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유럽의 자동차기술 개발동향

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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)
승인 2012-12-30 16:47:02

본문

1. 네트워크 자동차
앞으로 몇 년 내에 차량의 엔터테인먼트기술 및 통신기술의 네트워킹과 통합은 자동차 분야의 중심 트렌드가 될 것이다. 이 결론은 Roland Berger의 전략 컨설턴트들이 최근 연구한‘네트워크 차량 - 데이터의 가치를 점령하라’의 결과이다. 애널리스트들에 따르면 네트워크자동차는 자동차 제조업체 및 부품업체에게 매력적인 비즈니스 모델을 제공한다. 특히 운전자의 운전특성 및 차량의 운동특성에서 나오는 데이터와 정보의 핸들링은 큰 가치를 의미한다.

글 / 강대건 (탈리스테크)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2012년 10월호

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새로운 비즈니스 모델은 운전자의 운전특성 및 차량의 운동특성에서 나오는 데이터와 정보를 수집하는 것에 기반하여 성장할 수 있다. 이러한 사용자 데이터를 성공적으로 얻은 기업들은 자동차 운전자에게 새로운 서비스와 앱(Apps)을 부분적으로는 무료로 제공할 수 있다.

그러나 Roland Berger는 이 시장에 진입하고 있는 기존의 IT 업계의 강력한 경쟁에 대해 경고한다. 그러므로 자동차 제조업체들은 지금까지 차량 및 드라이버에 대한 그들의 단독적인 액세스를 경쟁에 대비해 보호해야 한다는 것이다. 그러나 이것은 자동차업계가 정보통신기술산업의 빠른 혁신속도에 자신의 혁신 사이클을 적응하고 다양한 협력관계를 구축하여 관리 할 수 있는 경우에만 가능하다.

동시에 이러한 개발추세는 새로운 비즈니스모델이 비 자동차업계의 자동차 시장 진입을 허용하므로 자동차업계는 자신의 비즈니스모델을 새로이 검토하지 않을 수 없게 만든다. 연구에 따르면 자동차 제조업체 및 부품업체는 네트워크 자동차 시장에서의 위치를 처음부터 공고히 할 필요가 있다고 한다. 완성차나 부품의 제조공장에서 탑재되는 부품들이 애프터마켓에서 설치되는 부품들로부터 강력한 경쟁을 받을 수 있기 때문에라도 시장선 점이 중요하다. 그러나 애프터마켓 사업은 부품업체에 또한 커다란 사업기회를 제공한다.

연구보고서의 저자는 그러나 바로 그곳에 자동차 업계의 가장 큰 위험이 있음을 지적한다. 소비자는 자동차업계의 경우 혁신사이클이 수년이 걸린다고 생각하나 IT 하드웨어 및 소프트웨어의 경우 18개월마다 새로운 모델과 버전이 나온다고 생각한다. 이 IT회사들은 차량네트 워크의 혁신주기에 지대한 영향을 미치게 된다. 마찬가지로 사용자는 네트워크 시스템이 쉽게 업데이트 될 수 있고 기존 네트워크와 응용프로그램 및 클라우드 기반 응용프로그램에 원활하게 연결이 될 수 있음을 기대한다.

현재 시장의 기존 플레이어인 자동차 회사들은 필요한 부품을 자체적으로 개발 할 수 없으므로, 자동차업계의 부가가치 창출고리는 새롭게 정립되어야 한다. 꼭 새로운 공급자가 발견될 필요가 없고 회사의 구조나 조달프로세스를 새로운 시장의 요구에 대응할 필요도 없다. 자동차 제조업체와 부품업체에 요구되는 것은 그들의 핵심역량을 새로 정의하고, 비자동차업계의 기업들과 파트너쉽을 형성하여 새로운 비즈니즈환경에 대처하는 법을 배우고 자체의 체계를 다지는 것이다.

애널리스트들은 인포테인먼트와 관련된 기술로 여러가지를 드는데 무엇보다도 IT기술에 있어서의 진보를 든다. 광대역연결, 클라우드 컴퓨팅 및 LTE와 같은 새로운 데이터 네트워크는 자동차와 자동차를 둘러싼 주변 세계와의 고속 데이터 연결을 허용한다. 동시에 교통 제어 또는 도로 안전을 개선하기 위하여 새로이 EU가 제정한 eCall 시스템 등과 같은 국가의 지침과 규정은 이러한 개발을 촉진한다.

