차세대 자동차 개발을 혁신하는 모터 레이싱
2022년 03월 04일
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연간 시청 횟수가 수 십 억회에 달하는 모터 레이싱은 텔레비전으로 방영되는 세계에서 가장 인기 있는 스포츠 중 하나이다. 모터 레이싱은 전세계 각지 언론의 관심을 받으며 막대한 후원을 통해 수익을 창출한다. 세계 유수의 자동차 브랜드가 다양한 방식으로 모터 스포츠에 참여하는 오늘날, 모터 스포츠는 이들 기업이 엔지니어링 부문의 강점을 보여줄 수 있는 귀중한 플랫폼이다.


자동차 제조업체들은 모터 스포츠 참여가 제공하는 경쟁 측면의 가치 뿐만 아니라, 지속적인 제품 개발 프로그램에 기여하는 다양한 가치 또한 높게 평가하고 있다. 경기장에서 첫 선을 보인 수많은 경이로운 기술들이 마침내 오늘날 승용차에까지 채택돼 성능 향상, 연비 개선, 탑승자 안전성 향상 등에 기여했다. 이를 통해 하이브리드 엔진, 차량 내 네트워크(in-vehicle networking), 진단 데이터 수집, 효과적인 캠축(camshaft) 배치, 자동 변속기 시스템, 공기 역학의 개선, 첨단 섀시 재료의 사용 및 회생 제동(regenerative braking)과 관련된 주요 혁신을 달성할 수 있었다.


모터 스포츠의 새로운 시대


전기차(EV)의 보급이 크게 확대되면서 ABB FIA 포뮬러 E(Formula E) 월드 챔피언십(World Championship) 경기 일정은 오늘날 자동차의 독창성을 위한 필수 테스트베드로 인식되고 있다. 전 세계적으로 열렬한 팬들이 꾸준히 늘어나면서, 다양한 E-프리(E-Prix) 행사는 전기차가 절대 재밌을 수 없다는 편견을 깨고 있다. 메르세데스-EQ(Mercedes-EQ®)를 비롯한 수많은 유명 자동차 브랜드들도 이 대회에 참가하고 있다. 다시 말하지만, 이러한 대회는 특히 에너지 회수 방식이나 전력 관리 시스템 등과 관련된 기술이 주류 자동차 분야로 옮겨가도록 할 거대한 잠재력을 가지고 있다.


포뮬러 E의 형식은 계속 발전하고 있으며, 각 팀은 이에 대응해야 한다. 예를 들어, 포뮬러 E의 첫 네 시즌까지 운전자들은 경기 도중 타던 차를 두고 완전히 충전된 두번째 차로 갈아타야 했다. 2018년 말 진행된 포뮬러 E 다섯 번째 시즌에서 이 모든 것이 바뀌었다. 그 이후로, 경쟁하는 모든 팀의 차량은 대체될 필요 없이 완주 가능할 만큼 충분한 배터리 용량을 갖춰야 했다. 이에 대응하고자 각 팀의 기술 담당자들은 차량의 효율성 뿐만 아니라 에너지 저장 밀도까지 크게 향상시켜야 했다.


일상에서 구현되는 포뮬러 E 엔지니어링 기술

오늘날 경기장에서 일어나는 일들이 앞으로 우리가 구매할 전기차에 어떤 영향을 미칠지 살펴보자. 포뮬라 E 2세대(Generation 2) 레이싱카를 위해 개발된 기술이 매스 마켓을 위한 전기차 설계 부문에서 장기적인 이점을 갖는 경우가 몇 가지 있다. 다음은 그 중 가장 중요한 사항들이다.

1. 배터리 기술 - 전기차의 빠른 상용화를 위해 극복해야 할 주요 장애요소로, 배터리가 다 닳는 동안 전기차를 타고 적절한 거리를 이동할 수 없다는 소비자들의 걱정을 누그러뜨려야 한다. 이에 새로운 배터리 화학 실험과 파워트레인 효율 개선(모두 포뮬러 E 레이싱카를 통해 수행된 바 있는 작업들을 바탕으로 함)은 현재 시장에 출시된 전기차 모델들이 재충전까지 200마일 이상을 주행할 수 있도록 돕는다. 더불어, 충전 인프라의 종합적인 상용화와 급속 충전 기술의 등장은 각각 빠르고 편리한 방식으로 충전이 이뤄지도록 해 소비자의 '주행거리 불안(range anxiety)'을 해소한다.


2. 파워트레인 - 포뮬러 E 레이싱카와 매스 마켓을 위한 전기차의 파워트레인은 거의 동일한 목표를 가진다. 주로 전력 전달의 효율을 최대화하고(정밀한 모터 알고리즘을 사용하고 손실을 방지하기 위해 더 빠른 속도로 스위칭 함으로써), 운동 에너지 회수 메커니즘을 사용하여 배터리 비축량을 보충하기 위한 것이다. 이러한 목표를 성공적으로 달성하면 배터리 방전 속도가 느려지고 재충전까지 차량이 주행할 수 있는 거리가 넓어진다.


