최근 자동차 산업계는 새로운 이동수단을 포함한 다양한 모빌리티 형태에 대한 소비자 및 시장의 니즈 증대, 친환경 xEV(x-Electric Vehicle, x : Hybrid, Plug-in Hybrid, Battery, Fuel Cell)로의 전동화, 차세대 고속 무선통신 기반의 커넥티드 서비스 확대, 자율주행 자동차로의 전환을 의미하는 M.E.C.A.(Mobility, Electrification, Connectivity and Autonomous) 트렌드로의 대전환을 맞이하고 있다. 

M.E.C.A. 트렌드의 각 항목은 모두 미래 자동차의 핵심 키워드를 상징하는 단어이며, 이러한 키워드의 등장에 따라 자동차 산업계의 변화도 빠르게 진행되고 있다. 

M.E.C.A. 트렌드로의 대전환은 자동차를 포함한 교통수단의 기술적 형태를 변화시킬 뿐만 아니라, 이와 관련된 사회적 인프라, 서비스, 라이프 스타일 등 인류의 생활 전반에 큰 변화를 가져올 것이다. 고속 무선통신 서비스를 기반으로 도로 위에서 사용자-모빌리티-인프라 간의 유기적인 연결이 형성되고, 무한한 확장성을 지닌 자율주행 기반의 친환경 다목적 모빌리티인 PBV(Purpose Built Vehicle)의 등장으로 교통 및 물류 효율은 극대화되어질 것으로 전망된다. 

본 고에서는 자동차 산업계의 M.E.C.A. 트렌드에 대한 전반적인 내용을 알아보고, 이러한 트렌드 대전환이 제동, 조향, 현가와 같은 섀시 시스템에 새롭게 요구할 것으로 예상되는 기술적 당면 과제를 분석하여, M.E.C.A. 트렌드에 따른 새로운 요구사항을 대응하기 위한 섀시 시스템의 개발 방향성에 대하여 고찰하고자 한다.

Mobility–미래 모빌리티용 차세대 섀시 시스템 개발

M.E.C.A. 트렌드의 첫번째 키워드인 Mobility는 <그림 2>와 같이, 기존의 대표적인 이동/물류 수단인 자동차뿐만 아니라, 하늘과 지상을 연결하고 이동의 제약이 없는 도심형 항공 모빌리티인 UAM(Urban Air Mobility), 자율주행 기반의 친환경 다목적 모빌리티인 PBV를 포함한 새로운 형태의 다양한 모빌리티의 등장과 이를 기반으로 하는 새로운 서비스의 등장을 의미한다. 특히, 모빌리티의 개념이 소유의 대상에서 필요 시 공유하는 대상으로 전환됨에 따라, 이용 시간 지불 방식의 Car Sharing 서비스, 승차 공유 방식의 Ride Sharing 서비스가 활성화될 것으로 전망되고 있으며, 공유의 개념을 더 확장하여 도시 교통 인프라 전체의 서비스화를 의미하는 Maas(Mobility as a Service)도 종합적으로 검토가 이루어지고 있다. 

이러한 모빌리티 트렌드 중 기존의 섀시 시스템에 가장 큰 변화를 요구할 것으로 예상되는 것은 바로 목적 기반 모빌리티 PBV의 등장이다. PBV는 <그림 3>에 나타낸 것과 같이 사용자의 목적에 따라 다양한 형태의 상부 차체를 제공하기 위하여 전용 플랫폼인 전동화 스케이트보드 플랫폼을 적용하고 있다. 

PBV는 스케이트보드 플랫폼에 다양한 형태의 상부 차체가 모듈 구조 방식으로 조립되며,레이아웃 극대화 및 생산 자유도 증대를 위하여 스케이트보드 플랫폼에 장착되는 구동, 제동, 조향, 현가 시스템은 기존의 기계적 구조로 연결되는 형태가 아닌, 전기 신호에 의해 제어되는 XBW(X-ByWire) 방식으로 전환될 전망이며, 최종적으로 <그림 4>에 나타낸 것과 같이 구동, 제동, 조향, 현가 시스템이 통합된 차세대 e-Corner Module 형태로 발전하여 각 륜이 기계적 연결 없이 독립적으로 제어되는 형태가 될 것으로 예상된다. 특히, 기존의 자동차와는 다른 새로운 운영환경에서의 주행이 필요한 PBV의 경우에는 크랩 주행, 제자리 회전 등과 같이 특수한 주행 모드를 구현하기 위해 4륜 독립 조향 시스템과 같은 새로운 개념의 섀시 시스템 개발이 필요한 실정이다.

