전자제어 에어백 시스템

저자 소개
김민복 교수는 현대전자(주) 자동차 전장품 생산기술 과장을 거쳐 현대자동차 자동차 품질조사 고객지원 팀장을 역임했다. 그후 현대자동차 정비기술지원 하이테크팀에서 근무했으며, 현재 신흥대학교 자동차과 겸임 교수 겸 e-자동차 전기 연구원으로 활동하고 있다. 주요 저서로는 ‘최신 자동차 전기, 전자 제어 엔진’ 외 다수가 있다.
 

연재순서 1. 자동차의 전장품 분류  2. 시동장치 3. 충전장치  4. 점화장치 5. 등화장치  6. 계기장치 7. 자동차용 전선, 커넥터  8. 전자 제어 엔진(1) 9. 전자 제어 엔진(2)  10. 전자 제어 섀시(1) 11. 전자 제어 섀시(2)  12. 전자제어 에어백 시스템

자동차 전기장치 개요

자동차 전기장치에는 초기 시동에 필요한 시동장치, 연료를 공급하기 위한 연료 공급장치, 주행중 배터리로부터 방전된 전기량을 보충하기 위한 충전장치, 운전자에게 주행에 필요한 정보를 제공하기 위한 계기장치, 안전 운전에 필요한 경고장치와 신호장치, 우천시나 야간 주행시 안전 운전에 필요한 와이퍼 장치와 등화장치 등이 있다. 연료를 착화하는 방식에 따라서는 엔진에 필요한 점화장치나 예열장치도 요구된다. 이 밖에 사고를 예방하기 위한 안전장치, 차량 자체나 실물을 보호하기 위한 보안장치, 운전자에게 다양한 편의를 제공하는 편의장치 등이 있다. 

최근의 전기장치는 대기환경 규제와 편의를 중시하는 현대인의 생활 패턴에 따라 더욱 다양해지고 있다. 엔진 전장계를 보면 시동장치, 충전장치, 점화장치가 기존의 성능을 능가하면서도 소모 전력은 낮고, 편리성이 향상된 장치로 개발돼 장착되고 있다. 시동 모터 경우에는 기존의 필드 코일(field coil) 대신 계자용(界磁用) 영구자석을 사용해 소형화하면서 소모 전력은 오히려 낮추고 있다. SSB(Start & Stop Button) 장치를 개발해 편리성을 높이고 있고, 차량 연비향상을 위해서는 차량 정차시 엔진 공회전 시간 동안 엔진을 정지하고 출발시 재시동하게 하는 ISG(idle stop & go) 장치 등이 개발 장착되고 있다.

충전장치 중에는 에너지 회수 장치인 IPMS(Intelligent Power Management System)를 적용해 연비를 높이고 있다. 이 장치는 배터리 터미널에 전류 센서와 제어 모듈을 설치하고 가속시나 등판시 얼터네이터(alternator)를 전동 모드로 전환시켜 차량의 구동력을 향상시킨다. 감속시나 제동시에는 차량의 운동 에너지를 이용해 얼터네이터를 충전 모드로 전환토록 제어하는 마이크로 하이브리드 개념의 장치다.

에어백 시스템

에어백 시스템의 구분
다양한 전기 제어장치 중 이번 호에 소개하고자 하는 것은 사후 안전장치 중 하나인 에어백 시스템(Supplemental Restraint System, SRS)이다. 에어백 장치는 차량이 일정 수준 이상의 충격을 감지해 공기 주머니를 부풀려 탑승자와 차체 간 직접적 접촉을 막아 상해를 최소화 하는 장치로 크게 기계식 에어백과 전기식 에어백 장치로 구분한다.

기계식 에어백 장치는 초기 방식으로 에어백, 인플래터(inflator), 임팩트 센서(impact sensor)가 일체화 돼 있다. 이에 따라 에어백 전개시 부품 일체를 교환해야 하는 단점이 있고, 또 충돌시 차량 충돌 각도에 따라 임팩트 센서의 검출 감도가 크게 달라지는 결점이 있어 현재에는 거의 찾아보기 힘들다. 최근에 주종을 이루고 있는 전기식 에어백 장치는 기본적으로 에어백 모듈, 에어백 인플래터, 그리고 임팩트 센서와 제어 모듈(air bag ECU)로 구성돼 있다. 전기식 에어백 장치의 구분은 시스템 적용 방식에 따라 초기 개발돼 주종을 이루고 있는 범용 전자 제어식 에어백 시스템과 개량형인 스마트 에어백 시스템, 그리고 어드밴스드 에어백 시스템(advanced air bag system)으로 구분하고 있다.

