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차량운전성평가기술-3.차량 드라이브 퀄리티 검증방법 및 연비와의 최적화

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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)
승인 2010-04-19 21:04:30

본문

차량운전성평가기술-3.차량 드라이브 퀄리티 검증방법 및 연비와의 최적화

1. 서론
현 시장 상황에서 소비자의 기대를 충족시키기 위한 성능과 각종 연비 규제를 만족하기 위한 차량 개발은 쉬운 일이 아니다. 특히 여러 가지 성능을 만족하면서 동시에 뛰어난 연비를 가진 차량을 개발하는 것은 매년 점점 더 복잡해지고 있다.
최근 급격하게 강화되고 있는 CO2 규제를 포함한 엄격한 배기가스 규제를 만족시키기 위한 기술들은 차량의 다른 성능에 영향을 주어, 개발된 차량의 성능이 소비자들의 기대에 부응하지 못하는 경우도 발생한다. 예를 들어, 연비를 향상시키기 위한 시도중의 하나는 엔진 배기량이 적은 엔진을 사용하는 방법이 있지만, 차량의 성능을 저하시키는 결과를 초래하기도 한다. 하지만 차량 개발에 있어서 엔진과 차량의 제어시스템을 신중하게 선택하여 적은 배기량의 차량이 큰 배기량을 가진 엔진과 비슷한 성능을 낼 수 있도록 개발할 수 있다.
글 / 이태원 (지엠대우오토앤테크놀로지)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2010년 4월호

드라이브 퀄리티(Drive Quality)에 대한 개념은 일반적으로 전 부하 (Maximum Throttle) 조건으로 보여질 수 있는 것이 사실이지만, 실제로는 부분부하(Part Throttle) 조건의 많은 부분을 포함하고 있다. 차량성능에 대한 연구는 전 부하 조건을 기준으로 개발하는 것 뿐만 아니라 부분 부하(Part Throttle) 조건일 경우도 충분히 고려해야만 한다.
본 원고에서는 차량에서의 드라이브 퀄리티에 대한 개요를 소개하며 드라이브 퀄리티와 연비의 최적화에 대해서 논의하겠다.
2. 드라이브 퀄리티와 연비의 최적화
에너지 관점에서 통합적 차량 개발 과정은 소비자들이 가지고 있는 드라이브 퀄리티 및 연비에 대한 기대치와 차량의 서브시스템과 부품 단위의 요구 사항을 연결시키는 과정이라고 할 수 있다. 통합적 차량 개발과정에서 모든 요구 사항들이 만족되었는가를 예측하고 확인하기 위해서는 분석적이고 실험적인 기술들이 필요하며, 각종 요구 사항들 자체가 자연스러운 조화를 이루고 있는가를 확인하는 것도 통합적 차량 개발 과정의 중요한 역할이다. <그림 1>은 드라이브 퀄리티의 구조를 보여주고 있다.

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드라이브 퀄리티란 운전자가 운전을 하면서 발 끝으로 느끼는 운전자의 주관적인 차량 반응들을 객관적인 값들로 수치화한 것으로, 운전자에게 차량이 원하는 대로 운전되고 있는지에 대한 피드백을 제공한다. 드라이브 퀄리티는 전 부하 상태와 부분 부하 상태에서의 가속 성능 (Acceleration Performance)과, 운전성(Driveability)과 같이 크게 2가지로 나눌 수 있다. 운전성이란 운전자가 차량을 운전하는 동안에 경험하는 복잡하고 주관적인 느낌을 말한다. 만족스러운 운전 경험은 운전자에게 자신감과 함께 안전하다는 느낌을 주며 주관적인 만족감을 제공한다. 이러한 운전자의 운전에 대한 즐거움은 차량 구매 시에 결정적인 영향을 준다. 드라이브 퀄리티와 연비 개발의 과정을 <그림 2>에 도식화 하였다.

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가속 성능은 운전자가 차량에 전달하는 가속요구를 조건에 따라 전 부하 상태와 부분 부하 상태로 구분된다. 드라이브 퀄리티는 전적으로 전 부하에서의 성능만을 말하는 것은 아니다. <그림 3>은 드라이브 퀄리티가 좋다고 인지하는 사람의 40% 이상이 부분 부하에서의 성능을 근거로 말한다는 것을 보여주고 있다.
부분 부하 성능은 다양한 가속 페달의 위치마다 측정되고, 다음과 같은 차량의 가속특성에 따라 차량의 가속성능이 결정된다.
● 운전자의 요구와 차량의 가속에 대한 반응을 일정하게 전달
● 운전자의 의도에 너무 민감하지 않게 반응
● 운전자가 요구하지 않은 차량의 거동을 최소화하는 부드러운 주행
위에서 열거한 가속특성은 등판 성능, 출발 성능및 정속 성능 등과 같은 중요한 차량 성능 인자들과 함께 특징적인 응답특성면(Response Surface)을 생성하게 된다. <그림 4>에서 보여지는 응답특성면은 엔진과 변속기 제어에 대한 특수한 지식과 경험을 통해 차량 개발의 초기 단계에서부터 결정되어야 한다. 더불어 응답특성면과 같은 차량 특성에 대한 이해는 자동 변속기의 변속 패턴의 개발과 최적화에 도움이 된다.

