자동차 전기와전자

1. 개념 및 정의

자동차 전기/전자(自動車 電氣/電子, automotive electric/electronic)란 자동차를 구성하고 관련된 여러 시스템의 전기 및 자기(磁氣, magnetism)현상과 전자들의 이동에 따른 영향 및 운동을 의미한다. 자동차에서 전기/전자란 사람의 신경계와 같은 역할을 하는 매우 중요한 요소이다. 만일 자동차를 구성하는 각 시스템 중 일부에 전기/전자와 관련한 문제가 발생하면 해당 시스템의 장치들은 작동하지 못하게 된다. 이처럼 자동차에 있어서 전기/전자적인 요소는 매우 중요한 분야라 할 수 있다.

초기의 자동차들은 기계적인 제어(制御, control)시스템을 갖추고 작동되었다. 즉 자동차를 구성하고 제어하는 시스템이 대부분 기계조합으로 이루어져 자동차의 성능 및 효율 등의 측면에서 정밀한 제어 실현이 불가능했다. 그러나 현재의 자동차는 기존의 기계적인 요소에 전기/전자적인 요소가 추가 적용되어 정밀한 제어시스템을 구현하고 있으며, 자동차의 전기/전자적인 요소 및 장치들이 차지하는 역할이 매우 중요한 부분으로 인식되고 있다.

초기의 자동차에 적용된 전기장치는 대표적으로 점화, 충전, 등화장치와 같이 단순한 장치만으로 구성되었으나 자동차제어 기술의 급속적인 발달과 전기/전자 기술의 발전에 힘입어 그 적용범위가 점차 증가하고 있다. 특히 자동차의 배기 규제 만족, 안전성 향상 및 성능 향상 등의 요구에 맞추기 위해서 엔진 및 차체의 각 장치에 전기/전자 시스템이 확대 적용되고 있다.

현재의 전기/전자제어 기술은 엔진제어, 섀시(chassis)제어, 전장 및 편의장치에 이르기까지 전체 자동차의 운용시스템에 적용되고 있으며 하이브리드(hybrid) 및 전기자동차 시대에 맞추어 자동차의 전기/전자제어 기술은 더욱 가속화 될 전망이다.

일반적으로 자동차의 전기/전자 장치는 엔진 관련 전기/전자장치(축전지, 시동장치, 점화장치, 충전장치, 연료계통, 엔진 전자제어 등)와 섀시 관련 전기/전자장치(자동변속기제어장치, 전자제어 현가장치(懸架裝置, suspension system) 전자제어 조향장치(操向裝置, steering system), 전자제어 브레이크장치 등), 차체 관련 전기/전자장치(등화장치, 안전장치, 편의장치 등)로 구분할 수 있다.

이러한 전기/전자제어는 기본적으로 자동차의 상태, 도로상황 및 운전자 의도 등의 각종상태를 파악하기 위한 센서 및 스위치와 센서로부터 입력받은 값을 기반으로 하여 최적으로 장치들을 제어하기 위해 연산하는 컴퓨터(전자제어모듈, ECM: Electronic Control Module) 그리고 컴퓨터의 명령을 받아 실제 장치들은 작동시키는 작동기로 구성되어 있다.

자동차의 발전과정에 있어서 전기/전자 기술은 자동차의 안정성, 편의성, 성능 및 연료 효율성 등을 위해 더욱 발전되고 있다. 특히 석유에너지 고갈측면과 대기환경오염에 대응하기 위한 하이브리드 및 전기자동차의 등장은 자동차의 전기/전자제어 기술의 무한한 발전 가능성을 예측할 수 있으며, 높은 신뢰성과 소형화 등의 추세에 맞도록 자동차 전기/전자 기술은 더욱 비약적으로 발전할 것으로 예상된다.

2. 자동차 전기/전자의 역사와 발전

100여 년 전 내연기관을 적용한 자동차의 개발 이후 자동차 회사들은 소비자의 편리성과 안전성에 대한 요구를 충족시키기 위해 많은 노력을 기울여 왔다. 초기의 자동차에서 전기 계통이라 하면 점화장치뿐이었으며, 메르세데스 벤츠(Mercedes Benz)에서 전지와 코일을 적용한 전기점화 방식을 사용하고 있었다. 그 후 전조등, 기동전동기 등의 전기장치가 개발되었는데 그중에서 자동차 문화를 바꾼 큰 계기 중 하나는 1911년 미국의 제너럴 모터스(GM: General Motors)에서 엔진의 자력(磁力, magnetism) 시동을 위한 기동전동기가 적용되고부터이다. 이전에는 인력의 힘으로 엔진의 초기시동을 하였으나 1911년 기동전동기의 개발로 더욱 편리한 자동차의 운전이 실현되었다.

