스탠포드 태양광 자동차 프로젝트

개요

1989년에 설립된 스탠퍼드 태양광 자동차 프로젝트(SSCP)는 2년마다 태양광 자동차를 설계·제작하여 경주에 참가하는 학생 주도형 공학 팀입니다. 이 팀은 호주 오지(아웃백)를 가로지르는 3,000km 거리의 ​​내구 레이스인 '브리지스톤 월드 솔라 챌린지(Bridgestone World Solar Challenge)'에서 전 세계 유수 대학들과 경쟁합니다.

SSCP는 지난 20여 년간 IAR과 협력하며, 자사의 임베디드 소프트웨어 개발의 기반으로 IAR Embedded Workbench를 활용해 왔습니다. 오늘날 '월드 솔라 챌린지(World Solar Challenge)'에서 성공을 거두기 위해서는 공기역학적 성능과 배터리 효율성뿐만 아니라, 실시간 데이터 처리, 지능형 임베디드 시스템, 그리고 타협할 수 없는 수준의 시스템 신뢰성이 필수적입니다. 

도전

현대 태양광 자동차 경주는 데이터에 기반하여 운영됩니다. 

스탠포드 태양광 자동차는 차량 전반에 고밀도 센서 네트워크를 통합하여 배터리 전압, 셀 온도, 팩 전류 및 시스템 상태를 지속적으로 모니터링합니다. 수집된 데이터는 차량 내부에서 처리되며, 태양 복사량 예측, 기상 모델, 시뮬레이션 결과 등 클라우드 기반 정보와 결합되어 최적의 경기 전략을 수립하는 데 활용됩니다. 

경쟁력을 유지하기 위해 팀은 다음을 수행해야 합니다:

• 대량의 센서 데이터 수집 및 처리 

• 안전과 직결된 시스템에 대한 결정론적 제어 유지 

• CAN, SPI, 이더넷을 통한 안정적인 통신 보장 

• 차량 내 연산과 클라우드 기반 전략 모델 간의 균형 유지 

최근의 개발 사이클을 거치면서 SSCP는 분산형 멀티 보드 설계에서 보다 중앙 집중화된 차량용 컴퓨터 방식으로 전환되었습니다. 이로 인해 소프트웨어 복잡성이 증가하고 하위 시스템 간의 의존성이 강화되었습니다. 또한 센서 밀도가 높아짐에 따라 작업 스케줄링, 버스 사용률 및 시스템 응답성에 대한 부담도 가중되었습니다. 

"SSCP의 코드 리드인 Anthony Chukhlov는 “이 단계에서는 단순히 자동차를 만드는 것이 아니라 실시간 데이터 플랫폼을 구축하는 것입니다”라고 설명합니다. “경쟁력을 갖추려면 최상의 품질과 고성능을 자랑하는 임베디드 소프트웨어가 필수적입니다. 센서 통합, 네트워크 통신, 전략적 연산 기능을 결합할 때는 무엇보다 신뢰성이 핵심적인 요소가 됩니다.” 

배터리 관리 시스템(BMS)은 안전에 있어 가장 중요한 구성 요소 중 하나입니다. 이 시스템은 셀 전압, 온도, 전류 및 절연 상태를 정밀하게 모니터링해야 하며, 결함 발생 시 즉각적이고 결정론적인 대응이 이루어져야 합니다. 호주 오지(outback)의 가혹한 환경에서는 소프트웨어의 불안정성이 조금도 허용되지 않습니다.

잦은 학생 인력 교체와 2년이라는 촉박한 개발 주기는 팀에 또 다른 어려움을 안겨주며, 신규 엔지니어들이 위험을 초래하지 않으면서 복잡한 멀티 보드 시스템을 신속하게 파악하고 디버깅하며 개발 업무를 수행할 것을 요구합니다.

해결책

SSCP는 STM32 마이크로컨트롤러 전반에 걸쳐 차량용 임베디드 시스템을 개발하고 관리하기 위해, IAR 임베디드 개발 플랫폼의 핵심 요소인 IAR Embedded Workbench를 활용합니다. IAR은 시스템 전체에서 고품질의 신뢰성 높고 고성능인 임베디드 소프트웨어를 지원하는, 일관되고 확장 가능한 개발 환경을 제공합니다.

