Editor's Note
자동차에 있어 제동장치는 탑승자와 보행자를 보호하기 위한 가장 중요한 장치로 꼽힙니다. 성능이 조금만 저하되어도 생명을 위협할 수 있기 때문인데요. 모빌리티 시장이 전동화와 자율주행 시대를 맞이하면서 브레이크 시장도 부품 전동화와 자율주행 시스템에 대응할 수 있도록 변화하고 있습니다.
오늘은 EMB와 IDB2 HAD를 중심으로 HL만도가 차세대 자동차를 위한 브레이크 시스템을 어떻게 개발하고 있는지를 살펴보고자 합니다. 약 5분 분량입니다.
미래 자동차 시장에 대한 제동 시스템 개발 전략
1) 전동화·자율주행 시대를 맞이하는 브레이크 시스템의 변화
2) 미래 브레이크 시스템 – EMB(Electro Mechanical Brake)
3) 미래 브레이크 시스템 – IDB2 HAD(Integrated Dynamic Brake 2 Highly Automated Driving)
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전동화·자율주행 시대를 맞이하는 브레이크 시스템의 변화
자동차 산업의 전기차 전환이 가속화되면서 이를 위한 차량 전동화 및 자율주행 개발 경쟁이 심화되고 있습니다. 전기차 주행거리의 증대, 실내 공간 활용도 향상, 전기차 라인업 확대 등 양산 출시가 본격화되고 있고, 커넥티비티 구현을 위한 하드웨어와 소프트웨어의 고도화가 진행되고 있습니다. 또한 자율주행 토탈 솔루션을 제공하는 통합 플랫폼 개발, 자율주행 센서 개발 등 전동화와 자율주행은 차세대 자동차를 위한 거대한 흐름으로 자리잡았습니다.
브레이크 제품은 전동화 및 자율주행 외에도 초안전, 친환경 등 미래 자동차의 다목적성에 부합하기 위해 기술 특화 제품이 지속적으로 개발되고 있습니다. 브레이크 핵심 부품들은 전동화, 자율주행을 목표로 기술의 통합 및 변화를 통해 성장하고 있습니다.
자세히 살펴볼까요? 위 그림과 같이 ABS(Anti-lock Brake System) 및 ESC(Electronic Stability Control)로 대표되는 브레이크 제어 부품과 전통적인 마스터 실린더&부스터를 통합하여 IDB(Integrated Dynamic Brake)가 개발되고 있습니다. 전통적인 유압식 캘리퍼 브레이크와 드럼 브레이크는 전동식 액츄에이터와 결합하여 전자식 주차 브레이크인 MoC(Motor on Caliper)와 e-Drum으로 발전했습니다. 이들은 다시 IDB와 결합하여 캘리퍼 EMD(Electro Mechanical Brake)와 드럼 EMB로 개발되어 미래 자동차의 전동화 및 자율주행 기술 기반을 제공할 것으로 예상됩니다.
미래 브레이크 시스템 – EMB(Electro Mechanical Brake)
EMB는 유압 작동식의 기존 캘리퍼 브레이크가 아닌 완전 전동화 브레이크입니다. 전동화 브레이크는 브레이크 패드와 디스크 사이의 유격 제어가 용이해 패드 분진 발생이나 불필요한 마찰 손실 발생으로부터 자유롭고, 브레이크 오일이 필요 없어 친환경적입니다. 또한 자동차를 조립하는 데 있어서도 유압 라인을 직접 연결하는 대신 커넥터와 와이어로 연결하기 때문에 생산 공정을 단순화할 수 있습니다. 그리고 모터로 제동력의 유무와 크기를 제어하기 때문에 네 바퀴에 독립적으로 제동력을 분배할 수 있고, 차량 거동의 안정성 향상에 도움을 줄 수 있어 제동 성능 향상에 긍정적인 영향을 끼칩니다.
전동화 브레이크는 차량의 플랫폼 등 다양한 특성을 고려해 캘리퍼 타입의 EMB, 드럼 타입의 EMB 또는 IDB와 EMB를 같이 적용할 수 있습니다. EMB는 기존의 유압식 캘리퍼 브레이크 또는 유압식 드럼 브레이크에 전동화 액츄에이터를 결합해 구성됩니다. 액츄에이터는 크게 회전력을 발생시키는 모터, 회전 속도를 줄여 토크(Torque)를 늘리는 감속기, 토크를 하중으로 변환하는 나사 기구와 모터를 제어하기 위한 ECU로 구성됩니다.
