Nikkei Automotive_22.3 특집 요약 (p40-53)

도요타 'MIRAI'의 분해
FCV의 자율주행과 전동화, 가시화된 미래에 대비

전동화와 자율주행이라는 2대의 트렌드에 어떻게 대응할까? 자동차 업계가 전환점을 맞이하는 가운데 등장한 것은 도요타자동차의 2세대 연료전지차(FCV) ‘미라이(NIRAI)’이다. 비용 절반 이하를 달성한 연료전지 시스템이나 OTA(Over The Air)로 진화하는 고도운전지원기술 ‘Advanced Drive’ 부품을 분해 조사한 결과, 미래에 대응하기 위한 아이디어를 많이 발견했다. 도요타는 ‘공격’과 ‘방어’로 다음 스테이지로 향하고 있다.

Part 1. 도요타의 전방위 전략
자율주행도 전동화도 ‘선택지’

‘전방위 전략’ 방침을 내려놓지 않는 도요타자동차. 전기자동차(EV)의 판매 목표를 확대해 왔지만 다른 전동차를 개발하는 움직임은 멈추지 않는다. 자율주행과 관련해서도 ‘레벨3’를 전망하면서 ‘레벨2’ 차량에서의 진화를 모색한다. 자동차 업계의 미래가 불확실한 가운데 도요타는 다양한 선택지를 중시한다.

“미래를 예측하는 것보다 변화에 빨리 대응할 수 있는 것이 중요하다. 정답으로 가는 길이 확실해질 때까지 소비자의 선택지를 계속 남겨놓고 싶다”. 도요타 아키오 사장은 21년 12월에 열린 회견에서, 전동화의 ‘전방위 전략’을 유지할 생각임을 재확인했다.

EV의 목표 판매 대수는 상향 수정했지만 하이브리드차(HEV)나 플러그인하이브리드차(PHEV), 그리고 연료전지차(FCV)에 대한 개발 투자도 계속한다. “자동차의 사용 환경은 지역에 따라서 다르기 때문이다”(도요타 아키오 사장).

도요타의 전방위 전략은 전동화만이 아니다. 자율주행/선진운전지원시스템(ADAS)을 중심으로 하는 안전기술도 폭넓은 수요에 부응할 수 있도록 할 계획이다.

전방위 전략을 고집하는 도요타자동차의 의향이 짙게 나타난 차량이 2세대 FCV ‘미라이’다. 전동화에 관해서는 연료전지(FC) 시스템을 쇄신. 자율주행을 위해서는 고도운전지원기술 ‘Advanced Drive’(이하, AD)를 도요타자동차에서 가장 먼저 탑재했다.

닛케이BP는 이번에 AD를 탑재한 미라이를 입수해 분해 조사했다. 자율주행과 전동화의 앞날이 불확실한 가운데 변화에 대응할 수 있는 아이디어를 많이 담았다는 것을 알았다.

-- 2세대 미라이에서 시행착오 --
자율주행에서 예측하기 어려운 것이 레벨3 시대가 도래하는 시기다. 레벨3 탑재 차량의 시판화에서 가장 앞선 것은 혼다의 ‘레전드’다. 독일 메르세데스 벤츠 그룹은 2022년 전반에 레벨3 기능을 탑재한 ‘S클래스’를 발매할 계획이다.

그러나 레벨3 기능이 작동하는 것은 고속도로의 단일 차선이며, 게다가 일정 속도 이하로 주행 중이어야 한다는 등의 한정적인 조건에서다. 소비자의 니즈도 불투명해서 혼다는 레전드를 21년 말까지 판매 종료했다. “레벨3 탑재 차량은 100대 한정이었는데 판매는 상당히 고전했다”(혼다 관계자).

자율주행에 대한 기대도가 사람에 따라 천차만별인 상황에서 도요타의 AD는 고객이 선택할 수 있는 유연성을 지향했다. 현재는 ‘레벨2’이지만 구입 후에 부품을 추가하는 하드웨어 업데이트나 OTA(Over The Air)에 의한 소프트웨어 업데이트로 레벨3로 진화할 수 있는 시스템을 안고 있다.

