전자화 가속과 변화

1960년대 미국 로스앤젤레스에서 시작된 배기가스 규제는 전자제어 연료분사 시스템의 채용을 촉진시켰다. 자동차 한 대 당 부품 비용에서 전장품이 차지하는 비중은 2000년대 초에 8% 정도에서 지금은 25％까지 증가했다. 하이브리드 카나 전기자동차의 경우엔 그 비중이 40%를 초과할 전망이다.
환경 및 안전 규제 강화, 소비자의 편의 증대 요구는 차량에 탑재되는 마이크로프로세서(MPU) 수를 증대 시키고 있다. 만일 자동차 전자장치 및 전자 통합 부문에서 신기술 출현이 없다고 가정한다면 2015년이 되면 고급 승용차의 경우 약 200여개에 달하는 MPU가 탑재될 것이다. 이는 각 마이크로프로세서가 고유의 독립 전원 공급장치를 필요하기 때문에 경제적으로, 또 많은 노드의 기능적 통합 과정이 관리 불능 상태가 됨에 따라 실용적인 면에서 감당할 수 없는 상태가 될 수 있다는 뜻이기도 하다(그림 1).
다행히도 실리콘 설계 및 제조기술의 혁신, 고성능 MPU의 출현과 대량생산을 통한 비용 저감과 개발 툴의 획기적 변화는 차량의 전자 아키텍처, 기능성, 안전성 전략의 혁신을 가능하게 하고 있다. 특히 아키텍처 측면에서 MPU의 성능 향상은 차량 내 전체 컨트롤러의 수를 줄여가고 있다. 이같은 변화는 자동차와 전자장치가 6 V에서 12 V로 전환된 이후  가장 큰 변화 요인이 되고 있다.
미래의 차량 성능은 하나의 서플라이어가 제공하는 단일 서브 시스템에 의존하기 보다 여러 고성능 컨트롤러에 분포하게 될 전망이다. 이에 따라 OEM들은 시스템 통합자에서 소프트웨어 통합자로 전환되고 있다. 물리적으로는 다른 ECU에 내장된 다양한 소프트웨어 모듈 간 정보가 공유됨에 따라 모듈 간 통신 전략 및 프로토콜, 데이터의 고속 전송, 우수한 내고장성(fault tolerance)과 새로운 개방형 아키텍처가 중요한 역할을 하게 됐다. AUTOSAR와 같은 개방형 아키텍처는 OEM들이 고유 브랜드 정의 제어 전략을 소유할 수 있도록 하고 있다. 다만   1차 서플라이어 및 OEM의 지적재산권을 동일 ECU에, 또는 동일 차량 네트워크에 결합하는 과정에서 이같은 장점을 살리기 위해 세심한 관리가 요구된다. AUTOSAR는 통합 아키텍처를 제공하고 OEM 및 서플라이어의 시스템을 플러그앤플레이(plug-and-play) 설정으로 연동하기 위한 API를 정의한다. 개방형 아키텍처에 내장되는 모든 실질적인 OEM 소프트웨어는 강건성, 안정성, 유지성을 보장하기 위해 주의 깊은 설계가 필요하다. 유지성을 염두에 두지 않고 소프트웨어가 설계될 경우 API(Application Programming Interface) 발전에 따라 소프트웨어 유지 비용은 감당하기 힘들어질 수도 있다.
고성능 MPU는 차량 컨트롤러에 내장된 실시간 모델을 사용할 수 있도록 하며, 이는 기존 모델링 기법에 비해 대폭 향상된 제어 수준을 제공한다. 이것은 보다 정교한 적응 제어 알고리즘을 사용할 수 있는 기회를 부여해 요구되는 보정 수준을 줄일 수 있게 한다. 이는 고수준 기능성을 제공하는 차량 출시에서 매우 중요한 역할을 한다. 실시간 모델은 엔진 시험 데이터의 3%만으로 유효성을 부여하며, 엔진 관리 제어를 향상시킬 수 있다. 이는 또 배출가스 저감, 연비 향상, 구동성 향상에서 큰 역할을 한다.
이같은 변화는 1차 공급 기반에 대한 OEM의 역할에 상당한 변화를 가져올 수 있으며, 기회를 효과적으로 활용하고 관리하기 위해서 OEM의 기술 기반 및 프로세스에 상당한 변화가 필요한 상황이다.
전자장치 개발 속도가 빨라지면서 OEM과 서플라이어들은 대부분 모듈로 통합되고 있다. 그러나 이들은 이 모든 기술 분야에서 경험을 갖고 있지 않기 때문에 연구개발 방식에 커다란 변화를 맞고 있다. 예를 들어 메카트로닉 제동 시스템 개발 시 한 서플라이어가 브레이크 장비와 전자장치에 대한 전문기술 모두를 보유하고 있을 가능성은 매우 희박하다. 따라서 새로운 협력 및 제휴관계가 형성되고 있다.