스마트 에어백 시스템은 범용 전자 제어식 에어백 시스템과 달리 탑승원의 유무와 체중을 체크해 에어백을 전개하는 시스템으로 탑승원의 보호와 탑승원의 유무에 따라 불필요한 에어백 전개를 방지한다. 어린이가 탑승한 상태에서 에어백이 전개되면 에어백의 전개 속도와 압력에 의해 두부의 상해, 화상을 입을 우려가 있어 탑승원의 체중과 탑승 유무를 고려한  에어백이 중요하다. 이에 반해 어드밴스드 에어백 시스템은 탑승원의 체중은 물론 탑승원의 시트 위치에 따라 에어백의 전개 속도와 압력을 제어하는 시스템이다.

에어백의 종류는 장착 위치에 따라 프론트 에어백(front A/B), 사이드 에어백(side A/B), 커튼 에어백(curtain A/B), 니 에어백(knee A/B) 등으로 구분한다. 프론트 에어백은 운전석 에어백과 조수석 에어백을 말한다. 운전석 에어백의 장착 위치는 주로 스티어링 휠(steering wheel) 중앙부에 실장하며 조수석 에어백은 조수석 콘솔박스(console box)에 실장해 탑승원의 두부와 가슴을 보호한다. 그러나 최근에는 정면 충돌시 신체의 상해 정도가 머리 부위 보다 아래 쪽 상해가 높아 운전석과 조수석 안쪽 인스트르먼트 패널(instrument panel), 콘솔에 무릎 보호 에어백을 추가 실장하는 경우가 늘고 있다.

사이드 에어백의 장착 위치는 보통 시트 등받이 측면에 실장돼 측면의 흉부와 골반까지 보호한다. 그러나 측면 충돌시나 차량 전복시에는 두부 상해를 보호할 수 없어 커튼 에어백을 실장해 보완하고 있다. 사이드 에어백의 종류는 흉부를 중점으로 보호하는 서랙스 에어백(thorax A/B), 가슴과 머리를 중점으로 보호하는 헤드 앤 서랙스 에어백(head & thorac A/B), 머리를 중점으로 보호하는 커튼 에어백(curtain A/B) 등이 있다. 대개 사이드 에어백은 흉부를 보호하는 서랙스 에어백이나 헤드 앤 서랙스 에어백이 주종을 이루고 있으나 좌석 위치가 낮은 SUV 차량 경우에는 고급차를 중심으로 커튼 에어백 장착률이 증가하고 있다. 이와 같이 에어백의 종류는 장착 위치나 용도에 따라 차량에 적게는 1개에서 많게는 8개 정도가 장착되고 있고 장착 숫자는 갈수록 증가하고 있다.

에어백의 기본원리
차량 정면 충돌시 운동 에너지는 신체에 1차 전달되고, 그 힘은 반발력에 의해 2차 전달돼 신체는 앞으로 튀어나가게 된다. 이때 시트 벨트(seat belt)는 신체가 앞으로 튀어나가는 것을 방지해 에어백 전개시 머리가 에어백에 받칠 수 있도록 하고 있다. 실제로 시트 벨트를 착용한 상태에서 정면충돌하면 시트 벨트를 착용하지 않은 상태보다 머리와 흉부 부분 상해가 70% 정도 감소한다. 따라서 에어백의 장치는 시트 벨트에 보조해 작용하는 장치라는 의미에서 Supplemental Restraint System라고 부른다.

에어백의 작동 프로세스는 그림 1과 같이 차량이 물체와 충돌하면 충격 에너지는 약 20 ㎳ 경과 후 에어백 장치의 임팩트 센서와 세이핑 센서에 전달된다. 이렇게 전달된 충격 강도 정보는 에어백 ECU의 에어백 전개 정보로 입력된다. 에어백 ECU는 임팩트 센서 & 세이핑 센서로부터 에어백 전개 정보를 수신하고 에어백 ECU는 인플래터를 점화하기 위한 점화 신호를 출력해 차량 충돌 후 약 30 ㎳~40 ㎳ 경과 후 에어백을 전개한다. 보통 에어백 전개는 시속 약 30 km/h(제조사의 차종에 따라 다소 다름) 주행시 고정된 벽에 정면 충돌 했을 때 임팩트 센서가 구동해 에어백이 전개되도록 세팅된다. 임팩트 센서의 충격 감지는 보통 100 G ~ 250 G 정도다. 에어백의 전개는 차량의 주행 속도와 추돌시 충격 검출 위치에 따라 다르게 나타날 수도 있다.