자동차에 전자가 도입된 것은 1930년대에 진공관(眞空管, vacuum-tube)식 자동차 라디오가 처음이었으나 진공관은 충격에 약하고 공간상의 제약이 많았으며 전력소비 또한 커 자동차용으로 널리 보급되지 못하였다. 1948년에 트랜지스터(transistor)가 그리고 1958년에 집적회로(IC: Integrated Circuit)가 발명되어 1960년대부터 자동차에 적용되기 시작했고 이때부터 자동차 전기/전자 기술은 비약적으로 발전하게 되었다.

1970년대에 이르러 미국에서 발달한 법 규제에 따라 자동차의 전기/전자 기술이 더욱 발전하였으며 최초의 법 규제는 탑승객 보호에 관련된 내용으로 미리 시트 벨트를 매지 않으면 엔진이 시동되지 않는 시스템이 적용되었고 이에 따라 점화 스위치를 차단하여도 시스템 작동을 위한 전력이 공급되어야 하므로 배터리 방전 전류를 줄이는 것이 과제였다.

이후 1971년에 마이크로컴퓨터가 개발되고 1976년에 자동차의 점화시기를 제어하는 최초의 전자제어가 시작되었다. 마이크로컴퓨터의 정밀한 제어 기술로 엔진의 출력 성능이 향상될 수 있었으며 이러한 전자제어를 단숨에 발전시킨 계기는 1970년대 후반부터 1980년대에 걸쳐 등장한 배기가스 규제 및 연료 규제이다. 이 규제에 맞추기 위해 엔진의 개량과 더불어 최적의 점화시기제어 및 공기와 연료의 혼합비 정밀제어, 공전속도제어 등의 전자제어 기술이 발달하였다. 또한 1980년대에 들어 신기술의 적용 및 운전자의 다양화에 맞추어 자동차의 종합적인 상품 가치 향상이 요구 되어 전자식 디지털계기판, 현가장치제어, 전자제어 에어컨, 전자식 라디오 및 인포메이션 시스템 등의 마이크로컴퓨터를 응용한 상품가치가 높은 제품들이 현재까지 등장하고 있다.

1980년대 후반부터 1990년 초반에는 자동차에 대한 쾌적성 및 안전성을 보다 높이기 위해서 전자제어 공조장치, ABS(Anti-lock Brake System), 에어백(air bag) 등의 장치가 대중화되었다.

2000년대부터 현재까지 자동차는 단순한 이동수단이 아닌 하나의 생활공간으로 인식되며 더욱 진보된 안전성 확보 및 각종 편의장치들과 향상된 성능 기술의 도입이 이루어지고 있다. 이러한 현상의 대표적인 예로는 대기환경오염문제를 비롯한 석유에너지 부족에 따른 각 자동차 회사들의 대응인 하이브리드시스템과 전기자동차를 들 수 있다.

이처럼 미래의 자동차는 전기를 동력으로 구동하는 시스템으로 발전할 것이며 이러한 시스템에서 전기/전자 분야의 기술력 확보는 필수적 요소라 할 수 있다. 앞으로의 자동차 전기/전자 기술은 미래의 자동차가 목표로 하는 친환경, 고안전성, 적응성을 갖는 ASV(Advance Safety Vehicle), HEV(Hybrid Electric Vehicle) 및 FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle)를 만족하는 방향으로 개발될 것이다.

3. 자동차 전기/전자제어의 분류

자동차의 운전 편리성을 만족시키고, 높은 성능으로 개선하기 위하여 기계제어방식에 전자제어를 접목시켜 시스템을 구축한 것을 자동차 전자제어라 한다. 이러한 전자제어는 높은 신뢰성, 낮은 생산원가, 소형화 등의 요구조건에 만족하는 부품들을 사용하여 실용화되고 있다. 자동차 전기/전자제어 분야를 대표적으로 분류하면 가솔린기관 전자제어, 디젤기관 전자제어, 동력 전달장치 전자제어, 새시 전자제어, 보디 전자제어 및 정보통신 등으로 분류한다.

