오토모티브 트랜드

네트워크드 카(Networked Car)

오늘날의 자동차는 전자 기기의 급속한 발전으로 인해 기계 장치에서 소형 데이터 센터로 빠르게변화하고 있습니다.

130년 후, 컴퓨터가이 마력을 대체하다

이 문서에서는 텍트로닉스의 Sudipto Bose 및 Joern Hoepfner 임직원이 자동차 혁명을 이끄는 동향에 대해 간략히 설명합니다.

자동차 산업의 130년 역사에서 지금과 같은 혁명은 없었습니다. 전자화, 자동화, 연결 및 이동성으로 인해 제조업체는 지금까지 이론의 여지가 없었던 관행과 기술을 다시 평가해야 합니다. 실제로 전자 기기의 급속한 발전으로 인해 자동차의 근본 토대가 기계 장치에서 소형 데이터 센터로 빠르게 변화하고 있습니다.

하지만 자동차는 대부분의 사람들이 인식하는 것보다 오래 전 부터 전자 제어 시스템에 의존해 왔습니다. 양산에 성공한 최초의 EFI(Electronic Fuel Injection) 시스템은 1958년, 총 35대의 자동차에 탑재된 Chrysler Electrojector였습니다. 흥미롭게도 이러한 초기의 선구적 시스템은 주로 초기 전자 시스템이 너무 느려 ‘즉각적인’ 연료 계측에 대한 요구를 충족하지 못했기 때문에 4배럴 기화기로 현장 개조되었습니다.

오늘날의 정교한 전자 엔진 관리 시스템은 연료 분사 및 점화를 제어할 뿐만 아니라 Otto, Miller 및 Atkinson 간에 작동 사이클을 변경할 수 있으며 최근에는 제조업체가 HCCI(Homogenous Charge Compression Ignition) 엔진의 매우 정교한 제어를 상용화하도록 지원하는 수준에까지 이르렀습니다.

 

 

네트워크 요구 사항을 견인하는 ADAS

그러나 자동차 산업은 전자 시스템에 대한 새로운 문제, 즉 오토메이티드(automated) 레벨 5오퍼레이션(operation)으로 급속히 전환하고 있는 전자화(electrification) 및 ADAS(Advanced Driver Assist System)의 지속적인 출시로 인해 비롯된 문제에 직면해 있습니다.

레벨 5오토메이션(automation)라는 용어는 다음과 같은 여섯 가지 레벨의 자동화를 설명하는 SAE J3016 표준에 정의되어 있습니다.

Battery-life이미지 출처: ITS International
레벨 0: 조향, 제동, 스로틀 등 자동차 전체를 사람이 제어합니다. 운전 방식은 항상 본질적으로 존재했습니다.
레벨 1: 제동과 같은 운전의 작은 요소는 자동차가 운전자를 보조해서 자동으로 수행할 수 있습니다.
레벨 2: 차선 유지 기능 및 크루즈 컨트롤 탑재 등이 그 예이며, 두 가지 이상의 기능이 자동화되는 경우입니다. 이 단계에서는 운전자가 핸들에서 손을 떼고 페달을 밟지 않을 수도 있지만, 운전자는 항상 제어할 준비를 해야 합니다.
레벨 3: 이 단계에서는 여전히 운전자가 개입하지만, 차량이 알아서 운전을 하고 주행이 가능한 정도입니다. 웬만해서는 이전 레벨처럼 운전자가 주변 환경을 모니터링하는 조작이 필요 없습니다.
레벨 4: 미국 교통부(DOT)에 따르면, 이 레벨은'안전에 중요한 모든 운전 기능은 자동차가 수행하고 전체 여정의 도로 상황을 모니터링하도록 설계'합니다. 이 작업은 특정 지역(지오펜스) 및 특수한 상황(예: 정체 또는 고속도로 크루징)으로 제한됩니다. 이러한 지역이나 상황을 벗어나면 운전자가 다시 제어하지 않는 경우 자동차가 여정을 안전하게 중단(즉, 주차)할 수 있어야 합니다.
레벨 5: 이 단계는 자동차가 완전히 자율적이며 사람이 제어할 수 있는 핸들이나 일반적인 컨트롤이 필요하지 않음을 의미합니다.
텍트로닉스 Joern Hoepfner 애플리케이션 엔지니어링 관리자는 2018 Audi A8과 같은 자동차를 언급하며 "이미 레벨 3 시스템을 상용화"했다고 밝히며"현재 L4 자동차가 전 세계 간선도로에서 테스트 마일을 신속하게 측정하는 중"이라고 덧붙였습니다.

