Daimler and Volvo EVs Adapted Plastic Optic Fiber in BMS and Ethernet Backbone
다임러와 볼보, 플라스틱 광통신을 BMS, 백본에 적용
2022년 03월호 지면기사  /  글 | 한상민 기자_han@autoelectronics.co.kr


좌측부터 윤광진 KDPOF 한국대표, 문양현 RSS테크윈 대표

“적용사례, 검증이 매우 중요한 자동차지만, 메르세데스 벤츠(다임러)나 볼보와 같은 선진 프리미엄 메이커가 수년간 고민 후 양산 중이거나 도입을 결정했고, 특히 그 신기술이 전기차의 안전 및 통신 무결점에 대한 것이라면 다된 것 아닌가요?” KDPOF의 윤광진 한국대표와 RSS테크윈 문양현 대표의 설명을 듣고 새로운 이더넷 기술에 대해 이렇게 되물었다. 기존 글래스 광케이블 기반 기술에 대한 ‘편견’을 바꾼 KDPOF의 기술과 메르세데스 벤츠의 사례에 주목했다.

글 | 한상민 기자_han@autoelectronics.co.kr 


         







“메르세데스 벤츠가 전기차 모델 EQ 시리즈에서 사고 시의 고전압 차단, 탁월한 EMC 특성 및 누전 방지대책을 위해 양산 적용하고 있습니다. 볼보는 2023년 양산 전기차에 POF(Plastic Optic Fiber) 제품을 백본 및 유관 제어기 곳곳에 적용할 것으로 예상됩니다.” KDPOF(www.kdpof.com)의 윤광진 한국대표가 이렇게 말했다.

EMC 단속, 고용량 네트워크의 무결성, 비용 절감, 하네스 감량, 개발기간 단축 등…. 
모두 나열하기는 힘들지만, 차량 기술개선, 검증, 품질보증을 위한 요소요소의 선택과 엔지니어링, 최적화가 얼마나 어려운지는 관련 담당이 아니라면 이해하기 힘들고, 이를 종합적으로 고려한 신기술 도입 결정은 더더욱 쉽지 않다. 게다가 이 과정에는 서플라이체인, 기술지원 등 총체적인 고려가 요구된다. 

‘그런데 이런 고민에 있어 더 적극적일 필요가 있는 부분이 있을 수 있다.’ 바로 전기차의 안전, 배터리와 관련된 부분이다. 차량용 이더넷 기술이 어떻게 전기차의 안전 문제에 직결되는지 예상치 못했지만, 코로나19로 참가할 수 없었던 CES 2022 현장을 리뷰하기 위해 수소문하다 알게 된 (스마트카 및 비전 AI 업체 펀진과 함께 출전한) 스페인의 차량용 광통신 원천기술 업체 KDPOF의 윤광진 한국대표, 이 회사의 한국 및 인도 마케팅 책임자 RSS테크윈(www.rss.or.kr)의 문양현 대표를 만나면서 이런 생각을 했다. 

CES 2022 종료 몇 주 후 두 대표와 만나 이더넷 기술과 전기차 안전에 대한 자세한 설명을 들었고, “적용사례, 검증이 매우 중요한 자동차지만, 메르세데스 벤츠(다임러)나 볼보와 같은 선진 프리미엄 메이커가 수년간 고민 후 양산 중이거나 도입을 결정했고, 특히 그 신기술이 전기차의 안전 및 통신 무결성에 대한 것이라면 다된 것 아닌가요?”라고 되물었다. 



차량 네트워크의 이더넷 채택 추이



이더넷의 방향 

KDPOF 윤 대표는 스스로를 우리나라 자동차, 특히 전기차 통신 네트워크를 기존 동선방식에서 데이터 무결성을 추구하는 광통신으로 변화시키기 위해 노력하는 사람이라고 소개하며 차량용 이더넷의 현재와 적용의 애로사항을 말하기 시작했다. 

