전기이동성(Electric mobility)과 관련된 주제를 중점적으로 다루는 다양한 연구 프로젝트가 진행되고 있다. 그러나 전기차의 제한된 주행거리는 여전히 해결해야 할 중요한 문제로 남아 있다. 남아프리카 공화국에서 열린 2010년 태양전지차 대회(Solar Challenge 2010)에서 “슈루크스펫(Schluckspecht)”은 무려 626.6km를 달렸다. 이는 지금까지 전기차가 일반도로의 실제 교통 상황에서 한 번의 배터리 충전으로 주행한 가장 긴 거리이다. 이 기념비적인 기록은 첨단 드라이브트레인과 전력/전자공학, 그리고 고도로 전문화된 제어 및 네트워킹 시스템의 절묘한 조화를 통해 가능했다.

글│하이코 루스, 요헨 노이퍼
원문│독일 Elektronik automotive 2011년 7월호
사진ㆍ그림│오펜부르크 응용 과학 대학교, 에보모티브(Evomotiv), 벡터(Vector)

오랜 전통의 대학 프로젝트
장거리 주행이 가능한 전기차를 제작하려면 모든 관련 부문에서 최적화를 수행해야 한다. 즉, 높은 에너지 효율성과 가볍고 컴팩트한 대용량 배터리가 장착된 구동장치, 적합한 전력전자공학, 적절히 조정된 제어 알고리즘, 효율적인 네트워크 통신 등이 필요하다. 여기서 무게가 핵심적인 역할을 하는 것은 물론이다. 다시 말해 새시와 바디의 기계적 구성은 가벼우면서도 견고해야 한다. 마지막으로 안전성, 특히 효과적인 브레이크 시스템을 간과해서는 안 된다.
오펜부르크 응용과학 대학교(Offenburg University of Applied Sciences)은 현재 이 주제를 다루고 있고, 전기이동성 분야에서 쌓은 10년 이상의 경험을 “슈루크스펫”이라는 학생 프로젝트에 반영하고 있다. 일례로 슈루크스펫 팀은 1998년부터 에너지 효율이 가장 높은 차량을 선정하는 콘테스트인 유럽 에코 마라톤 대회(European Eco Marathon)에 참가해왔다. 2008년 “슈루크스펫 III 플러스(Schluckspecht III plus)”라는 컨셉트 차량이 연료전지 부문에서 우승했다. 이 차는 100 km 당 고급 휘발유 0.032리터에 불과한 낮은 연료 소모량을 나타냈는데, 이는 고급 휘발유 1리터를 기준으로 할 경우 3,100 km가 넘는 거리에 해당한다. 이 팀은 해당 연구 파트너와 함께 모터, 새시 및 휠 서스펜션, 시스템(예: 차량 전자 시스템)의 모든 주요 컴포넌트를 개발했다.
이런저런 성과에 고무된 팀은 대체연료 차량을 위한 대회인 남아프리카 공화국 태양전지차 대회에도 참가하기로 결정했다. 이 대회는 다양한 언덕을 넘어야 하는 남아프리카 공화국 주변의 일반도로에서 열린다. “슈루크스펫 IV E”는 리튬이온 배터리를 활용하는 완전한 배터리 구동 차량이어 정규대회가 아닌 부문에 참가했지만 이 역시 FIA(Federation Internationale de l´Automobile)의 공식 감독 하에 이뤄졌다. 팀의 목표는 슈루크스펫 차량에 구현된 직접 구동 시스템의 성능을 대중에게 알리는 것이었다. 결과적으로, 1회 충전에 626.6 km를 달린 것으로 공식 기록됐다. 이는 이와 유사한 조건의 일반도로에서 전기차가 주행한 가장 긴 거리였다.

