사람의 제어에서 지능 제어로: 전기차가 오프로드 견인력을 재정의하는 방법

오프로드 주행은 언제나 운전자의 오른발을 시험하는 자리였다. 전기차는 그 규칙을 조용히 바꾸고 있다. 싸움은 인간의 반사 신경에서 밀리초 단위의 알고리즘으로 옮겨가고 있다. 이 글은 슬립률, 모터 응답 속도, 그리고 기계식 디퍼렌셜 잠금장치가 하나도 없는 BYD SHARK가 잠금장치가 세 개인 디젤 픽업트럭보다 더 나은 견인력을 발휘할 수 있는 이유에 대한 이야기다.

핵심 문제: 슬립률, 오프로드의 '황금비율'

오프로드 주행에서는 한 가지 숫자가 모든 것을 결정한다. 바로 슬립률(slip ratio)——타이어의 회전 속도와 차량이 실제로 움직이는 속도의 차이다. 노면마다 요구되는 답은 완전히 다르다:

• 그립이 높은 노면(아스팔트): 슬립률 0이 이상적이다. 타이어가 미끄러지지 않고 굴러가며 그립이 최대가 된다.
• 그립이 낮은 노면(자갈, 진흙, 눈): 슬립 0은 최적이 아니다. 출력을 과도하게 제한하면 차량이 "힘이 있어도 못 쓰는" 상태에 빠진다. 타이어가 통제된 범위에서 미끄러지게 두면 트레드 패턴의 이물질이 제거되고 고무가 부드러운 지면을 "물게" 되어 실제로 더 큰 구동력을 만들어낸다.

그렇다면 어떤 슬립률이 옳은 것일까?

내연기관 차량의 경우 그 답은 거의 전적으로 운전자의 경험과 오른발에 달려 있다. 엔진의 최대 토크 구간은 매우 좁다(가솔린은 약 2,0003,000rpm, 디젤은 1,6002,200rpm). 오프로드에서 운전자는 정밀한 스로틀 컨트롤로 엔진을 이 좁은 토크 밴드 안에 계속 "걸어 두어야" 하며, 동시에 타이어 슬립 피드백을 읽고 펄스 가속이나 박자에 맞춘 브레이킹(캐던스 브레이킹)으로 출력을 수동 조절해 빠지지 않도록 해야 한다. 그 숙련도의 벽은 가혹하다. 경험이 부족한 운전자는 언덕 중턱에서 회전수가 떨어져 출력이 부족해지거나, 풀 스로틀을 밟아 바퀴가 헛돌며 구덩이를 파게 된다.

전기차의 파괴적 강점: 밀리초 단위의 정밀한 '지능형 제어'

전기차는 전기 모터의 두 가지 물리적 특성 덕분에 이 논리를 근본부터 바꾼다:

1. 전 회전 영역에서 일정한 대토크. 전기 모터는 회전을 시작하는 순간부터 피크 토크를 내며, 매우 넓은 회전수 범위에서 이를 유지한다. 회전수가 올라가기를 기다릴 필요가 없다.
2. 응답 속도가 극도로 빠르다. 모터 컨트롤러는 약 1밀리초 만에 토크를 조정할 수 있다. 내연기관은 스로틀, 연료 분사, 연소, 크랭크축 출력이라는 과정을 거쳐야 하며, 그 지연은 수백 밀리초 단위로 측정된다.

이러한 특성에 기반해 EV의 트랙션 컨트롤은 슬립률에 대한 완전 자동 폐루프 제어 시스템이 된다. 고정밀 센서——예를 들어 모터 리졸버는 바퀴 1회전당 수천 개의 데이터 포인트를 수집해 기존의 차륜 속도 센서를 훨씬 뛰어넘는 정밀도를 갖는다——는 슬립이 완전히 발생하기 전에 이를 예측한다. 어떤 바퀴가 접지력을 잃을 위기에 처하면, 시스템은 브레이크에 의존하지 않는다. 모터에 직접 밀리초 단위의 토크 조정을 명령할 뿐이다. 슬립이 발생한 바퀴의 토크를 여전히 그립이 있는 바퀴로 옮기거나, 미세한 증감 토크 보정을 가하는 것이다.