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또 다른 운전성의 특징으로는 최고단 여유 구동력 (Top Gear Torque Reserve), 그리고 출발 최고가속 (Launch Peak Acceleration)이 있으며 <그림 5>, <그림 6>에서 확인할 수 있다.

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드라이브 퀄리티와 연비는 아주 밀접한 관련이 있다. 앞서 말한 가속 특성에 대한 응답특성면과 차량의 여유 가속의 차이를 최적화 하면 연비를 향상시킬 수 있다. 이것을 드라이브 퀄리티 최적화라고 한다. 최적화의 과정은 매우 복잡하지만, 이를 통해 연비를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 운전자가 요구하는 운전 특성에 따라 변속기 특성을 제어할 수 있다.

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드라이브 퀄리티 최적화를 통하여 운전자가 인지하는 가속의 느낌을 제어할 수 있다. 가속 페달을 밟는 양에 따라 엔진 토크를 제어함으로써 운전자가 원하는 수준의 가속 성능을 만들어낼 수 있으며, 소비자가 더 이상 가속이 되지 않는 상태 (Un-throttled Condition)에 도달하는 것을 방지하기 위해 적정한 수준의 여유 구동력을 제어 한다. 한가지 유의할 점은 차량의 가속성에 대한 느낌은 선형적(Linear)이어야 한다.

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<그림 7>에서 4기통 엔진과 6기통 엔진의 예를 볼 수 있다. <그림 7>에서 붉은색으로 표시된 선은 엔진 배기량과 성능 사이의 관계를 나타내고 녹색으로 표현된 막대그래프는 엔진 배기량과 연비의 관계를 나타내고 있다. 파란색의 점선 사이의 거리는 드라이브 퀄리티 최적화를 통해 얻을 수 있는 가용한 성능의 범위를 나타낸다. 즉, 연비의 측면에서 상대적인 이점이 있는 4기통엔진에서의 부분 부하 성능도 6기통 엔진과 큰 차이가 없음을 알 수 있다.
3. 차량 드라이브 퀄리티에 대한 검증 (Validation)
차량의 드라이브 퀄리티가 목표치를 달성하였는지를 검증하는 작업은 컴퓨터 시뮬레이션, 실험실에서의 시험 그리고, 실제 도로에서 검증할 수 있으며, 차량의 기술 사양 (Technical Specification)에 맞는 드라이브 퀄리티가 나오는지를 측정하고 검증하는 일련의 과정을 포함한다.
컴퓨터 시뮬레이션은 일반적으로 차량의 하드웨어가 가용하기 전, 성능을 예측하기 위해 사용한다. 시뮬레이션을 통해 파워트레인, 최종감속비(Final Drive Ratio) 혹은 제어 알고리즘과 같은 차량의 서브시스템이 올바로 선택되었는지를 확인할 수 있다. 초기의 컴퓨터 시뮬레이션 결과는 프로토타입 (Prototype)의 차량이 가용해지는 시점 이후에는 실험실이나 실제 도로에서의 시험 및 시뮬레이션 모델과 실제 차량의 연관성을 확인하기 위한 기초 데이터를 제공하게 된다.
프로토타입의 차량이 가용해지는 시점부터는 연관되어 있는 모든 변수들이 올바르게 적용되었고, 기존에 예상한대로 작동하는지를 확인하기 위한 시험이 반드시 필요하다. 동력계 (Dynamometer)를 이용한 시험을 통해 드라이브 퀄리티와 연비 목표를 달성했는지를 확인하는 작업과 파워트레인 측면에서 적정한 수준의 엔진 토크, 마력, 효율 등이 시뮬레이션에서 사용했던 값과 차이가 없는지를 확인하기 위한 시험이 필요하
다.
드라이브 퀄리티의 검증 작업을 최종적으로 마치기 위해서는 양산 수준의 차량이 필요하다. 동력계나 실제 도로에서의 시험을 수행하며, 본래의 의도했던 차량의 기술 사양과 비교하여 요구된 성능을 만족하는지 확인한다. 상세 연비효율에 대하여 시뮬레이션 모델과 실측을 일치시키는 작업은 최종적인 드라이브 퀄리티의 검증작업을 통하여 완료된다.
4. 통합적 차량 개발 (Vehicle Integration)
거의 대부분의 차량-파워트레인 개발에 관련한 문제들은 성능(Performance), 연비/배기가스 규제(Fuel Economy/Emission), 운전성의 조화에 영향을 미친다. 이 중 성능과 연비는 객관적으로 평가할 수 있는 방법이 있지만, 운전성에 대해서는 대부분의 자동차 개발회사에서는 주관적인 평가를 주로 수행하여왔다.
객관적인 시험 방법 없이는 하나의 시스템으로서의 파워트레인 개발에 많은 어려움이 있기 때문에 당사에서는 객관적인 운전성 평가 시스템을 개발해 적용하기 시작했다. 게다가 최근 새로 개발되는 여러 가지 신기술들은 복잡한 제어 알고리즘을 사용하고 있으며, 다른 서브 시스템들과 연결되어있는 것이 대부분이기 때문에 이러한 신기술들을 적용하는 일은 개발의 과정을 점점 더 복잡하게 만들고 있다. 점점 복잡해지는 기술들을 성공적으로 적용하여 최적의 성능을 나타내기 위해서는 AVL-드라이브 같은 소프트웨어의 사용이 필요하다. <그림 8>에서 AVL-드라이브의 Data흐름을 간략하게 살펴 볼 수 있다.