또한, 기계적 구조의 연결이 삭제된 XBW 방식의 섀시 시스템은 우발적 고장에 대한 대책으로 리던던시 설계 적용 및 타 도메인 협조제어를 통한 백업 기능 구현이 요구되어진다. 예를 들어, 차세대 조향 장치인 SBW(Steer By Wire) 시스템의 전륜 조향 액추에이터에 결함이 발생하여 주조향 기능이 상실된 경우를 가정해보자. 동일한 조향 도메인 내에서는 후륜의 RWS(Rear Wheel Steer) 시스템을 이용한 백업 조향 기능이 가능할 것이며, 타 도메인 협조제어로는 전자제동 시스템의 편제동 기능을 이용한 백업 조향 기능이 가능하다. 이와 같이, XBW 방식의 섀시 시스템이 적용된 미래 모빌리티는 시스템 간의 통합 제어를 통해 상호 안전 메커니즘

을 구현하는 기능 통합이 필수적인 요소가 될 것으로 전망된다.​

​Electrification–친환경 xEV로의 전동화 대응

M.E.C.A. 트렌드의 두번째 키워드인 Electrification은 <그림 5>와 같이, 글로벌 CO2 배출규제, EV 의무 판매제, 내연기관 차량 운행 제한 강화 등에 따라 다양한 친환경 xEV로의 전동화를 의미한다. 이러한 전동화 추세는 2020년 기준 전세계 xEV의 누적 보급 대수가 2019년 대비 43% 증가하였고, 이 중 순수 전기차의 비율이 2/3 이상을 차지할 정도로 가속화되고 있다.

이에 따라, 전동화 단계에 따라 HEV(Hybrid Electric Vehicle), PHEV(Plug-in Hybrid Electric Vehicle), FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle), BEV(Battery 

Electric Vehicle) 등 다양한 전동화 솔루션이 소개되어지고 있다. 특히, 내연기관이 삭제된 순수 전기차의 경우, EV 구조 효율화를 위해 완성차 메이커 별로 스케이트보드 플랫폼과 같은 순수 전기차 전용 플랫폼을 적용하고 있는 추세이다.

이러한 전동화 트렌드는 <그림 6>에 나타낸 것과 같이, 순수 전기차 전용 플랫폼 적용에 따라, 배터리팩 장착에 따른 공차중량 증대, 배터리팩 하부 장착에 따른 무게중심 높이 감소, 엔진 및 파워트레인 삭제로 인한 휠베이스 증대 등의 요인들에 의하여 차량동역학 관점에서의 거동 변화를 수반하게 된다. 

먼저, 배터리팩 장착에 따라 기존 내연기관 대비 공차중량이 평균 20% 이상 증대되는 순수 전기차의 경우, 공차중량에 따라 액추에이터 용량이 결정되는 제동, 조향, 현가 시스템의 출력 증대를 요구하고 있다. 또한, 배터리팩 하부 장착에 따른 무게중심 높이의 감소는 차량의 선회특성에 영향을 미치게 되어 ESC(Electronic Stability Control) 시스템의 성능 육성 시 차량동역학 거동 변화를 고려해야 하며, 하부의 배터리팩을 보호하기 위하여 차고 조절 기능이 포함된 에어서스펜션 시스템의 기본 장착이 필요할 것으로 전망된다. 끝으로, 휠베이스의 증대는 실내공간 추가 확보는 가능하지만 차량의 선회반경을 증대시켜 조향 편의성을 낮추게 되며, 이를 개선하기 위하여 후륜 조향 시스템(RWS)의 적용이 필요할 것으로 전망된다. 이러한 순수 전기차의 차량동역학 거동 변화 요인을 반영한 섀시 시스템의 구상도는 <그림 7>과 같이 제안되어지고 있다.