1) 가솔린기관 전자제어

가솔린기관의 전자제어는 엔진을 최적으로 작동시키기 위하여 연료분사제어(분사량과 분사시기), 점화시기제어, 공전속도제어, 고장진단 등을 제어한다. 각 실린더 흡입밸브 앞에 1개씩 연료분사장치를 장착한 MPI(Multi Point Injection)방식을 주로 사용하고 있으며, 연료 소비율 감소 및 환경에 대응하기 위해 희박연소 기관인 린번(lean burn)엔진과 실린더 내의 연소실에 직접 연료를 분사하는 직접분사방식(GDI: Gasoline Direct Injection)엔진도 적용되고 있다.

2) 디젤기관 전자제어

디젤기관의 전자제어는 연료 분사량, 연료 분사시기, 예열플러그 전류 등을 제어하여 매연 배출 억제 및 소음, 진동 등을 개선하고 있다.

현재 디젤기관은 대부분 고압연료 직접분사시스템인 CRDI(Common Rail Direct Injection)가 적용되고 있으며 공기량에 따른 연료 분사장치의 정밀 분사방식으로 연비 향상 및 배출가스 저감에 힘쓰고 있다.

3) 동력 전달장치 전자제어

동력 전달을 구성하는 여러 장치 중 가장 먼저 전자제어가 적용된 장치는 변속장치이다. 변속기의 전자제어는 주로 자동변속기를 대상으로 하며 엔진의 회전속도와 주행속도를 검출하여 변속장치 내부의 유압을 제어하고 이 유압제어를 통해 변속이 이루어진다. 현재에는 변속 시 충격완화제어 및 구동력 향상을 위한 전자제어 기술이 발전하고 있으며 변속기제어장치인 TCU(Transmission Control Unit)와 엔진제어장치인 ECU(Electronic Control Unit)가 일체형으로 제품화 되어 장착되고 있다. 이밖에도 무단변속기(CVT)와 4WD(Four Wheel Drive) 등에도 향상된 제어 기술이 접목된 전자제어 기술이 적용되어 동력 성능을 향상시키고 있다.

4) 새시 전자제어

자동차의 기본기능인 주행, 조향, 정지 등의 동작을 전자제어하여 응답성, 조향 안전성, 쾌적성 등을 개선하는 것을 새시 전자제어라 한다. 새시 전자제어에는 현가장치제어, 조향장치제어, ABS제어, 4WS(4-Wheel Steering)제어, TCS(Traction Control System) 등이 있다. 최근 차량자세제어장치(VDC)를 비롯한 전자식 파킹브레이크장치 등의 신기술도 적용되고 있다.

5) 보디 전자제어

보디 전자제어는 자동차의 쾌적성, 편리성 및 안전성의 향상이나 차량의 상품성을 높이기 위한 것이며 전자동 공조시스템, 디지털계기판, 와이퍼제어, 라이트제어, 후방 장애물 검출장치, 도난방지, 다중통신, 도어 잠김, 파워윈도우, 파워시트, 시트벨트, 에어백 등의 전자제어를 말한다. 그러나 자동차의 전자제어 항목이 많아지고 부품의 수가 증가하면 배선 및 와이어하네스가 증가할 수 있다. 이렇게 배선 및 관련 부속이 증가할 경우 고장발생 확률도 같이 증가하게 되고 자동차의 무게 또한 무거워져 연비를 악화시킬 수 있다. 이러한 이유로 차량에 적용하는 다중통신 방법이 있으며 다중통신은 1개 또는 적은 수의 통신선을 통하여 센서들을 공유하거나 각 장치 사이에서 데이터를 통신함으로서 정밀한 제어가 가능한 시스템이다.

6) 정보통신

자동차의 정보통신은 외부와 통신을 하여 얻은 데이터 등에 의해 운전자나 승객에게 여러 가지의 정보를 제공하기 위한 것이며 다중정보(multi information), 내비게이션(navigation), 자동차 무선통신 등을 총괄하여 정보통신이라 한다. 정보통신은 자동차를 단지 이동수단으로 보기 보다는 좀 더 쾌적하고 편리한 이동공간으로 변화시키는 분야이며, 향후 가장 발전될 분야로 볼 수 있다.