자동차의 미래는 데이터 전송에 달려 있습니다.

세계적인 테스트, 검사, 감사 및 인증 서비스 제공업체인 TÜV SÜD의 Dirk Schlesinger CTO(최고 기술 책임자)는 "미래의 자동차는 바퀴가 달린 PC가 되겠지만 훨씬 더 까다로울 것"이라고 했습니다.

예를 들어 Ford GT는 1억 개의 코드 줄로 실행되는데, 이를 Windows 10과 비교하자면, Windows 10의 실행 코드 줄은 2700만~5000만 개이고 여기에 마더보드(motherboard), 그래픽 및 Office와 같은 애플리케이션이 포함되면 1억 개로 증가합니다.

그러나 전자 시스템을 재고하게 만드는 것은 컴퓨팅 성능뿐만 아닙니다. 자동화된 자동차에는 하루에 약 4,000GB 또는 4TB의 데이터를 생성하는 50가지의 센서가 15개의 센서 세트에 탑재될 수 있습니다.

  • 카메라는 20~60MB/s을 생성
  • 레이더에는 10kB/s 이상이 필요
  • 음파에는 10~100kB/s이 필요
  • GPS는 50kB/s에서 실행
  • LIDAR은 10~70MB/s일 수 있음

또한 이 모든 데이터는 1986년부터 CAN(Controller Area Network)이었던 네트워크를 통해 통신해야 합니다. 원래 CAN 버스(bus)는 약 1Mbps의 최대 버스 속도 및 최대 8바이트의 데이터 패킷 페이로드(data packet payloads)로 자동차 내의 ECU 간에 제어 트래픽을 전송하도록 설계되었습니다.

데이터 급증 현상에 발맞추기 위해 CAN은 최대 비트 속도가 15Mbps로 증가하고 페이로드가 약 64바이트로 향상된 CAN FD(Flexible Data Rate)가 되도록 프로토콜을 수정했습니다.

이러한 속도에서는 CAN이 LIDAR 및 카메라와 같은 영상 시스템을 처리할 수 없습니다. 또한 하위 시스템 간의 조정을 위해서는 제어 장치가 ECU 간에 더 많은 데이터를 전송해야 합니다. 따라서 자동차 네트워크 설계자는 속도뿐 아니라 아키텍처를 다시 평가해야 합니다.

이러한 데이터 사용량이 많은 시스템을 지원하기 위해 업계에서는 다음과 같은 몇 가지 대안을 마련했습니다.