비철 여자기 코일이 사용된 휠 허브 직접 구동 장치
4세대 테스트 차량의 변종인 슈루크스펫 IV E의 성공사례는 오펜부르크 대학교가 슈투트가르트 소재의 엔지니어링 업체인 에보모티브(Evomotiv)와 공동개발한 휠 허브 모터를 사용한 구동 개념을 토대로 이뤄진 것이다. 이 차량은 12개의 리튬이온 배터리팩을 포함해 무게가 약 320 kg이며 각각 42개의 극과 2 kW의 피크 전력을 갖춘 2개의 휠 허브 모터를 통해 구동된다. 앞서 나온 변종 차량인 “슈루크스펫 시티(Schluckspecht City)”의 고급 개발 형태이며, 브러시리스 DC 모터를 사용해 효율성이 높은 것이 특징이다. 이러한 유형의 모터에는 회전자에 영구자석이 있으며 여자 권선은 고정자에 있다.
슈루크스펫 모터의 특징은 고정자 및 여자 코일에 철을 사용하지 않은 점을 들 수 있다. 직접 구동장치 및 정교한 구동 제어 시스템과 함께 이 모터는 흥미로운 특성을 보이고 있다. 예를 들어 철을 사용하는 기존 구조에서 발생하는 코깅 토크(Cogging Torque)가 전혀 없다. 코깅 토크가 주기적으로 발생하면 진동과 속도 변화가 발생해 효율을 떨어뜨리게 된다. 보다 높은 시동 토크와 저소음 작동 외에 중요한 이점으로는 휠이 무전압(De-energized) 무여자(Excitation-free) 모터 상태에서 저항력을 거의 받지 않은 상태로 회전하므로 분리 클러치를 비롯해 트랜스미션, 차동장치 등을 생략할 수 있게 된다. 직접 구동 장치는 정확히 필요한 곳에만 순방향 추진력을 발생시키므로 최대 98%의 극도로 높은 효율을 얻게 된다. 이 엔진 개념은 2006년에 보쉬 혁신 상(Bosch Innovation Prize)을 수상한 바 있다.

PWM 구동 제어를 통해 최적화된 정류 전략
휠 허브 구동 장치는 특유의 브러시리스 작동 원리로 인해 산업용 구동장치 기술의 실질적인 표준인 인버터를 통해 제어되는 비동기식 AC 모터처럼 작동 시 거의 마모가 발생하지 않는다. 하지만 여기서 한 가지 중요한 필수 전제조건으로는 코일 자기장의 방향이 모든 전기 모터의 작동 원리에 따라 교번(Alternation) 과정에서 적시에 영구 자석을 끌어당기고 밀어내도록 하는 전기 정류를 들 수 있다. 특히, 시동 정류의 경우 이를 위해 먼저 회전자의 위치를 정확하게 파악해야만 한다. 영구자석의 위치를 포착하기 위해서는 여러 개의 홀 센서가 사용된다. 평가장치에서는 이 데이터를 바탕으로 직각 위상 신호를 통해 네 개의 트랙(A, B, 스트로브[Strobe], 인덱스[Index])을 생성하며(그림 1), 이를 통해 다운스트림 유형의 TMS320 디지털 신호 프로세서에 대한 회전 방향과 회전자 위치와 관련해 필요한 모든 정보를 얻게 된다(그림 2).
온보드 네트워크 아키텍처와의 상호작용을 위한 두 개의 CAN 모듈이 사양으로 포함된 이 신호 프로세서는 위상이 180°로 변이되는 두 개의 PWM 신호를 생성해 전력/전자장치를 제어한다(그림 3). 브리지 변환을 사용해 각 여자 권선을 양(T1, T5, T3) 또는 음(T4, T6, T2)의 링크로 전환하고 전류 흐름이나 자기장의 방향을 제어할 수 있다. 프로젝트 엔지니어나 학생들은 비교적 높은 PWM 주파수를 사용해 낮은 모터 인덕턴스를 보상한다. 주파수는 코일 측면에서 PWM 주기 당 네 번 전환된다. 또한 브레이킹(재생성) 도중 에너지를 회복하도록 듀티 사이클을 변경해 시스템을 모터 모드와 제너레이터 모드 간에 전환할 수도 있다. 여기서 주목할 만한 점은 PWM 주파수의 절반으로, 네 개의 교번 상태를 사용하는 최적화된 정류 방식과 연동할 수 있다는 점이다.
에보모티브와 오펜부르크 전문대학(Hochschule Offenburg)은 측정 및 테스트를 위해서는 물론, 실제 차량과 독립적으로 모터 파라미터를 보정하기 위해 각자 고유한 모터 테스트 벤치를 마련했다(그림 4).