운전자는 액셀러레이터를 밟기만 하면 된다. 나머지는 전부 알고리즘이 처리한다. 시스템은 현재 노면의 접지 계수를 읽고, 그 노면에 최적화된 슬립률 목표치를 자동 계산해 유지한다——20%인지 30%인지 운전자가 짐작할 필요 없이——모든 바퀴를 최적의 그립 상태로 유지한다. "풀 스로틀을 밟아도 미끄러지지 않고 최대 견인력을 얻는다"는 경험은 전통적인 오프로드에 진정으로 파괴적이다.

사례 연구: BYD SHARK — 디퍼렌셜 잠금장치가 없는데 오프로드가 더 강하다?

이 이론의 훌륭한 증명이 BYD SHARK 픽업트럭이다. DMO(Dual Mode Off-road) 슈퍼 하이브리드 오프로드 플랫폼을 기반으로 한 SHARK는 전후 듀얼 모터의 e-4WD 시스템으로 430마력 이상의 시스템 출력을 낸다.

주목할 점은 초기 SHARK 버전에는 기계식 디퍼렌셜 잠금장치가 전혀 없다는 것이다. 전통적인 오프로드 논리에서 "잠금장치 없이 오프로드 없다"는 거의 철칙에 가깝다. 그런데도 SHARK의 저접지 노면 실전 성능은 잠금장치를 갖춘 디젤 오프로더들 다수를 능가한다.

그 비밀은 앞뒤 모터가 독립적이고 실시간인 토크 벡터링을 가능하게 한다는 점이다. 모래나 진흙에서 한 바퀴가 접지력을 잃으면, 모터의 응답 속도 덕분에 시스템은 슬립이 시작되는 그 순간 해당 바퀴의 토크를 거의 0으로 떨어뜨리고 모든 출력을 여전히 그립이 있는 바퀴로 전가한다. 실질적으로 이것은 "가상 디퍼렌셜 잠금장치" 다——하지만 기계식 잠금장치보다 빠르게 반응하고 완전히 무감각하게 작동한다. 노면을 예측할 필요도, 멈춰서 잠그고 조작할 필요도, 잠긴 동안의 조향 제한도 없다. 반대로 기계식 잠금장치는 운전자가 코스를 미리 판단하고, 정차한 뒤 수동으로 잠그고, 잠긴 동안에는 제한된 조향을 감수해야 한다.

그렇게 SHARK는 기계식 잠금장치를 하나도 갖지 않고도 저접지 노면에서 기존 픽업트럭을 능가하는 오프로드 성적표를 남긴다 — 종이 위에서는 "틀린" 하드웨어, 실제로는 올바른 시스템인 것이다.

결론: 새로운 오프로드 패러다임이 형성되고 있다

EV 시대에 오프로드의 군비 경쟁은 잠금장치의 개수와 배기량에서 모터 응답 속도와 슬립률 제어 알고리즘의 정밀도로 옮겨가고 있다.

내연기관 차량의 슬립 제어는 본질적으로 운전자와 좁은 토크 창 사이의 '인간-기계 게임'이다. EV는 그 통제권을 운전자의 발에서 BMS와 모터 컨트롤러로 구성된 '디지털 브레인'으로 옮긴다. 더 이상 "황금의 오른발"이 정확한지를 시험하는 것이 아니라, 시스템이 매 순간, 매 노면에서 보이지 않는 최적의 슬립률을 붙잡을 수 있는지를 시험한다.

기계식 잠금장치를 하나도 갖추지 않은 SHARK가 잠금장치가 있는 내연 오프로더를 능가하는 것은, 이 새로운 패러다임의 가장 살아있는 각주다. 오프로드가 더 이상 펄스 스로틀링과 캐던스 브레이킹의 기술을 요구하지 않게 될 때, 그 분야는 장인정신에서 과학으로——알고리즘이 매번 정확히 재현할 수 있는 것으로 옮아가고 있다.

출처: BYD SHARK DMO 공식 제품 사양(BYD); BYD SHARK 발표 자료; 모터 토크 응답 산업 데이터. 표지 사진: BYD Shark 6 DMO AWD(수출 시장용 SHARK), Ethan Llamas 촬영, Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0.