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[오토저널] 미래 자동차 시장에 대한 제동 시스템 개발 전략

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글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2022-09-28 12:05:39

본문

미래 자동차 시장 분석
자동차 산업의 전기차 전환이 가속화되면서 이를 위한 차량 전동화 및 자율주행 개발의 경쟁이 심화되고 있다. 전기차 주행거리의 증대, 실내 공간 활용도 향상, 전기차 라인업 확대 등 양산 출시가 본격화 되고 있고, 커넥티비티 구현을 위한 하드웨어와 소프트웨어의 고도화가 진행되고 있다. 또한 통합 플랫폼을 개발하여 자율주행 토탈 솔루션을 제공하거나 고성능 라이다, 레이더 센서를 개발하는 등의 관련 기술이 고도화 되고 있다. 이처럼 전동화 및 자율주행 솔루션의 구체화로 차세대 자동차 개발에 대한 관심이 증가되고 있다.

특히 전기차 시장은 Covid-19 대유행 이후 구매력 복구 등을 위해 전기차로 자동차 시장이 전환되고 있다. 2021년 국제 에너지 기구의 예측에 따르면 2020년 전기차 판매를 190만대로 예측하였으나 실제 판매 실적은 300만대로 기존 예측 대비 58% 판매량이 증가했다. 2025년을 기준으로 기존 예측은 1,100만대였으나 1,500만대로 예측이 변경되고, 지속적인 개발로 2,000만대 이상 증가할 전망이고, 2030년에는 4,700만대로 전기차의 자동차 시장 점유율이 오를 것이라는 예측이 나오고 있다.

미래의 자동차 시장 선점을 위해 북미, 중국, 유럽, 한국 등의 글로벌 완성차 업체를 중심으로 전동화 및 자율주행에 대한 다양한 양산화 프로젝트가 진행 중이고, 이에 맞게 브레이크 제품도 전동화 및 자율주행 대응이 가능한 선행 개발 및 양산 개발이 진행되고 있다.

Brake System의 변화
브레이크 제품은 전동화 및 자율주행 외에도 초안전, 친환경 등 미래 자동차의 다목적성에 부합하기 위해, 기술 특화 제품이 지속적으로 개발되고 있다. <그림 1>과 같이 브레이크 핵심 부품들은 전동화, 자율주행을 목표로 기술의 통합 및 변화를 통해 성장하고 있다. ABS(Anti-lock Brake System) 및 ESC(Electronic Stability Control)로 대표되는 브레이크 제어 부품과 전통적인 Master Cylinder & Booster를 통합하여 IDB(Integrated Dynamic Brake)가 개발되고 있다. 

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전통적인 유압식 캘리퍼 브레이크와 드럼 브레이크는 전동식 액츄에이터와 결합하여 전자식 주차 브레이크인 MoC(Motor on Caliper)와 e-Drum으로 발전하였다. 이는 다시 IDB와 결합하여 캘리퍼 EMB(Electro Mechanical Brake)와 드럼 EMB로 개발되어 미래 자동차의 전동화 및 자율주행의 기술 기반을 제공할 것으로 예상된다.

Future Brake–Electro Mechanical Brake
EMB는 <그림 2>와 같이 유압 작동식의 기존 캘리퍼 브레이크가 아닌 완전 전동화된 브레이크이다. 전동화된 브레이크는 패드와 디스크 사이의 유격 제어에 용이하므로 패드 분진이나 불필요한 마찰 손실에서 자유롭고, 브레이크 오일이 필요 없다는 측면에서 친환경적이다. 또한 자동차의 조립 측면에서도 유압 라인을 연결하는 대신 커넥터와 와이어 연결로 생산 공정이 단순하다. 그리고 모터로 제동력의 유무와 크기를 제어하기 때문에 네 바퀴의 독립적인 제동력 분배와 차량 거동의 안정성 향상에 도움이 되는 등, 제동 성능 향상에도 긍정적이다.

차량 플랫폼에 따라 또는 지역적 특성에 따라 <그림 3>과 같이 캘리퍼 타입의 EMB, 드럼 타입의 EMB 또는 IDB와 EMB가 같이 적용될 수 있다. EMB는 기존의 유압식 캘리퍼 브레이크 또는 유압식 드럼 브레이크에 전동화 액츄에이터가 결합되어 구성된다. 액츄에이터의 구성은 크게 회전력을 발생시키는 모터, 회전 속도를 줄여 토크를 늘리는 감속기, 토크를 하중으로 변환하는 나사 기구, 모터 제어를 위한 ECU로 구성된다.

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기계부품의 전동화에 따라 기존 기계부품의 신뢰성 요구 조건에 대응하는 ISO 26262와 같은 전자제품의 기능안전성이 요구되는데, 브레이크의 대응 전략은 <그림 4>와 같이 크게 두가지로 나눌 수 있다. 첫번째는 차량의 각 바퀴마다 ECU를 구성하고 별도의 중앙 ECU를 구성하여 브레이크를 제어하는 방법이다. ECU, 배터리 배선, 브레이크 배선, 휠속센서 등 모두 이중화하여 높은 기능안전성을 달성하는 반면 시스템이 복잡해지고 시스템 구성 비용이 증가하는 단점이 있다. 반면 두번째는 네 개의 브레이크 중 하나의 ECU가 중앙 ECU 역할을 하고 고장 시 나머지 세 개의 브레이크 중 하나가 그 역할을 대체하는 방법으로 구성된 아키텍처이다. 