미라이에서 실용화한 기술은 앞으로 보급 가격대의 차량에도 전개해 나갈 예정이다. “AD를 싸게 하고, 보급 차량을 위한 시스템을 개방 중이다”(도요타 관계자).

전동화에서 FCV는 주류에서 멀어지고 있다. 유럽을 중심으로 EV로의 시프트가 선명해졌지만 도요타는 FCV라는 선택지를 남겨 두었다.

FCV의 생존에 반드시 필요한 것은 비용 저감이다. 시스템이 저렴해지면 승용차뿐만이 아니라 상용차나 선박과 같은 모빌리티나 정치용으로 용도를 확대해 갈 수 있다.

2세대 미라이의 FC 시스템 비용은 선대와 비교하면 절반 이하다. 발전을 담당하는 FC 스택의 경우는 비용을 75% 줄일 수 있었다고 한다. FC 전용 부품 이외에는 HEV와의 공용을 적극적으로 추진했다. 앞으로는 EV와의 공통화도 시작될 것이다. 미라이의 대응이 2022년 중반에 발매 예정인 신형 EV ‘bZ4X’로 이어진다.

가치관이 다양해지면서 폭넓은 니즈에 부응하기 어려운 시대에 돌입했다. 변화에 대한 대응력을 높이는 아이디어를 많이 담고 있는 미라이지만, 분해 조사에서는 단번에 차량 시스템을 쇄신하기 어렵다는 사실도 부각되었다.

자율주행도 전동화도 기존 시스템에 추가하는 형태로 했기 때문에 ECU(전자제어 유닛)의 수가 많아 배선은 복잡하다. 과거와 헤어지지 않으면서 어떻게 미래로 나아갈 것인가? 도요타는 시행착오를 거듭하고 있다.

Part 2. 도요타가 마주하는 자율주행의 과도기
‘하드웨어 추가’나 OTA로 유연성 확보

LiDAR(레이저 레이더)의 개발을 시간에 맞출 수 없다. 이 문제를 해결한 것이 OTA(Over The Air)에 의한 소프트웨어 업데이트 시스템이다. 도요타자동차의 '미라이' 내부에서 시행착오의 흔적이 보였다. 동시에 자율주행의 과도기를 극복하는 아이디어나 미래에 대한 포석도 보였다.

없어야 할 부품이 나왔다. 리어 범퍼의 일부를 덮는 수지 커버의 내부에 LiDAR가 탑재되어 있었던 것이다.

고도운전지원기술 ‘Advanced Drive’(이하, AD)에 대응한 미라이는 처음에 차량의 전후 좌우에 1개씩 LiDAR를 탑재할 예정이었다. 그러나 21년 4월의 발매 시점에서 실제로 탑재한 것은 전방 감시용 LiDAR 하나뿐이었다. 남는 3개의 LiDAR는 개발이 늦었기 때문에 탑재를 보류했다고 발표했었다.

이 후방 확인용 LiDAR에는 전기 배선이 설치되었고, 케이스에는 공급업체인 독일 콘티넨탈과 도요타의 로고 마크까지 붙어 있었다.

그런데 LiDAR를 분해한 결과, 기판을 비롯한 부품이 내장되어 있지 않았다. 즉, 케이스만 있는 더미다. 다른 도요타 관계자에게 물었더니, “더미를 탑재하는 일은 기본적으로 없다”라는 답이 돌아왔다. 생각할 수 있는 탑재 이유는 ‘생산 공정의 확인’ 정도다.

도요타가 대량 판매 차량에 LiDAR를 탑재한 것은 이번이 처음이다. 우여곡절이 있었지만 LiDAR의 완성을 기다리기 위해서 차량 발매를 연기하지 않은 것은 큰 변화일 것이다.

그리고 판매 후에 차량 부품을 업데이트하는 ‘하드웨어 업데이트’라는 새로운 한 수를 만들었다. 이 하드 업데이트는 ‘손에 넣은 순간이 최고 성능’이라고 하는 자동차의 상식을 뒤집을 가능성을 내포한다.