현재 자동차에서는 급속한 전자화 및 자동화와 함께 차량 네트워크 차원에서 3가지 큰 문제가 발생하고 있다. ▶늘어나는 고해상도 AV, 고해상도 카메라, 레이더, 라이더 등 자율주행과 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS)의 고도화에 따른 대역폭 증가 요구 ▶각종 지능형 제어기(ECU) 및 E/E시스템과 네트워크 복잡성 심화 ▶데이터 무결성과 심각한 EMC 이슈 등이다. 

그동안 자동차에는 적용 분야별로 CAN(~1 Mbps)을 필두로 LIN(20 Kbps), FlexRay(10 Mbps), MOST(24 Mbps), 이더넷(100 Mbps, 1~10 Gbps) 등 다양한 통신표준이 공존해왔다. 하지만, 이런 과제, 상호 호환의 어려움, 소프트웨어 복잡성 문제 등을 이유로 CAN, CAN FD, FlexRay 등 종전의 표준을 대체할 수 있는, 넓은 생태계를 지닌 이더넷 기술 도입이 가속화되고 있다. 

“예를 들어, 차량용 카메라 개발이 이미 FHD까지 완료돼 양산 중이고 차세대 4K(QHD)에 대비하고 있는 것처럼, 카메라 개수와 해상도 증가와 같은 센서와 데이터 폭증은 더 큰 용량을 의미합니다.” 윤 대표가 말했다.

특히, 이더넷은 미래 자동차의 요구사항에 적합한 단순화된 통신 아키텍처 구축, 전자시스템 연동을 위한 호환성, 하네스 경량화, EMC 내성 및 안정성 개선에 기여할 수 있다. 기술은 데이지 체인, 스타 구조 네트워크를 통해 대용량 데이터를 실시간으로 전송할 수 있어 ADAS와 같은 카메라 및 센서 데이터, 인포테인먼트의 비디오, 배터리 모니터링과 같은 대용량 데이터 감시 애플리케이션 등 제각기 다른 유형의 데이터를 하나의 통신 매개체에 통합할 수 있어 미래의 자율주행, 커넥티드 카의 주요 통신수단으로 지목되고 있다. 

이더넷은 CAN을 대체할 수 있는 저가, 저속의 이더넷부터 비압축 초고화질 영상 데이터 신호를 전달할 수 있는 10~50 Gbps 극초고속 데이터 네트워크 구현까지 가능해졌다. 

“이더넷 기술 도입은 전기-자율주행차에서 중요한 역할을 담당할 수 있습니다. 최근의 레벨 2+, 레벨 3 차량의 경우 다수의 카메라, 레이더, 심지어 라이더에서 수집된 데이터를 안정적으로 통합한 후 신속하게 자동차 각 부분으로 전송해야만 합니다. 차량용 이더넷은 여기서 100 Mbps, 1 Gbps에서 10 Gbps의 속도를 제공할 수 있습니다. 예를 들어, 디지털 사이드미러(DSM)를 고려한다면, 실시간, 마이크로 초 단위의 낮은 지연성 요구로 2~5기가비트를 압축하지 않고 사용해야 해 10 Gbps 이더넷 기술이 요구됩니다.” 

이더넷은 또 V2X와 같은 차와 주변 통신이 활발해지면 그 중요도가 더 올라갈 것이다. 이더넷과 IP 기술은 이미 차량의 카메라, 디스플레이, 이더넷 백본과 같은 고용량 요구장치, ADAS 센서, V2X를 비롯한 무선망 연동 등 통신 지연을 허용하지 않는 TSN(Time Sensitive Network) 등 거의 모든 애플리케이션에 침투하기 시작했다.



통신케이블 비교



준비된 플라스틱 광케이블 

“그런데, 광케이블이라구요?”