젊은 운전자는 차를 타고 이동하는 중에도 네트워크에 연결되어 있기 원하고, 비즈니스맨들은 차안에서 회사와 파트너의 데이터에 접근하는 것이 가능하기를 바란다. 특히 카쉐어링이나 다중여객수송과 같은 새로운 모빌리티시스템 및 전기자동차 모빌리티는 네트워크로 연결된 자동차를 전제로 한다.

2. 자동차의 Board 전력네트워크
ATZ의 발행인인 Johannes Liebl 박사에 의하면 12V 전기시스템이 끝나 가고 있다고 한다. Sart-Stop 시스템과 수요에 따라 동작되는 전기보조장치를 갖춘 현대적인 차량의 CO2 저감기술은 한계에 이르렀다. 추가의 CO2 저감포텐셜은 전기화의 정도를 더욱 높이므로써 도달될 수 있다. 현재로서의 솔루션은 수백 V의 두 번째 Board 전력네트워크이다. 이러한 고전압 기술은 하이브리드 및 전기 자동차에서 사용되는데 불행하게도 소수의 고객만이 투자비와 비싼 고전압 기술에 필요한 추가 비용을 지불 할 의사가 있다.

내연기관에 전기장치를 폭넓게 적용하지 않고는 엄격한 법적 CO2 요구수치를 만족시킬 수 없을 것이다. 따라서 연구개발 엔지니어들은 고전압 기술로 바꾸는 것이 정말 필수인지 여부를 검토해야 한다.

중간단계로서 값이 저렴한 60V 이하의 Board 전력네크워크가 권장되는데, 그렇게함으로써 완벽한 CO2 저감포텐셜에 이르지는 못하지만 값싼 기술을 통해서 더 많은 고객을 확보할 수 있고 내연기관과 전기부가장치의 전기화를 폭 넓게 추진할 수 있으며, 에너지회수율을 높이고 내연기관이 정지된 상태로 운행하는 비율을 높일 수 있다.

독일의 자동차 제조업체 아우디, BMW, 다임러, 포르쉐와 폴크스바겐은 ATZelektronik 01/2012에서 Board 전력네트워크에 추가된 48V 전압레벨을 통하여 목표하는 바에 대한 접근을 보여 주었다. 10년전에 실패한 42V프로젝트 이후에 48V Board 전력네트워크의 구현에 모든 당사자들의 지원이 요청된다.

3. 배기가스의 질소산화물과 입자 저감
연소기술에서 결정되는 배출가스의 절감을 통한 대기품질의 지속적인 개선은 오랫동안 개발노력의 중심점이 었고 지난 수십년 간 모든 독성물질의 90% 이상의 절감에 도달하였다.

가장 엄격한 배출 기준은 현대의 엔진이 한편으로는 아주 낮은 배출가스수치에 도달할 수 있고 다른 한 편으로는 오늘날 가용한 기술을 이용하여 실제로 달성할 수 있는 것들의 한계에 거의 도달했음을 보여준다. 특히 전통적인 오염 물질 외에 점차 CO2 배출에 초점이 맞춰지고 있다. 전 세계적으로 기후에 영향을 미치는 CO2 배출저감에 집중하는 것 외에 미래의 배출가스저감은 대개 추가 운전범위와 온도범위를 법적으로 정한 테스트 사이클에 포함시키고 현재 서로 다른 테스트사이클을 전 세계적으로 통일하므로써 실제의 엔진운전을 모사하는 것에 초점이 맞춰진다. 부분적으로 배출가스 후처리 시스템의 매우 높은 비용을 줄이는 것도 추가로 가능하다.

화학양론적으로 작동하는 가솔린 엔진은 3way 촉매의 도움으로 미래에 정해질 가스형태의 배출가스기준에 대응할 수 있다. 린번운전하는 가솔린 엔진에도 NOx 저장촉매를 이용하여, 가격이 높을 수도 있으나, 신뢰할 만한 배출가스 후처리 기술이 제공된다. 직분사 가솔린 엔진의 경우 추가로 화학양론적 그리고 린번운전 상태에서 입자의 질량과 입자의 수를 신뢰할만하게 통제할 수 있다.

