연구동향
테슬라의 혁신, 차를 다시 정의하다 -기계에서 탑승형 로봇으로
박종원 (한국원자력연구원 로봇응용연구부)
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전 세계에 전기차 열기가 뜨겁다. 세계 각국이 탄소중립을 외치면서 매연가스를 내뿜지 않는 전기차로의 전환이 가속되고 있다. 전통적 내연기관 자동차 메이커들은 속속 고유의 전기차 플랫폼을 개발하고 신차 발표를 서두르고 있으며, 국내에서도 신형 전기차 출시로 자동차 전문 유튜버들이 시승기를 쏟아내고 있다. 100여 년간 지속되어 오던 내연기관 중심의 자동차 시장이 흔들리고, 그 틈으로 전동화 바람이 불고 있는 지금은 마치 10여 년 전 피처폰에서 스마트 폰으로 바뀌던 순간을 연상시킨다.






전기차는 새로운 이동수단이 아니다. 실제로 전기차는 내연기관 자동차보다 빨리 개발되었으며, 심지어 100km/h를 처음 돌파했던 차도 내연기관이 아니라 전기 자동차였다. 하지만 전기차는 기술적한계를 더 빨리 극복했던 내연기관 자동차에 밀렸 났고, 시장은 내연기관 자동차를 선택한 후 100 여년의 시간이 흘렀다.

2000년대 친환경 전기자동차 바람이 불기 시작하며, 기성 자동차회사들은 보급형 모델의 컨셉카로 전기자동차를 개발하기 시작했다. 택배 차량, 전기 스쿠터, 골프 카트 등의 차량들이다. 내연기관을 대체하여 친환경 자동차라고 개발해왔지만 이런 차량들은 한결같이 투박한 외형, 작은 내부 공간, 느린 속도, 짧은 주행거리로 활용이 매우 제한적이었기에, 저렴한 유지비용과 무공해라는 장점만을 살린 짧은 반경 내에서 작은 물건을 수송하는 용도로만 활용되었다. 전기자동차가 내연기관을 대체하려면 더 많은 시간이 흘러야 할 것만 같았다.





2008년 테슬라는 기존의 이미지를 단박에 깨는 전기자동차를 출시하였다. 세계 최초의 전기 스포츠카인 로드스터는 전기차도 섹시할 수 있음을 과시하였고, 슈퍼카에 비하면 낮은 성능이었지만, 0 rpm에서 최고 토크를 내는 전기모터의 특성 덕분에 압도적인 가속력으로 모두를 놀라게 하였다. 이후 테슬라는 새로운 모델을 계속 출시하며, 2021년 현재 슈퍼카 수준의 가속 성능에 500 km가 넘는 장거리 주행성능을 보여줬다. 단순하면서도 수려한 디자인, 넓은 실내 공간을 확보함으로써 드디어 내연기관 차량과 경쟁가능한, 쓸 만한 전기차를 제시하는데 성공했다.







자동차업체들은 성숙한 차량제조 기술을 바탕으로 내연기관의 최대 단점인 배기 가스를 감축하려는 노력을 많이 기울여 왔다. DPF 등 각종 배출가스 저감장치를 부착함으로써 배기 가스를 거르고 걸러서 오염 물질을 줄여왔으나, 높아지는 환경규제 기준을 충족하기 어려워졌다. 또한 최근 디젤엔진 배출가스 량을 조작한 클린 디젤게이트 이후 소비자들의 불신이 증가하여, 세계 각국에서는 내연기관 퇴출 운동이 시작되었다. 각국 정부는 그동안 미뤄왔던 환경 문제를 해결하고자 국가 보조금 형태로 전기차를 지원하기 시작했다. 전기차는 높은 배터리 가격 및 낮은 에너지밀도, 충전 인프라 구축 과제 등 많은 부분에서 내연기관에 비해 경쟁력이 약했으나, 이러한 환경보호 움직임 속에 점차 보편화 되었다.


