미래의 모빌리티 방향성 4가지 C.A.S.E.(Connected, Autonomous, Share & Service, Electric)에 대해 다쏘시스템의 김병균 컨설턴트, 구승회 인더스트리 컨설턴트, 김성태 인더스트리 컨설턴트가 공동집필한 연재글입니다.
Figure-1 자동차의 복잡한 구성요소
지난네 번째 칼럼에서는 공유 경제의 핵심으로 떠오르고 있는 자동차 분야의 차량 공유 서비스와 혁신적인 서비스형 모빌리티(MaaS) 스타트업이라고 할 수 있는 카누(Canoo)의 전기차 비즈니스 모델 및 기술을 알아봤습니다. 이번 칼럼에서는 자율주행 및 친환경 차량의 성장과 함께 그 중요성이 높아지고 있는 차량 전동화 기술(Electrification)을 소개하겠습니다.
자동차 산업의 중심이 친환경화, 전기화, 자동화, 규제화 모빌리티로 이동함에 따라, 많은 자동차 기업은 지속가능성을 확보하고 기술적인 과제를 해결하기 위한 방안을 모색하고 있습니다. 또한, 혁신적인 고객 경험을 개발, 테스트 및 제공하는 새로운 방식을 요구하고 있습니다.
자동차에 대한 국내 전략은 2019년 10월 발간된 ‘미래 자동차 산업 발전 전략 2030년 국가 로드맵 보고서(Fig. 1)’를 통해 확인 할 수 있습니다. 본 보고서에 따르면, 2030년에는 신차에서 친환경차(수소차 및 전기차)가 차지하는 비중이 20~30% 수준으로 확대되며, 스마트 카·자율주행 기능 고도화로 자동차의 전동화가 촉진될 것으로 예상됩니다.
Figure-2 미래 자동차 산업 발전 전략 보고서, 관계부처 합동
또한, 작년 현대자동차는 2030년까지전기·하이브리드·수소차 등 친환경 차량 판매 비중을 전체 판매량의 절반까지 끌어올린다고 발표했습니다. 이러한 전동화 추세로 인해 자동차 전체에서 전동화 부품 비용이 차지하는 비중은 해마다 늘어나고 있습니다.(Fig. 2)
Figure-3 차량에서의 전동화 부품의 가격 비율
이에 이번 포스트에서는 친환경차 보급 확대 및 스마트카·자율주행 기능 고도화로 인해 점차 가속화되는 ‘차량의 전동화’ 트렌드를 살펴보고, 전기차의 전동화 기술에 대해 설명 드리고자 합니다.
전동차, 차량 구동 기능 및 엔진 회전 에너지원을 전기 모터로 보조 또는 대체
전동차는 차량을 움직이기 위한 구동 및 관련 기능을 모터와 배터리로 보조하거나 대체하는 개념으로, 핵심 부품에는 구동 모터, 인버터, 배터리 등이 있습니다. 이렇게 기존의 내연기관 자동차와 구별된 전동차는 이산화탄소(CO₂) 배출량을 낮추기 위한 목적으로 보급되고 있습니다.
차량 구동 이외에도 전동화는 엔진 회전 시 작동되는 제너레이터, 터보 차저 및 각종 펌프류의 에너지원을 전기 모터로 보조하거나 대체하는 것을 포함합니다.
최근 전동화는 자율주행, 커넥티드 카, 차량 공유 등 미래 자동차의 핵심 트렌드와 융합되고 있습니다.
차량의 전동화를 구현하기 위해서는 1회 충전 시 주행거리의 증가, 가속 성능, 연비, 소음 저감, 차량 실내의 열적 쾌적성 및 실내외 첨단 편의 및 안전 사양 등 개발 단계에서 고려 및 개선해야 할 사항이 많습니다. 또한, 이러한 사항들은 대부분 하드웨어와관련되어 있습니다. (Fig. 3)
전기차의 주요 전동화 기술 (1) 배터리 – 성능 최적화를 위해 다양한 상황을 고려한 예측 시뮬레이션 필요
Figure-4 전기차의 주요 전동화 기술
배터리(Battery)의 성능 최적화를 위해서는 배터리의 소재, 셀, 모듈 및 팩에 대한 연구, 엔지니어링 및 생산과 더불어 원자재 제조업체, 전지 제조업체, 배터리 시스템 제조업체 및 자동차 주문자상표부착생산(OEM) 업체와 같은 업체들의 전문성 및 통합성이 중요합니다.
나노 스케일에서의 전극의 거동 및 전해질의 특성을 고려하여 셀을 파라미터화 한 모델을 만들어 새로운 소재 및 차세대 전지의 특성에 대한 시뮬레이션을 수행함으로써 관련 데이터를 얻을 수 있습니다. 셀과 더불어 패킹의 모듈화 된 상태에 대해 충전 및 방전 주기의 팽창 및 응력 발생 외에도 충격, 진동 등과 같은 구조적인 이벤트 발생 시의 성능 및 안전성을 사전에 예측 할 수 있아야 합니다.
