전자제어 전기

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. 전자 제어 에어백 시스템 13. 차량용 냉방 장치 14. 전자제어 전기

바디 전장 시스템의 개요

바디 전장 시스템은 자동차의 차체에 설치되는 전장 시스템을 총칭한다. 크게 나누면 안전 장치와 편의 장치로 나눌 수 있다. 안전 장치는 추돌 전 미연의 사고를 방지하기 위한 능동안전 장치(active safety system)와 추돌 후 신체의 상해를 최대한 보호하기 위한 수동안전 장치(passive safety system)로 구분한다. 바디 전장 시스템 중 대표적인 수동안전 장치로는 안전 벨트의 보조 장치로 사용되는 SRS(Supplemental Restraint System), 능동안전 장치로는 SPW(Safety Power Window) 시스템, BWS(Back Warning System) 시스템 등이 있다.

편의 장치로는 차량 운행을 위해 필요한 편의 장치와 주행에 필요한 주행 편의 장치, 그리고 거주 공간으로서 생활 편의 장치인 인포테인먼트 시스템(infotainment system) 등이 있다. 가장 대표적인 시스템은 ETACS 시스템이 있다. ETACS는 Electronic Time & Alarm Control System의 약어로 운전자에게 전자적으로 시간과 경보를 제어해 제공하는 운행 편의 장치다. 본래 일본 미쓰비시가 명명해 사용해 오던 것을 국내 제조사가 기술을 들여오면서 그대로 붙인 명칭이다. 그러나 최근에는 다국적 전장부품 업체가 국내에 들어오면서부터 ETACS 시스템은 BCM(Body Control Module) 시스템으로 불리기도 한다. BCM 시스템은 기능상 ETACS 시스템과 크게 차이는 없지만 시스템 간 제어 기능을 데이터 라인(data line)을 통해 제어한다.

ETACS와 BCM 시스템의 기능은 제조사의 차종에 따라 다소 차이는 있지만 근본적 차이는 없다. 시스템에 적용되는 ETACS ECU는 8 bits, 16 bits MCU가 주종을 이룬다. BCM은 16 bits 이상 MCU를 주로 사용된다. ETACS 시스템은 자기 진단 기능이 없는 것이 주종이다. 반면 BCM은 자기 진단은 물론 주변 장치와 정보를 주고받을 수 있는 CAN & LIN 통신이 가능한 장치가 주종을 이룬다.

ETACS와 BCM 장치는 탑승자에게 운행에 필요한 정보, 주행 전 및 주행 시 운전자에게 필요한 정보는 물론 안전 운행에 필요한 정보와 기능을 제공하는 종합제어 장치로 그 기능 요소는 날로 증대되고 있다. 특히 프리미엄 급 차량일수록 기능 요소가 향상돼 통합제어 시스템으로 발전해 가고 있다. 실제로 ETACS 시스템은 과거에는 대형차에 적용돼 오던 것이 최근에는 주로 소형차에 적용이 되고 있고, 주변 장치와 통신이 가능한 BCM 시스템은 최근에는 중형 및 준준형차에도 적용되고 있다.

ETACS의 구성 및 기능

ETACS의 시스템 구성은 그림 1과 같이 입력부와 제어부, 출력부로 구성된다. 기능에 따라서는 기본적으로 (a)와 같이 운행에 필요한 각종 경보 기능이나 와이퍼 기능이 적용된 시스템, 그림 (b)와 같이 원격 도어 엔트리(door entry) 기능이 추가된 키-리스 엔트리(key-less entry)와 도난 경보 기능이 적용된 시스템이 있다. 최근에는 입출력 편의 사양의 증가에 따라 와이어 하니스(wire harness)의 증가를 억제하기 위해 장치 간 CAN이나 LIN의 직렬 통신을 통한 MUX 시스템(multiplex system)이 적용되고 있다.

EATCS 시스템의 입력부는 기본적으로 각종 도어 스위치, 와이퍼 스위치, 기능에 따라서는 미등 스위치나 파킹 브레이크(parking brake) 스위치, 시트 벨트(seat belt) 스위치 등이 입력 요소로 추가된 것이 일반적이다. 반면 출력부에는 안전 운행에 필요한 경고등, 차임벨, 도어 록 액추에이터나 파워 윈도 모터를 제어하기 위한 릴레이(relay) 등이 구성돼 있다.

제어부에는 8 bit나 16 bit MCU를 사용하는 것이 일반적이다. 제어부 내부는 그림 2와 같이 입력 신호를 매칭(matching)하기 위한 인터패스 회로와 MCU, 출력부를 구동하기 위한 드라이브 회로로 구성된다. 제어부 내부에는 전원 전압의 불안정을 감시하기 위한 워치 독(watch dog) 회로나 파워 레귤레이터 회로가 있다. 입력부는 주로 스위치 회로의 신호를 입력으로 사용하고 있어 인터패스 회로는  간단한 R-C 회로로 구성된다. 출력부는 주로 각종 경고등 및 릴레이를 구동하는 신호를 출력으로 사용하고 있어 저전류 구동에 적합한 파워 TR이나 다링톤 TR 어레이(darlington TR array)를 사용하고 있다.

이 밖에 경고등과 같이 필라멘트 전구를 사용하는 제어 회로는 약 500 ㎃ 이하인 저전류를 제어한다. 그러나 TR를 구동회로로 사용하는 경우 설계시 초기 과전류를 충분히 고려해 드라이브 회로를 설계하고 있다.

