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차량성능 향상을 위한 변속 패턴 설정

페이지 정보

글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)
승인 2013-09-22 20:04:46

본문

1. 서론
운전자의 편의를 고려한 자동변속 차량은 차량 속도와 스로틀 밸브 개도량에 따라 미리 정해놓은 변속 패턴을 따라 자동으로 Up Shift와 Down Shift가 이루어진다. 기존의 변속 패턴은 인증 연비 모드를 기준으로 중점적으로 개발하였으나, 다양한 차량 기술 개발과 함께 운전자의 요구 성능도 증가하면서, 어떤 주행 상황에서나 일괄적으로 적용되던 기존의 변속 패턴에 불만을 느끼는 경우가 많아지고 있다. 이처럼 단순한 운전 패턴만으로는 규정하기 어려운 운전자의 폭넓은 요구 성능들을 충족하기 위해서는 다양한 모드에서의 운전성과 연비를 고려한 변속 패턴이 필요하다. 이에 대처하기 위해 완성차 업체에서는 파워트레인 통합 제어에 관한 기술 개발에 집중하고 있다.

글 / 임원식 (서울과학기술대학교)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2013년 8월호

차량의 성능 및 연비 향상을 위해서 변속제어기는 운전자의 요구 성능을 정확히 판단하여 변속 지령을 내보내야 한다. 이러한 변속 패턴에 관한 이해를 돕기 위해, 본 고에서는 차량의 주행부하와 운전자의 요구 성능 분석을 바탕으로 파워 또는 연비를 기준으로 한 변속 패턴 설정 방법에 대해 살펴보고, 다양한 변속 상태를 분석하여, 차량성능 및 운전성 향상을 위한 변속 패턴 개발에 대해 알아보고자 한다.

2. 차량의 주행부하와 운전자의 요구 성능
차량 주행 시, 차량이 받는 저항을 주행부하라 하는데, 총 주행부하는 동력원으로부터 차량에 전달되어야 하는 구동력의 크기를 결정한다. 그림 1과 같이 주행부하에는 자동차가 노면을 굴러 이동할 때 받는 저항인 구름저항과 주행 중인 자동차의 진행방향에 반대방향으로 작용하는 공기저항이 있다. 또한 경사 길을 주행할 때 주행 방향의 반대로 작용하는 중력의 분력에 의해 자동차의 중심에 작용하는 등판저항과, 차량의 가속시 나타나는 관성 저항력이 있다.

차량을 운전하는 운전자는 자신이 탑승하고 있는 차량의 거동만을 인지할 수 있고, 구동륜에 구동 토크를 발생시키는 차량 내부 동력전달계의 존재를 모른다고 생각할 수 있다. 따라서 차량의 속도와 구동력을 변화시키기 위해 운전자가 변화시키는 가속페달량(APS)의 신호는 구동륜의 출력 성능을 변화시키고자 하는 운전자의 의지라 할 수 있다. 이러한 운전자의 요구 성능의 변화는 그림 2와 같이 나타낼 수 있다.

운전자가 가속페달량을 변화시켜 운전의지를 차량에게 전달한 경우, 엔진 출력의 변화와 차량 거동의 변화 그리고 운전자 불만 등을 함께 나타내면 그림 3과 같다. 운전자가 가속페달량을 증가시켰을 때, 동력원인 엔진에게 요구되는 파워와 실제 출력 파워는 시간 지연 및 성능 부족에 의해 차이가 발생된다. 이는 운전자가 차량에 기대하는 파워와 실제 차량을 구동하는데 필요한 파워의 오차를 초래하게 되고 운전자 불만을 유발하는 원인이 된다. 구동원의 파워를 변조하여 운전자가 원하는 형태로 출력을 바꾸어 주는 역할을 하는 것이 변속시스템이다. 따라서 요구 성능 미달에 기인한 운전자의 불만에 가장 밀접한 관계가 있는 것이 변속패턴이라 할 수 있다.

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주행조건별 운전자의 요구성능을 분류하면 표 1과 같다. 운전자의 요구차속 관점에서, 차속이 증가하는 것은 구동력이 부하보다 큰 경우를 나타내며, 차속이 일정한 것은 구동력과 부하가 동일한 조건이고, 차속이 감소하는 것은 구동력보다 부하가 큰 경우를 나타낸다. 이러한 차속 변화조건에서 운전자의 의지로 볼 수 있는 APS를 증가시키는 것은 현재의 출력보다 더 많은 파워를 내기 위함이며, APS를 일정하게 밟는 것은 현재 파워상태를 만족하는 것으로 볼 수 있다.