전기이동성 서비스의 네트워크 전자 장치
슈루크스펫 IV E 전자 아키텍처의 기본 요소로는 중앙 컨트롤러, 휴먼-머신 인터페이스(HMI) 그리고 여러 개의 배터리 제어 모듈이 있다. 배터리 제어 모듈은 배터리의 전압과 온도를 지속적으로 모니터링하는 역할을 한다. 중앙 컨트롤러는 드라이버 입력 또는 HMI에 따라 휠 허브 모터의 네트워크를 안정화하는 것은 물론 배터리 제어 모듈의 마스터 역할을 하기도 한다. 메인 컨트롤러는 마스터 역할을 수행하는 중에 긴급 상황 시 에너지 공급을 중단해 전체 시스템의 작동을 매우 신속하게 차단할 수 있다. 또한 이 ECU는 차량에 있는 세 개의 CAN 버스에 대한 중앙 게이트웨이(ZGW) 역할을 한다(그림 5).
차량 제어는 안전 엔지니어링 작업과 차량 동적제어 작업이 모두 포함된다. 이러한 작업을 수행하기 위해 각각의 휠 허브 모터에는 전용 모터 컨트롤러가 사용된다. 차량 동적제어에는 곡선 도로 주행 시 드라이브 휠을 동기화(기계식 차동 장치가 없으므로)하는 것은 물론 휠의 미끄러짐을 모니터링하는 것이 포함된다. 전자 통신은 CAN1, CAN2 및 CAN3 버스 간에 분산된다. CAN1이 HMI를 중앙 컨트롤러에 연결하면 CAN2는 배터리 제어를 담당한다. 두 통신 영역에서 통신 속도는 크게 중요하지는 않으므로 125 kBit/s의 낮은 통신 속도를 활용한다. 반면 CAN3는 모터 ECU를 네트워크에 연결하기 때문에 1 Mbit/s로 작동하는 고속 CAN 버스로 디자인된다.

잔여 버스 시뮬레이션을 통한 병렬 ECU 개발
오펜부르크 대학교와 파트너인 에보모티브의 참가자들은 ECU 및 소프트웨어에 대한 개발을 진행하는 과정에서 복잡한 통신 구조에서 흔히 발생하는 문제에 직면하게 됐다. 개발의 일부는 여전히 시작 또는 프로토타입 단계에 있지만 다른 일부는 이미 더 나아간 상태에 놓이는 경우가 일반적이다. 하지만 완성된 시스템을 가능한 한 실제와 가깝게 테스트하기 위해, 개발자들은 아직 존재하지도 않는 시스템의 기능에 의존해야 한다.
이 문제는 잔여 버스 시뮬레이션을 통해 해결된다. 잔여 버스 시뮬레이션에서는 아직 실제로 존재하지 않는 ECU의 컴퓨터 시뮬레이션에 적합한 소프트웨어가 사용된다. 테스트 대상 시스템에서는 시뮬레이션과 실제 ECU 간의 차이를 전혀 감지할 수 없으므로 완전한 네트워크 통신을 사용할 수 있게 된다. 슈루크스펫 프로젝트에서는 이를 위해 벡터(Vector)의 CANoe를 표준 분석 및 시뮬레이션 툴로 사용했다. 담당 디자이너가 네트워크에 대한 데이터베이스를 완벽하게 파라미터화 했다면 Windows 소프트웨어를 사용해 매우 손쉽게 잔여 버스 시뮬레이션을 생성할 수 있다. 그러면 Vector Interaction Layer는 모든 메시지가 데이터베이스에서 지정된 전송 유형으로 전송되도록 한다.