또한, 친환경 xEV의 핵심이 되는 전비 향상과 관련해서는 주행상황에 따라 회생제동을 극대화시키기 위한 전동 부스터 시스템과 PE(Power Electric) 구동 시스템과의 통합 제어 기술 개발이 요구되어지고 있으며, 차량 경량화를 위한 xEV 전용 경량화 캘리퍼와 제동 시스템의 패드에서 발생하는 분진 저감을 위한 제동분진 포집 시스템에 대한 선행 개발도 활발하게 진행 중이다.​

​Connectivity–고속 무선통신 기반 커넥티드 서비스 대응 

M.E.C.A. 트렌드의 세번째 키워드인 Connectivity는 <그림 8>과 같이, 차세대 고속 무선통신을 기반으로 주변 대상물과 소통하고 네트워크로 상호 연결(V2X, X : Vehicle, Infrastructure, Nomadic devices, Grid)되어 새로운 기능 서비스를 제공하는 커넥티드카로의 전환을 의미한다. 이러한 커넥티드카로의 전환은 고객들로 하여금 소프트웨어로 연결된 안전하고 편안한 이동의 자유와 혁신적인 사용자 경험을 누리게 될 것으로 전망되고 있다. 특히, 고속 무선통신 기반의 OTA(Over The Air) 서비스를 활용하여 차량 내의 제어기가 실시간으로 무선 업데이트 됨에 따라 차량 구입 이후에도 성능과 기능이 업데이트되어 늘 최신 상태를 유지하는 자동차를 사용하게 된다. 현대차그룹은 차세대 차량 플랫폼과 통합 제어기, 자체 개발 소프트웨어 플랫폼을 활용하여 2025년까지 글로벌 시장에서 판매되는 모든 차종에 OTA 무

선 업데이트 기능을 기본 적용할 계획이다.

이렇듯 무선통신이 차량내 제어기와 연결됨에 따라 이를 악용하려는 해킹 등 사이버 위협 또한 빠르게 늘어나고 있으며, 이에 대한 대책으로 차량 사이버 보안 관련 법규인 UNECE R-155와 차량 사이버 보안 국제 표준인 ISO/SAE 21434를 준수한 제품 개발이 요구되고 있다.

이러한 커넥티드카로의 전환에 따른 제어기 트렌드 변화는 제동, 조향, 현가와 같은 섀시 시스템에도 동일하게 OTA 및 사이버 보안의 적용이 요구되고 있는 추세이다. 더 나아가, 생산 효율 증대 및 신차 판매 이후 부가수익 창출을 위한 목적으로 섀시 시스템의 기능/성능 구독 서비스 영역이 확대되고 있다. 섀시 시스템의 기능/성능 구독 서비스는 차량에 장착되는 하드웨어 옵션은 상향 일원화하여 작동 가능 범위를 최대화시켜 두고, 소프트웨어적으로 실제 작동 범위를 유료로 구독하는 서비스를 의미한다. 이러한 개념은 완성차 메이커 관점에서 옵션별 하드웨어 품목을 나누어 관리하지 않아도 되어 모듈화 관점에서 생산 효율을 극대화시킬 뿐만 아니라, 차량 판매 이후에도 부가적인 구독 수익 창출이 가능하다는 이점이 있으며, 사용자 관점에서 필요시 해당 기능/성능을 유료로 이용함에 따라 전체적인 차량 및 옵

션 구매 비용을 경제화시키는 효과를 볼 수 있다는 전망이다. 최근 양산된 대표적인 섀시 시스템의 기능/성능 구독 서비스는 <그림 9>에 나타낸 Mercedes-Benz EQS 차량에 적용된 후륜 조향 시스템이다. EQS의 기본 후륜 조향 각도는 4.5도이며, 후륜 조향 구독 서비스를 사용할 경우 최대 10도까지 늘어나 조향 편의성이 증대된다. 

이러한 섀시 시스템의 기능/성능 구독 서비스는 운전자의 차량 커스터마이징 욕구를 충족시켜 줄 수 있는 영역에서 다양한 아이디어 제안이 가능할 것으로 전망된다. 예를 들어, 전동식 조향 시스템의 어시스트 정도나 조향감을 다양한 형태로 구독할 수도 있고, 전동식 제동 부스터 시스템의 페달 응답성이나 페달감을 다양하게 구독할 수도 있다. 또한, 에어서스펜션 시스템의 차고 조절 범위를 증대하는 구독 서비스나, 전자식 가변 댐퍼의 제어 범위를 증대하여 모드 변경에 따른 명확한 차이를 구독을 통해 경험할 수 있을 것으로 예상된다. 