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또한 APS를 감소시키는 것은 현재 출력파워를 감소하여 요구차속을 유지하기 위함이다. 예를 들어 차속이 일정하도록 하기 위해 APS를 증가시키는 경우는 등판과 같은 주행조건에서 나타나며, 이와 반대로 차속을 일정하게 유지하기 위해 APS를 감소시키는 경우는 강판과 같은 주행조건으로 판단할 수 있다.

3. 동력원의 출력 성능 및 성능 매칭
가솔린 엔진을 동력원으로 갖는 차량의 엔진 출력 토크는 그림 4와 같이 엔진속도와 스로틀 개도량의 관계로 나타낸다. 이러한 동력원 성능을 기준으로 차량에 전달된 구동력을 앞서 설명한 주행저항과 함께 하나의 그래프에 도시하면 임의의 점에서 주행상태를 판단할 수 있다. 그림 5는 6단의 기어비를 갖는 차량의 출력파워와 주행부하를 보이고 있으며, 주행선도 상에서 구동력과 주행저항의 차이는 여유 구동력으로서 가속 또는 등판에 이용된다.

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또한 자동변속 차량의 경우, 토크 컨버터의 고유 성능에 의하여 나타나는 토크 증대 및 효율 저하 현상도 고려해야 한다. 변속단의 기어비는 차량의 대표적인 요구 성능인 최고속도, 가속능력, 연료소비율 등을 고려하여 결정한다. 최대 등판 능력을 고려하여 최저 기어 변속비를 결정하고, 중간 기어의 변속비는 구동성능과 연비, 운전방법, 도로조건 등을 고려하여 결정한다.

4. 변속시점의 선정
적당한 변속단수의 선택은 일반적으로 차량의 속도와 스로틀 개도량을 주 변수로 하여 선정한다. 변속단을 결정짓는 변속맵은, 이용 가능한 출력을 최대로 활용할 것인지, 연료소비율을 최소로 할 것인지에 따라 다음과 같이 파워모드와 연비모드로 구분할 수 있다.

4.1 구동력 선도와 파워 기준 변속
파워 기준의 상단 변속시점은 최고 주행 성능을 위해 구동력 선도를 기준으로 결정된다. 클러치는 직결되어 있다고 가정하고 기어와 스로틀을 각 1단, 10%에 고정 후 구동력 선도를 도출한다. 스로틀 고정 후 기어를 최고단까지 변속 시키며 구동력 선도를 도출하여 이 때의 교차점이 스로틀 10%에서의 변속점이 된다. 이와 같은 방법으로 스로틀을 10% 단위로 증가시키며 교차점을 도출한 후 각 스로틀에 대한 변속점을 연결하면, 구동력 선도를 이용한 상단 변속시점을 도출할 수 있다.

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4.2 BSFC 선도와 연비 기준 변속
연비 기준의 상단 변속시점은 높은 연비를 위해 BSFC선도를 기준으로 결정한다. 파워 기준의 상단 변속시점 도출 방법과 동일하게 클러치는 직결되어 있다고 가정하고 기어와 스로틀을 각 1단, 10%에 고정 후 BSFC 선도를 도출한다. 스로틀 고정 후 기어를 최고단까지 변속시키며 BSFC 선도를 도출하였을 때 각 단에서의 교차점이 스로틀 10%에서의 변속점이 된다. 동일한 방법으로 스로틀을 10% 단위로 증가시켜, 각 스로틀에 대한 변속점을 연결하면 연비 기준의 상단 변속시점을 도출할 수 있다.

4.3 차량 가속도 기준 변속
파워모드나 연비모드의 경우와 같이 엔진의 구동력 선도나 연료소비율 곡선들끼리 만나는 점을 변속시점으로 결정한다면 이는 차량이 등속으로 주행시에만 그 순간의 엔진 작동점에서 최적의 변속시점이 된다. 그 러나 실제 주행상황 시 차량속도가 등속인 경우는 거의 없고 대부분 차량 가속도가 존재하는 상태이기 때문에 차량관성을 가/감속하는데 소모되는 운동에너지량을 무시하기가 어렵다. 또한 언덕길이나 내리막길 주행시나 차량의 승객, 짐들에 의해 부하가 변화할 때와 같이 주행부하가 달라지는 경우에도 역시 연료소비율 관점에서 볼 때 이와 같은 변속시점은 같은 문제점을 가질 수 밖에 없다.

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이와 같은 문제점들을 해소하기 위한 방법으로 동력원 성능을 기준으로 차량구동력을 구해 주행저항을 적용하면 차량가속도를 그림 8과 같이 도출할 수 있다. 이러한 가속도 값을 파워모드나 연비모드와 동일한 방법으로 스로틀에 대한 변속점을 연결하여 그림 9와 같은 상단 변속시점을 도출할 수 있다.

