Nikkei Automotive_22.12 특집 요약 (p34-47)

차량 제어로 격차를 벌린다
제어의 고도화와 진화하는 주행

‘힘차고 리니어한 가속’. 모터를 구동에 쓰는 전동차 주행의 가장 큰 매력이다. 그러나 주목할 만한 것은 그뿐만이 아니다. 높은 토르크의 리어 모터를 탑재한 전동 사륜구동(4WD) 차량의 경우는 보다 원하는 대로 회전하고, 불쾌한 흔들림을 줄여 편안함과 안정감을 높였다. 

그리고 그것이 뚜렷한 차이로 느껴지는 것도 있다. 그 배후에 있는 것이 차량 운동 제어의 고도화이다. 전동차는 점차 차량 운동 제어에서 격차가 벌어지는 시대가 되고 있다.

Part 1. 진화하는 주행
전동 4WD가 보여주는 협조 제어의 힘

파워트레인의 전동화 및 ‘바이 와이어(By Wire)화’와 맞물려 차량 운동 제어가 고도화되고 있다. 그 견인차 역할을 하는 것이 전동 사륜구동(4WD) 시스템이다. 앞뒤 모터와 브레이크 등의 협조 제어를 통해 쾌적성을 높이고 있다. 그러한 주행의 진화가 새로운 어필 요소가 될 가능성을 안고 있다.

커브 바로 앞에서 감속해 앞으로 쏠리는 듯한 피칭(차량이 앞으로 기울거나 뒤로 기울거나 하는 회전운동)이 크게 억제되고, 수정 조타도 감소한다. 쉽게 언더스티어(코너링에서 목표한 라인보다 바깥쪽으로 커지는 현상)되지 않아 코너링의 안정감도 높다. 닛산자동차의 신형 SUV ‘엑스트레일’ 전동 4WD 차량을 시승. 와인딩 로드나 고속도로, 시가지를 주행했을 때의 인상이다.

이것을 가능하게 한 것이 전동 4WD 시스템 ‘e-4ORCE’와, 그 특성을 이끌어내는 브레이크와 모터의 협조 제어다. 기존에는 독립시켰던 차량자세제어장치(Electronic Stability Control, ESC)에 의한 유압 브레이크의 제어와, 모터에 의한 토크나 회생 브레이크의 제어를 통합했다.

즉, 차량운동의 통합제어의 고도화가 파워트레인의 전동화 및 바이 와이어화의 진전과 맞물리면서 보다 안정적이고 안심/편안한 주행을 가능하게 했다.

ESC는 일상적인 서비스 브레이크(운전자가 페달을 밟음으로써 작동하는 브레이크)만큼의 제동력을 낼 수 없다. 하지만 서비스 브레이크와는 독립적으로 유압을 만들어내, 각각의 바퀴에 공급하는 유압을 개별적으로 제어할 수 있다. 다시 말하면, 브레이크 페달과는 분리된 바이 와이어이면서도 네 바퀴를 독립적으로 제어 가능한 브레이크로 활용할 수 있다.

-- 주파성뿐만 아니라 쾌적성도 향상 --
닛산이 신형 엑스트레일 4WD 차량에 도입한 것은 다음과 같은 차량운동 제어이다.

우선 액셀 오프 시에 감속할 때는 리어 모터를 이용해 앞바퀴뿐만 아니라 뒷바퀴에서도 회생 브레이크를 건다. 이를 통해 앞뒤의 제동력 배분을 적정화해 피칭을 줄인다.

코너링 시에는 스티어링 휠을 꺾기 시작하면 곧바로 뒷바퀴에도 적정하게 토크를 배분한다. 신형 엑스트레일 4WD 차량에서는 연비를 고려해 보통 앞바퀴의 토크 배분을 넉넉하게 설정하고 있다. 코너링 시에는 뒷바퀴의 토크 배분을 증가시키고 앞바퀴의 토크를 줄여 앞바퀴로 자동차를 옆으로 회전하는 힘에 여유를 준다.

그런 다음 언더스티어가 나올 것 같은 타이밍에 내륜 측 브레이크를 ESC로 잡는다. 이러한 협조 제어를 통해 차량의 회두성을 높인다. 이를 통해 언더스티어를 줄이고, 수정 조타를 줄이는 동시에 각 타이어의 그립력을 보다 유용하게 사용할 수 있도록 해 코너링의 안정감을 높이고 있다.