테슬라는 기존 내연기관 자동차 업체들의 무관심 속에 빠르게 전기차를 개발하여, 명실상부한 전기차의 대표주자로 사람들에게 새로운 사용자 경험을 선사하며 시장을 개척해 나가고 있다. 강화된 환경규제와 테슬라의 대중화로 기존 자동차 업계 또한 전기차로의 전환에 속도를 내기 시작하고 있다. 2017년 폭스바겐 그룹은 80여종의 새로운 전기차를 2025년까지 선보인다고 했다. 또한 GM역시 2023년까지 20종의 새로운 전기차 모델을 개발하겠다고 공개했다.

그럼에도 불구하고 전기차 시장은 여전히 테슬라 중심으로 진행중이고, 현재 뚜렷한 경쟁자가 없다고 할 수 있을 정도로 그 영향력은 압도적이다. 테슬라는 무엇이 특별하기에 이러한 관심을 받는 것일까?







전기자동차의 발전에 가장 큰 장애 요소는 배터리 기술이다. 차량용 연료에 비해 턱없이 낮은 에너지 밀도, 높은 생산단가, 충전 속도 등의 기술적 난제로 인해 전기자동차는 발전 속도가 매우 더디었다. 이에 기존 업체들은 그나마 높은 에너지밀도와 다양한 형상으로의 제조가 용이한 파우치형 배터리를 사용했지만, 높은 배터리 가격은 전기차 시장을 대중화하기에는 부담으로 작용했다.



타 업체와 달리 테슬라는 일찍이 원통형 배터리를 기반으로 차를 생산했다. 원통형 배터리는 파우치형에 비해 에너지 밀도가 떨어지지만, 기계적 안정성이 뛰어나고, 오랜 생산기술의 축적으로 가격이 저렴하며 대량생산에 용이하다는 장점을 갖는다. 또한 열을 효과적으로 냉각 가능하여 전기차 대량생산에 적합하다. 테슬라에서는 이러한 원통형 배터리의 효과를 극대화하기 위하여 에너지 밀도와 출력을 높인 새롭게 4680 배터리 규격을 활용할 계획이다. 또한 배터리 주요 물질을 안정적으로 공급받기 위해 광산에 투자하고 직접 생산함으로써 가격을 낮춰 전기차의 접근성을 높일 계획이다.



한정적인 에너지를 효율적으로 관리하는 기술은 전기 자동차에 있어 핵심기술이다. 배터리 매니지먼트 시스템은 배터리를 효율적으로 활용하는데 매우 중요한 기술이지만 장시간, 대량의 배터리를 운용한 기술 축적이 필요한 분야이다. 따라서 단기간에 배터리 관리 기술을 확보하는 것은 매우 어렵다.

테슬라는 각 차량의 배터리 데이터를 하나의 클라우드 센터에 모아 빅데이터 시스템을 기반으로 최적의 배터리 성능을 낼 수 있는 알고리즘을 개발 및 적용하고 있다. 각 차량이 다양한 환경, 운용 조건에서 배터리의 상태를 분석함으로써 타사대비 동일 용량의 배터리로부터 더 많은 거리를 갈 수 있는 기술을 확보했다. 또한 차량이 속도를 줄일 때 회생 제동을 적극적을 활용함으로써 낭비되는 에너지를 줄여 차량 성능 향상을 꾀했으며, 최근 히트펌프를 적용하여, 배터리 충전 및 방전에 최적의 온도를 조절할 수 있게 하였다.

전기차의 보급이 활발해지면서 전기차 화재 사건 또한 빈번하게 발생하고 있다. 전기 자동차의 배터리 팩의 경우 모바일 기기와는 달리 수백 개의 배터리 셀로 구성된다. 외부 충격에 의해 배터리 셀이 불안정해지게 되면 화재가 발생되게 되고, 한 셀에서 시작된 화재는 연쇄적으로 열폭발을 일으켜 대형 화재로 번지게 되므로, 배터리 보호를 위한 팩 설계기술 또한 매우 중요하다.
격벽 구조로 구성된 팩은 충격으로부터 셀을 보호하며, 화재 시 특정 셀에서 다른 셀로 번지지 않게 하거나 연쇄반응을 최대한 지연시킨다.