디젤 엔진의 경우 아직 상당한 개발 노력이 필요하다. 엔진 내부적으로는 근본적인 기술요소인 혼합기충전과 이동, 고압분사, 엔진차지 및 배기가스 역순환 그리고 개선된 균질화수준을 갖게 하는 연소실 최적화 등을 통하여 높은 프로세스 효율을 유지하면서 원시배출수준의 단계적 저감이 추진된다. 엔진의 다음에 이어지는 배출가스 저감의 범위에서는 촉매코팅부분에서 시동특성과 낮은 온도에서의 성능 및 통합솔루션, 예를 들어 Filter-SCR, 확장된 시스템견고성 그리고 개선된 열화특성과 관련하여 더욱 개선이 이루어진다.

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효과적이고 가격이 저렴하며 견고한 전체 패키지를 조기에 알아 내기 위해서는 최신의 안전한 시뮬레이션툴과 통합되고 성능이 우수한 툴체인이 필요 불가결하다. 증가하는 하이브리드화와 결합되어 내연기관은 앞으로 10여 년 동안 배기 가스의 추가적이고 대량의 절감을 통하여 교통수단에 의한 환경영향을 지속적으로 개선하기 위해 근본적인 역할을 할 것이라고 Stefan Pischinger 교수가 전망했다.

4. 낮은 압축행정 높이가 연료소비를 감소
부품업체 Mahle는 피스톤의 높이를 낮춰 피스톤의 압축행정 길이를 줄임으로써 내연기관의 연료소비를 줄이는 가능성을 시험하고 있다. 그러나 그런 콤팩트한 피스톤을 최적 냉각기능을 손상시키지 않고 제작하기는 매우 어려워 Mahle의 엔진전문가들은 새로운 제조공정을 개발하였다.

오늘날 승용차 스틸피스톤뿐만 아니라 상업용 차량의 피스톤이 마찰접합에 의해 생산되는데, Mahle는 처음으로 빔기반 용접프로세스를 적용하여, 냉각실이나 오프셋된 연소실 캐비티의 형상을 정하는 것과 같은 피스톤 설계에서의 자유도를 증가시킨다. 용접 중에 피스톤에 필요한 강성을 주기 위하여 용접선 부위에 적은 양의 소재가 필요하고, 그 밖에도 새로운 프로세스는 연소실 캐비티 부위에 고온에 견디는 소재를 적용할 수 있다.

Mahle는 오늘날 통상적인 경우보다 20~30% 낮은 압축행정 높이를 계획하고 있고 따라서 더 길어진 컨넥팅 로드를 적용할 수 있다. 이 시스템은 피스톤이 실린더 측벽을 누르는 힘을 줄이고 마찰력에 의한 손실을 줄여 피스톤을 더욱 유리하게 가이드한다. Mahle는 승용디젤엔진에서 비슷한 프로세스를 이미 조사하였고 이 경험으로 보아 상용차의 경우 약 1%의 디젤연료 절감을 기대하고 있는데 상용차의 경우 30ℓ/100km의 연료 소비와 연간 15만 km의 주행거리를 가정할 때 차량 1대당 연간 디젤연료 450ℓ를 절감하게 된다. 연료절감의 가능성에 대한 정확한 수치는 곧 알려질 것이다.

그 외에도 길어진 커넥팅로드에 대응하여‘짧은’피스톤을 통해 엔진 블록의 높이, 무게, 설치공간 그리고 생산비용을 절약 할 수도 있다. 또한 전형적인 상용차의 경우 피스톤은 약 2kg 정도 가벼워진다. 소재와 디자인에 대한 새로운 지식을 통하여 커넥팅로드가 최적화되면 전형적인 상용차엔진의 경우 크랭크기구에서 약 30% 정도의 무게가 절감될 수 있다. 줄어든 무게는 베어링의 마찰감소에도 이바지하여 결국 엔진의 효율을 증대시킨다.

5. 상용차용 모듈화된 변속기
자동차 부품업체 ZF는 모듈컨셉트로 인하여 많은 수의 화물차와 대형 상용차량의 파워트레인에 적합한 새로운 기본 변속기를 소개하였다. Traxon이라는 이름의 변속기는 사용용도에 따라 건식커플링 외에 하이브리드 모듈, 더블클러치 모듈 또는 토크컨버터 회로 그리고 엔진측의 부가장치와 함께 결합될 수 있다.