이를 위해서는 멀티 스케일과 다물리에 대한 통찰을 시스템에서 구현할 수 있어야 합니다. 다쏘시스템에서는 배터리의 셀에서부터 패킹, 그리고 전체 차량의 동역학, 열 관리, 충돌 신뢰성 및 안전 수명 등에 대한 예측 시뮬레이션을 지원(Fig. 4)하고 있습니다.
Figure-5 디지털 배터리를 위한 다쏘시스템 솔루션
(2) 전기 구동 장치 – 높은 에너지 효율을 위해 전기 구동계 및 컨트롤 시스템에 대한 시뮬레이션 필요
20%가량의 연료 효율을 제공하는 기존 엔진과 달리, 전기 구동 장치는 기본적으로 50% 이상의 에너지 효율을 제공합니다. 이는 전기차의 가격 및 충전 인프라 문제에도 불구하고 전세계 정부들이 전기차를 비롯한 각종 친환경 자동차 보급을 늘리기 위해 규제를 신설하고 있는 이유이기도 합니다.
자동차를 직접 구동하는 모터 자체의 효율도 중요하지만, 모터뿐 아니라 배터리, 인버터, 컨버터 등으로 구성된 파워트레인을 단 한 번에 구현하고 관리하도록 지원하는 통합 솔루션이 지속적으로 출시되고 있습니다. 또한, 각 부품들을 하나의 유닛으로 통합해 모듈화시킴으로써 부품이 차지하는 공간을 줄이며 제품에 맞춰 다양한 모양을 구현해 최적화하는 연구가 지속되고 있습니다.
다쏘시스템에서는 모터를 포함한 전기 구동계의 컨셉 및 상세 설계와 더불어 컨트롤 시스템에 대한 설계 및 검증 시뮬레이션을 지원하고 있으며, 성능 예측과 관련된 물리적인 해석 분야를 지원(Fig. 5)하고 있습니다. 이러한 물리적 해석 분야에는내구 수명, 소음 진동, 열 관리, 윤활 및 강성 강도가 포함됩니다.
Figure-6 전기차 구동 시스템 시뮬레이션
(3) 전력 전자 장치 – 통합 모듈 개발 및 열 발생으로 인한 안정성 및 내구성 영향 관련 연구 진행
전력 전자 장치(Power Electronics)분야에서는 인버터 및 컨버터를 전력 공급 유닛으로 통합하고 고출력에 대응할 수 있는 통합 모듈 개발이 진행되고 있으며, 광대역 반도체 소재가 늘어나고 있습니다. 차량 내에 전력 변환 장치가 증가할수록, 배터리의 출력 전압과 전류에 큰 리플 성분이 발생해 전원의 불안정성이 높아집니다.
이는 배터리에 연결된 다른 전자 장비들에 영향을 끼쳐 오동작을 일으킬 수 있는 원인이 되고, 배터리 자체에도 좋지 않은 영향을 주게 됩니다. 이에 전기 전자의 무결성과 더불어, 전력 변환 장치에서 발생되는 열이 안정성 및 내구성에 끼치는 영향에 대한 연구가 진행되고 있습니다.
(4) 실내공조시스템 – 주행 거리 감소 문제 극복 및 통합 열 관리 시스템으로의 발전 필요
실내공조시스템(Heating, Ventilation, and Air Conditioning, HVAC)은 기술적 한계와 환경 규제를 극복하기 위해 새로운 도약을 준비하고 있습니다. 엔진 열원이 없는 전기자동차의 경우, 겨울철 실내공간 난방을 위해 정온도계수(Positive Temperature Coefficient, PTC) 히터를 이용하여 전기 에너지를 열 에너지로 변환하고 이를 실내에 공급합니다.
하지만 이러한 난방방식은 1회 충전 시 주행 가능 거리를 줄이기 때문에, 전기자동차의 상품성을 저해하게 됩니다. 이 때문에 전기차 열 관리는 수냉각시스템, 유냉각시스템, 증발냉각시스템과 HVAC의 열적 결합(Thermal Connection)이 보다 강화된 통합 열 관리 시스템으로 계속 발전할 것입니다.
다쏘시스템, 3D익스피리언스 플랫폼으로 자동차 혁신 적극 지원
2019년 다쏘시스템은 PSA그룹의 최우선 디지털 파트너로 공식 선정됐는데요, 이에 따라 양사는 현재 PSA그룹 전반의 혁신을 가져올 3D익스피리언스(3DEXPERIENCE) 플랫폼을 구축하기 위한 장기적인 전략을 수립하고 있습니다. 또한, 다쏘시스템은 2025년까지 PSA그룹이 모든 차량의 전동화라는 야심찬 목표를 달성할 수 있도록 지원할 것입니다.
향후 다쏘시스템은 3D익스피리언스 플랫폼을 통해 분자 단위에서 전체 시스템까지 포괄하는 멀티 스케일 시뮬레이션, 단일 모델로 다양한 시뮬레이션에 활용할 수 있는 싱글 소스, 모델 기반의 시스템 엔지니어링, 손쉬운 데이터 교환과 커뮤니케이션을 지원하면서 미래 자동차 혁신을 앞당길 것입니다.