닛산에 따르면 신형 엑스트레일 4WD 차량에서는 SUV의 오프로드 주파성과 함께 다양한 장면에서 편안함을 향상시키고 있다. 그리고 이를 실현하기 위해 사용하는 것이 앞뒤 모터와 브레이크의 통합제어이다. 대략적으로는 각각의 바퀴에서 그립의 한계를 산출하고, 이 통합제어를 통해 각 바퀴의 토크와 제동력을 치밀하게 제어해 쾌적성을 높인다는 접근법이다.

“게다가 신형 엑스트레일 4WD 차량에서는 그러한 제어의 맛을 드라이브 모드 별로 명확한 차이를 알 수 있도록 바꾸고 있다”(신형 엑스트레일의 파워트레인 개발자). 신형 엑스트레일 4WD 차량에서 리어에 배분하는 토크는, 에코(ECO) 모드와 노멀(AUTO) 모드에서는 연비 중시로 적게 설정하고, 스포츠(SPORT) 모드와 스노우(SNOW) 모드에서는 확실히 가속할 수 있도록 넉넉하게 설정하고 있다고 한다.

신형 엑스트레일이 탑재하는 모터의 최고 출력과 최대 토크는 프론트가 150kW, 330N·m, 리어가 100kW, 195N·m이다. 에코 모드와 노멀 모드에서는 보통은 리어에 10~20%의 토크를 배분한다. 단, 차량 속도나 액셀을 밟는 정도에 따라 그 배분을 순간적으로 높인다. 코너링에서 스티어링 휠을 꺾기 시작할 때의 뒷바퀴의 토크 배분은 순간적으로는 30~40% 정도가 된다고 한다.

반면 스포츠 모드나 스노우 모드에서는 뒷바퀴의 토크 배분을 55~60% 정도로 늘려 단단히 그립시킨다. 미끄럼 등이 발생한 경우, 순간적으로는 70% 정도로 올리는 일도 있다고 한다.

-- 전동 4WD나 후륜 조타도 협조 --
도요타자동차가 22년 9월에 출시한 신형차 ‘크라운(크로스오버)’(이하 신형 크라운)도 전동 4WD 시스템을 이용한 차량운동의 통합제어를 적용했다. 신형 크라운에서는 등급에 따라 2종류의 파워트레인과 구동 방식을 구분하고 있는데, 모두 전동 4WD 시스템과 후륜 조타 시스템 ‘DRS’를 장착하고 있다. 기존의 엔진, 브레이크, 앞바퀴의 스티어링 외에도 전후의 모터나 뒷바퀴의 스티어링도 적극적으로 협조 제어하고 있다.

도요타에서는 이전부터 차종에 따라 전동 4WD 시스템 'E-Four'를 탑재해 왔다. 하지만 기존의 E-Four는 저마찰 노면(Low Friction Road, 마찰 계수가 낮은 노면) 주체로 리어 모터를 사용하고 있었다. 신형 크라운 등 2종류의 전동 4WD 시스템(E-Four와 새로 개발된 ‘E-Four Advanced’)에서는 그것을 고마찰 노면에서도 가능한 경우에는 사용하도록 바꿨다.

도요타에 따르면 기존의 E-Four에서는 저마찰 노면의 안정성 향상이 주목적이었고, 젖지 않은 포장도로 등의 고마찰 노면에서는 리어(Rear) 구동은 사용하지 않았다. 신형 크라운의 E-Four에서는 고마찰 노면에서의 발진 어시스트나 고마찰 노면에서 저속 선회할 때의 라인 트레이스성의 향상에 리어 구동을 적극 사용하도록 진화시켰다. 예를 들면, 입체 주차장과 같은 곳에서 저속으로 주행하고 있을 때도 리어가 밀어준다고 한다.

고마찰 노면에서도 리어 구동을 사용함으로써 발진 시에는 리어 구동에 따른 힘으로 차량 가속감을 높이고, 선회 시에는 앞바퀴 주체의 구동에서 발생하기 쉬운 언더스티어를 방지한다. 선회 시의 토크의 일부를 뒷바퀴가 맡으면 앞바퀴의 토크를 줄일 수 있다. 그만큼 앞바퀴의 그립력을 선회를 위한 횡력 발생에 사용할 수 있어 회두성을 높일 수 있다.

도요타에 따르면, FR(앞부분 엔진, 후륜 구동) 차량에서 발생하기 쉬운 오버스티어와 FF(앞부분 엔진, 전륜 구동) 차량에서 발생하기 쉬운 언더스티어를 각각 경감해, 뉴트럴스티어의 영역이 넓은 새로운 구동 방식으로 진화하고 있다.

