글│미하일 콜리쉬(Michael Kolitsch), 볼프강 뢰블(Wolfgang Löwl), 클라우스 뮐러(Klaus Ries-Müller), 보쉬
       울리히 라우프(Ulrich Lauff), 크리스토프 뮐러(Christoph Müller), ETAS

실시간 ECU 인터페이스 ETK(에뮬레이터 테스트 프로브)는 측정 전략 및 인버터 제어장치의 효율적인 개발을 수행한다. ETAS의 강력한 ECU 인터페이스 ETK를 채택할 경우, 차량 곳곳에 분포돼 있는 다양한 ECU를 통해 수백 개에 달하는 신호를 동시 다발적으로 수집할 수 있다. 또, ETK는 ECU로의 실시간 데이터 전송을 지원한다. 이를 통해 새로운 제어 알고리즘을 기존 ECU와 연계해 프로토타이핑 시스템에 손쉽게 전달할 수 있으며, 효율적으로 차량에서의 정밀 튜닝 및 내구성을 개선할 수 있다.

이 글에서는 디젤 엔진의 배출가스 정화 시스템과 하이브리드 카에 필요한 전자제어장치 개발에 있어서 성공적인 ETK 운영사례를 논하고자 한다.
하이브리드 추진 시스템, 직접 분사 가솔린 터보(TGDI) 엔진 또는 커먼레일 디젤(CRD) 엔진 시스템을 탑재할 경우, 차량의 전반적인 연료소비 효율(연비)이 크게 증가하게 된다. 강력한 성능의 전자제어장치는 복잡한 관련 시스템의 최적 운영을 위한 안전장치 역할을 담당한다. 제어장치의 개발과 캘리브레이션은 품질, 신뢰성, 비용 효율성 측면에서 최상의 요건을 충족해야 할 뿐만 아니라 다양한 차량 모델에 적용될 수 있어야 한다. 필수적으로 요구되는 속성을 제공하기 위해서는 전자기술과 소프트웨어 플랫폼, 효율적인 프로세스, 방법 및 툴의 채택과는 별개로 전자제어장치(ECU)를 위한 강력한 인터페이스가 반드시 필요하다.
SULEV(Super Ultra-Low Emission Vehicle)의 배출가스 허용기준을 충족하려면 디젤 승용차에 대한 최신 배기가스 처리기술을 이용하는 콘셉트가 필요하다.
현재 캘리포니아 주에서 내연기관 엔진을 장착한 차량 모델이 최저공해(Lowest) 혹은 극초저공해 자동차(SULEV) 등급으로 분류되기 위해서는 저공해 자동차(Low Emission Vehicle, LEV) 배출가스 허용기준인 LEV II 또는 LEV III를 충족해야 한다. LEV II 및 LEV III의 배출 허용치는 유럽의 엄격한 EURO 6 또는 미국의 Tier-2 Bin 5(2010년 배기가스 규제 수준)에서 명시한 배출 허용치 보다 훨씬 낮은 수준이다. 디젤 차량의 배기가스 배출량을 SULEV 배출 허용치 이하 수준으로 만들기 위해서는 엔진의 설계 및 개발에 있어서 최첨단 배기가스 정화기술을 이용한 복합적인 개선이 필요했다. 이에 따라, 보쉬(Bosch)는 디젤 차량의 질소산화물(NOx) 배출량을 최소 수준으로 저감시키는 질소산화물 환원 시스템 디녹스트로닉(Denoxtronic)을 개발했다.

디녹스트로닉 시스템은 선택적 촉매환원(SCR) 장치와 연동해 배출가스에 들어있는 NOx를 거의 완벽하게 제거할 수 있다. 정화 과정은 물과 요소(urea)로 이뤄진 환원제를 통해 이뤄지는데, SCR 촉매 컨버터의 상류단에 32.5%의 요소 용액을 분사한다. 투입된 요소 환원제는 열분해와 가수분해의 복합작용을 통해 암모니아로 변환되고, 이 암모니아는 SCR 장치 내에서 아산화질소(N2O)와 결합해 인체에 무해한 물과 질소를 생성한다.

이 시스템의 전자제어 기능은 엔진관리 ECU를 통해 제공되거나 분사 제어장치(Dosing Control Unit, DCU)를 이용한 별개의 측정 방식을 통해 구현될 수 있다. 후자의 경우, 현시점의 엔진구동 데이터가 CAN 버스를 통해 DCU로 전달된다. DCU는 이러한 엔진 데이터 이외에도 시스템이 필요로 하는 센서 데이터를 처리한다. 디녹스트로닉 시스템은 향후 차량별 적용을 대비해 소프트웨어 형식으로 개발됐다. 가능한 최대의 질소산화물의 변환 효과를 얻기 위해서는, 환원제의 양을 대상 엔진의 특성과 해당 촉매환원 장치의 속성에 맞게 정확히 투입해야 한다.

디녹스트로닉 시스템의 효율적인 프로토타이핑
디녹스트로닉 시스템의 설계 및 구현은 보쉬의 ‘디젤 시스템’ 사업부 내에 있는 배기가스 정화 시스템 개발부서가 담당하고 있다. 기능 측면에서 고객들의 요구사항이 갈수록 구체화 되고 있으므로, 개발 일정에 따라 최대한 빠른 시기에 타깃 시스템의 거동을 보여줄 수 있어야 한다. 이 작업에 이상적으로 적합한 것이 바로 유연한 확장성을 갖춘 프로토타입이다(그림 1).