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AVL-드라이브 시스템은 운전성과 차량의 특성에 대해 1점부터 10점까지의 객관적인 점수를 제공하여(최고 10점), 차량에 대해 신속하게 평가를 할 수 있도록 도와주는 역할을 한다. 점수를 부여하는 기준은 유럽 VDI 기준 (VDI Standard) 를 바탕으로 하고, 당사의 주관적 평가 점수와도 일치하고 있다.
분석이 끝나게 되면, 성능 측면에서의 추가적인 향상을 기대할 수 있는 부분을 찾을 수 있다. 저장된 모든 데이터를 이용해 각종 신호와 작동 모드, 평가 점수 등의 관계를 보여줌으로써 좀 더 자세한 분석이 가능한 것이다. 차량의 성능상 부족한 부분들은 차후 적절한 캘리브레이션(Calibration)과 하드웨어의 수정을 통해 개선해 나가도록 하고 있다. 현존하는 새로운 기술을 이용해 차량의 드라이브 퀄리티들이 조화를 이루도록 개발하는 일은 그 차량이 시장에서 성공하는 데 중요한 부분을 차지한다. 또한 이러한 객관적인 데이터를 통해, 추가적인 연비 향상이 필요한 경우에는 연비향상 요구에 따른 동력 성능의 영향을 즉각 분석할 수 있다.
5. 결론
드라이브 퀄리티는 차량개발과정에서 엔지니어가 연비를 향상시키면서도 좋은 가속 성능을 내기 위해 차량의 특성을 이해, 분석, 개발하는 과정을 가능하게 하는 객관적인 지표라고 할 수 있다. 차량의 가속성능과 연비성능의 조화를 위해 전 부하와 부분 부하 가속 페달의 여유 구동력 특성이 결정되어야 한다.
차량 개발을 수행해온 오랜 기간 동안 우리가 달성하고자 하는 운전성의 목표치는 항상 존재해왔다. 성능의 목표를 달성했는지를 확인하는 작업은 그 동안 주관적인 평가를 통해 이루어졌다. 평가를 위해서는 아주 섬세하고 잘 훈련된 전문가가 필요하지만, 전문가들이라 할지라도 언제나, 모든 차량에 대하여, 모든 운전환경을 고려해 평가하는 것은 거의 불가능한 일이다. 차량 개발의 초기에는 평가를 위한 적절한 하드웨어가 존재하지 않는 경우가 많기 때문에 주관적인 평가 방식에는 어려움이 있어왔다. 그렇기 때문에, 하드웨어가 가용하기 전부터 운전성을 미리 예측하는 기술을 갖는 것이 매우 중요하다. 이를 위하여 운전성의 평가 과정이 하드웨어 평가에서 실험실이나 컴퓨터 시뮬레이션으로 옮겨져야만 하며, 이러한 변화를 위해서는 새로운 툴과 조직적인 프로세스가 필요하다<그림 9>.

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위와 같은 일련의 프로세스와 툴을 이용한 통합적 차량개발과정을 도입함으로써 각종 연비규제를 만족하면서 동시에 드라이브 퀄리티에 대한 소비자의 기대에 부응하는 차량개발이 가능하게 되었다.
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