에어백 모듈의 구조는 그림 2와 같이 패트 커버(pat cover)와 에어백, 그리고 인플래터로 이뤄져 있다. 패트 커버는 에어백 전개시 갈라져 쉽게 튀어 나올 수 있게 우레탄 재질을 많이 사용하고 있고, 에어백 전개 시 파편이 발생하지 않도록 그물망 실을 넣어 만들고 있다. 인플래터는 산업용 화약인 AZID 화약을 사용해 가스 발생제에 의해 질소 가스를 생성한다. 인플래터는 점화제에 의해 열이 가해지면 가스 발생제가 급속히 분해돼 질소 가스를 생성할 수 있도록 아지드화 나트륨 화약과 점화제를 알루미늄 용기에 내장하고 있다. 아지드화 나트륨(azaide NaN₃)은 급속히 분해되어 질소 가스를 생성한다. 1 기압 상태에서 아지드화 나트륨 1 g 만으로도 56 ℓ의 질소를 생성할 수 있어 에어백 전개에 매우 효과적이지만 화약으로 인한 점화 방식으로 안면부 화상으로 이어지는 문제도 있다.

인플패터 구조는 그림 3과 같이 점화장치, 전화제, 가스 발생제, 냉각제 및 필터로 구성돼 있다. 점화 장치에는 AZID 화약이 내장돼 있어 소량의 점화 전류만으로도 점화가 가능하다. AZID 화약에 점화 전류가 흐르면 소량의 화약이 연소돼 전화제를 연소하게 된다. 이렇게 전화제를 연소하게 되면 전화제는 열에 의해 가스 발생제를 연소시키고, 이 가스 발생제가 연소하게 되면 급격히 질소 가스가 발생돼 필터를 통해 약 40 ㎳ 이내에 에어백을 부풀린다. 에어백은 나일론 제품으로 내부에는 고무 코팅이 되어 있어 가스가 발생할 때 외부로 유출되는 것을 막는다. 에어백이 전개 된 후에는 가스가 쉽게 배출 될 수 있도록 하기 위해 에어백 후면에 통상 2개의 배출구를 두고 있다.

에어백 시스템의 구성
에어백 시스템은 기본적으로 프리텐셔너(pretensioner)의 보조 장치로 에어백 장치와 프리텐셔너로 구성된다. 에어백 장치는 에어백과 가스 발생제를 일체화 한 에어백 모듈과 에어백 ECU, 그리고 임팩트 센서와 기타 클럭 스프링으로 구성된다. 프리텐셔너 장치의 구성은 가스 발생 장치와 일체화한 프리텐션너와 시트 벨트 스위치, 그리고 에어백 ECU로 구성되어 있다.

① 에어백 모듈: 에어백과 인플래터가 일체화 돼 있으며 인플래터에는 AZID 화약을 착화하기 위한 점화 장치와 질소가스 발생제, 그리고 냉각제인 쿨런트, 배기구 앞에 감압 작용을 하는 디퓨져(diffuser) 등을 알루미늄 용기에 내장하고 있다.

② 에어백 ECU: 임팩트 센서와 세이핑 센서, 인히비터 스위치, 시트 벨트 스위치 등의 신호를 받아 인플래터를 점화하기 위한 컨트롤 유닛이다. ECU 내부에는 세이핑 센서를 실장하고 있는 것이 일반적이다. 에어백 ECU의 전원회로는 ECU의 전원 이상 시에도 에어백이 전개될 수 있도록 D/D 컨버터와 충전 회로를 내장하고 있다.

③ 임팩트 센서: 임팩트 센서는 보통 프론트 에어백의 경우 좌우측 프론트 멤버(front member)에 장착되며 사이드 에어백의 경우엔 센터 필러 좌우 하단에 장착돼 세이핑 센서와 크로스 체크해 충격 검출도를 높이고 있다. 세이핑 센서는 주로 리드 스위치(reed switch) 방식의 센서를 사용하며 에어백 ECU 내에 실장돼 에어백 출력측 구동 회로에 전원을 연결하는 기능을 갖고 있다.

④ 클럭 스프링: 스티어링 휠과 스티어링 컬럼 사이에 설치해 에어백 ECU와 에어백 모듈을 연결하는 기능을 갖고 있다. 스티어링이 회전을 해도 연결된 전선이 단선되지 않도록 릴식(reel type) 구조로 돼 있다.

⑤ 프리텐셔너: 에어백 전개와 동시에 시트 벨트의 느슨함을 감아 들이기 위해 피스톤과 실린더, 가스 발생기로 구성된다. 에어백 ECU는 임팩트 센서와 세이핑 센서의 충격 정보에 따라 동시에 에어백 모듈의 인플래터와 프리텐셔너의 가스 발생제를 점화한다. 프리텐셔너에 발생된 가스는 순간의 높은 압력에 의해 피스톤을 실린더 끝으로 밀어 올려 이완된 벨트를 감아 들이는 기능을 한다. <끝>

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