타 자동차업체가 내놓고 있는 매력적인 전기차보다 소비자들이 여전히 테슬라를 선택하는 이유 중 하나는 슈퍼차저 충전 네트워크이다. 전기차는 현재 배터리 기술의 한계로 인해, 한번의 충전으로 500km 이상의 장거리 운전이 어려운 것이 현실이다. 간혹 장거리 주행에서는 매번 충전소를 찾고, 장시간 충전이 되기를 기다리는 것은 여간 스트레스가 아니다.

내연기관의 주유소 대비 불편한 충전환경을 극복하기 위해 테슬라는 슈퍼차저 네트워크를 구축하고 있다. 기존의 자동차 업계가 완벽한 전기차를 만드는데 집중할 때 테슬라는 충전 인프라를 확충해서 빠르게 이동이 가능하도록 하는 전체 시스템을 고려했다. 뿐만 아니라 스마트폰 및 차량에서 근처의 슈퍼차저를 찾아 줄 뿐 아니라, 내 경로 상에 슈퍼차저가 있다면, 도착 전에 미리 배터리 온도를 충전에 적합한 온도로 미리 맞춰 놓는다. 테슬라의 슈퍼차저는 최대 250kw급으로 5분 충전 시 120 km 수준의 주행이 가능하여, 타 전기차 대비 충전 속도와 거리를 대폭 향상하여 여행의 부담을 줄였다.








전기차 충전은 썩 유쾌한 경험이 아니다. 긴 충전시간을 견뎌야 하는 것과는 별개로, 공용 충전기에서의 충전은 복잡한 결제 시스템을 통과해야 하는 지난한 과정을 거쳐야 한다. 모든 전기자동차에 공용으로 사용하도록 해야 하다 보니, 충전기 전용카드나 환경부 카드로 사용자를 인증하고, 결제 수단을 선택한 후 필요시 카드를 등록한다. 충전 완료 연락을 위한 연락처를 남기고 나면 드디어 충전기 보관함의 뚜껑이 열리면서 비로소 충전기를 손에 쥘 수 있게 된다. 뻣뻣하고 무거운 충전기를 자동차에 연결하고 나면 차량인식 오류도 심심찮게 발생한다. 이 경우 위의 과정을 다시 반복해야 한다. 이러한 복잡한 충전 절차는 가뜩이나 불편한 전기차 충전을 더 저어 하게하는 장애 요소이다.

반면 테슬라 차량만이 사용할 수 있는 슈퍼차저는 충전기를 충전단자에 꽂으면 바로 충전이 시작된다. 사용자 인증, 결제 수단 등록, 사용권 획득 등의 과정 자체가 없다. 충전기는 차량의 정보, 사용자 계정, 결제 수단 등을 통신을 통해 자동으로 인식하며, 충전구도 충전기를 근처로 가져가면 자동으로 열린다. 소비자가 테슬라에 열광하는 이유 중 하나이다. 내연기관에 주유하는 과정보다 간단한 차별화된 충전 경험은 충전 전 준비 시간과 노력을 단축시킴으로써 전기차가 내연기관과의 격차를 줄이는데 큰 역할을 한다.







지금까지 자동차 회사들은 전기차를 개발할 때, 개발기간을 단축하고, 비용을 줄이기 위해 기존 내연기관자동차의 샤시 구조를 거의 그대로 사용했다. 전기차에 최적화되지 않은 구조에 모터와 배터리를 얹혀 놓다 보니 구조와 성능 모두 비효율적인 상태가 되었다. 하지만 테슬라는 아이러니하게 기존 샤시가 없는 신생 전기차 회사다 보니 처음부터 전기차에 가장 최적화된 구조를 도입할 수 있었다. 테슬라는 2012년 모델 S를 런칭하면서 스케이트보드형 전기차 플랫폼을 도입했다. 무거운 배터리를 차량 하부에 배치하여 차량 무게 중심을 매우 낮게 설계했다. 이렇게 되면 극 관성모멘트가 매우 낮아지게 되어 민첩성과 핸들링을 향상시킬 수 있으며, 코너 회전 시 안정성도 높다는 장점을 갖는다.





