임베디드 기술을 활용하여 54MPG의 연비를 달성하기 위한 방법
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임베디드 기술을 활용하여 54MPG의 연비를 달성하기 위한 방법
  • 리차드 소자(Richard Soja), 프리스케일 반도
  • 승인 2013.09.04 14:37
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2012년 8월, 미국 교통부 소속 NTHSA(고속도로 교통안전국)와 미국 EPA(환경 보호국)는 자동차 업계의 CAFE(기업 평균 연비) 표준에 새로운 목표를 적용한다고 발표했다. 이 발표에서는 마일리지 수치가 새롭게 정의되었으며, 차량의 점유 면적이 연비 등급 산정의 한 요소로 추가되었다. 이에 따라 2025년까지 업계가 달성해야 하는 목표 연비는 54.5mpg(갤런당 마일)가 된다.

현재 승용차의 평균 연비가 27.8mpg이므로 CAFE의 54.5mpg 목표를 달성하려면 2021년까지 승용차는 5%, 경량 트럭은 3.5%의 연비를 향상시켜야 한다. 그 이후에는 모든 차량이 5%의 연비를 올려야 한다. 이에 반해 EU(유럽 연합)의 경우 이미 연료 소비량 절감에서 미국을 앞서고 있으며, 2020년까지 전기업 평균 연비 65mpg를 달성할 계획이다.

글 | 리차드 소자(Richard Soja), 프리스케일 반도체 / 자료제공 | 프리스케일 반도체(www.freescale.com)

연비 향상(더불어 차량 배기가스)은 대부분 더 높은 기능의 통합과 상당히 향상된 연산 성능을 제공하는 차세대 파워트레인 컨트롤러를 통해 이루어진다. 그 이유는 이 컨트롤러가 관리하는 정밀 시스템이 기존 SI(스파크 점화) 엔진 및 트랜스미션 제어를 훨씬 뛰어넘는 수준으로 확대되었기 때문이다. 하이브리드 전기 자동차와 플러그인 하이브리드 전기 자동차(모터, 배터리, 시스템 관리 전자장치 포함)가 특히 여기에 포함됨에 따라 기존의 개선 추세에서 벗어난 새로운 제어 기술이 필요하게 된 것도 지금의 상황이다.
 


효율에 이어 보안 요구도 증가

파워트레인 제어 분야에서 부각되는 비교적 의외의 추세는 차량 전자 시스템의 보안을 강화하는 것이다. 이를 강화하는 동시에 설계자들은 연료 및 배기가스 제어 메커니즘을 우회할 목적으로 차량 제어 장치를 손상시킬 수 없다는 것 역시 보장해야 한다.

1970년대 처음으로 자동차 전장이 도입되었을 때, 구현된 제어 기능은 비교적 단순했다. 각각 개별적이며 차량 내 다른 구성요소와 연결되지 않았던 것. 예를 들어 스파크 플러그를 제어하는 구성요소가 대시보드의 속도계 또는 타코미터와 통신하지 않았고, 무선 휴대전화 인터페이스나 통합형 오디오 시스템도 없었다.

시간이 지남에 따라 증가된 전자적 복잡성과 다른 고정 및 휴대 구성요소(예: 원격 도어 개폐 장치, 오디오 시스템, 텔레매틱스, 무선 통신 등)가 결합되면서 차량 내부에 심층적으로 임베디드된 제어 시스템을 제공하기 시작했다. 사용자가 액세스 가능한 시스템에는 개인적인 비공개 정보가 포함되어 있을 수 있지만, 임베디드 시스템은 가속·정지·조향 등 차량의 기본적인 물리적 동작에 필연적으로 결부되었다. 이러한 상호 연결의 새로운 측면은 차량의 제어 시스템 또는 정보 시스템 중 어느 것이라도 손상되면 외부 주체에 의한 도난 또는 손상의 위험이 있음을 의미한다.
 