신형 크라운의 E-Four에서는 이처럼 활용 장면을 확대했다. 또한 도요타의 SUV 'RAV4'의 E-Four와 비교해 리어의 토크 배분을 약 2배로 높였다. 더 큰 출력을 낼 수 있는 바이폴라형 니켈 수소 배터리를 채택한 메리트이다. 리어 구동의 효과를 보다 더 실감할 수 있도록 했다.

또한 새롭게 개발한 E-Four Advanced에서는 그러한 리어 구동의 활용 장면을 한층 더 확대했다. 동시에 리어의 토크 배분을 최대 80%까지 늘릴 수 있도록 진화시키고 있다.

E-Four에서는 비용 문제 때문에 리어 모터의 냉각에는 공랭 방식을 적용하고 있다. 이 때문에 발열을 고려해 고마찰 노면에서는 리어 구동을 사용하는 장면을 차량 속도가 낮은 구역으로 한정하고 있다. 탑재하는 리어 모터의 최대 토크도 121N·m로 그리 크지 않다. 리어의 토크 배분은 최대 20%로 억제하고 있다.

-- 리어 모터를 수랭화하여 고속 대응 --
반면 E-Four Advanced에서는 최대 토크가 169N·m으로, E-Four의 약 1.4배로 높인 리어 모터를 사용한다. 그 냉각 방식도 수랭이다. 이 때문에 리어의 토크 배분을 최대 80%까지 끌어올리는 것이 가능해지고, 더욱 효율적으로 리어 모터를 냉각할 수 있으므로 리어 구동을 고속 구역까지 사용할 수 있도록 되었다.

즉, 발진 시의 가속감을 더욱 끌어올려, 선회 시의 라인 트레이스성을 고속 구역까지 높이는 것이 가능해졌다. 기존에는 언더스티어가 되기 쉬웠던 장면에서도 리어의 토크 배분을 증가시킴으로써 뉴트럴 스티어로 하기 쉽다. 다양한 노면에 대해 높은 트랙션 성능과 조종 안정성을 확보하기 쉽다.

게다가 신형 크라운에서는 FF 기반의 플랫폼을 사용한 차종으로서는 도요타에서 최초로 후륜 조타 시스템을 장착했다. 저속과 중간 속도 구역에서는 선회 시에 뒷바퀴를 앞바퀴와 역상(Reverse Phase)으로 꺾어 회두성을 높이고, 고속 구역에서는 동상(In Phase)으로 꺾어 조종 안정성을 높인다. 역상과 동상을 전환하는 속도는 일반 도로의 최고 속도 정도로 한다.

그리고 이들 전동 4WD 시스템(앞뒤 모터)과 뒷바퀴 조타 제어를 기존의 엔진, 브레이크, 스티어링의 통합제어 ‘VDIM’과 협조하도록 한 것이 신형 크라운이다. 구체적으로는 드라이브 모드 별로 맵이 있기 때문에, 각각의 시스템을 제어하는 ECU(전자제어유닛)가 서로를 보면서 맵에 근거해 제어하고 있다.

이처럼 전동차에서는 차량운동의 통합제어의 고도화를 통해 주행을 진화시켜 왔다. 앞에서 말한 닛산의 엑스트레일에서는 구동 방식으로서 FF와 전동 4WD의 2종류를 라인업하고 있지만, 주행의 진화를 확실히 느낄 수 있는 전동 4WD를 선택하는 구입자가 약 90%(22년 8월 말일 시점)이다.

게다가 신형 엑스트레일의 수주는 호조를 보이고 있다. 엑스트레일로서도, e-POWER 탑재 차량으로서도 출시 이후 가장 빠르게 수주 1만대를 돌파했다. 출시는 22년 7월 25일. 출시 약 2주 만에 수주는 1만 2,000대를 돌파했고, 같은 해 8월 말일에는 1만 7,000대를 넘었다고 한다.

차량운동의 제어가 이끌어내는 분명한 차이. 그것은 강력한 어필 요소가 될 가능성이 있다. 전동차는 점차 차량 제어로 격차를 벌이는 시대가 되고 있다.

Part 2. 베스트를 찾아
통합 제어와 바이 와이어로 더 진화

차량운동 제어를 고도화해 전동차의 주행을 진화시키는 자동차업체. 자동차 부품업체에서도 이를 위해 의욕적으로 나서는 곳이 늘고 있다. 통합 제어를 적용하면 상황에 따라 보다 적합한 액추에이터를 사용할 수 있다. 조작계와 액추에이터를 기계적으로 분리하는 바이 와이어화는 그러한 통합 제어에 베스트 환경을 제공한다.

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