또한 생산성을 향상시키고 전기차의 가격을 낮추기 위해 부품의 수를 적극적으로 줄이고 있다. 기존에 철강 부품을 용접으로 이어 붙여 생산하던 것을 기가프레스의 도입으로 싱글 피스 부품으로 한번에 생산함으로써 마치 붕어빵처럼 차량 샤시를 찍어 낼 수 있게 되었다.

또한 배터리 셀을 차량 바닥에 배치하여 무게중심을 낮추고 넓은 내부 공간을 만든 것에서 더 나아가 배터리 셀 자체를 차량의 구조물로 활용함으로써 차량의 강성을 높이고 추가 공간을 확보하려는 계획을 진행중이다. 이러한 생산공정과 획기적 차량구조는 여전히 전기차 분야에서 테슬라가 산업을 리딩 하는 원동력이 되고 있다.








테슬라에서는 모든 소프트웨어의 수직계열화를 통해 자동차의 모든 기능적 요소를 통합 제어가 가능하다. 테슬라 소프트웨어는 온도 제어, 좌석 히터, 핸들위치, 사이드 미러 위치 조정 등의 자동차 제어기능, 전화, 블랙박스, 음악재생, 인터넷 브라우저 등의 엔터테인먼트 기능, 네비게이션 기능, 자율주행을 담당하는 오토 파일럿 기능 등을 수행한다. 또한 이러한 세부 기능들이 하나의 통합 OS로 제어 가능하다.

기존의 자동차 회사들은 수많은 부품 회사들 간의 협업을 통해 효율적인 분산 계열 구조를 확립해왔지만, 그로 인해 차량의 각 부분은 독립, 특화된 ECU를 많게는 100개 가까이 활용하고 있다. 이로 인해 통합 관리는 어렵고, 사용자가 새로운 펌웨어를 업데이트 하거나 새로운 기능을 추가하기는 거의 불가능하다.

테슬라 차량은 통합 OS를 통해 제어함으로써 필요한 동작을 부품사의 협력이 필요없이 소프트웨어 레벨에서 즉각적으로 수정 가능하며, 스마트폰이나 PC와 같이 지속적으로 소프트웨어 업데이트를 통해 새로운 기능의 추가, 유저 인터페이스 변경, 주행거리 향상, 버그 수정 등의 서비스를 제공받는다. 소비자는 더 이상 테슬라를 차로 보는 것이 아니라 스마트폰과 같은 IT 기기로 인식하게 되었다.








일반적인 자동차 회사의 경우 펌웨어 변경은 차량 출고 후 거의 없으며 이후 기술개발이나 연구로 추가된 기능을 경험해 보기 위해서는 새로운 모델을 사는 것 외에는 달리 방법이 없다. 기존의 자동차가 전형적인 탈 것 머무른 이유는 자동차의 개발이 하드웨어 중심으로 소프트웨어가 보조하는 형태였기 때문이었다. 통합 OS에 기반한 테슬라 차량의 경우 소프트웨어를 중심으로 자동차를 스마트폰화 시켰다. 무선 네트워크를 통한 빈번한 업데이트를 통해 지속적으로 새로운 기능을 부여하고, 기존 기능을 수정하는 시스템을 도입하였다.

기존의 자동차 회사들은 한정된 테스트 차량으로 수많은 테스트를 거쳐 통과된 안정적인 소프트웨어를 내놓는 것에 비해, 테슬라는 상대적으로 검증이 덜 된 소프트웨어를 베타 테스트 형식으로 소비자에게 공개를 한다. 이후, 수많은 실제 차량에 적용한 데이터를 바탕으로 소프트웨어의 부족한 부분을 보완하고, 사용자 피드백을 통해 완성도를 높이는 전략을 사용한다.