새로운 개발의 핵심은 기본변속기인데, 이것은 전단변속부 또는 분리그룹, 메인그룹 그리고 지역그룹 그리고 2개의 전단축과 메인축들과 함께 매우 간단하게 설계되었다. 이 변속기는 그럼에도 불구하고 3천 Nm 이상의 토크를 전달할 수 있어 60t 이상의 차량 총중량이 필요한 화물차 시장에 매력적이다.

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Traxon은 12단 그리고 16단으로 제공되는데, 두 타입은 Direct Drive 또는 Overdrive 버전으로 구입할 수 있으며 후자의 경우 최고단에서 특별히 낮은 기어비가 특징이다. 이 변속기 컨셉트는 또한 2단의 별도 후진단을 가지는데 ZF는 Traxon에 총 4단의 후진기어단을 추가옵션으로 제공하며 고속도로 공사장이나 장시간 또는 신속한 후진운전과 같은 특수한 용도에 적합하다.

모듈화된 변속기 컨셉트는 기본변속기를 3단의 출발단 또는 변속모듈과 결합시킨다. 큰 토크를 필요로 하는 경우 하나 또는 두개의 플레이트를 가지는 건식 커플링 외에 ZF는 처음으로 대형 상용차를 위해서 하이브리드 모듈‘Traxon Hybrid’를 제공한다. 120kW의 출력을 내는 전기모터와 분리커플링은 에너지회수, 전기구동운전, 출력증강 및 Start-Stop 기능 같은 모든 하이브리드 기능을 가능하게 한다. 냉동차량 같은 특수 운송차량의 경우 전기장치는 냉각장치 같은 부가 장치에 전력을 공급하는 용도로도 사용될 수 있다.

리어액슬에 매우 낮은 변속비가 필요한 경우 기본변속기는 더블클러치 모듈과 결합될 수 있다. ‘Traxon Dual’은 최고단에서 엔진의 회전수를 낮출 수 있다. 기존의 자동 변속시스템의 경우 약간의 경사에도 기어를 아래로 내려야 하므로 변속빈도가 높은 한편, 더블클러치 모듈에서는 부하 시의 하향 또는 상향 변속이 견인력의 끊김 없이 이루어진다. 고하중 트랙터에 사용하기 위해서는 기본변속기가 토크컨버터 변속커플링과 함께 제공되는데 이‘Traxon Torque’는 큰 초기토크가 필요한 경우에도 마모 없이 출발할 수 있도록 한다.

ZF 엔지니어들은 다양한 모든 Traxon 버전을 위한 통합 소프트웨어 플랫폼을 개발했는데 이 플랫폼은 경사나 회전방향 또는 회전수 같은 값들을 파악하는 여러 개의 센서에 기반한다. 그 밖에도 엔지니어들은 내비게이션데이터에 기반한 Driving Strategy를 통합하여 언덕을 오르기 전이나 좁은 커브길 전에 불필요한 변속을 피할 수 있게 한다.

예를 들어 고속도로나 지방도에서 경미한 내리막 구간을 감지하면 Roll Function이 기어를 중립에 위치시킨다. 이 Roll Phase에서 파워트레인은 분리되고 엔진은 공회전을 하게 되어 가능한 커플링의 미끄럼손실에 대응한다. 급한 내리막길인 경우 제어기는 지형데이터의 지원을 받아 즉시 인식하고 엔진브레이크와 변속기 브레이크를 작동시켜 휠브레이크를 보호한다.

6. 드라이버 지원 및 안전 시스템 보쉬 ESP 9
Bosch는 압력이 높거나 낮거나 무관하게 매우 신속하고 거의 진동이 없이 브레이크 압력을 설정할 수 있는 매우 강력한 리턴 펌프를 현재 사용되고 있는 자사의 브레이크 제어시스템 ESP에 장착하였다. 기존의 브레이크 제어시스템은 두개의 펌프요소로만 작동하나 ESP 9 Premium은 여섯 개의 피스톤을 통합하였다. 9세대 ESP 버전은 따라서 이러한 차선유지보조, 비상브레이크 보조, Intelligent Tempomat 같은 운전자 보조시스템을 적용할 때 특히 적당하고 또한 각 바퀴별 토크분배 그리고 토크벡토링으로 알려진 Driving Dynamic 기능들 에 대해서 최적화되었다.