3. 오늘날 소비자용 전기차의 대부분에 사용되는 주 전원 버스의 정격은 400V(전압)이다. 이미 고전압 파워트레인이 활용되고 있는 포뮬러 E 레이싱카의 추진력을 바탕으로, 현재 800V 시스템이 매스 마켓에서 구축되도록 개발 중에 있다. 이와 같이 향상된 전압 수치는 기존 실리콘 전력 이산화 장치를 사용해 해결할 수 없다. 대신, 실리콘 카바이드(SiC) 공정 기술에 기반한 것과 같은 와이드 밴드갭(wide bandgap) 장치의 통합을 필요로 한다. SiC는 포뮬러 E 경기용 자동차의 파워트레인에 이미 탑재돼 있으며, 높은 효율과 더불어 혹독한 환경에서 매우 뛰어난 복원력을 가진 것으로 입증됐다. 온세미는 포뮬러 E 파워트레인 개발에 필수적인 역할을 제공한다. 예로써, 메르세데스-EQ 포뮬러 E 팀은 우수한 자동차 정격 전력 장치를 사용하여 초효율 파워트레인 시스템을 개발하도록 지원했다. 양사는 트랙션 인버터 전원단의 효율 향상을 위해 긴밀히 협력했다. 이와 같은 프로젝트에서 학습된 내용은 이후 소비자용 전기차의 파워트레인 효율을 개선하는데 활용된다.


4. 고속 충전 – 전압의 상승은 이미 전기차 주 전원 버스에 걸쳐 진행 중이다. 이를 통해 작동 효율을 높일 수 있으며, 잠재적인 낭비 요소에 대응할 수 있다. 또한 이는 충전 측면에서 상당히 가치 있으며, 전송 손실을 억제할 수 있다. 전기차의 잠재적 고객이 주행거리에 대해 걱정하는 만큼, 기업들은 충전과 관련된 어려움이 생기지 않도록 노력을 기울이고 있다. 최신 세대 포뮬러E 레이싱카 충전 기술은 단 30초 간격으로 4kWh 상당의 충전이 가능하다. 이러한 속도는 아직 시중의 충전시설에서 한동안 구현하기 힘들 것이다(전기 공급 그리드가 이를 지원하는 데 어려움을 느끼고 있으며, 충전기와 케이블의 전류 전달과 관련해서도 당면 과제가 있다). 그럼에도 전기차 완충에 소요되는 시간은 계속 줄어들고 있으며, 이러한 추세는 지속될 것이다. 이때, 최신 와이드 밴드갭(wide bandgap) 전력 반도체 디바이스의 통합이 가장 중요하다.


5. 회생 제동 방식 - 회생 제동은 포뮬러 E 레이싱카의 중요한 기술적 측면인데, 레이싱카에서 이용 가능한 에너지 자원이 늘어남을 의미하기 때문이다. 하드브레이크가 빈번한 레이스 시나리오에서는 회생 제동의 기회가 충분하다. 즉, 하드 브레이크 도중 에너지를 포착하는 데 걸리는 시간은 에너지가 배터리로 되돌아갈 수 있을 만큼 길지 못하다. 슈퍼커패시터(Supercapacitors)는 회수된 에너지를 일시적으로 저장하는 수단을 제공해, 이후 에너지가 배터리로 돌아가거나 레이싱카가 다시 가속할 때 모터로 돌아가 적용되도록 한다. 이러한 슈퍼커패시터는 포뮬러 E 설계에 필요하지만, 높은 가격으로 인해 비용에 민감한 소비자용 전기차에는 적용하기 매우 어렵다. 또한 소비자용 전기차에서 브레이크 대 주행 비율은 훨씬 낮아 파생되는 편익 또한 그리 크지 않을 것이다. 그럼에도, 전기차 제조업체들은 대규모 시장을 위한 비용 효율적 에너지 회수 시스템 개발에 많은 엔지니어링 노력을 기울인다.


결론


모터스포츠의 혁신과 더 나은 차량 개발의 연관성은 여전히 매우 확실하다. 메르세데스-EQ 실버 애로우(Silver Arrow) 02와 같은 포뮬러 E 레이싱카는 현재 새로운 전기차 모델을 설계하고 구성 요소를 명시하는 OEM을 위한 글로벌 플랫폼인 포뮬러 E의 기술적 원동력이 됐다. 이를 통해 계속되는 지식 전달은 사회적으로 차량 전장화 목표가 충족되도록 하는 데 중추적인 역할을 할 것이다.


온세미는 이러한 지식의 전달에 계속 기여해 왔다. 온세미는 포뮬러 E 경기장과 연구소에서 쌓은 경험 및 SiC와 질화갈륨(GaN) 기술에 대한 전문 지식을 도로 위의 전기차에 적용할 수 있다. 이로써 DC/DC 변환을 보다 효율적으로 지원할 수 있으며, 더 높은 전압과 빠른 스위칭 속도를 구현할 수 있다. 이러한 혁신으로 전기차는 구매 고객에게 훨씬 더 매력적으로 다가올 것이며, 점차 전기차의 보급에도 도움이 될 것이다.


글/ 데이브 프리스칵(Dave Priscak), 온세미 월드와이드 솔루션 엔지니어링 부사장 

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