의 문자를 확인했다. MQB(Modular Transverse Matrix)는 VW의 가로 배치 FF(전부엔진∙전륜구동) 차량용 PF으로, ID.3가 채택한 EV 전용 PF MEB(Modular Electric Drive Toolkit)와 다른 것이다. MQB는 ‘골프’를 비롯한 VW의 주력 모델이 채용하고 있다. VW은 ID.3의 판매 이전부터 이 LED 헤드램프를 이러한 MQB 베이스의 차량에 탑재해 왔다. PF의 영향이 미치지 않는 부분에서는 부품을 유용함으로써 비용을 억제했던 것으로 보인다.

 -- 끝 --

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