AI를 활용한 파워트레인 엔지니어링 최적화로 시간, 비용 및 배출량 절감

전 세계적으로 전기차 채택이 급증하고 있으며, 이는 강력한 정부 인센티브, 인프라 개선 및 배터리 기술 발전에 힘입은 것입니다.

이러한 성장세는 계속될 것으로 예상되며, Gartner는 2025년 말까지 전 세계에 8,500만 대의 전기차가 운행될 것으로 전망했습니다. 이는 자동차뿐만 아니라 버스, 밴, 대형 트럭까지 포함됩니다. 이 중 대부분은 배터리 전기차(BEV)일 것으로 예상되며, 35% 증가할 것으로 예측되고, 플러그인 하이브리드 전기차(PHEV)는 전년 대비 28% 상승할 수 있습니다.

전기차 채택 확대는 대규모 생산과 기술 혁신으로 인해 전기차 배터리 가격이 급격히 하락하면서 뒷받침될 것입니다. Goldman Sachs (GS ) 는 2026년까지 전기차 배터리 가격이 절반으로 감소할 것으로 전망했습니다.

배터리 재활용 산업도 지속적인 성장이 예상되며, Statista에 따르면 2020년에 전 세계 전기차 배터리 재활용 기업이 약 250킬로톤의 배터리를 처리한 것으로 추정됩니다. 이 수치는 2030년까지 7배 이상 급증하고 2040년에는 2억 톤을 넘어설 것으로 보입니다.

이와 더불어 자동차 제조업체 간 경쟁이 심화되면서 전기차 가격이 하락하고, 이는 채택을 촉진할 것입니다. 성장에 기여하는 또 다른 요인은 접근성이 높은 초고속 충전 기술입니다. 국제 에너지 기구(IEA)에 따르면 이번 십년 말까지 전 세계 공공 충전소 수가 1,500만 개를 초과할 것으로 예상됩니다.

또 다른 주요 전기차 트렌드는 규제기관, 소비자, 자동차 제조업체가 보다 깨끗하고 지속 가능한 모빌리티를 지원하면서 제로 배출에 초점을 맞추는 것입니다.

전기 파워트레인 시장 규모는 2023년에 869억 달러로 평가되었으며, 2031년까지 연평균 성장률 17.1%로 3,000억 달러를 넘어설 것으로 예상됩니다. 현재 이 시장의 미래는 통합 유형에 따라 세분화됩니다: 차량 유형(승용차(PC) 및 경상용차(LCV)), 구동 방식(BEV 및 PHEV), 그리고 구성 요소(배터리, 모터, 컨트롤러, 인버터/컨버터, 배터리 관리 시스템(BMS), 전력 전달 모듈(PDM), 온보드 충전기) 등.

통합 유형에 따라 시장은 통합형과 비통합형으로 구분되며, 통합형 e-파워트레인 부문이 가장 높은 성장률을 보일 것으로 예상됩니다. 이러한 성장은 기술 발전, 비용 효율적인 전기차 생산, 그리고 향상된 차량 성능에 대한 요구에 의해 뒷받침됩니다.

핵심 부품의 통합은 복잡성을 줄이고 생산 비용을 낮추며 전기차 내부 공간을 확보하고 에너지 효율성을 향상시킵니다.

한편, 배터리 기반 부문이 현재 시장을 지배하고 있으며 그 이유는 명확합니다. 배터리는 전기차 파워트레인의 핵심 부품으로 차량의 성능, 에너지 효율성 및 주행 거리를 결정합니다. 또한 전기차 전체 비용 중 가장 큰 비중을 차지하므로 파워트레인 시장에 가장 큰 재정적 영향을 미칩니다.

전기차의 파워트레인

엔진이 자동차의 핵심 부품인 것처럼, 전기 파워트레인은 순수 전기차든 하이브리드 전기차든 전기 자동차의 필수 구성 요소입니다.