이러한 기계부품들도 전동화됨에 따라 기존 기계부품의 신뢰성 요구 조건에 대응하는 ISO 26262(자동차 기능 안전 국제 규격)와 같은 전자제품의 기능안전성도 함께 요구됩니다. 브레이크의 경우에는 차량의 각 바퀴마다 ECU를 구성하고, 별도의 중앙 ECU를 함께 구성해 브레이크를 제어하는 방법과 네 개의 브레이크 중 하나의 ECU가 중앙 ECU의 역할을 하는 방법이 있는데요.
전자의 경우 ECU와 배터리/브레이크 배선, 휠속센서 등 모든 구성을 이중화하여 높은 기능안전성을 달성할 수 있지만 시스템이 복잡해지고 비용이 증가한다는 단점이 있습니다. 후자의 경우 중앙 ECU역할을 하는 ECU의 고장 시 나머지 세 개의 ECU중 하나가 중앙 ECU의 역할을 대체하며, 배터리와 브레이크의 배선은 이중화해 기능안전성을 달성합니다. 두 방법 모두 센서와 모터, 배선 등 전자부품의 고장에 대한 리던던시(Redundancy, 이중화)를 만족하는 아키텍처이며, ISO에서 요구하는 기능안전성을 만족합니다. 하지만 여전히 완성차 레벨의 기능안전성 요구 수준과 차량의 개발 컨셉에 맞는 브레이크 시스템 아키텍처의 정립과 표준화 과정이 필요합니다.
미래 브레이크 시스템 – IDB2 HAD(Integrated Dynamic Brake 2 Highly Automated Driving)
초기의 자율주행 제어기 연구는 양산 차량에 센서를 추가해 차선이나 신호를 인식하고, 정해진 경로를 따라 움직이는 정도에서 시작했습니다. 이후 이미지, 라이다(Lidar), 레이더(Radar)센서 등의 발전에 힘입어 차량 주변 상황을 인지하고 좀 더 적극적으로 차량의 움직임을 제어하는 기술들이 많이 축적되었는데요. 이제는 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 이르렀습니다.
IDB 역시 자율주행 차량에 적용 가능한 제품의 요구가 급격히 증가했고, HL만도는 이를 만족하기 위한 아키텍처를 새롭게 개발했습니다. 그 결과, 자율주행차량에 필수인 제어기 이중화가 고려된 IDB2 HAD(Highly Automated Driving)를 만들었습니다. IDB2 HAD는 제동 시스템의 이중화를 통해 하나의 시스템이 이상 동작을 하는 경우 다른 하나의 시스템을 통해 차량의 제동력을 발생시켜 안전성을 확보하는 것이 목적입니다. 이를 구현하기 위하 각각의 내부 시스템에는 각종 센서와 구동 회로, 모터 이중화가 적용되어 있습니다.
HL만도의 IDB2 HAD의 내부 회로는 메인 ECU와 이중화 ECU(Redundant ECU)로 구성되어 있습니다. 평소에는 메인 ECU에서 제어 권한을 가지고 각종 신호 처리와 동작에 대한 결정을 내립니다. 이중화 ECU 또한 이중화된 센서 신호를 처리해 메인 ECU로 그 값을 넘겨주며 작동합니다.
각 ECU는 내부 상태를 감지하는 기능이 있어 서로 상태 정보를 교환, 하나의 ECU가 비정상적인 상태가 되면 다른 하나의 ECU가 제어권을 넘겨받아 메인 ECU의 역할을 수행합니다. 또한 각각의 ECU에는 입력 신호의 안정성 및 ECU 내부 소자의 영향에 따라 동작 가능한 기능의 수준이 결정되고, 이에 따른 안전 상태(Safe state)가 여러 단계로 구성돼 있습니다. 이를 통해 보다 안정적인 제동력을 만들 수 있는 제어 전략을 적용할 수 있습니다.
이렇게 견고한 이중화 시스템을 갖춘 IDB2 HAD는 두 개의 ECU에서 모두 제동할 수 없는 고장 발생 확률은 매우 적습니다. 하지만 만의 하나를 위해 IDB2 HAD는 유압을 이용한 제동력 생성 외에 후륜의 전자식 주차 브레이크 제어도 담당합니다. 유압 제동이 불가능한 경우에는 이를 통해 상대적으로 낮은 감속도이지만 ABS와 같은 기능을 구현해 차량을 정차 상태로 만들 수 있습니다.
* 해당 콘텐츠는 오토저널(Auto Journal) 2022.08호에 실린 원고를 기반으로 제작되었습니다.