뿐만 아니라 모든 테슬라 차량의 로그 데이터를 빅데이터 화하여 자체 개발한 인공지능 알고리즘으로 학습하여 소프트웨어의 성능 또한 지속적으로 업그레이드하고 있다. 새로운 기능에 문제가 있을 경우 예기치 않은 에러가 발생하거나 몇몇 기능이 작동하지 않는 경우가 발생하기도 하지만 고객의 적극적인 피드백을 통해 문제를 즉각적으로 해결해 나가고 있다. 소비자는 신규 업데이트 소식을 기대하게 되며, 하루하루 달라지는 자동차 기능에 지루할 틈이 없다.




테슬라 차량의 편의성의 가장 큰 부분을 차지하는 기능은 오토 파일럿이다. 현재 HW3 버전의 차량들은 8대의 카메라와 12대의 초음파센서, 레이더를 기반으로 최종 자율주행을 목표로 개발 중이다. 테슬라는 지속적인 오토 파일럿의 기능을 업데이트 하기 위해 모든 차량에 센서, 카메라 등을 탑재해 두고, 개발 또는 검증이 덜 된 경우 기능을 소프트웨어적으로 막아 두었다가 기술 개발이 완료되면 업데이트를 통해 제공하는 방식을 택하였다. 초기 하드웨어 비용이 조금 더 들 수도 있지만, 사용자 입장에서는 지속적인 업데이트가 된다면 충분히 매력적이라 할 수 있다.

현재는 자동 차선변경, 고속도로 진출입로 자율주행, 자동주차, 차량 호출, 신호등 인식 등의 기능이 가능하고, 2020년 10월부터 일부 사용자에게 완전자율주행(FSD) 베타 버전을 공개, 테스트하고 있다.

오토 파일럿 역시 전세계에 뿌려져 있는 테슬라 차량으로부터 운전 환경에 대한 정보를 수집하고 다양한 상황에 대한 대처방안을 획득하여 딥러닝으로 학습함으로써 타 제조사 대비 저가형 센서를 기반으로 완성도 높은 자율 주행 기술을 개발 가능하다. 2019년 테슬라 Autonomy Day에 처음 언급된 슈퍼컴퓨터 Dojo는 테슬라 차량이 수집한 자율주행 관련 방대한 데이터를 사용하여 데이터 신경망 (Neural networks) 및 AI 알고리즘을 통해 스스로 학습하고 자체적으로 규칙을 만들어 FSD 성능을 향상시킨다.






이상에서 살펴본 테슬라의 혁신 사례는 자동차의 개념을 다시 정의하고 있다. 차량의 구조, 생산 방식을 새롭게 하고, 충전 인프라를 제조사가 직접 제공한다. 통합 OS를 통해 차량 전체의 제어권을 획득하고 적극적 피드백과 주기적 업데이트를 통해 차량을 지속적으로 개선해 나가고 있다. 테슬라 차량의 구조는 더 단순해지고, 에너지 밀도는 높아지고, 효율적으로 변모하고 있다. 더 확장된 제어성능과 뛰어난 내장 컴퓨터, 전세계 사용자가 쌓아 올린 빅 데이터에 기반한 자율주행 알고리즘은 이제 로봇의 수준으로 진화 중이다. 자동차라기 보다는 탑승형 로봇의 형태에 더 가까워지고 있다. 수많은 자동차 회사가 테슬라를 견제하면서도 따라가는 이유이다.

테슬라의 CED 일론 머스크에 의하면 조만간 모든 테슬라 차량은 로봇택시로의 활용이 가능해 질것이라고 한다. 말처럼 쉬운 일은 아니지만, 테슬라의 혁신이 지속되는 한 가능성은 매우 밝아 보인다. 전기차 시장의 판세를 뒤집어 놓고, 새로운 시대로 접어들어가는 지금, 테슬라가 가져올 자동차의 혁명을 기대해 본다.


 

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