윤 대표와의 첫 통화에서 그랬던 것처럼, 이더넷에서 일반적인 글래스 광케이블(GOF)은 EMC 내성은 좋으나 고가의 부품, 케이블 유연성의 한계, 충격 취약성 등을 이유로 자동차에서는 이미 실패한 기술로 간주돼 왔다. 하지만 KDPOF의 기술은 그 기존의 ‘광케이블’과 달리 자동차의 주요 요구사항인 NVH(Noise, Vibration, Hydron)에 완전히 부합하는 저가, 유연성, 강한 충격 내성을 포함하는 기가통신의 IP 기반 플라스틱 광케이블(POF)이다. 자동차 통신매체에서 새로운 혁신이 진행된 것이다. 

차량용 이더넷을 케이블에 따라 구분하면, 기존의 2선 동선(1000Base-T1), 글래스 광케이블(GOF), 플라스틱 광케이블(1000Base-RH)로 나눌 수 있다. 동선 기반 2선 이더넷 케이블은 EMC 차폐 및 커넥터 차폐에 어려움이 있다. EMC 해결을 위해 차폐를 할수록 비용이 올라가고 부피와 중량이 늘어난다. 현재 100 Mbps와 1 Gbps가 지원되는 2선 표준 동선이 있지만, 차폐 처리가 돼 케이블, 커넥터, IC칩 모두 비싸다. 원재료인 구리값도 지속 상승하고 있다. GOF의 경우엔 차량의 진동, 충격에 취약한 치명적인 약점이 있고 광소자, IC 등 부품 모두 동선 대비 2배 이상 비싸다. 

“GOF의 경우, 국내서 10년 전 차에 도입하려는 시도가 있었지만, 차량용 스펙(표준)이 없고 진동으로 코어가 부러지는 위험이 있습니다. 또 자동차 요구 케이블 곡률반경이 2 cm 이내가 돼야 하는데 이를 지원하지 못했습니다. 게다가 차내 단거리 통신용으로는 비용 부담이 커 사용 불가로 판정 났습니다.” 문양현 대표가 말했다. 

KDPOF의 기술이 적용된 플라스틱 광케이블은 2선 동선 케이블과 GOF를 대체할 수 있는 신기술로, 2018년 자동차 표준으로 확정되고 검증된 이더넷 표준기술(IEEE 1000Base-RH, 1Gbps)이다. 플라스틱 광은 2선 차폐 동선 대비 비교적 ‘저렴’하면서도 GOF와 달리 곡률반경이 좋고(2 cm 이하) 진동에 강하다. 또, 그러면서 탁월한 EMC 특성, 가볍고, 노이즈에 강한 신뢰성 높은 GOF의 장점을 갖고 있다. 

“기가통신급 POF의 제품 개발 배경 및 자동차 표준화는 처음부터 광대역, 저가, 100 m 이내의 근거리 차내 통신(LAN) 시장을 목표로 했습니다. 데이터 보안성도 높습니다. 동선 기반은 전기신호이기 때문에 케이블의 브릿지 방식으로 해킹할 수 있으나 POF는 광신호로 신호 도청이 불가능합니다. 또, KDPOF의 로드맵을 보면 속도는 향후 50기가비트까지 높아질 것이고, 5기가, 10기가 표준이 내년이면 완성될 것으로 보입니다.” 윤 대표가 말했다.

성능 및 기술도 그렇지만, 양산을 위한 부품, 모듈 공급망 생태계도 중요하다. 아직 자동차 시장에서 POF 기술 생태계는 동선 기반과 비교해 소자, 칩, 커넥터, 하네스 등 부품업체 수가 그리 많지 않다. 하지만, KDPOF를 비롯해 하마마츠(Hamamatsu), 야자키(Yazaki), 브로드컴(Broadcom), TE, 드렉슬마이어(Draxlmaier), 헬라(Hella), 앱티브(Aptiv), 덴소(Denso), 다임러의 도이치어큐모티브(Deutsche Accumotive), 발레오(Valeo) 등 명망 높은 기업들이 포진해 있고, 이미 개발을 완료하고 제품을 양산 중이다.
 
