제동 시스템의 변화

브레이크는 바퀴에 힘을 가해 감속하거나 정차하기 위한 장치다. 자동차가 최초로 만들어진 시점부터 지금까지 가장 중요한 안전장치 역할을 담당하고 있고, 앞으로의 자율주행 시대에도 마찬가지다. 자동차가 등장하고 1960년대까지 제동장치는 기본적인 ‘멈춤’ 기능을 수행하기 위한 방향으로 개발됐다. 작은 페달의 힘으로 큰 제동력을 빠르고 균일하게 만들기 위해 배력과 유압을 활용하며. CBS(Conventional Brake System)로 불린다. 

자동차가 대량으로 보급되며 다양한 도로조건을 반영한 제동성능의 기대가 높아졌다. 이에 따라 제동거리의 단축, 차량 자세 안정성 확보를 위해 항공용 브레이크인 ABS(전자식 미끄럼 방지장치, Anti-lock Brake System)가 1960년대 말에 최초로 적용되기 시작했다. 국내에 적용된 것은 1992년에 이르러서였다. ABS 기술은 제동장치의 특징이 단순 멈춤 기능에서 ‘안전성’까지 확대된 것이라 볼 수 있다. 

ABS는 바퀴의 회전 속도를 측정하는 센서인 WSS(Wheel Speed Sensor)가 필수로, 이 센서를 이용하면 TCS(Traction Control System)라는 기능도 구현할 수 있고, 미끄러운 노면​ 에서 출발할 때 바퀴의 미끄럼을 방지해 안전성을 더욱 높여준다. 

ABS에서 한 단계 더 진화한 것이 차량자세제어장치로 불리는 ESC(Electronic Stability Control)다. 이름처럼 자세를 측정할 수 있는 센서를 추가적으로 사용한다. 제동뿐만 아니라 주행 시 엔진 토크까지 제어해 위급한 상황에서도 자세를 안정적으로 유지해 준다.

2000년대 초반부터 자동차 업계는 충돌사고를 미리 예방하는 안전기술을 발표했고, 능동적 안전기술이 대두되며 소형차부터 대형차까지 폭넓게 적용되기 시작했다. 현재 대표적인 운전자 보조시스템(ADAS)으로는 스마트 크루즈 컨트롤(SCC)이나 전방충돌방지보조(FCA) 등이 있다. 제동시스템의 관점에서는 레이더나 카메라가 주변환경을 실시간으로 인지하고, 이를 반영한 제동정보를 ADAS제어기에 전달하는 ‘협조제어’가 요구된다. 최근에는 안정성을 넘어 편의성을 강조한 원격스마트주차보조(RSPA) 기능에도 협조제어가 증가하고 있다. 

최근 수 년간 제동시스템은 내연기관에서 전기, 연료전지, 하이브리드 등 전동화 차량으로의 전환이 가속화됨에 따라 회생 제동시스템을 활용한 연비향상에 집중하고 있다. 이를 위해서는 구동모터의 부하에 의한 회생제동력과 마찰제동력의 협조제어가 필요하다. 기존의 ESC의 역할과 회생제동이 가능한 시스템을 결합한 ‘전동식 통합형 회생제동시스템(iMEB)’을 모비스가 개발한 배경이기도 하다. 그렇다면 앞으로의 제동 시스템은 어떠한 모습일까?

M.E.C.A 트렌드에서의 제동 시스템 요구사항

자동차 산업의 잘 알려진 메가 트렌드로부터 제동 시스템에 요구되는 특성을 M.E.C.A 용어 중심으로 살펴보면 다음과 같다.

Mobility 영역에서는 PBV(Purpose Bulit Vehicle) 등 형태 다변화에 따른 운영환경 변화가 요구된다. 이에 따라 레이아웃/생산 자유도 증대를 위한 XBW 기술 개발과 새로운 운영환경 요구에 따른 작동 영역 확장이 필요하다. Electrification 영역에서는 xEV 차량의 공차중량 증대, 휠베이스 증대, 차체의 무게중심이 낮아짐에 따라 차량동역학 거동 변화 및 효율성 극대화가 요구된다. 이에 전비 향상을 위한 회생제동 극대화 기술과 구동과 제동의 통합제어 기술도 필요하다.

Connectivity 영역에서는 무선통신 기반의 새로운 기능 서비스 개발이 요구된다. 이를 위해서는 도메인 제어기, OTA(Over The Air), 사이버보안 기반 기술 개발이 필요하다. 또한 SW 기능 구독서비스 영역이 확대되고 이는 HW 옵션 상향 일원화가 요구된다.