  • 초기에 멀티미디어를 목표로 독일의 Karlsruhe에서 설립된 MOST(Media Oriented Systems Transport) 컨소시엄은 150Mbps를 전송할 수 있는 MOST150을 발표했습니다. 이 추가 대역폭은 MOST150을 차선 이탈 경고, 카메라 시스템 및 적응형 크루즈 컨트롤과 같은 운전자 보조 기술에 적합하도록 해줍니다.
  • 명시적으로 자동차 응용 분야를 위해 개발된 것이 아닌 또 다른 시스템은 LVDS(Low Voltage Differential Signaling)입니다. 이 시스템은 꼬임쌍선(twisted pair) 동선 케이블을 사용하고 최대 655Mbps의 대역폭을 지원하는 고속 신호 처리 표준을 제공합니다. 이러한 빠른 속도 덕분에 LVDS는 자동차 카메라 제조업체의 매력적인 옵션이 되었습니다.
  • 보다 최근에는 제조업체 사이에 저렴한 단일 비절연 "꼬임쌍선 케이블"과 결합된 고성능 대역폭을 제공할 수 있는 자동차 솔루션으로 이더넷이 도입됐습니다. 이 기술은 특별히 자동차 산업의 엄격한 차량 내 요구 사항을 충족하기 위해 개발되었으며 여러 차량 내 애플리케이션에 최적화되어 있습니다. 자동차 적합 기술은 100Mbps의 고성능 대역폭을 제공할 수 있습니다.

대부분의 자동차 설계에는 특정 하위 시스템에 따라 이러한 버스 표준 중 최소 두개 이상이 포함되어 있습니다. FlexRay는 레이턴시(latency) 및 시간 특성이 엄격해 결정 성능(deterministic performance)이 중요한 ’drive-by-wire’ 애플리케이션에 이상적입니다. SENT는 센서와의 통신에 사용될 수 있습니다. 또한 CAN 및 LIN은 검증된 안정성이 속도보다 중시되는 애플리케이션에 계속 사용될 것입니다. 대부분의 ECU는 컨트롤러뿐만 아니라 네트워크 게이트웨이 역할을 합니다.

고도로 자동화된 커넥티드 카(connected car)는 두 가지 이상의 네트워크 아키텍처 유형을 기반으로 할 것이므로 설계자는 여러 네트워크 기술을 동시에 테스트하고 문제를 해결해야 합니다 . 이러한 기술은 주로 가정과 IT 데이터 센터에서 볼 수 있지만 자동차 분야에서는 광범위한 온도 및 습도에서 결함 없이 작동하고, 충격과 진동에 견디고, 다른 모듈 및 전체 환경과의 전자파 적합성을 유지해야 합니다.

전도, 방사 및 의도적 RF

차량에서 많은 임베디드 장치를 사용하고 차량 전체에 필수 정보를 전달해야 함에 따라, 이러한 설계를 디버그하고 확인하는 데 필요한 테스트 프로세스가 더욱 복잡해졌습니다. 또한 데이터 속도가 증가함에 따라 시스템을 손상시킬 수 있는 '글리치'의 발생 가능성도 커졌습니다. 강력한 스파크를 만들어 내는 점화 장치를 갖춘 자동차 산업 종사자에게 전자파 적합성 문제는 더 이상 남의 이야기가 아닙니다.
텍트로닉스의 자동차 솔루션 부문 Sudipto Bose 부장은 "자동차 주변을 이동하는 무선 데이터 트래픽의 양이 기하급수적으로 증가할 것입니다."라고 언급했습니다. 또한 "오늘날 우리는 인포테인먼트와 휴대전화의 무선 기술을 목도하고 있습니다. 업무에 필수적인 V2V 또는 V2I 기술도 있죠. 여러분이 교차로에 접근하고 있는데, 교차로나 다른 차량에 대해 이야기해 줄 수 있는 기능이 자동차에 있다고 상상해 보십시오."라고 설명했습니다.
전자 기기의 급증과 자동차를 통해 이동하는 데이터의 중요한 속성으로 인해 전자파 적합성이 보다 까다롭고 중요해졌습니다.
"RF는 큰 문젯거리인데, 이는 간섭이 발생한 경우 그 영향을 완화하는 방법을 알아야 하기 때문입니다. 중지될 경우 심각한 문제를 초래하는 장비가 있습니까?" 라고 질문했습니다. 결과적으로 Bose 부장은 이 분야에 엄청난 테스트 요구 사항이 있으며, "이는 단순히 전자 기기를 테스트하는 것이 아니라 때로는 차량을 챔버에 넣어 두는 것"이라 생각한다고 밝혔습니다.

