2014 BMW 이노베이션데이가 BMW의 프루빙그라운드가 있는 프랑스 마르세이유 미라마 근교에서 개최됐다. BMW 의 이노베이션데이는 그들이 개발하고 있는 신기술을 소개하고 앞으로의 방향성을 제시하는 자리다. 기본적으로는 그들의 기술을 홍보하는 장이지만 전 세계 자동차 전문기자들로부터 그들이 개발하고 있는 기술들에 대한 의견을 듣는 장으로서도 활용하기도 한다. 올해는 BMW 의 이피션트 다이나믹스 기술 중 7가지가 주제였다. 두 번째 워크샵에서는 Predictive Drivetrain Management(예측주행)/Intelligent Lightweight Design(경량화)/Intelligent Energy Management(열관리)/LaserLight(레이저 라이트)에 관한 내용을 소개했다.

글 / 채영석 (글로벌오토뉴스국장)

Predictive Drivetrain Management(예측 주행 제어 시스템)

BMW는 2011년의 이노베이션데이를 통해 예측 변속 제어 시스템 채용한 8단 AT를 소개한 바 있다. ZF의 8단 자동변속기를 기본으로 하는 것으로 도로의 상황에 따라 최적의 변속 포인트를 찾아 지능적으로 변속을 진행하는 시스템이었다. 2012년에는 한 단계 진보 해 크게 예측 변속 제어(Predictive Drivetrain Management)과 선견(Foresight) 기능, 그리고 그것들을 실행하는 변속 모드를 선 보였다. 2013년 실차에 적용했었으며 이번 행사를 통해서는 2세대로 진화한 시스템을 소개했다.

기본적인 컨셉은 같지만 좀 더 세밀하게 제어할 수 있고 운전자의 입장에서 안전성을 더 확보하게 된 점 등이 특징이다. 엔진 브레이크의 기능을 추가했으며 추월 위한 파워의 증강과 다운시프트의 자동 제어도 추가된 것이 포인트다. 물론 다른 모든 기술과 마찬가지로 이피션트 다이나믹스로 대별되는 효율성 향상을 위한 것이지만 거기에 한 발 더 나아가 자율주행자동차의 기술 실현을 위한 진보이기도 하다.

현재의 변속기 제어 시스템은 이미 운전자의 다양한 상황 및 요건을 허락하며 각 상황 별로 적합한 기어를 선택하는 수준에까지 이르러 있다. 토크 센싱에 의해 적절한 기어 변속 포인트를 찾아 내 연비 성능을 최적화하는 것은 오래된 기술에 속한다. 뿐만 아니라 운전자의 운전습성을 파악해 그에 맞는 패턴으로 변속 포인트를 실행하기도 한다.

BMW는 여기에서 한 발 더 나아가 다른 부품과의 상호 연결 및 내비게이션 정보의 사용을 통해 도로의 상황에 맞는 최적화된 변속 로직을 개발해 냈다. 토크 센싱의 지나친 작동을 억제해 효율성과 안락성을 제고하고 달리는 즐거움을 손상시키지 않기 위함이다. 더불어 네트워크 기능의 지능적 사용을 통한 혁신적인 기술에 대한 모색도 이루어지고 있다.

먼저 내비게이션에 입력된 정보를 통해 도로의 높낮이 정도를 파악한다. 전방 1.5km까지의 상황을 분석하는 The Electronic Horizon.' 단계다. 다음으로 노면의 마찰력 정도까지 파악하고 그 정보를 분석해 최적의 변속 포인트를 찾아낸다. 그렇게 해서 잦은 변속으로 인한 효율성 저하를 막고 달리는 즐거움을 손상시키지 않기 위함이다.

이를 위해 필요한 장비는 카메라를 비롯해 앞뒤 레이더, 내비게이션, 초음파 등이다.

이것을 구체적으로 적용해 실행에 옮긴 것이 예측 변속 제어(Predictive Drivetrain Management)과 선견(Foresight) 기능이다.

시작은 내비게이션으로부터 데이터를 인식하고 그것을 분석하는 것이다. 그 데이터를 통해 전방의 상황을 확인하고 예측 기능을 통해 자동차의 거동을 최적화한다. 이 때 동원되는 것이 코스팅(Caosting; 탄력 주행)과 에코 루트, 에코 프로(Eco Pro)에널라이저다. 이들을 통해 예측 동력전달장치 제어가 가동된다. 제어는 Sport+, Sport, Comfort, Eco, Eco Pro 모드 등 모두 5개의 모드로 이루어진다.