가솔린이나 디젤 차량에서는 내연기관(ICE)이 연료를 기계적 에너지로 변환하는 주요 동력원으로 작동합니다. 반면 전기차에서는 e-파워트레인이 전기 에너지를 기계적 에너지로 변환하여 차량을 구동합니다. 따라서 e-파워트레인은 기존의 내연기관을 대체하여 전기차에 전력을 생성하고 전달합니다.

현재 파워트레인은 배터리 또는 연료전지와 같은 에너지 저장 시스템, 인버터 또는 컨버터와 같은 전력 전자 장치, 변환용 전기 기계, 그리고 변속 시스템 등 몇 가지 핵심 요소로 구성됩니다. 추가로 전기차 파워트레인에는 동력을 휠에 전달하는 드라이브 샤프트도 포함됩니다.

많은 복잡한 움직이는 부품을 가진 내연기관과 비교할 때, 파워트레인의 설계와 부품은 훨씬 단순하며 소음이 없고 배기 가스 배출도 없습니다.

차량을 움직이는 데 필요한 전력을 제공하는 파워트레인 내 전력 생성 시스템은 배터리 팩과 온보드 충전기의 형태로 제공됩니다.

배터리 팩은 셀을 이용해 에너지를 저장합니다. Lithium-ion cells는 높은 에너지 밀도로 저장 용량이 크기 때문에 가장 널리 사용됩니다. 연료전지는 가볍고 에너지 효율이 높은 또 다른 형태의 에너지 저장 장치입니다. 배터리 팩에는 배터리 관리 시스템(BMS)이 포함되어 과충전이나 과방전을 방지함으로써 안전한 배터리 작동을 보장합니다.

온보드 충전기는 전력망과 같은 외부 교류 전원을 사용하여 이를 직류로 변환하고 배터리에 저장합니다.

이제 파워트레인의 전력 분배 시스템은 전력 전자 부품을 통합하여 전원으로부터 전력을 제어합니다.

여기에는 배터리의 직류 전력을 교류 전력으로 변환하고 모터의 속도와 가속을 제어하는 데 필요한 교류 전압을 생성하는 DC-AC 인버터와, 배터리의 고전압 직류 출력을 저전압 직류로 조정하여 에어컨과 같은 보조 시스템에 전력을 공급하는 DC-DC 컨버터가 포함됩니다.

열 관리 시스템은 배터리와 모터를 극한 온도로부터 보호하고, 펌웨어 기반 전자 제어 유닛은 전기차 파워트레인 부품의 효율적이고 안전한 작동을 보장합니다.

전력 분배 유닛은 각 시스템에 적절한 전력이 공급되도록 보장하고, 차량 제어 유닛은 다양한 시스템, 센서 및 컨트롤러로부터 데이터를 수집·처리하여 시스템 간 활동을 동기화합니다.

현재 전기화된 파워트레인에는 몇 가지 유형이 있으며, 각각 고유한 구성과 기능을 가지고 있습니다.

Tesla (TSLA ) Model 3, Nissan LEAF, BMW i3와 같은 순수 전기차(BEV)는 모든 전력 요구를 충전식 배터리 팩으로 충당하며 보조 에너지 저장 장치를 사용하지 않습니다. 그러나 외부 전원으로 충전해야 합니다.

Hybrid electric vehicles (HEVs)는 Honda Civic Hybrid, Toyota Camry Hybrid, Ford Fusion Hybrid와 같이 내연기관과 전기 구동계를 결합하여 기존 내연기관 차량보다 연비와 성능을 향상시킵니다. 이러한 차량은 회생 제동을 활용해 운동 에너지를 전기 에너지로 변환해 저장하고, 내연기관 구동 전기 발전기로 추가 전력을 공급하거나 배터리를 충전하며, 정차 시 엔진을 정지시키는 스타트-스톱 시스템을 사용합니다.

Chevrolet Volt와 Toyota Prius Prime과 같은 플러그인 하이브리드 전기차(PHEV)는 가솔린이나 디젤을 사용함과 동시에 외부 전원으로 충전할 수 있습니다.

연료전지 전기차(FCEV)는 배터리 대신 수소 연료전지를 사용해 전류를 생산합니다.