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배터리 및 브레이크의 배선은 이중화하여 기능안전성을 달성한다. 이 두 가지 방법 모두 센서, 모터, 배선 등 전자 부품의 고장에 대한 리던던시를 만족하는 아키텍처이며 ISO에서 요구하는 기능안전성을 만족하지만, 완성차 레벨의 기능안전성 요구 수준과 차량의 개발 컨셉에 맞는 브레이크 시스템 아키텍처의 정립이 필요하고 현재 표준화가 과정에 있다.

Future Brake-Integrated Dynamic Brake 2Highly Automated Driving (IDB2 HAD)
2000년대 중반 이후 실리콘 밸리를 중심으로 자율주행과 관련한 다양한 연구가 활발히 이루어졌고, 이러한 연구를 바탕으로 자율주행 제어기를 개발하는 업체들이 많이 생겼다. 초기의 연구는 대체적으로 양산 차량에 센서를 추가하여 차선이나 신호를 인식하고, 정해진 경로를 따라 움직이는 정도에서 시작하였다. 이후 이미지, Lidar, Radar 센서 등의 발전에 힘입어 차량 주변 상황을 인지하고 좀더 적극적으로 차량의 움직임을 제어하는 기술들이 많이 축적되었다.

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자율주행과 관련한 다양한 연구가 진행되면서 기존의 양산 차량에 기반하여 축적된 기술들을 바탕으로 차량의 신규 개발 단계부터 자율주행 제어기가 적용되어 여러 다른 제어기들과 협조 제어가 가능한 수준에 이르렀다.

IDB 제품은 다양한 차종과 차량의 아키텍처 및 기능에 맞추어 개발이 이루어졌다. IDB 제품은 약 3년여의 개발 기간을 거쳐 2018년 양산을 시작하였다. 이후 자율주행 차량에 적용 가능한 제품의 요구가 급격히 증가하면서 이를 만족시키기 위한 아키텍처 개발을 다시 시작하였다. 그 결과, IDB2 HAD(Highly Automated Driving)가 만들어졌고, 자율주행 차량에 필수인 제어기 이중화가 고려되었다.

<그림 5>는 IDB2 HAD 제품의 회로 구성도를 보여 준다. IDB2 HAD 제품은 제동 시스템의 이중화를 통해 하나의 시스템이 이상 동작을 하는 경우에는 다른 하나의 시스템을 통해 차량의 제동력을 발생시켜 안전성을 확보하는 것에 목적을 두었다. 이를 위해 각각의 내부 시스템에는 각종 센서 및 구동 회로, 모터 또한 이중화를 진행하였다.

IDB2 HAD 제품의 내부 회로는 크게 Main ECU와 Redundant ECU로 구성되어 있다. 정상적인 상황에서는 Main ECU에서 제어 권한을 가지고 각종 신호 처리 및 동작에 대한 결정을 하게 된다. Redundant ECU 또한 이중화 되어 있는 센서 신호를 처리하여 Main ECU로 처리된 값을 넘겨주는 역할을 담당한다. 운전자 혹은 자율주행 제어기에서 필요로 하는 감속도를 생성하기 위해 모터를 동작하여 유압을 생성한다. 유압을 생성하는 Motor는 권선이 이중으로 구성되어 있으며, 각각의 ECU에서 필요한 모터 성능을 50%씩 나누어서 제어를 하게 된다.

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각 ECU는 내부 상태를 감지하는 기능을 포함하고 있으며, 서로 상태 정보를 교환하게 된다. 하나의 ECU가 비정상적인 상태가 되는 경우에는 다른 하나의 ECU가 제어권을 넘겨 받게 된다.

<그림 6>과 같이 Main ECU와 Redundant ECU는 입력되는 신호의 안정성 및 ECU 내부 소자의 영향에 따라 동작 가능한 기능들의 수준이 결정되고, 이에 따라 Safe state가 여러 단계로 구성되어 있다. 이를 통해 IDB2 HAD 제품이 좀더 안정적인 제동력을 만들 수 있는 제어 전략을 적용하고 있다.

두 개의 ECU에서 모두 유압 제어를 통한 제동력 생성이 불가한 경우는 매우 드물게 일어나며, 고장률은 10ppm 수준이다. IDB2 HAD 제품은 유압을 이용한 제동력 이외에 후륜에 전자식 주차 브레이크의 제어 또한 담당하고 있다. 유압 제동이 불가한 경우에는 상대적으로 낮은 감속도이지만, 전자식 주차 브레이크를 이용하여 ABS와 같은 기능을 구현하여 차량을 정차 상태로 만들 수 있게 된다.​

 

글 / 김문성 (만도)

출처 / 오토저널 2022년 8월호   

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