공유 모빌리티(shated mobility)는 새로운 표준 및 테스트의 발생을 불가피하게 만들 것입니다.

급격히 진화하는 산업이 직면한 또 다른 문제는 카 쉐어링 및 차량 호출이 고객의 운송 수단 선택에서 점점 중요한 역할을 한다는 점입니다. 이 모델에서 Uber, Lyft, 중국의 Didi 및 동남아시아의 NuTonomy와 같은 기업은 통근자들에게 L4 및 L5 자율 주행 ‘택시’ 서비스를 제공할 예정입니다.

이러한 모빌리티로의 전환은 OEM이 새로운 온디맨드(on-demand) 서비스 제공자의 하드웨어 공급업체가 될 수 있는 기회를 제공합니다. 예를 들어 Volvo는 Uber와 차량 호출 회사가 자체 자율 주행 기능을 개발하는 데 필요한 핵심 자율 주행 기술을 갖춘 XC90을 24,000대 공급하기로 계약을 체결한 첫 번째 제조업체입니다.
표준 자동 플랫폼으로서 볼보(Volvo)사는 고유한 요구 사항을 충족하도록 범용 시스템을 사용자 정의하려는 다른 차량 호출 회사에 이러한 차량을 공급할 수 있는 기회가 있다고 믿고 있습니다. 이러한 광범위한 사용자 정의에는 하드웨어/소프트웨어 통신 네트워크가 호환되지 않을 수도 있다는 위험이 따릅니다. 따라서 차량의 무결성(integrity)을 보장하기 위해 궁극적으로 새로운 표준 및 테스트를 정립해야 합니다.
온디맨드(on-demand) 카풀, 연결 및 자동화로 인해 운송 산업이 변화하면서 수많은 온보드(onboard) 시스템을 지원하는 데 있어 전력 관리의 중요성이 점점 커지고 있습니다. 이러한 차량에는 현재 출시 중인 48/12V Mild Hybrid EV 또는 하이브리드 차량에서 볼 수 있는 고전압/12V 시스템과 같은 이중 전압 시스템이 적용될 수 있습니다.

스마트 카(smart car)를 강화하는 전기 에너지 관리

구동 시스템의 전기화에 대한 글은 많지만 대부분 전자 기기 배전 시스템에 대한 언급이 없습니다. 이 시나리오에서 12V 네트워크는 조명, 점화, 편의, 오디오 시스템, 전자 모듈 등의 기존 부하를 처리하는 반면, 고전압 시스템은 활성 섀시(chassis) 시스템, 공조 압축 장치, 재생 제동 및 토크(torque) 보조를 지원합니다.

제조업체들이 성능을 개선하고, 비용을 절감하고, 파워 일렉트로닉스 패키지를 최적화하려고 함에 따라 GaN(질화 갈륨) 및 SiC(탄화 규소) 전력 반도체와 관련된 개발이 새롭게 시작되었습니다. 예를 들어 DC/ DC 변환기에서 이러한 광대역 밴드갭 기술로 인한 스위칭 속도 증가는 인덕터(inductors), 변압기 및 커패시터(capacitors)의 크기와 무게를 감소시키며, 이와 동시에 90% 이상의 변환 효율을 유지합니다.

이러한 시스템은 기존 자동차 제조업체보다 컴퓨터 기술 산업에 보다 적합하므로 안정 및 작동 성능을 보장하기 위해 새로운 표준 및 테스트 절차가 점진적으로 출시될 것입니다.

2030년의 자동차 광고에서는 마력을 홍보하지 않고 Xeon, Snapdragon 및 Drive PX와 같은 프로세서의 컴퓨팅 성능을 자랑하게 되겠지만 이를 위해서는 여전히 많은 준비 작업이 필요합니다. 기술을 개발하고 개선할 뿐만 아니라 표준을 정의하고 시스템을 완벽하게 테스트해야 합니다.

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