도요타가 하드웨어 업데이트라는 수단을 선택할 수 있었던 것은 미라이에 OTA 시스템을 도입하고 있었기 때문이다. 하드웨어의 추가나 인식 알고리즘의 개량 등에 맞춰서 소프트웨어를 업데이트해서 기능을 개선하는 일련의 흐름을 실시할 수 있다. 앞으로는 소프트웨어의 진화에 맞춰서 하드웨어를 교환하는 일도 있을 것 같다.

-- 윙커(Winker) 인식을 OTA로 추가 --
실은 도요타는 21년 가을 이후에 생산한 미라이의 AD 탑재 차량에 총 4개의 LiDAR를 탑재하고 있다. 후방과 좌우의 3개는 ‘잠자고 있는’ 상태이지만 앞으로 소프트웨어 업데이트로 깨울 계획이다.

OTA로 소프트웨어를 업데이트할 수 있는 ECU는 4개다. 센서로 취득한 정보를 고속 처리해 차량 제어의 핵심을 담당하는 ‘ADS(Advanced Drive System) ECU’와 전방 카메라의 정보로부터 AI(인공지능)를 처리하는 ‘ADX(Advanced Drive Extension) ECU’, 자차 위치 추정에 사용하는 ‘SIS(Spatial Information Service) ECU’, 그리고 미터 디스플레이나 HUD(헤드 업 디스플레이) 등의 표시계를 제어하는 미터 ECU다.

AD를 탑재한 미라이와 ‘렉서스 LS’는 21년 4월 발매 이후, 2번의 소프트웨어 업데이트를 실시했다. 총 50개 항목 정도를 업데이트해 AD의 기능을 개선했다.

일례가 심층학습에 의한 윙커 인식 알고리즘의 도입이다. 우븐코어(Woven Core)에서 Head of Tech.를 맡고 있는 이타바시(板橋) 씨는 “윙커를 감지해 옆 차선에서 끼어드는 것을 조기에 파악함으로써 부드러운 감속을 실현했다”라고 말한다.

이 알고리즘은 AI 처리를 담당하는 ADX ECU에 탑재했다. 미국 엔비디아의 차량탑재 SoC(System on Chip) ‘Xavier’로 이미지를 인식한다. Xavier에는 AI 액셀러레이터 ‘DLA(Deep Learning Accelerator)’가 실려 있다.

-- 자율주행의 과도기를 극복하는 시스템으로 --
AD는 카 내비게이션 시스템에서 목적지를 설정하면 차량탑재시스템이 운전자를 감시하면서 주변 상황에 따라 인지∙판단∙조작을 지원하는 것이다. 고속도로에서 차선∙차간 유지, 분기, 차선 변경, 추월 등을 시스템이 지원하기 때문에 운전자는 부담을 줄일 수 있다. 조건에 따라서는 핸즈 오프 주행도 가능하다. 장기적으로는 '레벨3'의 자율주행으로 진화하는 것도 고려한다.

다만 선진운전지원시스템(ADAS)이 운전에 과도하게 개입하는 것을 좋아하지 않는 사람도 있다. 자율주행의 과도기를 극복하려면 자동차 업체는 고객에게 선택지를 준비해줘야 한다. 그렇다고 해서 레벨2와 레벨3에서 ADAS/자율주행 시스템을 개별적으로 개발하는 것은 효율적이지 못하다. 생산에서도 용이하게 구분해 만드는 것이 필요하다.

이러한 과제를 해결하기 위해 도요타는 ADAS 관련 부품의 대부분을 뒷자리 측에 만들었다. 인스트루먼트 패널 내 등 앞자리 측이 “부품이 가득해서 ADAS 부품을 추가할 여유가 없다”(분해 조사를 담당한 정비기술자)라는 이유도 있지만, AD 탑재 유무를 뒷자리 측의 조정으로 대응할 수 있는 것은 생산 면에서 이점이 있다.

-- 테슬라나 폭스바겐보다 현격히 많은 ECU --

Part 3. 전동 파워트레인에 진화의 여지
비용 1/3 절감, 도요타 ‘다음의 한 수’는 열관리인가?

2세대째가 된 도요타자동차의 연료전지차(FCV) ‘미라이’. 연료전지(FC) 시스템을 쇄신해 ‘비용 절감’이라는 지상 명제를 달성했다. 하이브리드차(HEV)와의 부품 공통화를 진행시키는 과정에서는 열 관리에 분투. 앞으로는 ‘bZ4X’ 등 차세대 전기자동차(EV)와의 연동이 중요해질 것으로 보인다.