Autonomous 영역에서는 자율주행을 위한 풀 리던던시 제어기 개발이 요구된다. 이를 구현하기 위해서는 ECU, 센서, 엑추에이터, SW의 이중화 설계가 필요하다. 또한 편제동을 이용한 긴급조향과 같은 도메인 간 백업 리던던시 설계가 필요하다. 이러한 모빌리티 트렌드와 업계에서 요구되는 성능과 기술에 따라 제동 시스템은 <그림 1>과 같이 개발되고 있다​.

모비스 전자제동 시스템의 개발 방향성 및 전략 

브레이크 시스템은 기능적으로 크게 운전자가 브레이크 를 밟는 힘을 증폭시키는 ‘압력 공급부’와 각 바퀴에 가해 질 제동력을 조절하는 ‘제동 제어부’로 구성되어 있다. 전기 차 보급이 확대되면서 회생제동에 의한 효율이 중요시되었 다. 이에 회생제동 협조제어를 위한 전자제동시스템 개발 이 필요했고, 모비스는 <그림 2>처럼 MEB(Mobis Electronic Brake), ERBB(Electronic Regenerative Brake Booster), iMEB(integrated Mobis Electronic Brake), EMB(Electro Mechanical Brake) 시스템을 개발하였다. 

M.E.C.A 트렌드 요구사항에 따라 성능 최적화 및 회생제동 기술 개발부터 미 래 모빌리티 대응을 위한 전동화, 자율주행 기술 개발로의 방향성을 가지고 개발 진행 중이다. 미래의 자동차 시장에서는 M.E.C.A 트렌드 확대 및 자율 주행 관련 기술이 고도화될 것으로 예상되며, 자율주행 차 량을 위한 안전성 및 신뢰성 확보가 필수적으로 요구된다. Global 제동 시스템 부품사들도 2 Actuator 제동 시스템 기 준으로 OE 및 업체 별 다각적인 접근을 준비하고 있다. 이 에 모비스는 자율주행 리던던시 개발 전략을 능동형 EBS System, 신규 시스템 개발, Brake by Wire 기술을 통하여 가져가고자 한다. 첫 번째 전략은 제동 시스템 대한 Safety 관점의 보수적인 접근이다. 이를 위하여 2 Actuator 적용을 통한 제동 안전성을 보장하고자 한다. 

두 번째 전략은 전기 차 확대 개발에 따른 Engine Room이 축소가 예상되며 이에 따라 Packaging 최적화 방안을 적용하고자 한다. 세 번째 전략은 원가 경쟁력 확보 및 Proven Technology 적용을 위 하여 기존 ESC 제품을 적극 활용하여 원가 및 기술적 경쟁 력을 유지하고자 한다. 네 번째 전략은 차세대 제동 시스템 기술을 적용하고자 한다. 이는 EMB 및 e-Pedal 적용을 통 한 BBW 기술을 선도할 것이다. 마지막 전략은 회생제동을 적극 사용하여 궁극적으로는 Friction Brake를 사용하지 않 을 것이다. 

모비스 제동 자율주행 리던던시 로드맵 

모비스는 시장의 트렌드 기반 기술 수요를 예측하고 리 던던시 전략을 바탕으로 미래 제동 선행기술을 개발 중에 있다. 현재는 <그림 3>과 같이 자율주행 기반기술을 확보하였고, 이를 종래 기술 개선과 융합을 통하여 단기적으로는 iMEB AD(iMEB+MEB) 시스템으로 리던던시를 확보하였다. 중장기적으로는 ERBB AD(ERBB+MEB) 시스템을 개발하여 자율주행 차량 적용 및 리던던시를 확보할 예정이다. 

또한 Brake by wire 기술을 개발하여 Hybrid EMB(전륜 유압+후륜 EMB) 시스템으로도 자율주행 차량에 적용할 예 정이다. 장기적으로는 완전한 Brake by Wire 기술이 적용된 Full EMB 시스템을 통하여 자율주행 차량에 제공할 것이다. 

ERBB 시스템 소개 

대부분의 제동 시스템은 운전자가 브레이크를 밟는 힘 을 증폭시키는 ‘압력 공급부’가 진공의 힘을 이용하여 생성 하고 있다. 진공 배력을 이용한 기계적 제동시스템에서 모터 힘을 이용한 전기적 제동 시스템으로 전환한 시스템이 전동 식 부스터 시스템이다. 특히 전기차 보급이 확대됨에 따라 회생제동을 이용한 효율을 중요하게 생각하여, 고객들은 최 대한 많은 양의 회생제동량이 가능한 전동식 부스터를 원 하고 있다. 이에 모비스는 기존 친환경차에 적용되어 양산 되고 있는 iMEB 시스템과 동등한 회생제동력이 발생가능한 ERBB(Electronic Regenerative Brake Booster) 시스템을 개 발하였다

