Nikkei Automotive_2023.3 특집 요약 (p38-49)

차세대 차량을 지원하는 메카 기술
하드웨어로 차별화를 도모하는 유연함

Part 1. 왜 기계 기술인가
뛰어난 하드웨어가 소프트웨어를 살린다

전동화나 자동화가 진전되면서 소프트웨어에 의한 차별화가 더욱 중요해지고 있는 차세대 자동차. 하지만 그러기 위해서는 다양한 자동차에 탑재 가능한 소형/경량의 전동 액슬, 소프트웨어에 의한 치밀한 제어를 활용할 수 있는 뛰어난 하드웨어가 필요하다. 소프트웨어 엔지니어 부족도 고려하면서 때로는 하드웨어로 차별화를 도모하는 유연함도 중요하다.

전기자동차(EV)화 등의 전동화가 진행되면서 운전지원이나 자율주행 기능이 더욱 고도화되고 있는 차세대 자동차. 그런 차세대 자동차에서 차별화의 주역은 지금까지의 기계 기술과 같은 하드웨어에서 소프트웨어로 옮겨 갈 것이라고 보는 전문가는 많다. 그러나 실제로는 그러한 차세대 자동차이기에 더욱 기계 기술이 중요해진다.

-- 전동 액슬의 소형화로 전동화 촉진 --
예를 들면, 대용량 배터리를 탑재해야 하는 차세대 EV를 생각해보자. 그런 EV에서는 차종에 따라서는 공간 확보가 더욱 까다로워진다. 탑재성이 뛰어난 소형/경량의 전동 액슬이 필요하게 된다.

전동 액슬은 모터, 인버터, 기어박스(감속기, 차동기어기구(Differential Gear))로 구성된 EV의 주요 부품이다. 기어박스를 보다 소형/경량으로 만들 수 있는 기계 기술이 있으면 전동 액슬의 소형/경량화에 기여할 수 있다.

미국 S&P Global의 예측에 따르면, EV에서는 배터리의 탑재 용량이 B~E의 전 세그먼트에서 해마다 증가하고 있다. 배터리 탑재 용량이 늘어나면 전동 액슬 탑재에 관한 공간적 제약은 더 심해진다.

게다가 S&P Global의 예측에서는 21년부터 29년에 걸쳐, EV에서 사륜구동(4WD) 차량의 비율은 전 세그먼트 평균 19%에서 38%로 증가한다. 4WD EV에서는 이륜구동(2WD) EV에 대해 전동 액슬을 추가로 싣는다. 그 탑재 공간을 얼마나 확보할 것인가가 과제가 된다.

또한 4WD EV에서는 배터리의 탑재 용량도 2WD EV 대비 20% 정도 커지는 경향이 있다. 따라서 4WD EV에서는 전동 액슬의 소형/경량화를 더욱 강하게 요구할 가능성이 높다.

EV와 더불어 하이브리드차(HEV)나 플러그인하이브리드차(PHEV)에서도 전동 4WD화의 진전으로 후륜 측에 전동 액슬을 탑재하는 케이스가 증가하고 있다. 후륜 쪽은 프론트 후드 아래 공간을 사용할 수 있는 전륜 쪽에 비해 전동 액슬 탑재 공간은 제한적이다.

배터리나 연료 탱크와 공존하면서 짐칸을 좁히고 싶지 않다, 최저 지상고를 확실히 확보하고 싶다 등의 요구에도 대응해 나가야 한다. 즉, 보다 다양한 차종에서 전동화를 진행하고, 나아가 전동차의 성능을 높이기 위해서는 전동 액슬의 소형/경량화가 필요하다.

실제로 일본 경제산업성도 '차세대 축전지, 차세대 모터 개발' 프로젝트에서 모터, 기어, 인버터로 구성된 모터 시스템(요컨대 전동 액슬)의 출력밀도 향상이 필요하며, 그 목표도 제시하고 있다. 출력밀도를 2030년까지 3.0kW/kg으로 끌어올린다는 목표다. 경제산업성에 따르면 현행 출력밀도는 1.01.5kW/kg에 그친다.

자동차 부품 기업 JTEKT에서는 전동 액슬의 소형/경량화에 기여하는 토크 밀도를 배증한 차동기어를 개발하고 있다. 또한 자동차용동력전달기술연구조합(TRAMI)에서는 5만 rpm 이상의 고회전화로 전동 액슬을 소형화하는 연구를 진행하고 있다. 그 연구 대상에는 엔진과 비교해 수 배가 늘어난 고회전화를 견딜 수 있는 드라이브 트레인 등의 기계 기술이 포함되어 있다.