Autonomous–자율주행 고도화를 위한 안전성 확보

M.E.C.A. 트렌드의 마지막 키워드인 Autonomous는 <그림 10>과 같이, 카메라, 레이더, 라이다 센서와 같은 환경센서를 기반으로 고성능 인지/판단 제어기가 적용된 완전 자율주행 자동차 시대로의 전환을 의미한다. 운전자의 개입없이 출발지에서부터 목적지까지 자율주행이 가능해질 경우 운전자는 해당 시간만큼 다른 부분에 시간을 할애할 수 있다는 측면에서 소비자들의 기대가 커지고 있는 실정이며, 각국 정부와 자동차 산업계는 완전 자율주행 자동차 시대로의 전환을 위하여 다양한 법규 제정 및 신기술 개발을 활발히 진행하고 있다. 이와 더불어, 자율주행 기능을 차량 구입 시에 옵션 형태로 지불하는 것이 아닌, 자율주행 기능 사용 시마다 요금을 지불하는 형태의 OTA 기반 구독 서비스도 제안되고 있으며, 자율주행 자동차 사고 시 책임 이슈에 대해서도 정부와 민간 보험사, 학계로 구성된 다양한 협의체를 통해 사전 연구가 진행되고 있다. 또한, 완전 자율주행 자동차의 승객 착좌 형태가 다양해질 것으로 예상됨에 따라 기존의 안전 시스템인 에어백의 형태에 대해서도 다양한 연구 개발이 진행되고 있다. 

이러한 자율주행 자동차의 핵심 기술은 환경센서 기반의 주행환경 인지 기술과 최적 경로를 결정하는 판단 기술이며, 대부분의 신기술 개발 역량이 해당 기술에 집중되고 있는 것이 사실이다. 하지만 운전자의 손과 발에 해당하는 액추에이터 역할을 수행하는 제동, 조향과 같은 섀시 시스템이 자율주행 제어기의 감속 및 조향 제어 명령을 제대로 수행하지 못한다면 자율주행 기능 구현이 불가능하기 때문에, 기존의 섀시 시스템은 높은 수준의 신뢰성 확보를 요구받고 있는 실정이다. 섀시 시스템에 요구되는 높은 수준의 신뢰성은 E/E(Electric and Electronic) 시스템을 구성하는 소프트웨어와 하드웨어의 안전 무결성(Safety Integrity) 확보를 의미하며, 주요 구성요소의 리던던시 설계 적용 및 타 도메인 협조제어 기반의 백업 기능 구현을 통해 확보가 가능하다. 먼저, 섀시 시스템을 구성하는 주요 구성요소의 리던던시 설계 적용의 경우 <그림 11>에 나타낸 조향 시스템의 예시와 같이, 제어기 ECU 이중화, 모터 구동회로 이중화, 액추에이터 내부의 모터권선 이중화, 센서 이중화를 통해 구현이 가능하며, 동일한 기능을 수행하는 2개 이상의 구성요소 적용을 통해 1개의 구성요소가 고장이 나더라도, 나머지 1개의 구성요소를 통해 동일한 기능을 수행할 수 있는 개념이다. 

또한, 타 도메인 협조제어 기반의 백업 기능을 추가적으로 구현하는 경우 <그림 12>에 나타낸 것과 같이, 성능 출력 범위가 제한적이긴 하지만 후륜 조향 기반의 백업 제동, 후륜 조향 및 편제동 기반의 백업 전륜 조향과 같은 백업 기능​ 구현이 가능하여, 리던던시 설계 적용과 더불어 높은 수준의 시스템 신뢰성 확보가 가능하다. 

​본 고에서는 자동차 산업계의 M.E.C.A. 트렌드 대전환이 제동, 조향, 현가와 같은 섀시 시스템에 새롭게 요구할 것으로 예상되는 기술적 당면 과제를 분석해 보았으며, 이를 토대로 섀시 시스템의 개발 방향성에 대해 고찰해 보았다. 제동, 조향, 현가와 같은 섀시 시스템은 기존 자동차에서의 역할과 마찬가지로, 미래 모빌리티에서도 차량 제어의 기본이 되는 시스템으로써, M.E.C.A. 트렌드에 따른 새로운 요구사항을 대응하기 위해 첨단/고도화된 핵심 부품으로 도약해야 하는 과제를 안고 있다. 현대모비스는 이러한 M.E.C.A. 트렌드에 따른 첨단/고도화된 섀시 시스템 개발을 위하여 전비 향상을 위한 회생제동 극대화 기술 개발, 자율주행 안전성 및 신뢰성 확보를 위한 리던던시 기술 및 도메인간 협조제어 기술 개발, Zonal E/E 아키텍처로의 전환에 따른 섀시 도메인 제어기 개발 전략 수립 등을 통해 능동적으로 대응하고 있다.​​​

글 / 박정훈 (현대모비스)

출처 / 오토저널 2023년 8월호