내연기관은 한 세기 이상 차량의 주요 동력원였지만, 환경 오염을 야기해 전기차의 부상을 촉진했습니다. 파워트레인을 갖춘 전기차는 오염 및 온실가스 감소 등 여러 이점을 제공하며, 소음 공해를 줄여 보다 조용한 환경에 기여합니다.

파워트레인의 또 다른 큰 장점은 내연기관에 비해 에너지 효율이 현저히 높아 저장된 에너지의 80% 이상을 동력으로 전환한다는 점입니다. 움직이는 부품이 적어 유지보수 비용도 감소합니다. 또한 전기차에 필요한 전기 비용은 디젤이나 가솔린보다 저렴합니다. 실제로 미국에서 가솔린 차량에 연료를 공급하는 비용은 전기차의 약 두 배에 달합니다.

하지만 이것이 전기차에 단점이 없다는 의미는 아닙니다. 우선 전기차 구매 초기 비용이 내연기관 차량보다 높습니다. 또한 충전 시간은 충전소 용량에 따라 30분에서 몇 시간까지 다양하며, 내연기관 차량은 몇 분 만에 주유가 가능합니다. 한 번 충전으로 가능한 주행 거리가 제한적이어서 소비자에게 주행 거리 불안감을 초래하는 등 또 다른 문제점이 있습니다.

이러한 과제에도 불구하고 전기차는 연비 향상과 배출 감소를 가능하게 하며 보다 회복력 있는 교통 시스템에 기여합니다. 이는 전동화 추진으로 이어져 전기차 파워트레인에 혁신적인 발전을 가져와 성능, 효율성 및 친환경성에서 향상된 혜택을 제공하고 있습니다.

AI 기반 OPED로 파워트레인 개발 가속

전기차에서 파워트레인이 차지하는 핵심적인 역할을 고려할 때, 파워트레인 개발을 개선하는 것은 자원, 비용 및 시간 절감에 필수적입니다.

오스트리아에서 가장 오래된 과학·기술 연구·교육 기관인 Graz University of Technology의 연구원들은 OPED라는 AI 기반 시스템으로 전기차 파워트레인 개발을 혁신하여 복잡한 엔지니어링에 수개월이 걸리던 작업을 하루로 단축했습니다.

연구원들이 개발한 new solution developed는 전기 구동계 최적화(OPED)이며, 전체 공급망의 온실가스 배출을 고려하면서 기술 설계를 최적화하는 소프트웨어입니다.

이 솔루션을 통해 자동차공학 연구소의 Martin Hofstetter가 이끄는 연구팀은 시뮬레이션 부품 모델과 진화 알고리즘을 결합하여 파워트레인 개발 단계를 단축하려고 합니다.

AI 시스템은 제조업체의 기술 요구 사항에 맞춰 생산 비용, 효율성 및 차량 내부 공간 요구 사항을 포함한 전체 파워트레인을 자동으로 최적화합니다.

OPED는 실제로 10년 동안 개발되어 왔습니다. 2018년에 전기 차축 구동 시스템 설계 최적화 개념이 OPED의 공식 여정을 시작했으며, 이를 통해 첫 번째 변속기 모델도 도입되었습니다.

수년에 걸쳐 이 여정은 수량 의존 비용 모델, 전체 개발 프로세스, 제품군 최적화 기본 접근법, 모델 뒤의 일반적인 방법론 개요, 주차 잠금 장치 통합 최적화 모델링 접근법, 그리고 OPED용 인버터 모델 도입으로 진전되었습니다.

지난 해 팀은 제품군 최적화와 전기 차축 구동의 탄소 발자국 최소화 등 설계 목표를 확장하는 논문을 발표했습니다.