한편 ETACS 시스템의 기능은 기본적으로 안전 운행을 하기 위한 도어 열림 경고 기능, 안전 벨트 경고 기능, 도어 록 기능, 와이퍼 속도 제어 기능, 파워 윈도 제어 기능, 편의성을 향상한 룸 램프 제어 기능, 후방 열선 타이머 기능 등을 갖춘 것이 일반적이다. 차종에 따라서는 원격으로 도어의 잠김과 풀림 기능이 가능한 키-리스 엔트리 기능과 도난 경보 기능이 내장된 도난 경보 기능도 적용되고 있다. 표 1은 국내 H사의 차종에 따른 ETACS의 기능을 예로 들어 놓은 것이다. 차종에 따라 일반적인 기능이 추감 되고 있는 것을 볼 수가 있다.

또 최근에는 프리미엄급 자동차에 적용되고 있는 스티어링 틸트(steering tilt) 제어 기능, 시트 위치를 기억해 정위치를 찾아가는 자동 시트 리마인드 기능, 사이드 미러 제어 기능 등이 적용되고 있다. 그러나 이러한 다양한 기능은 와이어 하니스와 컨넥터의 증가로 전선의 중량 증가와 컨넥터 접속 문제의 증가로 나타나 와이어 하니스를 대폭 감소하기 위해 제어 대상별 별도의 컴퓨터 모듈을 두어 통신 라인(data line) 통해 입출력 요소를 제어할 수 있는 방향으로 전환돼 가고 있다. 통신 라인을 통한 제어 시스템은 자기 진단 기능을 강화 할 수 있어 고장 개소 점검이 쉽고, 고장 이력까지 관리 가능한 이점이 있다.

ETACS의 키-리스 엔트리

RKE(Remote Keyless Entry)는 원격으로 도어의 열림과 잠김 기능을 갖고 있는 편리한 시스템이다. 보통 그림 3의 블록 다이어그램과 같이 도난 방지 기능을 포함하고 있는 것이 일반적이다. 제조사에 따라서는 도난 방지 기능뿐만 아니라 겨울철 엔진의 워밍 시간을 이용하기 위한 원격 시동 기능도 포함하고 있다. RKE 기능에 사용되는 무선 주파수는 표 2와 같이 주로 AM 315 MF㎐, FM 447 M㎐ 주파수를 사용해 송신 안테나를 통해 5 ㎽이하의 전파를 송신 출력한다. 이때 변조된 송신 주파수는 수신기가 인식할 수 있는 비밀 코드값을 갖고 있어 해당 수신기는 복조된 코드값이 같을 때에만 데이터 라인을 통해 ETACS ECU로 전송하도록 하고 있다.

RKE에 사용되는 전송 코드는 차종에 적용된 ETACS에 따라 고정 코드로 전송하는 방식과 롤링 코드(rolling code)로 전송하는 방식이 있다. 고정 코드로 전송하는 방식은 구조가 간단한 잇점이 있는 대신 코드 길이에 따라서 다른 리모컨과 코드가 중복될 수 있는 단점이 있다. 롤링 코드 방식은 리모컨 작동시 마다 송신 코드가 순차적으로 바뀌어 고정 코드 방식에 비해 송신 코드가 중복될 확률이 낮다.

보통 리모컨의 비밀 코드 입력 방법은 수신기 모듈의 SET SW를 SET에 위치하고 리모컨 송신기의 LOCK과 UNLOCK 버튼을 1초 이상 누른 후 LOCK 또는 UNLOCK 버튼을 1초 이상 누르면 코드가 ETACS 메모리(EEPROM)에 기억된다. RKE 기능은 리모컨 스위치의 도어 록 또는 언록 버튼을 누름과 동시에 도난 방지 기능의 경계 또는 해제 기능이 작동 되도록 돼 있다. 리모컨 스위치의 도어록 버튼을 눌러 도난 방지 기능이 경계 상태로 진입 할 때에는 트렁크를 포함한 모든 진입구는 닫혀 있는 상태가 돼야 만 경계 모드로 들어간다. 이는 ETACS ECU가 트렁크나 후드, 모든 도어의 스위치가 하나라도 ON(도어가 열림 상태)으로 인식될 때에 해제돼 유사시 경고음 발생과 도난 방지 기능을 금하도록 하기 위함이다.

통 차량이 경계 상태에 진입하면 차종에 따라 다소 차이는 있지만 비상등이 1회 점멸하는 동시에 경계 상태에 진입한다. 일단 도난 방지 기능이 경계 상태로 진입하면 정션 박스에 있는 스타트 릴레이 또는 버글러 알람 릴레이(burgular alarm relay)의 전원을 차단시켜 스타트 모터의 마그넷 스위치(magnet switch)로 공급되는 전원을 차단한다. 이 방식은 자동차의 시동 회로를 통해 강제 시동이 가능한 단점이 있어 현재는 중형차를 중심으로 엔진 ECU와 연계해 연료 분사를 차단하는 이모빌라이져(immobilizer) 기능을 적용하고 있다.

한편 원격 시동 기능은 차종에 따라 RKE 기능에 포함된 기능으로 리모컨의 시동 버튼을 누르면 일발 시동되는 기능이다. 이 기능은 먼저 변속 레버의 시프트 패턴(shift pattern) 위치가 P(parking), N(neutral) 위치에 놓여 있어야만 시동 모터로 전원 공급을 한다. 보통 리모컨의 스타트 버튼을 누르면 ETACS ECU는 약 0.5초~2.0초 정도 스타트 릴레이에 전원을 공급한다. <끝>

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