AI를 활용한 파워트레인 엔지니어링 최적화로 시간, 비용, 배출량 절감 가능

강력한 정부 지원, 인프라 개선, 배터리 기술의 발전에 힘입어 전 세계적으로 전기 자동차 채택이 증가하고 있습니다. 

이러한 성장은 계속될 것으로 예상되며, 가트너는 85년 말까지 전 세계적으로 2025만 대의 전기 자동차가 운행될 것으로 예측하고 있습니다. 이 자동차뿐만 아니라 버스, 밴, 대형 트럭도 포함됩니다. 이들 중 대부분은 예상된다 배터리 전기 자동차(BEV)가 되어야 합니다. 예측된다 작년 대비 35% 증가를 보일 것으로 예상되고, 플러그인 하이브리드 전기 자동차(PHEV)는 28% 상승할 것으로 예상됩니다. 

The 증가하는 EV 채택 EV 배터리 가격이 크게 하락하여 지원될 것이며, 이는 대규모 생산과 기술 발전에 의해 주도될 것입니다. Goldman Sachs는 EV 배터리 가격이 2026년까지 절반으로 떨어질 것으로 예상합니다. 

배터리 재활용 산업도 지속적인 성장을 보일 것으로 예상되며, Statista는 250년에 전 세계 EV 배터리 재활용 회사에서 약 2020킬로톤의 배터리를 처리했다고 보고했습니다. 이 수치는 2030년까지 200배 이상 급증할 가능성이 높으며 2040년까지는 XNUMX억 톤을 넘어설 것입니다.

자동차 제조업체 간의 경쟁이 치열해짐에 따라 EV 가격도 낮아지고, 그에 따라 EV 채택도 늘어날 것입니다. 이러한 성장에 기여하는 또 다른 요인은 접근 가능한 초고속 충전 기술입니다. 국제 에너지 기구(IEA)에 따르면, 이 15년 안에 전 세계 공공 충전소의 수는 XNUMX만 개를 넘을 것입니다. 

또 다른 주요 EV 추세는 규제 기관, 소비자, 자동차 제조업체가 모두 더 깨끗하고 지속 가능한 이동성을 지원하면서 탄소 배출이 없는 것에 중점을 두는 것입니다.  

전기 파워트레인 시장 규모는 86.9년 기준 2023억 달러로 추산된다. 예상된다 지나서 오르다 300에 의해 $ 2031 억 이 기간 동안 CAGR은 17.1%였습니다. 현재 이 시장의 미래는 통합 유형에 따라 세분화됩니다. 승용차(PC)와 경상용차(LCV)를 포함하는 차량 유형, BEV와 PHEV를 포함하는 추진 장치, 배터리, 모터, 컨트롤러, 인버터/컨버터, 배터리 관리 시스템(BMS), 전력 공급 모듈(PDM), 온보드 충전기를 포함하는 구성 요소입니다. 

통합형을 기준으로 시장은 통합형과 비통합형으로 나뉘며, 통합형 e-파워트레인 세그먼트가 가장 높은 성장률을 보일 것으로 예상됩니다. 이 성장 지원된다 기술의 발전, 비용 효율적인 전기 자동차 생산, 향상된 차량 성능에 대한 필요성으로 인해. 

핵심 구성요소를 통합하면 복잡성이 줄어들고, 생산 비용이 낮아지며, 전기 자동차의 공간이 확보되고, 에너지 효율성이 향상됩니다. 

한편, 배터리 기반 부문은 현재 시장을 장악하고 있으며, 그 이유는 명확합니다. 배터리는 전기차 파워트레인의 주요 구성 요소로, 차량의 성능, 에너지 효율, 그리고 주행 거리를 결정합니다. 또한 전기차 총비용에서 가장 큰 비중을 차지하기 때문에 파워트레인 시장에 가장 큰 재정적 영향을 미칩니다. 

전기 자동차의 파워트레인 

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

가솔린 또는 디젤 차량에서 내연 기관(ICE)은 연료가 기계적 에너지로 변환되는 주요 동력원으로 작동합니다. 한편, EV에서 e-파워트레인은 전기 에너지를 기계적 에너지로 변환하여 차량을 구동하는 역할을 합니다. 따라서 e-파워트레인은 기본적으로 EV의 기존 ICE를 대체하여 전력을 생성하고 공급합니다.