Comfort 모드에서는 우선 코너링에 진입하기 전에 알아서 시프트 다운이 이루어진다. 속도를 낮추고 구동력을 증강하기 위함이다. 코너의 CP지점을 지나면서는 다음 상황을 정확히 예측해 불필요한 변속을 하지 않도록 제어한다. 결국 운전자는 잦은 변속을 하지 않아도 되고 그만큼 코너링이나 와인딩 로드에서의 스트레스가 줄어 든다.

Sport 모드에서는 변속 포인트를 늦춰 코너링 진입시부터 탈출시, 다음 와인딩의 진입시까지 좀 더 높은 구동력을 확보해 스포티한 주행을 가능하게 한다. 저단 기어의 사용을 늘리는 것이다. 좀 더 다이나믹한 주행을 원할 때 사용하는 모드다. 여기까지는 기어박스를 중심으로 한 로직이다.

Eco Pro 모드에서만 작동되는 선견(Foresight) 기능은 좀 더 복잡한 예측이 가능하다. 자동차의 진행 방향 전방 1500미터까지의 상황을 파악하는 것이 시작이다. 내비게이션으로 목적지가 설정되어 있는 상황에서 최적의 도로를 선택한다. 최적이라는 것은 최단일 수도 있고 노면의 곡률반경이나 언덕길 등을 고려해 가장 효율적인 도로를 선택하는 것일 수도 있다.

전방의 도로에서의 속도 제한과, 코너의 상황, 고속도로 출구 등 모든 예상 가능한 상황을 상정해 최적의 도로를 찾아 주는 에코 프로 루트 기능을 말하는 것이다. 그에 따라 최적의 변속을 수행해 준다. 그 결과 최대 25%까지 연료 저감이 가능하다고 한다. 그러니까 가능한 모든 방법을 동원해 효율성을 추구하면서 동시에 역동성이라고 하는 BMW의 DNA도 살려 내고자 한다는 것이다.

2012년에는 일반 도로에서 짧은 시승을 했었으나 이번에는 프루빙 그라운드 내에서 이루어졌다. 내비게이션 연동이 되지 않는 상황에서 새로 추가된 엔진 브레이크 기능과 추월 위한 파워의 증강과 다운시프트의 자동 제어를 체험하는 것이 포인트였다. 이는 ACC 기능과 같은 개념으로 작동됐다. 앞 차와의 거리가 별도의 컴퓨터 모니터를 통해 표시됐다. 옆 차선의 차가 가까이 있는 상황에서 그 차가 진행하는 쪽으로 방향지스등을 켜면 경고 상태가 되고 탈출을 위하 다운시프트 준비가 된다. 이때는 자동으로 스포츠 모드로 들어간다.

지난 번 1세대 시스템에서도 그랬지만 BMW의 발표한 자율주행시스템을 위한 장비들이 구체적으로 발전되고 있음을 느낄 수 있었다. 엔지니어는 자율주행시스템과의 연계되는 발언은 자제하고자 했지만 실제 시스템의 작동 상황은 예측 주행으로 효율성을 높이는 것과 동시에 안전성의 확보라는 측면에서 부인할 수는 없을 것 같다.

BMW는 2012년 7월 CDC(ConnectedDrive Connect)로 불리는 자동주행시스템을 공개 한 바 있다. 이 시스템은 GPS와 레이더, 라이더, 비디오 카메라 같은 장비들이 차의 움직임은 물론 주위의 물체를 정확히 식별해 낸다.

CDC는 기본적으로 현재의 ACC(Adaptive Cruise Control)처럼 전방의 상황에 따라 가감속을 자동으로 실행한다. 그리고 전방이 완전히 비어 있다면 최대 130km/h까지 속도를 올릴 수 있다. 전방의 서행 차량을 피해 차선 변경 후 다시 원래의 차선으로 복귀할 수 있는 것은 물론이다. BMW는 이미 5천 km의 주행 테스트를 마친 상태이다.

CDC는 5시리즈에 프로토타입이 탑재돼 테스트가 진행 중이다. 최신의 비디오 카메라는 각 도로에 맞는 속도 제한은 물론 추월 금지 구간 같은 고급 정보도 식별이 가능하다. 그리고 정체구간에서도 운전자와 동일한 부드러운 거동을 제공한다. 2013년에는 바로 그 차를 아우토반에서 동승 시승까지 한 바가 있다.