10년 이상의 연구 끝에 팀은 이 모델을 성공적으로 만들었으며, 공식 OPED website에 따르면, 이 모델은 전기차에 필요한 전기 구동계 설계라는 어려운 작업을 단순화하는 것을 목표로 합니다. 설계에는 많은 중요한 결정이 필요하며, 각 결정은 서로 충돌하는 다양한 고객 목표에 영향을 미쳐 최적의 솔루션을 찾기 어렵게 합니다. Hofstetter에 따르면:

전기 구동계는 원하는 요구 사항을 충족하기 위해 매우 다양하게 설계될 수 있는 많은 부품으로 구성됩니다. 전기 기계에 작은 변화를 주면 변속기와 전력 전자 장치에 영향을 미칩니다. 따라서 최적의 결정을 내리는 것은 매우 복잡합니다.

전기 기계의 하위 부품에 대한 수많은 설계 결정을 고객 요구에 최적화하기 위해 내릴 뿐만 아니라, 경쟁 심화로 인해 정교한 제품 설계와 빠른 시장 출시가 상업적 성공에 필요합니다.

여기서 OPED는 AI를 활용해 최적 시스템 설계를 자동으로 탐색하는 복잡한 설계 문제에 대한 해결책으로 제시됩니다. 이 알고리즘은 전기차의 변속기, 전기 기계 및 전력 전자를 포함하며, 다중 목표 방식으로 차량 내부 공간에 최적 통합을 최적화합니다.

이 소프트웨어는 약 50개의 설계 파라미터를 동시에 결합하고 이를 제조업체의 우선순위와 비교합니다. 불량 변형을 제거하고 더 나은 변형을 최적화합니다. 수십만 번의 시뮬레이션 사이클 후에 제조업체에게 최적의 솔루션을 찾아주며, 제조업체는 개발 및 구현하고자 하는 변형을 선택할 수 있습니다.

AI 지원 없이 엔지니어가 몇 달이 걸리는 작업을 OPED를 사용하면 하루 정도면 완료됩니다. 이는 개발 팀이 제한된 시간을 수동 계산 및 시뮬레이션 작업에 투자하는 대신 상위 수준의 결정에 집중할 수 있게 합니다.

– Hofstetter

다양한 최적 설계 세트를 통해 모델은 초기 단계부터 전체 개발 과정에서 엔지니어와 의사결정자를 안내하여 개발 시간을 크게 단축하고 품질과 경쟁력을 향상시킵니다.

연구원들은 파워트레인 생산 과정에서 발생하는 전체 공급망의 CO2 배출량을 최적화 기준에 추가하여 제조업체가 초기 개발 단계부터 지속 가능성을 고려할 수 있도록 했습니다.

“OPED 접근 방식은 다양한 제품 개발에 활용될 수 있습니다,” 라고 Hofstetter가 말했으며, “우리는 새로운 산업 파트너와 협력해 그들의 과제와 목표에 맞게 적용하게 되어 기쁩니다”라고 덧붙였습니다.

이 솔루션은 Dominik Lechleitner가 박사 논문 작업의 일환으로 전체 차량 플랫폼에 대한 전기 파워트레인 최적화에 확대 적용되었습니다. OPED는 다양한 모델의 파워트레인에서 재사용 부품으로 활용될 최적 부품을 찾아 개발 및 생산 비용을 절감합니다.

파워트레인 전문성을 바탕으로 팀은 현재 OPx라는 범용 제품을 통해 다른 제품 및 산업으로 방법을 확장하고 있으며, 이를 통해 손쉬운 확장이 가능해졌습니다.

주요 시장 플레이어

전기 파워트레인 시장의 주요 플레이어로는 Mitsubishi, Nissan, Sigma Powertrain, Continental Ag, Denso, Valeo, BYD Auto, CATL, LG Corporation, Samsung, Panasonic, Cummins (CMI ), Hyundai, Volkswagen, Delta Electronics, Hitachi Astemo Americas, Dana Incorporated (DAN ), Magna International (MGA ), Marelli Holdings, 그리고 Robert Bosch Gmbh가 있습니다.

이제 몇몇 주요 기업을 자세히 살펴보겠습니다: 

1. BorgWarner Inc.

BorgWarner (BWA ) 는 전기차 기술 및 AI 기반 솔루션에 적극 투자하고 있으며, 제품 라인에는 터보차저, e-부스터, e-터보, 배출 시스템, 열 시스템, 제어 모듈, 온보드 충전기, DC/DC 컨버터, DC 급속 충전기 및 전기 버스와 트럭용 리튬이온 배터리 시스템이 포함됩니다.