자, 파워트레인은 몇 가지로 구성됩니다 핵심 요소, 배터리나 연료 전지와 같은 에너지 저장 시스템, 인버터나 컨버터와 같은 전력 전자 장치, 변환을 위한 전기 기계, 그리고 전송 시스템을 포함합니다. 이 외에도 EV 파워트레인에는 동력을 바퀴로 전달하는 구동축도 포함됩니다.  

많은 복잡한 가동 부품이 있는 내연 기관과 비교했을 때, 파워트레인의 설계와 구성 요소는 훨씬 간단하며, 소음이 없고 배기 가스가 전혀 없습니다.

차량을 움직이는 데 필요한 전력을 제공하는 파워트레인의 발전 시스템은 배터리 팩과 온보드 충전기의 형태로 제공됩니다. 

배터리 팩은 셀을 이용해 에너지를 저장합니다. 리튬이온 전지 높은 에너지 밀도로 인해 저장 용량이 증가하기 때문에 가장 인기 있고 널리 사용되는 반면 연료 전지는 더 가볍고 에너지 효율이 높은 것으로 알려진 또 다른 유형의 에너지 저장 장치입니다. 배터리 팩에는 과충전 또는 과방전을 방지하여 안전한 배터리 작동을 보장하는 배터리 관리 시스템(BMS)도 포함되어 있습니다.

차량용 충전기는 교류를 위한 전력망과 같은 외부 충전 소스를 사용하고, 이를 직류로 변환하여 배터리에 저장합니다. 

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

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

열 관리 시스템은 배터리와 모터를 극한 온도로부터 보호하고, 펌웨어로 구동되는 전자 제어 장치는 EV 파워트레인 구성 요소의 효율적이고 안전한 작동을 보장합니다.

전력 분배 장치는 각 시스템이 적절한 양의 전력을 수신하도록 하는 반면, 차량 제어 장치는 다양한 시스템, 센서, 컨트롤러로부터 데이터를 수집하고 처리하며 시스템 간의 활동을 동기화합니다.

현재 전기 파워트레인에는 여러 유형이 있으며, 각각 구성과 기능이 다릅니다.

Tesla Model 3, Nissan LEAF, BMW i3와 같은 순수 전기 자동차 또는 BEV는 모든 전력 요구 사항에 충전식 배터리 팩을 사용하며 XNUMX차 에너지 저장 소스를 사용하지 않습니다. 그러나 외부 소스에서 충전해야 합니다. 

하이브리드 전기자동차(HEV) Honda Civic Hybrid, Toyota Camry Hybrid, Ford Fusion Hybrid와 같이 ICE와 전기 구동계를 결합하여 기존 ICEV보다 더 나은 연비와 성능을 제공합니다. 이러한 차량은 회생 제동과 같은 기능을 활용하여 운동 에너지를 저장을 위한 전기 에너지로 다시 변환하고, ICE 구동 전기 발전기를 사용하여 추가 전력을 공급하거나 배터리를 재충전하고, 시동-정지 시스템을 사용하여 공회전 시 엔진을 끕니다.

쉐보레 볼트와 토요타 프리우스 프라임과 같은 플러그인 하이브리드 전기 자동차(PHEV)는 가솔린이나 디젤을 활용하는 것 외에도 외부 소스에서 충전할 수 있습니다.

연료전지 전기자동차(FCEV)는 배터리가 아닌 수소연료전지를 사용해 전류를 생성합니다.

ICE는 1세기 이상 차량의 주요 동력원이었지만 환경 오염의 원인이 되어 EV가 부상했습니다. 파워트레인이 장착된 이러한 차량은 오염과 온실 가스를 줄이는 등 여러 가지 이점이 있습니다. 또한 소음 오염을 줄여 더 조용한 환경에 기여합니다.