소프트웨어 아키텍처는 FreeRTOS, 타사 라이브러리, CAN/SPI/Ethernet용 자체 개발 드라이버, 그리고 보드별 제어 로직을 결합한 형태입니다. 센서 데이터는 중앙 집중식 차량용 컴퓨터로 통합되며, 이곳에서 RTOS 태스크가 필터링, 상태 추정 및 전략 관련 연산을 처리합니다.

아키텍처가 통합됨에 따라, 체계적이고 탐색이 용이한 코드베이스를 유지하는 것이 필수적이 되었습니다. IAR Embedded Workbench는 모든 보드에 걸쳐 통합된 환경을 제공하여 워크플로의 단절을 방지하고, 모듈식 프로젝트 구성, 라이브러리 통합, 소스 탐색 및 다중 보드 디버깅을 가능하게 합니다. 

Anthony Chukhlov는 "소스 코드를 신속하게 분석하고 모듈 간 동작을 추적하는 기능은 개발 과정 전반에 걸쳐 고품질의 신뢰할 수 있는 소프트웨어를 유지하는 데 핵심적인 역할을 합니다."라고 말합니다. "STM32 디바이스와의 통합이 원활하여 도구 사용상의 문제로 인한 어려움보다는 혁신에 집중할 수 있습니다."

BMS(배터리 관리 시스템)는 시스템을 지속적으로 모니터링하고 제한치를 초과할 경우 즉각적으로 대응하여 배터리 팩과 운전자 모두를 보호합니다. IAR Embedded Workbench가 제공하는 실시간 가시성을 통해 엔지니어는 이러한 안전 로직을 검증하고 일관되고 신뢰할 수 있는 작동을 확인할 수 있습니다.

차량 외에도 SSCP는 동일한 펌웨어 아키텍처로 구동되는 실험실 검증 시스템과 MCU 기반 테스트 벤치를 사용합니다. 동일한 툴체인, 빌드 구성 및 디버깅 워크플로를 사용함으로써 초기 검증부터 전체 시스템 통합에 이르기까지 일관된 성능을 보장합니다.

이점

IAR을 표준 도구로 채택함으로써, SSCP는 엔지니어링 수명 주기 전반에 걸쳐 일관되고 확장 가능한 워크플로를 유지하는 동시에, 코드 크기와 성능이 최적화된 고품질의 견고하고 신뢰할 수 있는 임베디드 소프트웨어를 확보합니다. 주요 이점은 다음과 같습니다:

• 실험실과 차량 간 일관된 툴체인으로 반복 가능한 빌드 보장

• 실험실에서 검증된 동작을 그대로 활용하여 통합 리스크 감소

• RTOS 태스크, 통신 및 안전 로직을 추적할 수 있는 명확한 시스템 가시성

• 안전 필수(safety-critical) 하위 시스템을 위한 결정론적(deterministic) 제어

• 신규 엔지니어가 빠르게 업무에 기여할 수 있도록 돕는 신속한 온보딩

이러한 워크플로우를 통해 팀은 빈번한 인력 교체와 촉박한 개발 일정 속에서도 신뢰성을 유지하면서 증가하는 소프트웨어 복잡성을 효과적으로 관리할 수 있습니다.

태양광 모빌리티 혁신을 선도

태양광 레이싱이 점차 데이터 기반으로 변화함에 따라, 성공 여부는 첨단 공기역학, 에너지 효율성, 그리고 지능형 임베디드 소프트웨어의 결합에 달려 있습니다. SSCP는 IAR을 핵심 개발 플랫폼으로 활용하여 극한의 환경에서도 안정적으로 작동하는 임베디드 시스템을 구축하고 있으며, 차량을 단순한 기계 및 전기 시스템이 아닌 통합형 실시간 컴퓨팅 플랫폼으로 접근하고 있습니다.

팀의 독창적인 역량과 IAR과 같은 업계 선도 기업들과의 협력을 통해, SSCP는 태양광 차량 기술을 지속적으로 발전시키며 지능형 전기 모빌리티의 한계를 넓혀가고 있습니다.