하드웨어에의 요구

자동차 산업은 다른 산업에 비해 전자 시스템에 대해 까다로운 조건을 요구한다(그림 2). 구체적으로는 첫째 차량의 전자 요소 가격 비중이 빠르게 증가함에도 불구하고 소비자 측면에서 경제성이 유지돼야 한다는 점이다. 이를 위해 메이커와 제조사들은 상대적으로 낮은 단가를 유지해야 하고, 대량생산을 통해서만 이를 달성할 수 있다.
둘째, 차량의 전자 시스템은 대부분의 컴퓨터나 모바일폰 등의 소비가전이 일반적으로 3~5년 이상 사용되지 않는데 비해 수명 사이클이 길다. 이 때문에 차량의 전자장치는 최소한 15년 간 효과적으로 작동할 수 있도록 설계돼야만 한다.
셋째, 기기들은 차량의 수명 주기 동안 작동돼야 하며, 높은 시스템 신뢰성을 유지해야만 한다. 넷째, 차량의 전자장치는 소비가전 기기와 달리 거의 사용이 드문 극한의 환경 조건에서도 작동돼야만 한다. 고온, 다습, 차량의 진동, 전자장치 요소에서 자체 발생되는 전자파 환경 등이 이에 해당한다.
다섯째, 전자장치의 증대는 혁신적 냉각 솔루션에 대한 필요성 증가를 수반한다. 또 자동차 전자장치 시스템의 높은 시스템 파워 밀도는 패키징 문제 증가와 소형화에 대한 필요성도 요구한다. 여섯째, 예비 부품들 또한 소비자 및 산업용 전자장치의 경우 보다 오랜 기간 유효해야만 한다. 대부분의 소비가전 제품은 대체 제품이 나오면 부품 생산이 중단되지만 자동차 애플리케이션의 부품은 최대 30년까지 생산이 요구된다. 일곱째, 모델 수명 동안 새로운 시스템이 추가될 수 있기 때문에 EEDS(Electrical/Electronics Distribution Systems) 아키텍처는 각기 다른 서플라이어가 제공하는 새로운 시스템들을 수용하거나 통합할 수 있도록 설계돼야만 한다.

고온화의 진행
고온 전자장치의 필요성은 신소재 및 새로운 제조공정 사용을 통해 향후 5년 동안 급격히 증가할 전망이다. 이는 ▶후드 하부 온도 상승 ▶마이크로 컨트롤러의 전력 소모(power dissipation) 증가 ▶제어 장치 부하 증가 ▶부품 통합 증가 ▶해당 장소에 보다 많은 애플리케이션 적용 때문이다.
예를 들어 실리콘 요소가 액추에이터에서 분리되었을 때 작동 온도는 150 ℃ 이하였다. 제어 요소를 액추에이터에 보다 근접해 장착함에 따라 온도 요건은 175 ℃로 증가했으며 완전히 통합되면 200 ℃가 넘는다(그림 3). 10년 전에는 고온 전자장치의 97%가 200 ℃ 이하의 환경에서 동작하고, 300 ℃ 이상에서 동작하는 장치는 단지 1%에 불과했다. 그러나 최근에는 300 ℃ 이상에서 동작하는 장치가 3%, 200~300 ℃ 사이에서 동작하는 장치가 9%에 달하고 있다.
지능형 프로세서를 제어 대상 시스템 내부 또는 인접해 사용하는 애플리케이션 수가 증가함에 따라 고온 환경에서 동작하는 프로세서 수는 점차 늘어나고 있다. 제어 및 파워 전자장치 시스템, 그리고 이들 부품이 차량의 장기 수명 사이클 동안 고온 환경에서 동작해야 하는 애플리케이션이 증가하면서 방열(heat dissipation) 및 열 관리에 대한 새 솔루션이 필요하게 됐다. 예를 들어, DCT(Dual Clutch Transmission)에 사용되는 메카트로닉 시스템은 제어장치 및 파워 전자장치가 기어박스 내에 장착되는데 이 제어 모듈은 4개의 센서와 11개의 부분 통합 액추에이터를 포함한다. 작동 온도 범위는 -40℃~145℃다. DCT의 세계 생산 규모는 2010년에 500만 대 이상, 2015년에 1,000만 대 이상으로 증가할 전망이다. BMW 5 시리즈는 전기/전자 워터 펌프를 사용하는데 이는 지난해부터 다른 생산 모델에도 장착돼 공통 사양이 돼 가고 있다.