작성 시점에서 시가총액 68억 5천만 달러인 이 회사의 주가는 31.33달러에 거래되고 있으며, 연초 대비 1.45% 하락했습니다. 2024년 4분기에 BorgWarner의 US GAAP 순매출은 35억 2,200만 달러였으며, 희석 주당 순이익은 0.64달러, 자유 현금 흐름은 6억 7,900만 달러였습니다. 이 기간 동안 회사는 BYD의 자회사 FinDreams Battery와 계약을 체결하고, Shaanxi Fast Auto와 합작해 중국 시장용 고전압 인버터 애플리케이션을 개발했으며, Eldor Corporation의 전기 하이브리드 시스템을 인수했습니다.

“우리는 상용 차량 분야를 위한 전체 제품군을 제공하며, 내연, 하이브리드 및 완전 전동 파워트레인을 모두 지원합니다. 우리의 포트폴리오는 산업 변화 속도에 탄력적입니다.”

– BorgWarner의 최고 전략 책임자 Dr. Paul Farrell는 최근 인터뷰에서 이렇게 말했습니다

2. XPeng Inc.

중국 기반의 Xpeng은 스마트 전기차를 생산하며 큰 주목을 받고 있습니다. CEO He Xiaopeng은 최근 올해 예산에 맞춘 지능형 자동차 연간 인도가 38만 대로 두 배가 될 것으로 예상한다고 말했습니다.

작성 시점에서 시가총액 161억 4천만 달러인 이 회사의 주가는 16.65달러에 거래되고 있으며, 연초 대비 43.74% 상승했습니다. 2024년 3분기에 Xpeng은 총 매출 14억 4천만 달러를 기록했으며, 이는 2023년 3분기 대비 18.4% 증가하고 2024년 2분기 대비 24.5% 증가한 수치입니다.

차량 판매 매출은 12억 5천만 달러였으며, 분기 동안 46,533대의 차량을 인도했는데 이는 전년 동기 40,008대보다 증가한 수치입니다. 자체 운영 충전소 네트워크는 1,557개에 이르렀습니다. 분기 말 현금 및 현금성 자산, 제한 현금, 단기 투자 및 정기예금은 50억 9천만 달러였습니다.

Xpeng은 실제로 2025년 1월에 중국 최고의 EV 스타트업으로 부상했으며, 이는 설날로 인해 2월과 함께 전통적으로 현지 자동차 제조업체들의 비수기입니다. 같은 달에 Xpeng의 항공우주 회사는 CES 2025에서 “modular flying car”를 unveiled했습니다.

한편, CEO He는 올해 하반기에 L3 전체 시나리오 자율 주행을 실현할 것이라고 언급하고 있습니다.

“저는 L3 자율 주행이 AI 자동차를 ‘iPhone 4 시대’로 이끌 것이라고 믿습니다.”

– CEO He

결론

전기차는 기술 발전으로 가격이 낮아지면서 큰 전환점을 맞이하고 있습니다. 전기 모빌리티가 확대됨에 따라 파워트레인 시장도 급속히 성장하고 있습니다. 전기 파워트레인과 자율 주행 및 연결된 차량 기술의 통합은 자동차 산업을 더욱 혁신할 것으로 예상됩니다.

이러한 가운데 OPED와 같은 솔루션은 전기차 파워트레인 개발에 있어 큰 진전을 의미하며, 시간 절감, 효율성 향상 및 생산 비용 최소화를 크게 달성할 수 있습니다.

EV 파워트레인의 초고속 최적화와 성능, 비용, 지속 가능성 목표의 균형을 가능하게 함으로써, OPED는 엔지니어링에서 효율성과 지속 가능성의 기준을 제시할 뿐만 아니라 EV 성장과 채택을 지원하여 친환경 미래로의 전환을 가속화할 수 있습니다.

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