참고로 예측 변속 제어 시스템의 기본이 되는 BMW의 8단 자동변속기는 12기통 엔진의 힘과 성능에 이상적으로 맞추어진 것이다. 안락성, 스포티함, 효율성을 추구하는 8단 자동 변속기는 이전의 6단 자동 변속에 비해 기어 증가 범위를 늘렸다. 기어세트 구성을 통해 성능은 향상시킨 반면, 기어의 크기, 무게, 시스템의 내부 효율성에는 부정적인 영향을 미치지 않았다.

BMW 엔지니어들이 8단 자동변속기에서 가장 먼저 고려한 것은 원하는 정도의 효율성 개선을 이루기 위해서는 6단 자동 변속기에 비해 기어 수를 늘리고 더욱 넓은 범위의 기어 증속을 제공하는 변속 시스템이 필요하다는 사실이라고 밝혔다. 동시에 시스템의 내부 효율성을 최적화하기 위해 추가 부품의 수를 최소한으로 유지한다는 것이었다고 한다.

그 작업을 위해 ZF 프리드리히스하펜(Friedrichshafen) AG등 협력업체들이 참여했다.

Intelligent Lightweight Design(경량화)

다운사이징이 구호가 될 만큼 차체 경량화는 이 시대의 중요한 과제다. 단 몇 %만이라도 중량을 줄이면 훨씬 어려운 엔진 기술 개량을 통해 얻는 이익을 상회할 수 있다. BMW 는 최근 카본 파이버 강화 플라스틱의 사용폭을 넓히는데 힘을 쏟고 있다.

카본 파이버는 1970년대에는 우주선에 사용되었고 1980년에는 스포츠 장비 부문에, 21세기 들어서는 비행기에 사용되었다. 그것이 자동차에 사용되기 시작한 것은 2010년부터이며 2020년 경에는 산업 전체로 사용폭이 확대될 것이라는 전망을 하고 있다.

BMW는 이미 카본 파이버 강화 플라스틱을 i 브랜드에 사용하고 있다. 당장에는 고가의 부품이지만 프리미엄성을 위해 반드시 사용한다는 전략을 실행에 옮기고 있는 것이다. 그렇게 해서 i3는 1,195kg, i8는 1,485kg으로 차체 중량을 억제하는 성과를 이루었다. 배터리와 하이브리드 시스템 등을 탑재하고도 이 정도의 중량 저감을 이룩한 것은 혁명적이라고 해도 과언이 아니다.

경량화는 카본 차체 부품부터 샌드위치 구성, 신재료 개발, 앞 후드와 루프, 도어, 트렁크 리드 등 알루미늄 부품 사용, 알루미늄 휠 캐리어, 알루미늄 앞 범퍼, 고장력 강판, 경량 최적화 등 끝이 없다. 그렇게 해서 BMW는 5~10%의 중량 저감을 이루어 냈다. 물론 그러면서 안전 기중과 환경 규제, 하이브리드 기술과의 효과적인 통합도 이루어 내야 한다.

경량화로 인한 효과도 지대 하다. 연료 소모를 줄이고 이산화탄소 배출량을 저감하며 제동성 향상, 가속성 증대, 드라이빙 다이나믹스 증대, 도로 보호, 안락성 증대, 안전성 강화, 회복성 강화, 주행거리 증대, 자원 재활용, 공장 환경개선 등 많은 도전 과제를 해결할 수 있다.

BMW가 이번에 소개한 것들로는 휠 캐리어와 계기판 지지대, 에어컨 패널, 에어로 라이트 알로이 휠 등으로 모두 카본 파이버를 활용해 경량화를 추구한 것들이었다. 계기판 지지대는 마그네슘 합금으로 했을 때보다 30%, 에어컨 패널은 60%, 알로이 휠은 30%씩의 중량 저감을 이룰 수 있다고 한다.

이들은 효과 면에서는 마그네슘 합금제와 같고 친환경적인 측면에서 우수하며 재활용이 가능하다는 장점등이 있다. 또한 강도와 내구성에서도 비슷하거나 앞선 성능을 보여 준다. 차체 적용했을 때 진동을 흡수하는 효과도 뛰어나다고 한다. 물론 카본만으로는 안될 수도 있어 수지와 같이 녹여서 제품을 생산하기도 한다.