-- 부족한 소프트웨어 엔지니어에 대응 --
소프트웨어 중시로 기능을 차별화하려는 차세대 자동차의 어프로치에는 과제도 많다. 하드웨어적 제약을 줄이고 소프트웨어로 기능을 만들면 확실히 개발 자유도는 올릴 수 있다. 그러나 한편으로 방대한 소프트웨어를 개발해야 한다.

뿐만 아니라 하드웨어적 제약이 적어지면서 소프트웨어의 기능 검증도 보다 복잡해진다. 기능과 관련된 파라미터는 증가하고, 기능 검증이 필요한 파라미터의 조합은 계속 증대할 것으로 보이기 때문이다.

기능 검증을 신형차를 개발할 때만 한다면 그나마 낫다. 하지만 앞으로는 소프트웨어 업데이트를 통해 기능을 향상시키는 방향으로 이행할 전망이다. 소프트웨어를 일부라도 업데이트하면 그와 관련된 다른 소프트웨어도 포함해 재검증을 해야 한다.

그리고 세계적으로 소프트웨어 엔지니어가 부족하다는 점에 주의해야 한다. 기업 간에 쟁탈전 양상을 보인다. 세계적인 IT기업인 인도 Wipro의 일본법인의 대표이사 다케우치(竹内) 씨는 “앞으로 소프트웨어 정의 차량(SDV)이 진전되면서 전 세계에서 소프트웨어 엔지니어의 쟁탈전이 일어날 것이다”라고 지적했다.

이러한 상황 속에서 한정된 자원을 효과적으로 활용하기 위해서는 소프트웨어로 차별화를 하는 부분과 하드웨어로 만드는 부분을 분리해, 유연하게 개발해 나가는 것이 필요할 것이다.

예를 들면, 하드웨어적으로 피칭(차체가 앞이나 뒤로 기울도록 흔들리는 것)을 줄일 수 있다면 피칭을 줄이기 위한 제어 소프트웨어 개발을 생략하거나 간략화할 수 있다. 그리고 그 만큼의 자원을 다른 소프트웨어 개발로 돌릴 수 있다.

실제로 마쓰다의 신형 SUV ‘CX-60’에서는 서스펜션의 기하학적 구성(Geometry)을 고안함으로써 기계적으로 피칭을 억제하고 있다. 구체적으로는 피칭의 회전운동의 중심이 되는 피칭센터를 차체 후단보다 훨씬 후방으로 설정하고, 그것을 실현했다.

뿐만 아니라 차세대 자동차의 소프트웨어를 잘 활용한다는 관점에서도 기계 기술은 중요하다. 바탕이 되는 하드웨어가 좋으면 소프트웨어도 더 잘 활용할 수 있기 때문이다. 탄탄한 강성의 섀시나 차체라면, 소프트웨어에 의한 차량 운동의 치밀한 제어를 차량이 제대로 따라갈 수 있다.

최근 고출력 후륜 구동 모터를 실은 전동 4WD 차량이 늘고 있다. 강력한 선가속도(Linear Acceleration)라는 전동차의 매력에, 원하는 대로 잘 회전하거나 불쾌한 흔들림이 적다는 매력을 더해 편안함과 안정감을 높일 수 있기 때문이다.

하지만 후륜 쪽에 고출력 모터를 실으면, 가속 시에 후륜 쪽 가라앉음이 심해지고 서스펜션이나 차체에 가해지는 힘도 커진다. 즉, 그러한 가라앉음을 억제하고 소프트웨어 의한 치밀한 제어를 추종할 수 있는 탄탄한 강성의 서스펜션이나 차체가 필요하게 된다.

좋은 예가 도요타자동차의 고급차 브랜드 ‘렉서스’의 신형 SUV ‘RX’이다. RX에서는 앞에서 말한 가라앉음을 억제하는 리어 서스펜션을 개발하거나 플랫폼의 리어 측의 강성을 높여, 고출력 리어 모터를 활용할 수 있는 전동 4WD 자동차를 실현했다.

물론 여기서 소개한 것은 일부에 불과하다. EV에서는 충돌에서 배터리를 보호하는 차체 기술도 중요하다. 전동차의 열 매니지먼트에는 밸브나 히트 펌프와 같은 냉각 기술도 필수다. 차세대 자동차에서는 확실히 소프트웨어의 중요성은 커지고 있다. 하지만 그와 동시에 뛰어난 기계 기술을 요구하고 있다.

Part 2. 진화하는 메커니즘 기술
탑재성이나 제어성을 뒷받침

차세대 자동차를 지탱하는 기계 기술은 다양하다. 거기에는 전동화 진전에 기여하는 것도 있고 차량의 제어성을 높이는 것도 있다. 기능을 기계적으로 만들어 넣음으로써 소프트웨어 개발의 부담을 줄일 수 있는 것도 있다. 차세대 차량의 실현 및 발전에 기계 기술의 진화는 필수적이다.

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