4. 자동차 전기/전자제어의 구성

자동차는 전기/전자제어와 관련한 여러 요소들의 장치와 부품들이 있다. 일반적으로 자동차의 전기/전자장치의 분류는 다음과 같다.

1) 축전지(battery)

축전지는 화학작용을 이용하여 전기적 에너지를 발생하는 장치이다. 축전지의 기능은 엔진을 시동할 때 기동전동기를 동작하기 위한 기본 전원으로 사용되며, 발전기의 고장으로 인해 전원 공급이 불가능할 경우 보조 전원으로서 전력을 공급한다. 또한 발전기와 전장부품 부하와의 사이에 전기적인 불평형이 발생할 경우에도 완충역할을 하는 기능 등이 있다. 이러한 축전지의 종류로는 납산 축전지, 알칼리 축전지, 리튬 전지 등이 있으며 일반적인 내연기관의 자동차에서는 납산 축전지를 적용하고 하이브리드 및 전기자동차의 경우 구동 전원으로 리튬 계열의 전지를 많이 적용하고 있다.

2) 기동장치(starting system)

자동차에서 적용되는 내연기관은 자력시동(self starting)이 어렵기 때문에 외부의 힘으로 초기 시동 시 엔진을 구동시키는데 이 장치를 기동장치라 한다. 일반적으로 구동 회전력이 큰 전동기를 적용하여 구성하고 있다. 기동전동기는 엔진의 플라이휠의 링 기어와 기동전동기의 피니언 기어의 기어비로 엔진을 구동시키며 직류직권식의 전동기를 많이 적용하고 있다. 기동장치의 구성요소는 축전지를 비롯하여 점화스위치(IG switch), 기동전동기, 배선 등으로 구성되어 있다.

3) 점화장치(ignition system)

점화장치는 가솔린 및 가스기관에서 적용되며, 저전압의 직류전원을 이용하여 고전압(약 25,000V)으로 유도하는 장치이며, 정확한 시점에 강력한 불꽃을 발생시켜 연소실 내부의 압축된 혼합가스를 점화하고 폭발시키는 역할을 한다. 점화장치의 구성요소는 점화스위치, 점화코일, 파워트랜지스터, 배전기, 고압케이블, 점화플러그 등으로 구성되어 있다. 예전에는 배전기를 장착하고 단속기 접점을 이용하여 고전압을 유도하였으나 최근에는 파워트랜지스터를 이용하는 고에너지식 점화장치(HEI: High Energy Ignition)나 전자배전 점화방식(DLI: Distributer Less Ignition) 또는 실린더 개별 점화방식을 사용하고 있다.

4) 충전장치(charging system)

충전장치는 엔진의 구동에 따라 운행 중 여러 전장부품에 전원을 공급하고 축전지에 전력을 충전시키는 역할을 하는 장치이다. 충전장치는 발전기(alternator)라 하며 교류 전기를 발생시키고 내부의 다이오드를 통해 정류작용을 하여 직류전기로 전환 후 각 전장부품에 전력을 공급한다. 충전장치의 구성요소는 발전기와 전압조정기, 충전경고등으로 구성되며 고장 시 계기판에 충전경고등이 점등되도록 설계되어 있다.

5) 등화장치(lighting system)

등화장치는 야간에 자동차의 주행에 필요한 등화장치와 신호용 등화장치로 구분된다. 주행용 등화장치로는 전조등, 미등, 차폭등, 번호등, 후퇴등 등이 있으며 신호용 등화장치에는 방향지시등, 제동등 등이 있다.

6) 계기장치(instrument system)

계기장치는 자동차의 운행에 필요한 자동차의 상태를 운전자에게 제공하는 것이며, 운전석 앞쪽의 계기판에 종합적으로 설치되어 있다. 계기장치는 지침의 움직임으로 지시하는 지침 방식과 작동이 비정상적일 때 경고등이 점등되어 경고하는 경고등 방식이 있다.

7) 안전 및 부속장치(safety systems & auxiliary equipment)

안전장치는 자동차의 주행에 필요한 장치이며 자동차 안전기준에 적합하여야 하며 윈드 실드 와이퍼, 윈드 와셔, 경음기 등이 있다. 부속장치는 운전자와 승객이 쾌적하게 느낄 수 있도록 하기 위한 것으로 히터, 에어컨, 라디오, 스테레오, 내비게이션 등이 포함되어 있다.