파워트레인의 또 다른 큰 장점은 내연기관(ICE)보다 에너지 효율이 훨씬 높아 저장된 에너지의 80% 이상을 운동 에너지로 전환한다는 것입니다. 파워트레인의 움직이는 부품이 적기 때문에 유지 보수 비용도 절감됩니다. 또한 전기차에 필요한 전기 비용은 디젤이나 가솔린보다 저렴합니다. 실제로 미국에서 가솔린 차량의 연료비는 전기차의 약 두 배입니다.

하지만 이것이 전기차에 단점이 없다는 것을 의미하지는 않습니다. 우선, 전기차 구매 초기 비용이 내연기관 차량 구매 비용보다 높습니다. 또한 충전 시간도 문제입니다. 충전소 용량에 따라 30분에서 몇 시간까지 걸릴 수 있지만, 내연기관 차량의 연료를 가득 채우는 데는 몇 분밖에 걸리지 않습니다. 전기차의 한 번 충전으로 주행 가능한 거리가 제한적이어서 소비자들은 주행거리에 대한 불안감을 느끼고, 이는 전기차의 또 다른 문제점으로 작용합니다.

이러한 과제에도 불구하고 EV는 연료 효율을 개선하고 배출량을 줄이는 동시에 보다 탄력적인 교통 시스템에 기여합니다. 이는 전기화 추진으로 이어졌고, 그 결과 EV 파워트레인에서 흥미로운 혁신이 이루어져 성능, 효율성, 친환경성에서 향상된 이점을 제공하고 있습니다.

AI 기반 OPED, 파워트레인 개발 가속화

전기 자동차에서 파워트레인이 차지하는 중요한 역할을 감안할 때, 파워트레인 개발을 개선하는 것은 자원, 비용, 시간을 절약하는 데 매우 중요합니다.

오스트리아에서 가장 오래된 과학, 기술 연구 및 교육 기관인 그라츠 공과대학의 연구원들은 OPED라는 AI 기반 시스템을 통해 EV 파워트레인 개발에 혁명을 일으켜, 복잡한 엔지니어링 과정을 수개월에서 단 하루로 단축했습니다.

The 새로운 솔루션이 개발되었습니다 연구자들이 개발한 OPED(Optimisation of Electric Drives)는 전체 공급망의 온실 가스 배출을 고려하여 기술 설계를 최적화하는 소프트웨어입니다.

자동차 공학 연구소의 마틴 호프슈테터가 이끄는 연구팀은 이 솔루션을 통해 시뮬레이션 구성 요소 모델과 진화 알고리즘을 결합하여 파워트레인의 개발 단계를 단축하는 것을 목표로 합니다. 

AI 시스템은 생산 비용, 효율성, 차량의 패키지 공간 요구 사항을 포함하여 제조업체의 기술 요구 사항에 맞춰 전체 파워트레인을 자동으로 최적화합니다. 

OPED는 실제로 2018년 동안 만들어지고 있었습니다. XNUMX년에 전기 액슬 구동 시스템 설계 최적화라는 개념이 OPED의 공식 여정을 시작했으며, 이를 사용하여 최초의 기어박스 모델도 소개되었습니다.

수년에 걸쳐 이 여정은 수량에 따른 비용 모델, 전반적인 개발 프로세스, 이를 통한 제품군 최적화를 위한 기본 접근 방식, 모델의 기본 방법론에 대한 개요, 주차 잠금 장치 통합을 최적화하는 모델링 접근 방식, OPED용 인버터 모델 등의 도입을 통해 진행되었습니다.

작년에 해당 팀은 전기 차축 구동의 탄소 발자국을 최소화하고 제품군을 최적화하는 등의 설계 목표를 실현하는 솔루션을 확장하는 논문을 발표했습니다.

10년이 넘는 연구 끝에 팀은 공식 발표에 따르면 이 모델을 성공적으로 만들어냈습니다. OPED 웹사이트, EV에 필요한 전기 구동 장치를 설계하는 어려운 작업을 간소화하는 것을 목표로 합니다. 이 작업에는 설계에 대한 많은 중요한 결정을 내려야 하며, 각각은 서로 충돌하는 다양한 고객 목표에 영향을 미쳐 최상의 솔루션을 찾기 어렵게 만듭니다. Hofstetter에 따르면:

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

전기 기계의 하위 구성 요소에 대한 수많은 설계 결정은 고객 요구 사항에 최적으로 부합하도록 내려져야 할 뿐만 아니라, 경쟁이 심화됨에 따라 상업적 성공을 위해서는 정교한 제품 설계와 짧은 출시 시간이 요구됩니다. 