‘세대마다 시스템 비용을 절반으로 줄여 나간다’. 도요타가 HEV에서 부과해 온 철칙이다. ‘보급을 해야 환경차’를 표방하는 도요타자동차로서는 이 규칙은 FCV에서도 필수 목표다. 2세대 연달아 미라이의 개발책임자를 맡은 다나카(田中) 씨는 “초대(初代)부터 비용을 절반 이하로 할 수 있었다”라고 자랑스럽게 말한다.

도요타에 의하면, 연료전지(FC) 스택이나 수소 탱크, 보조 기기류 등을 포함한 FC시스템 전체의 비용은 초대 대비 1/3로 줄였다고 한다. 대폭적인 비용 절감을 위해 도요타가 취한 방법은 (1)전용 부품의 구조 간소화나 양산성 향상, (2)HEV와의 부품 공통화의 2개이다.

-- 백금만으로 10만 엔 이상의 비용 삭감 --
FC 전용 부품의 상당수는 프런트 후드 아래에 배치했다. 비용 절감에 특히 효과가 있던 것은 발전을 담당하는 FC 스택이다. FC 스택의 셀 수는 알기 쉽다. 최고출력을 초대의 114kW에서 128kW로 높이면서 셀 수를 370매에서 330매로 줄였다. 이로써 셀을 겹쳐 쌓는 공정을 40매만큼 줄일 수 있었다. 성능을 희생하고 있는 것이 아니라, 부피 출력 밀도로 비교하면 3.5kW/L에서 5.4kW/L로 높이고 있다.

셀의 구조도 재검토했다. 셀은 수소와 공기 중의 산소를 반응시키는 MEA(Membrane Electrode Assembly, 막전극접합체)를, 수소와 공기의 유로(가스 유로)를 성형한 세퍼레이터로 끼워 구성한다.

신형 미라이의 셀은 세퍼레이터 수를 기존의 3매에서 2매로 줄였다. 줄인 것은 공기극 측이다. 초대는 2매의 티타늄제 세퍼레이터를 사용했다. 신형 셀은 “1매의 티타늄제 세퍼레이터로 동등의 공기 확산성을 실현할 수 있는 구조로 했다”(다나카 씨).

MEA 촉매층에 사용하는 백금(Pt)의 양도 대폭 줄였다. 호리바제작소의 협력을 얻어 신형 미라이의 FC셀을 분석한 결과, FC 시스템 1대 당 약 19.2g의 백금이 사용되고 있는 것이 밝혀졌다. 도요타는 백금 사용량을 초대에서 58% 줄였다고 설명했기 때문에, 초대 미라이에서는 약 45.7g의 백금을 사용했었다고 계산할 수 있다. 현시점의 백금 가격은 약 4000엔/g로, MEA만으로 차량 1대 당 10만엔 이상의 비용을 줄인 것이 된다.

수소 탱크도 쇄신했다. 우선 70MPa 이상의 고압 수소에 견딜 수 있는 강도를 확보하는 역할을 담당하는 CFRP(탄소섬유강화수지)층을 점검했다. 탱크는 수지 라이너라고 불리는 수소 가스의 저장 용기에 CFRP를 감는 구조이다.

이번에 CFRP 감는 방법을 변경해 강도를 향상시켰다. 초대 미라이에 탑재한 수소 탱크는 CFRP를 27층 겹쳤지만 이번에는 25층으로 줄일 수 있었다. CFRP층을 얇게 함으로써 수소의 저장 성능이 높아졌다.

도요타의 개발 담당자는 “CFRP의 감는 방법을 변경함으로써 생산성을 3배로 높였다”라고 말한다. 또한 탑재하는 3개의 수소 탱크의 직경을 맞춤으로써 탱크의 제조 장치를 통일했다. CFRP 감는 방법을 비롯한 탱크의 설계∙개발비도 억제할 수 있었던 것 같다.

-- 승압 컨버터를 연결하는 역할 --
-- 다음 한 수는 열관리 통합인가? --

 -- 끝 --

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