ERBB 시스템은 <그림 4>와 같이 기본적으로 MEB 시스템 과 같이 장착된다. 브레이크 페달과 스트로크 센서(PSS)를 통하여 운전자 제동 의지를 파악한다. PSS 신호 인식 후에 모터가 제동 토크를 생성하고, 기어박스를 통해 배력 및 감 속이 이뤄진다. 발생된 제동압력은 MEB로 전달되고, 휠 슬 립제어(ABS, ESC)와 같은 기능이 필요할 경우 압력을 MEB 로 제어하게 된다. 페달 답력과 모터 발생 추력을 분리하고, 제동력을 모 터 발생력으로만 생성한다. 모터 적용으로 빠른 응답성이 확보되고, 특히 페달 시뮬레이터가 적용되어 있어서 페달 Feeling 특성에 유리하다. 

또한 회생제동 효율이 높고, MEB 와 항상 같이 장착되어 전기적, 기구적 리던던시가 확보된다. ERBB 자체에서 회생제동이 가능하기 때문에 별도의 추가 적인 회생제동용 제동 부품을 사용할 필요가 없다. 또한 플 라스틱 하우징 적용으로 중량도 알루미늄, 스틸 하우징 대비 가볍다. 

eDTM 기술 소개 

미래 모빌리티는 M.E.C.A 트렌드를 반영하여 급격히 진화 하고 있다. 다양한 형태의 전기차 증가로 인해 구동과 파워 트레인 시스템 특성을 처리할 수 있는 더욱 효율적이고 효 과적인 제동 기술이 요구된다. 

특히 단순 자동차 부품의 공 급을 넘어서 통합 솔루션을 제공하기 위해서는 ‘에너지 효율’ 과 ‘SW의 모듈/융합화’에 집중할 필요가 있다. 에너지 솔루션 관점에서는 차량 구동/제동 최적 토크 제어(eDTM: electronic-Dynamic Torque Management) 및 최 대 회생제동 확보(MaxRegenTM)를 위한 SW을 개발하고 있 다. 이 SW를 개발함에 있어 모듈화와 융합화을 위한 아키 텍쳐를 적용하고자 한다. 이 기술 구현을 위한 최적의 플랫 폼은 독립 휠 구동과 독립 휠 제동이고 모비스의 인휠 시스 템과 EMB 시스템이 최적의 솔루션이 될 수 있다. 제동 시스 템의 주요 목표 중 하나는 마찰제동의 최소화이다. 이는 브 레이크 캘리퍼의 사이즈 및 원가절감에 유리한 측면이 있다. 이를 위해서는 기존의 마찰제동이 담당했던 감속도 영역을 회생제동으로 대체할 수 있어야 한다. 현재는 회생제동의 영 역이 0.3g 이하의 주제동 영역에서 주로 사용하고 있다. 이 eDTM 기술을 통하여 주제동 뿐만 아니라 ABS, TCS, VDC 의 기능에서도 회생제동을 적극 사용하여 에너지 효율을 높 일 수 있다. Fail-operation 관점에도 회생제동을 이용하여 엑츄에이터 고장의 경우에도 차량의 제동 안정성을 확보할 수 있다. 또한 현재 전기차 및 신규 섀시 플랫폼에도 적용가 능한 구동/제동 최적 토크 제어를 할 수 있다.

제동 시스템은 ‘멈춤’ 기능을 ‘안전’하고 ‘안정’적으로 수행하기 위해 발전하면서, ‘친환경’과 ‘연비 효율’을 만족하기 위해 진화하 였다. 이제는 모빌리티, 전동화, 연결성, 자율주행의 시대를 맞이하여 제동 시스템은 또 다른 진화를 준비중에 있다. 이에 모비 스는 두 개의 엑츄에이터 기반의 리던던시 전략을 가지고 미래 모빌리티 및 자율주행 시장을 대응하고자 한다. 모비스는 최근 에 ‘하드웨어와 소프트웨어가 결합된 통합 모빌리티 플랫폼 프로바이더’ 라는 브랜드 전략을 발표하였다. 이에 제동 시스템은 다양한 모빌리티 플랫폼에 적용 가능한 ERBB(Electronic Regenerative Brake Booster) 시스템을 개발하였고. 하드웨어뿐만 아니라 소프트웨어 중심의 솔루션을 제공하기 위한 eDTM(electronic-Dynamic Torque Management) 기술도 준비 중이다. 향후 어떠한 형태의 모빌리티가 얼마나 큰 규모의 시장으로 형성될지 어느 누구도 쉽게 예측할 수 없지만 모비스의 선두에 모 비스의 제동 시스템이 자리매김하고자 한다.​ 

글 / 황희찬 (현대모비스)

출처 / 오토저널 2023년 8월호