시뮬레이션에서 실제 ECU까지
개발 팀은 프로젝트 초반에 이 방법을 사용해 슈루크스펫 ECU의 절반 이상을 시뮬레이션했다. CANoe 고유의 CAPL 프로그래밍 언어로 작성된 이 ECU 애플리케이션은 잔여 버스 시뮬레이션을 위한 토대 역할을 하며 차량이 없는 상황에서도 테스트의 깊이를 높여 준다. 예를 들어 중앙 게이트웨이를 테스트하기 위해서는 특수한 시뮬레이션 인터페이스를 구현하는 것이 합리적인 것으로 여겨졌었다. 개별 ECU가 하나씩 완성돼 가면 잔여 버스 시뮬레이션의 관련 부분도 비활성화 된다. 이 과정이 완료되면 전체 네트워크를 실제 형태로 사용할 수 있게 되며, CANoe는 순수한 분석 및 모니터링 툴로 작동하게 된다(그림 6).
슈루크스펫 IV E의 시험 주행 시, 초기 개발 단계에서 잔여 버스 시뮬레이션의 토대로 사용된 구성은 나중에 차량 내부의 프로세스를 모니터링하는데 사용되었으며, 필요한 경우에는 프로세스에 개입하기도 했다. 이제 모든 ECU가 실제 형태로 존재하기 때문에 CANoe 구성의 시뮬레이션 설정(Simulation Setup)에서 모든 노드가 비활성화 된다. 남아프리카 공화국에서 열린 주행 대회에서 엔지니어와 학생들은 배터리의 온도, 전압, 전류 같은 파라미터를 모니터링했으며, 이를 통해 다양한 주행 단계에 대해 각기 다른 구동 토크를 설정할 수 있었다. HMI 패널은 브레이크 및 방향 지시등에 사용할 수 있다.

시험 주행의 원격 모니터링
태양전지차 대회의 또 다른 흥미점은 모든 모니터링 및 제어 작동이 지원 차량을 통해 수행된다는 점이다. 여기서 문제는 온보드 차량 네트워크에서 지원 차량의 분석 컴퓨터로 무선 통신을 통해 데이터를 전송하는 일이다. 이는 반경이 최대 500 m인 특수한 CAN/WLAN 인터페이스 모듈을 통해 수행되는데, 이 인터페이스 모듈은 WLAN으로 지원 차량의 원격 네트워크에 대해 테스트 차량의 전체 CAN 트래픽을 효과적으로 반영한다. 이 프로세스는 CANoe에 명확하게 인지되어 있으므로, CANoe는 평소처럼 경합 차량의 시스템 파라미터를 표시 및 평가하는데 계속 사용할 수 있다. 전송 시 보존되는 CAN 메시지의 타임스탬프는 수신단에서 디스플레이가 일관되게 나타날 수 있게 한다. 이는 반대의 경로를 통해서도 가능하므로 기술자들은 지원 차량에서 테스트 차량의 네트워크를 활성화할 수 있다. 이러한 경우 지원 차량의 사용자 제어판에서 나오는 자극은 운전자의 개입보다 더 높은 우선순위로 시스템에 작용하게 된다. 극단적인 경우에는 차량을 리모컨으로도 완전하게 작동할 수 있다.





 

전기차에 들어오는 FlexRay
이러한 대회를 통해 얻은 정보는 산업 파트너들이 수행하는 선행개발 과정이나 대학의 자체 프로젝트로 신속하게 흘러 들어가게 된다. 에보모티브는 오펜부르크의 과학자들과 오랜 기간 공동으로 도로용 전기차를 위한 향상된 휠 허브 모터에 대해 연구해왔다. 이 연구에서는 모터 전력을 2 kW에서 15 kW로 대폭 늘리는 것과 2륜 구동이 아닌 4륜 구동 시스템을 장착하는 부분에 중점을 두고 있다. 브레이크 같은 안전 관련 부품의 경우에는 다양한 TUV 승인을 얻어야 한다. 여기서도 첨단·혁신 기술이 승인 획득에 기여하게 될 것이다. 그뿐만 아니라 최근의 48 V 시스템 대신 모터에 공급하는 전압이 400 V인 시스템에 대해서도 고려하고 있다. 또한 ECU, 모터 및 브레이크 시스템 간의 시간이 결정적인 요인으로 작용하는 통신을 위함은 물론 관련 제어 회로를 구현하기 위해 FlexRay가 사용될 계획이다. 빠른 속도, 실시간 성능, 내결함성 등의 특성을 갖춘 FlexRay를 사용하려면 참가자의 전문 기술에는 물론 사용되는 개발 및 분석 툴에도 훨씬 높은 요구사항이 적용된다. CANoe 같은 시뮬레이션 및 분석 시스템은 높은 성능과 멀티버스 기능이 결합되어 있기 때문에 특히 수요가 높으며, FlexRay 데이터와 CAN 데이터를 동시에 처리 및 표시할 수도 있다.