5. 빈번한 변속 및 히스테리시스의 적용
운전자의 의지를 감지하는 가속페달량은 자동차의 주행 성능과 관계가 있으며, 그 밟는 정도에 따라 적절한 변속단이 결정되어, 변속점 부근에서 Up Shift 또는 Down Shift를 시행하게 된다. 이때, 동일한 기준으로 상단과 하단 변속 단수를 결정하게 되면, 빈번한 변속이 이루어져 불쾌한 충격이 자주 일어나게 된다. 따라서 이러한 현상을 방지하기 위하여 상단과 하단 변속의 기준을 따로 정하여 변속단을 결정하게 되는데, 이러한 변속시점의 차이를 히스테리시스라 한다.

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Down Shift에서는 Up/ Down Shift 변속이 반복되는 것을 방지하기 위해 그림 10과 같이 일정한 히스테리시스 구간을 고려한다. 히스테리시스를 고려해도 빈번한 변속이 예상되는 곳은 더 큰 히스테리시스를 고려하게 된다. 정지 전 Down Shift의 경우 잦
은 변속을 피하기 위하여 Skip Shift 로직을 적용해 변속 충격을 방지한다.

6. 변속맵의 형태와 변속의 특성
6.1 변속시점 결정 시 고려사항

파워모드의 변속 패턴은 차속이 높은 영역에서 변속을 하기 때문에 엔진 속도 상승에 의한 소음의 영향이 큰 단점이 있으며, 가속 성능은 좋으나 스로틀 변화에 민감하여 변속이 빈번하게 일어나 불쾌감을 조성할 수 있다. 연비모드의 변속 패턴은 차속이 낮은 영역에서 변속하기 때문에 만족할 만한 가속 성능이 나오지 않으며, 급가속을 원하는 경우 스로틀이 증가해도 킥 다운 현상이 나타나지 않는 단점이 있다. 이러한 단점을 해결하기 위해서는 스로틀 개도량에 따른 운전영역에 대한 분석이 필요하다.

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그림 11은 스로틀 개도량에 따라 운전영역을 LTO(Low Throttle Opening), MTO(Middle
Throttle Opening) 및 WOT(Wide Open Throttle)로 나눈 것이다. 변속 패턴은 각 운전 영역에 따라 다음과 같은 고려사항을 감안하여 수정할 수 있다.

- LTO : 차량의 연비가 좋지 않은 저속 영역으로 연비모드가 타당하며, 부드러운 출발과 가속을 요구하는 영역이다. 각 단의 변속시간을 고려하여 리드미컬한 변속이 진행되어야 한다.
- MTO : 주행 중 엔진의 운전점은 주로 이 영역에 있어 연비와 가속성능이 함께 고려되어야 한다. 운전자 성향/ 구배 조건에 따른 모드가 필요하며, NVH (Noise Vibration Harshness)를 고려해야 하는 영역이다.
- WOT : 기어변속 시 200~400rpm 정도의 오버슈트가 발생하다. 엔진을 보호하기 위해 레드존 영역에서 오버슈트 rpm을 차감하여 변속점으로 설정해야 하며, 엔진 최고 속도, 변속시간, 최고 가속을 위한 구동력을 고려해야 하는 영역이다.

6.2 변속 특성
다양한 차량의 주행조건 때문에 발생할 수 있는 여러 종류의 특이한 변속 특성들에 대해서는, 변속 상위제어로직의 적용이 필요하게 된다. 그림 12는 주행 중 자주 일어나는 변속 특성을 나타낸 것이다. 각 변속특성에 대한 설명은 다음과 같다.

1. 정지전 Down Shift : 정지 전 Down Shift는 주행 중 정지하기 위하여 가속페달에서 발을 뗀 후 브레이크를 밟는 상황이다. 이 경우 변속 패턴에 따라 6속 → 5속 → 4속 → 3속 → 2속 → 1속의 Down Shift가 진행된다. 그러나 짧은 시간에 일어나는 잦은 변속은 운전감을 저하시키는 요인이 된다. 따라서 1차적으로 일정 스로틀 개도량 이하에서는 변속 패턴의 3속 → 2속의 Down Shift 라인을 2속 → 1속 변속라인과 일치시켜 저 스로틀 구간에서는 3속 → 2속 변속이 이루어지지 않도록 하였다. 그러나 이러한 변속 패턴의 조정에도 불구하고 6속의 고속 주행 중 정지 전 Down Shift가 이루어진다면 6속→ 5속 → 4속 → 3속 → 1속의 잦은 변속이 이루어지게 된다. 이러한 경우에는 차량의 감속도에 따라 Skip Shift 여부를 결정하여야 할 것이다.