보쉬 디젤 시스템 사업부의 소프트웨어 및 기능개발자들은 이러한 프로토타입 제작을 목적으로 강력한 성능의 실시간 ECU 인터페이스 ETK는 물론 ETAS의 통합 장비를 함께 채택하고 있다. 디녹스트로닉 플랫폼 소프트웨어는 ETAS ASCET를 통해 100% 모델기반 방식으로 개발된다. 모듈 방식의 래피드 프로토타이핑 시스템 ETAS ES1000과 측정 및 캘리브레이션 툴인 ETAS INCA를 채택할 경우, 기존 ECU 소프트웨어를 수정하지 않고도 차량 내부에서 새로운 알고리즘을 효율적으로 검증할 수 있다. 이 과정에서 새로운 기능들은 ES1000 시스템을 통해 실시간으로 산출되며, 동시에 ETK를 통해 DCU와 동기화된다. ES1000 시스템 상에서 DCU 타이밍에 맞춰 10 ms 및 100 ms 간격으로 산출되는 다양한 출력 신호는 곧바로 DCU 컨트롤러의 메모리 셀에 입력된다. 이를 위해 ETK 인터페이스 하드웨어의 일부가 DCU의 마이크로프로세서에 연결되게 된다. 모듈 방식의 ES1000 시스템은 기능 산출을 위한 입력신호로 제 2의 ETK 인터페이스를 통해 엔진 관리 데이터를 수집하는 동시에, CAN 버스와 A/D 인터페이스 보드를 통해 NOx 센서와 열전대로부터 신호를 수집한다(그림 2). 이러한 래피드 프로토타이핑 시스템으로의 태스크 스왑-아웃은 특정 응용프로그램을 겨냥한 새로운 기능의 반복적인 정제와 그 이후 이뤄지는 차량 내 테스트 과정에서의 정밀 튜닝을 용이하게 해준다.



하이브리드 시스템을 위한 신속한 전자제어장치
보쉬의 ‘가솔린 시스템’ 사업부가 개발한 파워 일렉트로닉스는 폭스바겐, 포르쉐, 푸조, BMW 등 시리즈 모델로 생산되는 하이브리드 카에 성공적으로 사용됐다. 파워 일렉트로닉스는 인버터와 DC/DC 컨버터를 포함한다. 인버터의 핵심은 상전류 최고 450 Arms, 전압 최고 410 V의 전기 모터를 제어하는 IGBT 고성능 출력 스테이지다. 집적 제어회로 보드는 전류, 전압, RPM, 온도 등에 대한 센서 데이터의 수집뿐만 아니라, 버스 시스템 상의 커뮤니케이션 및 IGBT 출력 스테이지를 통한 전기 모터의 구동을 담당한다. 인버터는 응용프로그램에 따라 토크 제어, RPM 제어, 전류 혹은 전압 제어 등 다양한 모드로 운영될 수 있다. 출력 스테이지는 10 kHz로 구동되며, 해당 제어 알고리즘은 100 μs 간격으로 산출된다. 이렇게 짧은 시간 간격을 두고 인버터 제어 신호를 수집하는 것은 ECU 인터페이스에 큰 부담을 주게 된다.

보쉬 가솔린 시스템 사업부의 캘리브레이션 엔지니어들은 인버터 소프트웨어의 리캘리브레이션 데이터를 다양한 차량 프로젝트의 하이브리드 시스템에 맞게 조정해 사용하기 위해 ETK를 통한 INCA를 사용한다. 엔진관리 장치로부터의 ETK 데이터, 차량 환경 전체로부터의 CAN 및 아날로그 센서 신호와 같은 추가 신호들은 이와 같은 목적으로 ETAS의 간편한 인터페이스와 측정 모듈의 지원과 연동돼 수집된다(그림 3). 이를 통해 테스트 드라이브 도중 하나의 동일한 측정 시간축을 중심으로 파워 일렉트로닉스, 전기 모터, 고전압 차량 네트워크의 상호작용이 관찰, 기록, 참조될 수 있다.



고용량 측정 데이터 수집 위한 실시간 ECU 액세스
ETK는 환경온도, 진동, 전원공급, 전원장애와 관련해 모든 차량별 요구사항을 충족한다. 측정 데이터는 특수한 방식을 이용해 점화장치가 켜지자마자 ETK를 통해 아무런 손실 없이 일관성 있게 수집된다. 온보드 전자제어 장치의 설계, 적응, 밸리데이션 과정에서 요구사항이 많은 응용 프로그램을 지원하고자 하는 노력의 일환으로, ETAS는 고용량 데이터 전송기능과 세밀한 실시간 요구사항들을 결합한 강력한 성능의 실시간 ECU 인터페이스 ETK를 지속적으로 발전시키고 있다. 고객의 요청이 있을 경우, ETK는 개방형 XCP-on-Ethernet 인터페이스와 함께 장착될 수 있다. XETK라 불리는 이 인터페이스는 특별한 인터페이스 하드웨어를 설치할 필요 없이 프로토타이핑, 측정, 캘리브레이션 응용 프로그램을 운영하는 PC의 이더넷 포트에 직접 연결시켜 사용할 수 있다. ETAS는 다양한 종류의 마이크로컨트롤러 및 ECU 플랫폼에 맞춰 여러 가지 ETK 및 XETK 제품을 제공하고 있다.

AEM_Automotive Electronics Magazine