연료 절감의 지름길
프리스케일 반도체는 자동차 파워트레인 MCU(마이크로 컨트롤러) 공급업체로서 자동차 업계의 전자 제어 기술 개척을 촉진한 것과 마찬가지로 이러한 과제에 대응했다. 그림 1에는 2012년부터 2022년까지 다양한 차량의 연료 소비량 궤적에 해당하는 추세선이 나와있다. 여기에서 알 수 있듯 중량과 롤링 저항을 줄이고 공기역학 특성을 개선시키면 일부 연비를 향상시킬 수 있다. 그러나 이것은 근본적인 방법은 못 된다. 변화하는 표준에 대한 적합성을 보장하는 데 가장 비용 효율적이고 실용적인 방법은 역시 엔진의 개선과 차량의 전자화로 간주된다.

업계 설명에 따르면 제조업체가 규정을 적절히 준수하지 않는다면 벌칙이 따를 수 있다. 또한 규정 비준수 차량을 구매한 고객은 추가적인 차량세를 납부해야 한다. 자동차 제조사들은 현재 연비가 낮은 차량에 부과되는 이러한 비용을 없애기 위해 MPC5676R 및 MPC5777M과 같은 프리스케일의 쿼리바(Qorivva) MCU가 제공하는 성능 및 기능을 활용한다.

프리스케일의 MCU들은 파워 아키텍처(Power Architecture) 코어, DMA 컨트롤러, 직렬 통신 인터페이스 등 다수의 공통적인 특성을 공유한다. 또한 구형 소프트웨어를 새로운 솔루션으로 마이그레이션하도록 지원한다. 이런 점은 이전 세대의 파워트레인 MCU와 유사하지만, 지난 10년간 출시된 구형 MCU와 비교할 때 성능이 최대 5배 향상되었고 플래시 메모리 용량은 4배 증가되었다는 것은 획기적인 변화이다.
 

멀티코어 MCU의 출현
단순히 작동 주파수를 높이는 것만으로도 일부 MCU의 성능을 향상할 수 있지만, 쿼리바(Qorivva) MCU의 최신 세대에는 소비 전력을 절감하는 동시에 성능을 크게 높여주는 복수의 CPU 코어가 적용되어 있다. 멀티코어 아키텍처가 없다면, 과도한 열 발생과 더 높은 주파수의 회로를 설계 및 통합하는 데 따른 추가적인 해결 과제가 따른다.

MPC5676R MCU는 최초의 파워트레인 애플리케이션용 듀얼 코어 파워 아키텍처(Power Architecture) 디바이스이다. 이 제품은 싱글 코어 모델인 이전 세대 MPC5674F MCU와 거의 완벽한 호환성을 제공하며, 더불어 가상 센싱 및 휴리스틱(heuristic) 제어 알고리즘 같은 연산 의존도가 높은 소프트웨어의 과제에 대응하는 강력한 최신 듀얼 코어 기능도 갖고 있다. 개발자들은 이러한 기능을 통해 다수의 외부 구성부품을 추가하지 않아도 되므로 기존 시스템에 비해 비용을 거의 30%까지 절감할 수 있다. 첨단 연료 절감 기술을 더 경제적으로 구현할 수 있는 것이다.

MPC5777M은 코어당 300MHz(MPC 5746M보다 50% 높음)의 전례 없는 성능과 2.5~8MB의 플래시 메모리 확장 옵션을 제공한다. 이 제품은 또한 자동차 설계자들에게 I/O 프로세서를 활용하여 연산 코어의 부담을 완화하는 작업 유연성과 병렬 프로세싱 기능을 보장한다. MPC5777M에는 소프트웨어 해킹을 차단하고 애프터마켓 튜닝을 방지하는 하드웨어 보안 모듈 및 변조 감지 모듈과 같은 차세대 보안 보호 기능도 포함되어 있다.

효율에 대한 표준이 부각되면서 최신 MCU는 자동차 제조사들이 직접 분사 연료 공급, 실린더 비활성화, 배기가스 재순환, 터보 부스트, 자동 정지-시동, 듀얼 클러치 트랜스미션, 정밀 밸브 제어 등과 같은 연료 절감 조치를 구현하도록 지원한다. 가까운 미래에는 현재 개발 파이프라인에 위치한 더 발전된 MCU가 자동차 제조사들이 HCCI(예혼합 압축착화), 2행정/4행정 전환, 능동 공기역학 조절, 배기가스 에너지 회수 등과 같은 혁신적인 연료 효율 및 배기가스 제어 솔루션을 활용할 수 있도록 지원할 것으로 보인다.


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