유압장치에 장착된 두 개의 추가 압력 센서는 한편으로는 빠른 제동을 가능케 하고 다른 한편으로는 자동제동 또는 Stop-and-Go 기능과 함께 선택적 속도조절 또는 간격조절과 같은 부드러운 제동을 가능케 한다. 펌프는 조용히 동작하기 때문에 차체에 진동을 전하지 않고 브레이크 페달에 방해적인 소음이나 진동이 거의 생기지 않는다.

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Bosch는 그 외에 기타 부품에서도 하드웨어 및 소프트웨어를 모듈방식으로 설계했다. 기본 버전이 Critical한 상황에 적합한 한편 ESP 9 Plus 버전은 오르막 길에서 출발하는‘Hill Hold Control’부터 Stop-and-Go 기능을 가지는 어댑티브 크루즈 콘트롤까지 널리 알려진 보조기능을 지원한다. 새로운 브레이크 제어시스템은 더 작아졌고 무게는 800g으로 가볍다.

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7. 연료전지용 금속 바이폴라 플레이트 연구
Dresden에 있는 Fraunhofer재료연구소 IWS는 Daimler, Thyssen Krupp, Max Planck 제철 연구소,Braunschweig에 있는 Fraunhofer 표면기술 연구소와 공동으로 연료전지 차량용 고효율 금속 바이폴라 플레이트의 제조를 위한 연구를 하고 있다. 프로젝트 miniBP(코팅된 고성능 소재를 이용한 금속제 바이폴라 플레이트) 에는 위의 기관들이 참여하고 있고 2012년 6월에 시작되었으며 42개월간 진행되고 총 예산은 5백15만 유로(232억 원)이 확보되었다.

지금까지는 바이폴라 플레이트가 흑연 또는 흑연을 포함하는 플라스틱 소재를 가공하여 제작되었다. 스테인레스 스틸을 이용하여 바이폴라 플레이트를 제작하면 작고, 가볍고, 빠르고, 값싸게 제작될 수 있으나 현장에서는 해결해야 할 몇 가지 기술적 문제가 있는데 그것은 스테인레스 스틸 표면의 자연적인 수동층은 내부식성에는 좋지만 동시에 높은 전기저항을 가진다는 사실이다. 이를 극복하기 위해 셀에서 생성된 전압의 최소 10%는 소진 될 것이고 셀의 효율이 줄어들므로 스텐레스 스틸의 장점을 이용하기 위해서는 표면층을 내부식성을 저하시키지 않고 전기전도성을 좋게 만들어야 한다.

새로운 연구 프로젝트에서 Fraunhofer IWS는 연구소가 보유한 전문기술을 이용하여 방해적인 표면수동층을 질소함량이 높은 표면층 또는 흑연과 같은 탄소층으로 치환하려고 한다. IWS에 따르면 단점은 제거하고 스테인레스 스틸과 흑연의 장점만을 결합시킬 수 있다고 한다. 프로젝트에 참여한 파트너들과 함께 여러가지 솔루션들이 충분히 시험되고 평가될 예정이며 최적의 솔루션은 50개의 셀로 구성된 자동차에 사용될 정도의 스택을 만들어 실험실에서 철저히 시험될 것이다.

이 프로젝트는 보조금 번호 03ET2045A으로 독일 연방 공화국의 지원을 받고 있으며 독일 의회의 결정에 따라 연방 경제과학부가 재정 지원을 담당하고 있다.

8. Volkswagen 그룹의 Porsche 통합
이미 계획된 대로 Volkswagen 그룹과 Porsche가 2012년 8월 1일자로 하나의 자동차그룹으로 통합되었다. Volkswagen그룹의 회장인 Martin Winterkorn 교수는“서로에게 좋은 미래로 갈 수 있는 길이 마침내 열렸습니다. 더욱 긴밀한 협력을 통하여 Volkswagen과 Porsche는 훨씬 강해질 것이고 매력적인 새로운 자동차를 가지고 그룹의 제품프로그램을 더욱 늘려 나갈 것입니다.”라고 강조했다.

Volkswagen과 Porsche가 공동으로 작업한 회사의 구조조정안에 따라 Porsche SE(Porsche의 Holding회사)는 간접적으로 지분을 보유한 Porsche AG의 지분 50.1%를 2012년 8월 1일자로 Volkswagen AG에 양도하였고 이렇게 하여 Volkswagen은 중간holding을 통해서 Porsche의 지분 100%를 보유하게 되었다.
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