2. Kick Down : Kick Down은 운전자가 급가속을 원하거나 주행 중 급경사를 만나서 가속 페달량이 급격히 증가하는 상황으로 Down Shift를 통해 구동륜에서 큰 토크를 얻을 수 있다. 만약 6속 주행 중 이런 상황이 된다면 6속 → 5속 → 4속 변속을 수행할지 아니면 6속 → 4속 변속을 수행할지를 결정하여야 한다. 이처럼 큰 구동력이 요구될 경우 1계단 Down Shift로는 부족하여 2계단 또는 그 이상의 Down Shift 변속을 하는 경우를 Skip Shift라 한다. 이러한 상황이 발생할 경우는 운전자가 차량의 가
속성능을 요구하는 경우로서 가능한 빨리 목표 변속단을 결정하여 차량의 응답성을 확보하는 것이 중요하다.

3. Kick Up : Kick Down시켜 큰 구동력을 얻은 후 가속페달량을 계속 유지하면 차속이 증가되어 Up Shift를 수행하는 현상을 말한다.

4. LFU(Lift Foot Up) : LFU는 Kick Down과는 반대로 운전자가 급감속을 원하여 가속 페달을 떼는 경우이다. 이 경우에는 운전자가 재가속을 할 수도 있고 정지전 Down Shift를 원할 수도 있다. 따라서, 정지전 Down Shift를 수행할지 변속 패턴에 따른 변속을 수행할지를 결정하여야 한다.

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5. 정지전 Down Shift 중 Kick Down : 정지전 Down Shift 중 Kick Down 변속은 신호등의 적색 신호에 의해 정지를 하는 도중 신호등이 청색 신호로 바뀌어 재가속을 하는 경우이다. 예를 들어 변속 패턴에 따라 정지 전 Down Shift 수행으로 4속 → 3속 라인을 지나자마자 가속페달량이 급격히 증가하면 4속 → 3속 변속 수행 중 3속 → 2속 변속 신호가 발생한다. 이러한 경우에는 4속 → 3속 변속을 건너뛰고 4속 → 2속 Skip Shift를 수행하도록 한다.

6. Kick Down 중 LFU : 급격한 가속페달량의 증가로 변속 패턴 상에서 Kick Down에 의한 6속 → 5속 변속라인을 지났는데 갑자기 가속페달을 떼면서 다시 6속 영역으로 오는 경우이다. 이 경우 6속 → 5속 변속라인을 지났으므로 Kick Down 상황으로 판단하고 Down Shift를 할 것인지 아니면 LFU가 발생할 수 있으므로 잠시 기다렸다가 Kick Down 변속을 할 것인지를 판단하여야 하는데 이는 차량의 응답성 문제로 많은 실험과 함께 튜닝되어야 할 부분이다.

7. 변속 중 LFU : 이 상황은 변속 패턴에 따라 Up Shift 라인을 지나자마자 운전자가 가속페달을 떼는 경우이다. 이 경우에는 변속 중 LFU가 발생했으므로 정지전 Down Shift 변속을 수행할지 여부를 판단하여야 한다.

8. LFU 중 Kick Down : 이 상황은 Kick Down 중 LFU의 반대 상황으로서 운전자가 가속페달을 떼서 LFU가 발생하여 정지전 Down Shift를 준비하고 있는데 재가속이 되면서 Kick Down 변속을 요구하는 경우이다. 이 경우 역시 정지전 Down Shift를 수행할지 아니면 Kick Down 상황이 될지를 판단하여야 한다.

지금까지 1~8까지 일어나는 변속 패턴에 대해 고찰해 보았다. 운전 중 발생할 수 있는 이러한 상황들을 고려하여 변속제어를 하는 것은 차량의 가속성, 응답성에 밀접한 관계가 있을 뿐만 아니라, 운전자의 의지 반영에 의한 운전자 만족도에 관계되므로 매우 중요한 제어기술이라 할 수 있다. 이 분야의 상세한 제어 로직들은 차량 시험을 통하여 좀 더 자세히 수정 보완되어야 할 것이다.

7. 결론
차량 동력원 및 세부사양을 바탕으로 개발한 변속 패턴을 반복 시험하여 수정하는 기존의 방법은, 차량 개발 단계에서 다양한 최적화 방법을 활용해 최적의 성능 및 운전성을 갖도록 하는 변속 패턴 개발 방법으로의 전환이 필요하다. 본 고에서 제시한 운전자의 요구 성능 분석 방법과 일반적인 변속 패턴 개발 방법, 그리고 Kick Down, LFU와 같은 다양한 변속 상태를 종합적으로 고려하여, 운전자의 요구 성능을 충족하면서도 운전성과 연비를 보장하는 좀더 세밀한 변속 패턴 개발에 관한 지속적인 연구가 필요하고 생각한다.
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