“자동차 하네스 분야에서 15~20% 비용 절감이 큰 가격 경쟁력이 아닐 수 있지만, 기술의 짧은 역사, 제한적인 공급망 생태계에도 불구하고 모든 부품 구성 시 POF는 동선 대비 20~30% 저렴합니다. 게다가 KDPOF가 공급하는 반도체 칩(PHY IC 혹은 PHY+FOT 일체형) 제품을 제외하면 커넥터, 케이블, 광접속부 등 밸류체인에서 대부분 부품 국산화가 가능합니다. 일부는 이미 국내개발을 협의하고 있습니다. 플라스틱 광코어의 경우는 미쓰비시나 미국의 코닝사가 하고 있습니다.” 문 대표가 말했다. 




KDPOF 제품 라인업
KDPOF 밸류체인




전기차 안전을 위한 선택 

KDPOF의 플라스틱 광케이블 기반 이더넷 기술의 한계는 ‘유력 카 메이커를 통해 기술이 검증돼야만 사용될 수 있다’는 자동차 산업의 기본 룰을 따라야 한다는 점, 그리고 과거의 차량 통신기술들과 유사하게 KDPOF만이 이 기술의 표준화에 참여하고 있다는 점이라고 할 수 있다. 하지만 이는 해결된 것처럼 보인다. 

“그래서 KDPOF는 신기술을 소개하는 입장에서 프리미엄 메이커, 기술을 선도하는 업체를 중심으로 새로운 레이스가 펼쳐지는 전기차부터 포커스하고 있습니다.”

윤 대표는 다임러의 EQ 시리즈 전기차 도입사례를 설명했다. EQ 시리즈는 셀 밸런스 모니터, 충전상태 진단 예측, 파워 제한, 냉각제어, 파워 릴레이 어셈블리 제어에 대한 배터리 모니터링 시스템에 POF를 적용하고 있다. 이유는 이렇다. 

현재 BMS 통신방식은 400V 고압 모듈 제어기(HV ECU)와 12V 저압 제어기(LV ECU, 중앙 컴퓨터)를 별도의 ISOLATOR(옵토커플러)를 이용해 분리하면서 동선을 사용하고 있다. LV ECU와 배터리 모듈 간 간격 유지를 위해 여러 개의 조인트 케이블(접지 손실), 노이즈에 취약한 동선 케이블 사용, 옵토커플러를 통하기 때문에 온도, 전압 측정이 다소 부정확한 문제가 있으며, 차종에 따라 배터리 모듈의 추가나 제거 시 매번 LV ECU의 설계 및 인증절차를 반복해야하는 번거로움이 발생한다. 이뿐 아니라, 저속의 CAN 시리얼 통신에 따라 속도, 관리 기능 구현이 제한적이다. 무엇보다, 추돌사고로 인한 차체 충돌 시 동선 기반의 CAN 통신 ISOLATOR의 파손으로 고전압의 저전압 회로 인가로 회로 파손 가능성이 존재한다.



EQ의 사례, 동선 기반 BMS 링크 VS POF 적용



하지만, 여기에 POF를 적용하면 동일 하드웨어에서 여러 개의 배터리 모듈 지원이 가능해지고, 고가의 옵토커플러를 이용한 절연이 불필요해 고압 및 저압의 완벽한 차단으로 전자회로를 보호할 수 있다. 배터리 모니터링 기능 측면에서는 손실 없는 고속통신 지원으로 각 셀 단위의 온도, 전압, 밸런스 등 대량의 데이터 전송이 가능하다. 케이블 자체가 완벽한 EMC 특성을 제공한다. 

“메르세데스 벤츠가 EQ 전기차에서 KDPOF 기술을 사용하는 가장 큰 이유는 ASIL D(망 이중화 요구 포함) 요구사항, 안전 때문입니다. 고압에서 저압으로 가는 부분에 POF를 쓰는 것입니다. 볼보의 전기차도 POF를 채택해 차기 모델에 적용할 예정입니다. 이들은 4~5년 전부터 POF를 검증해 왔고 양산 적용하기 시작했습니다.” 