OPED는 AI를 활용하여 최적의 시스템 설계를 자율적으로 탐색하는 복잡한 설계 문제에 대한 해결책을 제시합니다. 이 알고리즘은 전기차의 기어박스, 전기 기계, 그리고 전력 전자 장치를 포괄하며, 다목적 방식으로 차량 공간에 최적의 통합을 최적화합니다.

소프트웨어는 실제로 약 50개의 설계 매개변수를 동시에 결합한 다음 제조업체의 우선순위와 비교합니다. 나쁜 변형을 제거하고 더 나은 변형을 최적화합니다. 수십만 번의 시뮬레이션 사이클을 거친 후 제조업체에 가장 적합한 솔루션을 찾아 개발하고 구현하려는 변형을 선택할 수 있습니다.

"AI 지원 없이 엔지니어가 몇 달이 걸리는 작업을 OPED를 사용하면 하루면 끝낼 수 있습니다. 이를 통해 개발팀은 제한된 시간을 수동 계산 및 시뮬레이션 작업에 투자하는 대신 최상위 수준의 결정에 집중할 수 있습니다."

– 호프슈테터

이 모델은 다양한 최적 설계를 통해 엔지니어와 의사 결정권자에게 처음부터 전체 개발 프로세스를 안내하여 개발 시간을 크게 단축하고 품질과 경쟁력을 높입니다.

연구자들은 또한 전체 공급망에 걸쳐 파워트레인 생산 중에 발생하는 CO2 배출량을 최적화 기준으로 추가했는데, 이를 통해 제조업체는 초기 개발 단계부터 지속 가능성을 고려할 수 있습니다.

Hofstetter는 "OPED 접근 방식은 광범위한 제품 개발에 사용될 수 있습니다."라고 말하며 "새로운 산업 파트너와 협력하여 이를 과제와 목표에 맞게 적용하게 되어 기쁩니다."라고 덧붙였습니다.

이 솔루션은 도미니크 레흐라이트너(Dominik Lechleitner)가 박사 학위 논문의 일환으로 전체 차량 플랫폼의 전기 파워트레인 최적화를 위해 확장되었습니다. OPED는 다양한 모델의 파워트레인에 이월 부품으로 사용할 최적의 부품을 찾는 데 도움을 주어 개발 및 생산 비용을 절감합니다.

이 팀은 파워트레인 분야의 전문성을 바탕으로, 편리한 확장을 가능하게 하는 OPx라는 범용 제품을 통해 다른 제품과 산업으로 방법을 확장하는 작업을 진행하고 있습니다.

중요한 시장 선수

전기 파워트레인 시장의 주요 기업으로는 Mitsubishi, Nissan, Sigma Powertrain, Continental Ag, Denso, Valeo, BYD Auto, CATL, LG Corporation, Samsung, Panasonic 등이 있습니다. Cummins (CMI ), 현대, 폭스바겐, 델타 일렉트로닉스, 히타치 아스테모 아메리카스, 주식회사 다나 (DAN ), 마그나 인터내셔널 (MGA ), 마렐리 홀딩스, 로버트 보쉬 GmbH.

이제 몇몇 유명한 이름에 대해 더 자세히 살펴보겠습니다. 

1. 보그워너 (BWA )

BorgWarner는 EV 기술과 AI 기반 솔루션에 적극적으로 투자하고 있으며, 터보차저, e-부스터, e-터보, 배출 시스템, 열 시스템, 제어 모듈, 온보드 충전기, DC/DC 컨버터, DC 고속 충전기, 전기 버스 및 트럭용 리튬 이온 배터리 시스템 등을 생산합니다.