현장에 디스플레이되어 있는 카본 스티어링 휠과 카본 프로펠러 샤프트 등도 눈길을 끌었다. 카본 스티어링 휠은 이제 시작 단계의 것으로 경량화 효과, 차체 부품과의 연결 용이, 시각적인 효과 등에서 우수하다는 실험결과를 제시했지만 아직은 연구단계라는 단서를 달았다. 다시 말해 앞으로 기능적인 측면 등에 대해 더 많은 연구개발이 필요하다는 것이다.

또한 휠의 경량화 과정도 눈길을 끌었다. 가장 먼저 시도되었던 것이 알루미늄 다이캐스트제였고 그 다음이 알루미늄 강화 휠로 앞의 것에 비해 15~20%의 경량화를 이루었다. 그 다음 단계에 등장한 것이 알루미늄과 카본 파이버의 하이브리드 휠로 고성능 차에 사용가능한 단계까지 발전해 있다. 이는 디자인 자유도가 높아 앞으로도 더 많은 실용화가 예상된다.

그리고 마지막으로는 완전 카본 파이버 휠이 고려되고 있다. 디자인 변경이 불가해 자유도가 낮다는 단점이 있지만 에어로 다이나믹과 경량화 등의 효과가 있다. 하이브리드 휠에 비해 15% 가량의 경량화가 가능하다고 한다.

참고로 현행 3세대 X5의 경우 360도 경량화라는 컨셉으로 각 부분에서 줄인 중량이 엔진 캐리어와 스프링 브라켓 알루미늄에서 8kg을 저감한 것을 시작으로 타이어 디자인에서 -8kg, 휠에서 -4kg 등 모두 40.7kg을 경량화 했다.

Intelligent Energy Management(에너지 관리)

2012 이노베이션데이를 통해 BMW는 내연기관 자동차에서의 에너지 및 열관리 시스템 개발 현황에 대해 소개했었다. 이번에는 전동차 차량에서의 열관리 시스템에 대해 소개했다. 배터리 전기차와 플러그인 하이브리드도 추운 날씨에 차안 승객실 난방에 필요한 열을 효율적으로 공급하는 것도 특별한 도전 과제다. 차의 배터리에 저장된 에너지는 가능한 한 차를 구동하는 데 사용해야 한다. 차의 실내는 주택 부문에서 잘 알려진 기술인 히트 펌프의 도움을 받아 난방을 한다. 순전히 배터리 전력만을 사용하는 난방과 비교하여 히트 펌프의 높은 효율성을 제대로 활용하려면 모든 주행 조건 하에서 신뢰성 있게 작동할 수 있는 기술이 필요하다.

건물 난방에 사용되는 시스템과 마찬가지로, 차에 사용되는 히트 펌프도 주변에 있는 저온의 열원을 이용하는데, 이 경우 주변 공기로부터 얻은 열만을 사용한다. 에어컨 컴프레서를 이용해 냉매를 압축하여 더 높은 온도로 올려준다. 이 원리는 냉난방 겸용 에어컨과 비슷하다. 난방 시에는 냉매의 흐름을 냉방과 반대 방향으로 흐르게 하여 열을 내게 하는 것이다. 그런데 자동차에 사용하려면 승객실을 가열, 냉각, 그리고 제습도 할 수 있는 기술이 필요하다. 그래서 추가적인 구성 부품과 레귤레이터를 더해 기존 냉매 회로를 확장했다. 외부 공기에 존재하는 열뿐만 아니라 본래부터 실내에 있던 열도 열원으로 사용할 수 있으며, 이 과정은 차 천제를 모니터링하는 인텔리전트 열 관리 시스템에 의해 제어된다.

BMW 의 배터리 전기차에 장착된 에어컨 시스템은 기존의 동력원을 사용하는 자동차에 뒤지지 않는 성능을 제공한다. 여기에는 다양한 온도의 공기를 다양한 영역에 분배하는 기능도 포함된다. 히트 펌프를 사용하면 안락성과 편의성을 높여주는 이러한 영역별 난방 기능도 실현할 수 있다. BEV 및 PHEV에 히트 펌프를 장착하면 실내 난방에 필요한 에너지의 약 50%를 절약할 수 있다. 바깥 기온이 섭씨 0도인 경우, 주행 사이클에 따라 차의 주행 가능 거리가 10~30% 정도 늘어난다. 기존 동력원을 사용하는 차에 적용할 계획은 현재 가지고 있지 않다.