도메인 게이트웨이 간 통신 백본도 POF가 적용된 분야다. 예를 들어 볼보의 전기차가 차세대 모델 백본에 POF를 적용한다. 
POF는 고화질 인터넷 서비스에 대한 스마트 안테나, 각종 카메라 및 센서의 ADAS, 디지털 사이드미러와 디스플레이, 디지털 스티어링 휠 등 EMC에 민감한 네트워크는 물론 버스나 객차와 같은 대용량 통신이 반드시 요구되는 부분에서 적용이 유망하다. 

“기술은 같은 목소리를 내는 기업들이 많거나 독보적인 파이오니어가 등장해야 패러다임이 바뀝니다.” 문 대표가 말했다. 



POF 적용 분야 
 



MOST부터 이더넷까지   
자동차에서는 오래전부터 대용량 통신 지원, EMC 이슈로 MOST 기술과 함께 처음으로 광케이블 기술(GOF)이 엔터테인먼트 부분에 적용되기 시작했다. 하지만 MOST는 IEEE 표준기술이 아니고 기존 이더넷 얼라이언스와 화합이 안 돼 호환성 이슈가 있었다. 공개되지 않은 독점기술에 따라 광소자, 칩 등의 높은 부품 비용이 완성차, 하네스 업체에 큰 부담이 됐고 시장 확대에 걸림돌이 됐다. 
이더넷도 자동차에서 초기에는 유사한 문제가 있었고 표준화도 실패했다. 하지만 기가비트부터 동선 기반 IEEE 표준(IEEE 1000Base-T1)이 만들어지고, 마벨을 필두로, 브로드컴, NXP, 마이크로칩, 리얼텍 등 주요 네트워크 반도체 업체들이 제품 출시를 하면서 유관 부품업체들과 그 저변을 넓혔다. 
그런 결과, 2015년경 시스코, 엔비디아, 퀄컴과 같은 대형 네트워크 회사들이 완성차 업체들과 커넥티드 카, 스마트 카 시대를 이더넷 기반 네트워크로 가야 한다며 자동차 산업과 파트너십을 맺고 활발히 개발, 적용을 시작했다. 예를 들어, 2020년 현대자동차는 국내 협력사들과 수년의 독자개발 끝에 세계 최초 차량용 기가비트 이더넷 기반 네트워크 시스템을 제네시스 G80부터 적용하기 시작했다. 
 
윤광진 대표
윤 대표는 통신 전문가로, LG정보통신을 거쳐 루슨트테크놀러지(Lucent Technology)에서 2G망, DSL 시스템 구축, 2000년 이후 시스코(Cisco)서 디지털방송 설계 및 구축, 마벨 테크놀로지(Marvell)에서 스마트그리드망을 위한 전력선 통신, IOT, 디지털 셋톱박스 사업개발을 담당했다. KT, Ubiquoss와 협력해 기가인터넷 DSL 제품(기가와이어) 개발 관리 및 수출 지원 업무를 맡았다. 2015년 이후엔 차량용 광대역 이더넷 솔루션(Switch, PHY) 사업개발 업무를 수행했고, 국내 최초로 마벨의 1 Gbps 제품을 현대자동차에 적용하는 업무 등을 담당했다. 2019년부터 KDPOF로 옮겨 우리나라 자동차 업계의 광통신 채택에 힘쓰고 있다.  


문양현 대표
문 대표는 SK HYNIX(舊 현대전자산업)에서 전자통신 부품 국산화 개발, 현대네트웍에서 초고속정보통신 시스템 개발공급을 담당했다. 2003년 회사를 설립해 차량용 스마트키를 개발해 SK네트웍스를 통해 애프터마켓에 진출시키기도 했다.  



[AEM] Automotive Electronics Magazine


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