이 글을 쓰는 시점을 기준으로, 시가총액 6.85억 31.33천만 달러 규모의 이 회사의 주가는 연초 대비 1.45% 하락한 4달러에 거래되고 있습니다. 2024년 3,522분기 보그워너의 미국 일반회계기준(US GAAP) 순매출은 0.64억 679만 달러, 희석 주당순이익은 XNUMX달러였으며, 잉여현금흐름은 XNUMX억 XNUMX만 달러였습니다. 이 기간 동안 보그워너는 BYD의 자회사인 핀드림스 배터리(산시 패스트 오토와의 합작법인)와 중국 시장용 고전압 인버터 애플리케이션 개발 계약을 체결하고, 엘도르 코퍼레이션(Eldor Corporation)의 일렉트릭 하이브리드 시스템즈(Electric Hybrid Systems)를 인수했습니다.

"우리는 상용차 공간을 위한 전체 제품군을 제공하며, 연소, 하이브리드 및 완전 전기 파워트레인을 제공합니다. 저희 포트폴리오는 산업 변화의 속도에 탄력적입니다."

– BorgWarner의 최고 전략 책임자인 Paul Farrell 박사는 최근 인터뷰에서 이렇게 말했습니다.

2. (주)엑스펭 (XPEV )

중국에 본사를 둔 Xpeng은 스마트 전기차를 생산하는데, 이는 많은 주목을 받고 있습니다. CEO He Xiaopeng은 최근 예산형 지능형 자동차의 연간 인도량이 올해 두 배로 늘어날 것으로 예상한다고 말했는데, 이는 380,000만 대의 차량이라는 의미입니다.

이 글을 쓰는 시점을 기준으로, 시가총액 16.14억 16.65천만 달러 규모의 이 회사의 주가는 연초 대비 43.74% 상승한 3달러에 거래되고 있습니다. 2024년 1.44분기 Xpeng의 총 매출은 18.4억 3천만 달러로, 23년 24.5분기 대비 2%, 24년 XNUMX분기 대비 XNUMX% 증가했습니다. 

차량 판매 수익은 1.25억 46,533천만 달러였으며, 이 회사는 이 분기에 40,008대의 차량을 인도했는데, 이는 전년 동기의 1,557대에서 증가한 수치입니다. 한편, 자체 운영 충전소 네트워크는 5.09개에 달했습니다. 이 분기 말 현금 및 현금성 자산, 제한적 현금, 단기 투자 및 정기 예금은 XNUMX억 XNUMX천만 달러였습니다.

샤오펑은 실제로 2025년 XNUMX월에 중국에서 가장 많이 판매된 전기차 스타트업으로 부상했습니다. XNUMX월은 춘절 연휴로 인해 중국 현지 자동차 제조업체들의 전통적 비수기입니다. 같은 달, 샤오펑의 항공우주 기업 또한 공개 CES 2025에서 "모듈식 비행 자동차"를 선보일 예정입니다.

허 대표는 올해 하반기에 L3 풀시나리오 자율주행을 실현한다고 밝혔다.

“L3 자율주행이 AI차를 ‘아이폰4 시대’로 이끌 것이라 믿는다.”

– 대표이사 허

맺음말

전기 자동차는 기술 발전으로 가격이 낮아지면서 큰 전성기를 맞고 있습니다. 전기 이동성이 증가함에 따라 파워트레인 시장도 급속한 성장을 경험하고 있습니다. 전기 파워트레인과 자율 주행 및 커넥티드 카 기술의 통합은 자동차 산업에 혁명을 일으킬 것으로 예상됩니다.

이러한 가운데, OPED와 같은 솔루션은 EV 파워트레인 개발에 있어 큰 진전을 이루었으며, 이를 통해 시간을 크게 단축하고, 효율성을 높이고, 생산 비용을 최소화할 수 있습니다. 

OPED는 EV 파워트레인의 초고속 최적화와 성능, 비용, 지속 가능성 목표의 균형을 허용함으로써 엔지니어링에서 효율성과 지속 가능성에 대한 벤치마크를 설정할 뿐만 아니라 EV의 성장과 도입을 지원하고 보다 푸른 미래로의 전환을 가속화할 수 있습니다.

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