2년 전에 발표했던 것들로는 1. 적외선 난방 표면으로 에너지 절약을 비롯해 2.건강에 좋은" 복사열을 방출하는 적외선 난방 표면. 3. 가변식으로 설계된 새로운 2세대 에어 벤트 컨트롤. 4. 하이브리드 드라이브 유닛의 인텔리전트 에너지 관리. 5. 예측 에너지 관리 : 내연기관 엔진의 작동 온도 최적화 등이었다.

2014이노베이션데이에서는 배터리 전기차의 열관리에 대한 컨셉을 소개했다. 기본적으로 밖으로 배출되는 열을 회수해 엔진 룸 내의 흡기를 덮여 3분의 2의 에너지를 회수한다는 것이다.

우선 차 내부에서 난방을 위해 사용된 열이 배출되는 것을 회수해 에어 인테이크로 들어 오는 찬 공기를 예열하는데 사용한다. 워터 사이클을 제어해 에너지를 회수한다. 이들을 제어하면 인위적으로 공기를 가열할 필요가 없어 에너지를 절약할 수 있다는 컨셉니다.

인텔리전트 에너지 관리는 BMW 그룹의 이피션트다이내믹스 전략에 포함되어 있는 중요한 부분이다. 현재 그리고 미래에도, 에너지 절약은 모든 자동차 설계와 세부 자동차 구성 요소에서 최우선 목표가 될 것이다. 자동차 전체에 흐르는 데이터를 네트워크로 연결하는 것은 여전히 큰 잠재력을 제공한다. 미래에는 더 많은 예측 기술과 인텔리전트 컨트롤 시스템이 "커넥티드 드라이브와 이피션트다이내믹스의 만남"이라는 모토 하에서 더욱 안전하고 효율적인 드라이빙을 가능케 할 것이다.

Laser Light(레이저 라이트)

LED를 사용한 자동차의 빛이 레이저로 전환하고 있다. BMW가 i8에 적용한다고 발표한 레이저 라이트는 다른 장비와 마찬가지로 야간 주행시 자차는 물론 전방 주행차, 대향차 등의 안전을 위한 것이다. 그동안 사람의 눈에 직접 비추었을 때 발생할 수 있는 치명적인 문제점 등으로 상용화가 지연되어 왔던 것이 이제 실용화를 위한 발걸음이 빨라지고 있다.

BMW가 올 해부터 적용을 확대하겠다고 선언한 레이저 라이트는 7시리즈에 채용되어 있는 어댑티브 LED를 베이스로 하고 있지만 광원이 레이저다. 파란색의 레이저를 세 개의 다이오드에 보내 그것을 포스포(Phosphor 인)에 모아 흰색으로 바꾸어 다시 반사판으로 통해 넓은 부분을 조사한다.

LED 하이빔과 레이저 부스터를 통합한 라이트를 비추면 LED나 HID의 한계치인 300m의 두 배나 되는 전방 600m까지 조사가 가능하다. 실제로 야간에 프로방스 부근의 짧은 구간에서 실험을 해 보았는데 놀라울 정도의 광도를 보여 주었다. 물론 레이저 라이트를 광원으로 사용하지만 주행시 앞 차와 대향차의 눈부심을 방지해 주는 기능도 통합이 되어 있다.

레이저 라이트를 사용하게 되면 전력 소모가 30% 가량 저감된다. 당연히 설계 중량도 50% 이상 줄어든다. LED보다 광도는 5배가 밝고 크기는 1000배나 작아졌다.

지금은 상황에 따라 완전히 라이트가 까지는 방식과 램프가 상하좌우로 움직여 눈부심을 방지해 주는 방식이 있다. 7시리즈에는 후자가 옵션으로 채용되어 있다.

모든 부문에 걸쳐 끝없은 개량과 신기술 개발을 통해 트렌드 세터로서의 혁신성을 보여 주는 것이 BMW가 프리미엄 브랜드 왕좌의 자리를 확고하게 고수하는 배경이다. 단 몇 %라도 개선 및 개량을 하고 지금까지 생각하지 못했던 새로운 아이디어의 실현을 통해 지속가능한 자동차사회를 위한 노력은 지금도 계속되고 있다.