테슬라 사이버트럭 48V 아키텍쳐??
23년 3월 인베스터 데이를 통해 테슬라 사이버 트럭에 48V 기반의 아키텍쳐를 적용을 예고 했었다.
이 예고는 현실이 되었고 사이버 트럭은 48V 아키텍쳐로 태어나게 되었다.
기존 12V 저전압 아키텍처
1960년대 자동차 전장 부품의 전압이 6V 에서 12V로 변화한 이래 대다수 승용, 소형 상용차는 12V 를 상정한 배터리와 발전기, 그에 맞는 전장 부품을 설계해왔다. 상용차는 24V 시스템을 사용하였고 상용차에서 자동차로의 전압 점프 시를 가정해서 승용차의 경우 12V 지만 24V 까지 고려해서 설계를 해왔었다.
이런 상황에서 테슬라가 사이버트럭에서 48V 기반 E/E 아키텍쳐로 전환하겠다고 발표했던 것이다.
단순히 바라봤을때 구조적으로 전력 효율을 높일 수 있고 차량의 경량화도 일부 기여할 수 있는 아키텍쳐 이다. 동일 조건에서 필요 전력이 12V에서 48V로 전환 시 전류 수준이 1/4로 감소하여 각종 전력 손실이 감소 할 수 있는 구조이기 때문이다.
전기차 전력의 3~7% 가량을 소모하는 조명, 인포테인먼트, 조향 등 일반적인 전장 부품의 전력 손실을 줄이고 그 외 공조 시스템이나 전력 변환 시스템의 효율도 개선할 여지가 있으며 배선을 단순화하고 전선 증량을 줄일 수 있어 차량 경량화 및 비용 절감에도 기여할 수 있다.
차량용 48V 부품이 시장에서 흔치 않아 단기적으로는 납품 단가가 이전 대비 높아질 여지가 있지만 아키텍쳐와 모듈러 혁신을 추구하는 테슬라의 시장 선점 전략을 보여주는 결정으로 많은 부분에서 테슬라의 전략을 찬양하기까지 하였었다.
테슬라 48V 아키텍쳐
Tesla가 《Cybertruck》에 도입한 48V 시스템부터 정리해보자. 차량의 저전압 네트워크에는 지금까지 Tesla 차량도 포함해 12V 계열이 사용되어왔다. 이를 48V 계열로 이행했다. 목적은 와이어 하네스를 가늘고 가볍게 만들어서 시스템 전체를 소형화하는 것이다.
저전압 네트워크에 48V 계열을 적용하는 것을 검토한 바 있는 한 일본 자동차 메이커의 기술자에 따르면 “12V 계열 시스템에 비해 20~30% 경량화 가능하다”고 한다. 원리적으로는 더욱 경량화할 수 있지만 와이어 하네스의 내구성이나 선재의 라인업과 같은 요인 때문에 20~30%에 머무르고 있다고 한다.
그럼에도 와이어 하네스의 무게는 대형차의 경우 차량 1대 당 50kg이 넘는다. 10~15kg의 경량화는 차량 무게가 항속거리로 직결되는 EV에서는 매력적인 이야기다.
48V 계열의 도입과 동시에 Tesla는 ECU 간 네트워크에 이더넷(Ethernet)을 전면적으로 적용했다. 해외 언론의 보도에 따르면 이더넷과 48V 계열은 같은 케이블을 사용하는 “Power over Ethernet(PoE)”을 채택했다고 한다. PoE는 IT 계열의 시스템에서는 일반적이지만, 차량용 네트워크에서는 통신과 전력을 각각 별도의 케이블을 사용하는 것이 상식이다. Elon Musk CEO는 이와 같은 전기/전자 아키텍처(E/E Architecture)의 변경을 통해 “차량 실내의 배선을 70% 절감할 수 있다”고 설명했다.
Tesla의 Low Voltage and Silicon Engineering을 담당하는 Pete Bannon 부사장은 차량용 네트워크의 쇄신에 대해 “《Cybertruck》에서는 와이어 하네스가 가장 가까운 ECU에 접속되며 그들 ECU가 서로 이더넷을 통해 접속되는 형태로 이루어진다. 다만 《Cybertruck》에서는 차량을 가로지르는 듯한 와이어 하네스가 남아있다. 차세대 플랫폼에서는 그를 모두 배제할 것”이라고 설명했다.
Pete Bannon 부사장이 문제라고 여기는 “차량을 가로지르는 와이어 하네스”는 Unboxed Process를 적용하는 차세대 플랫폼에서는 방해가 된다. 좁은 틈에 기술자가 장착하는 와이어 하네스로는 생산 시간 단축이 어렵다.
이와 같은 문제를 해결하기 위해 Tesla가 도전하고 있음을 알 수 있는 것이 바로 2022년 8월에 공개된 미국 특허 “US 2022/0250562 A1”이다. 특허명은 “Wiring System Architecture”로 심플하지만, 일본 부품 메이커의 와이어 하네스 기술자의 설명에 따르면 “Tesla가 실현하고자 하는 차세대 와이어 하네스 구상이 담겨 있다”고 한다.
차세대 와이어 하네스 구상의 핵심은 차량 실내의 외주부를 감싸듯이 배치한 와이어 하네스의 간선이다. Tesla는 “Backbone”이라고 부르며, 여기서 ECU나 액추에이터와 연결하는 지선을 빼서 연결해 나간다. 각 ECU와 저전압 전원(배터리)를 개별적으로 배선했던 기존 시스템에 비해 배선을 대폭 간소화할 수 있다.
Tesla는 와이어 하네스 장착 자동화도 목표로 한다. Backbone끼리나 Backbone과 지선의 접속, 나아가 Backbone과 차체의 고정 등을 로봇 작업을 전제로 한 설계로 만들었다. 나사나 볼트로 손쉽게 접속할 수 있는 구조이며 “와이어 하네스의 공정에서는 사람의 수작업이 불필요해질 가능성이 높다”고 한다.
물론 실용화하기 위해서는 해결해야 하는 문제도 있다. 다수의 와이어 하네스 기술자가 지적한 것이 바로 Backbone의 신뢰성이다. Backbone은 단단한 프레임으로 케이블을 덮는 듯한 구조이며, 유연성이 떨어지는 것으로 보인다. 자동차의 바디는 주행상태에 따라 뒤틀리거나 휘어지기 때문에 케이블이 단선될 리스크가 있다.
Tesla의 Pete Bannon 부사장은 “《Cybertruck》 이후의 EV를 48V 계열로 이행할 것이다. 다른 자동차 메이커나 공급업체도 부디 이 흐름에 동참해주기를 바란다”고 설명했다. 양산차량에 바로 적용할지는 단언할 수 없지만, 48V 계열은 차세대 와이어 하네스 구상을 구현한 시스템으로 진화해 나갈 것이다. 기가캐스팅에 이어 다른 자동차 메이커는 Tesla의 뒤를 따를지 귀추가 주목된다.