지난 수년간 거액의 예산이 투입되는 고성능 모터 스포츠대회인 ‘포뮬러 원’을 위해 개발된 기술이 양산형 승용차에 적용됐다. 이러한 기술을 바탕으로 오늘날 자동차는 더욱 향상되고, 안전하며, 효율적으로 개선됐다.

이제, 전기차(EV) 레이스인 ‘포뮬러 E’ 또한 포뮬러 원과 마찬가지로 양산형 전기차의 시험장 역할을 담당하고 있다. 배터리 기술, 전력 관리, 충전 및 회생제동과 관련된 혁신적인 기술을 적용할 수 있게 된 것이다.

주요 전기차용 구성요소 및 시스템 솔루션 설계·제조업체인 온세미컨덕터는 전기차가 레이싱 트랙에서 도로까지 질주하도록 돕는 기술력에 대해 명확하고 광범위하게 파악하고 있다. 이 글에서 전기차와 관련된 기회와 잠재적인 이점과 더불어 그 한계점에 대해서도 다뤄본다.

배터리 설계
소비자들은 배터리 전력만으로 차량이 얼마나 멀리 이동할 수 있는지 의문점을 갖고 있으며, 이는 전기차의 광범위한 도입에 장애가 되고 있다. 

이른바 ‘주행거리 불안’으로 알려져 있는 해당 문제점은 한 번의 충전으로는 목적지에 도달할 수 없을 것이라는 두려움을 의미한다. 그러나 다시 생각해보면, 많은 소비자들의 주행거리는 실제로 그렇게 길지 않다.

최신 배터리 기술과 효율적인 첨단 드라이브 트레인 덕분에 완충 시 주행가능거리가 200마일 이상인 전기차가 많이 보급되고 있다. 이 거리는 학교 픽업, 출퇴근 및 장보기와 같은 대부분의 여정을 수용할 수 있는 정도이다. 그럼에도 불구하고, 향상된 배터리 성능을 요구하는 목소리가 여전히 존재한다.

배터리 설계는 전기화학적 특성으로 인해 휘발성이 매우 강할 수 있다. 포뮬러 E는 높은 전력 밀도에 주력함과 동시에 거친 레이싱 환경에서 안전하게 사용될 수 있는 배터리를 설계하는 기업들과 협력하고 있다. 

표준화된 배터리 시스템을 갖추면 극심한 가속·회생제동 조건에서 위험을 최소화하고, 충돌 시 안전하게 분리될 수 있다. 또한 레이싱 카 설계팀은 공개된 배터리 임피던스와 명시된 충전 및 방전 조건으로 공평한 조건에서 시합을 진행하고 있다.

파워트레인 최적화
그러나 파워트레인은 규제사항에서 제외된다. 각 팀은 파워트레인에 각자의 방법을 더해 가속도를 극대화하고, 재생 효율을 개선하며, 전력 예산을 관리해 자동차가 완주하도록 한다.

또한 각 팀은 포뮬러 원에서 사용된 기계적 설계와 운동 에너지 회수 시스템을 차용해 전기 기계식 파워트레인에 주력할 수 있다.

포뮬러 E의 혹독한 시합 특성으로 인해 레이스 팀은 차량을 모니터링, 제어 및 최적화하기 위해 현재의 양산형 전기차보다 더 많은 임베디드 구성요소를 사용한다. 

이러한 구성요소들은 레이스 도중 실시간 데이터를 전송해 처리 및 분석하도록 한다. 동력 전달 효율, 온도 상승, 회수된 에너지 비율 등과 같은 기록된 데이터를 통해 팀은 배터리부터 바퀴까지 파워트레인을 구동하는 

레이스가 끝난 후 팀은 이 데이터를 업계 파트너와 공유해 파워트레인 작동 방식을 더욱 최적화하고 성능을 향상시킨다. 이 데이터는 신제품 개발에도 도움이 되며, 차기 파워트레인 설계를 위한 부품의 성능 향상에도 도움이 된다. 

이와 같이 지속적인 개선과정은 레이스 팀 파트너들이 트랙에서 경쟁력을 유지할 수 있다. 뿐만 아니라 노하우가 지속적으로 쌓이고, 실제로 적용해보는 과정을 거쳐 실제 전기차 설계 시에도 유용하다. 반도체 제조업체는 파워트레인 전체에서 사용될 수 있는 더 나은 성능, 효율성 및 안정성을 갖춘 구성요소를 설계할 수 있다.

소프트웨어정의 차량
하드웨어 및 소프트웨어 형태의 전자장치는 오늘날 새로운 차량 혁신을 주도하고 있으며, 소프트웨어는 이제 파워트레인 솔루션의 중요한 요소가 되었다. 

오늘날의 전기차에는 이미 수많은 소프트웨어 구성요소가 사용되고 있다. 예를 들어, 트랙션 컨트롤 알고리즘은 빙판 도로 위에서 안전하게 주행하거나 가속기에서 발을 떼면 회생제동이 작동될 수 있도록 바퀴의 제동력을 조정하고 균형을 맞춘다.

최신 전기차는 보다 많은 드라이브 모터와 높은 수준의 자율기능 옵션을 통해 더욱 복잡해지고 있다. 운전자들은 이제 선호하는 주행모드를 선택할 수 있으며, 일상적인 통근 시 주행거리보다 성능을 우선적으로 선택하거나 오프로드 또는 겨울철에 4륜구동(AWD)을 선택할 수 있다.

포뮬러 E로부터 이전된 주행성능 선택 기술 중에는 가속 프로파일을 통해 코너링 도중 발생하는 미끄러짐을 제어하는 기술 등이 포함된다. 이러한 소프트웨어 알고리즘의 이전은 계속해서 차세대 자동차의 특성을 맞춤화하고, 차별화하며 개선할 것이다.

글: 데이브 프리스칵(Dave Priscak) / 솔루션엔지니어링 부사장 / 온세미컨덕터