전기지령식 제동
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1. 개요
전기지령식 제동은 전기 신호를 통해 제동력을 제어하는 방식으로, 지령선을 통해 제동 제어 장치에 신호를 보내 최적의 제동력을 얻는다. 전공협화제어, 공기 제동, 유압 제동 등 다양한 방식에 적용 가능하며, 부품 수 감소를 통한 신뢰성 향상, 회생 제동과의 연동 등 장점을 가진다. 전기유압식 제동, 전자 제동 시스템(EBS), 전기기계식 제동, 전기식 주차 브레이크 등 여러 종류가 있으며, 대형 상용차에 적용되는 EBS는 트레일러와의 통신을 지원한다.
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| 전기지령식 제동 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 이름 | 전기 지령식 제동 |
| 영어 이름 | Brake-by-wire |
| 일본어 이름 | ブレーキ・バイ・ワイヤ |
| 설명 | 기계적인 연결 없이 전기 신호로만 브레이크를 제어하는 시스템 운전자의 브레이크 페달 조작을 전기 신호로 변환하여 브레이크 액추에이터를 제어함 |
| 기술적 특징 | |
| 작동 방식 | 운전자의 페달 조작 → 센서 → ECU → 액추에이터 (휠 실린더 유압 제어) 마스터 실린더 압력을 시뮬레이션 하는 방식과 유압을 직접 생성하는 방식 존재 |
| 장점 | 응답성 향상 정밀한 제어 가능 ABS, ESC 등 다른 안전 시스템과의 통합 용이 회생 제동 시스템과의 연계 용이 브레이크 압력의 독립 제어 |
| 단점 | 시스템 복잡성 증가 높은 신뢰성 요구 전원 공급 중단 시 비상 대책 필요 |
| 구성 요소 | |
| 주요 구성 요소 | 브레이크 페달 모듈 (센서 포함) 전자 제어 장치 (ECU) 휠 실린더 액추에이터 |
| 센서 종류 | 페달 위치 센서 휠 속도 센서 유압 센서 |
| 적용 분야 | |
| 자동차 | 승용차 상용차 전기 자동차 하이브리드 자동차 |
| 기타 | 철도 차량 항공기 |
| 안전 및 신뢰성 | |
| 페일 세이프 | 시스템 고장 시 기계식 백업 시스템 작동 (일부 시스템) 이중화 설계 (센서, ECU) |
| 안전 표준 | ISO 26262 (자동차 기능 안전 표준) 준수 필요 |
| 회생 제동 협조 제어 | |
| 개요 | 전기차, 하이브리드차에서 회생 제동과 마찰 제동을 통합 제어 에너지 회수 극대화 및 제동 성능 최적화 |
| 제어 로직 | 운전자 제동 의도 파악 회생 제동 가능량 판단 전체 제동력 분배 |
| 추가 정보 | |
| 참고 | 브레이크 작동에 필요한 답력은 기존 유압식 브레이크와 다르지 않음. 전자 제어식 브레이크의 한 종류 |
| 관련 기술 | |
| 관련 기술 | ABS ESC 회생 제동 시스템 |
2. 특징
전기신호에 의한 지령은 지령선을 통해 제동제어장치에 보내져 연산장치에 의해 각 차량의 중계변을 작동시킴으로써 최적의 제동력을 얻을 수 있다. 또한 연산장치에 의해 전공비율을 제어하는 전공협화제어도 가능하다. 공기제동뿐만 아니라 유압 등 다른 방식의 제동에도 전용할 수 있다.[1]
전자직통제동은 전자 밸브 작동을 위한 점프선, 지령을 보내는 직통관, 압축공기를 각 차량에 보내는 공기관, 비상시 백업을 위한 제동관 등 3개의 공기관이 필요하다. 이에 비해 전기지령식 제동은 공기관만 필요로 하므로 부품 수 간략화를 통해 신뢰성을 높이고 제작 및 유지 정비 비용을 절감할 수 있다.[1] 공기 배관을 운전실로 연결할 필요가 없어 주간제어기와 일체화할 수 있다.[1] 회생 제동과 공기 제동의 분담을 컴퓨터 연산으로 세밀하게 제어하여 회생율 향상에 기여한다.[1]
전기지령식 제동은 운전대에서 공기관이나 제동변을 거치지 않고 전기적인 지령만으로 각 차량에 탑재된 직통공기제동을 제어하는 방식이다. 다만, 고장 안전(fail-safe)을 고려하여 전기지령식 제동과는 별도로 비상관을 적용한 사례가 일부 있으며, 자동공기제동을 병설하여 기존 차량과의 혼합 병결에 대비하고 있는 것도 존재한다.
3개의 상용제동 지령선과 1개의 비상제동 지령선을 이용해 상용제동 7단 혹은 8단과 비상제동 1단으로 구성되는 것이 대부분이지만, 일부 단계를 생략하여 상용제동 5단 정도로 사용하는 차량도 적지 않다.[1]
3. 장점
4. 종류
전기지령식 제동의 종류는 다음과 같다.4. 1. 전기유압식 제동 (Electro-hydraulic brakes)
브레이크 페달을 밟아 생성된 유압은 12볼트 전원 손실을 포함한 치명적인 고장이 발생하지 않는 한 컴퓨터에 센서 입력으로만 사용된다. 브레이크 액추에이터에는 시스템의 유압을 제공하는 전동 펌프와, 시스템에서 필요할 때 각 휠 캘리퍼에 압력을 가하여 마찰 브레이크를 작동시키는 밸브가 있다.
이 시스템은 차체 자세 제어 장치(VSC), ABS(ABS)의 모든 복잡성과 회생 제동을 차량 감속의 주된 방식으로 사용해야 할 필요성을 포함한다. 단, 구동 배터리(고전압 배터리)의 충전 상태가 추가 에너지를 받아들이기에는 너무 높거나, 긴급 제동 또는 ABS 상황이 시스템에 의해 감지된 경우에는 예외이다.
브레이크 시스템의 입력으로 모니터링되는 센서에는 휠 속도 센서, 구동 배터리 충전 상태, 요 센서, 브레이크 페달 스트로크 센서, 스티어링 휠 각도, 유압 액추에이터 압력, 각 휠 캘리퍼 회로의 유압, 가속기 위치가 포함된다. 다른 정보와 입력도 모니터링된다.
표준 또는 일반적인 작동 방식은 다음과 같다.
1. 차량 운전자가 브레이크 페달을 밟는다.
2. 마스터 실린더는 브레이크 페달의 움직임을 유압으로 변환한다.
3. 스트로크 센서는 페달 움직임을 측정하여 "긴급 제동" 상황을 식별한다.
4. 압력 변환기는 원하는 제동력을 제공한다.
5. 브레이크 제어 장치(컴퓨터)는 입력을 감지한 다음, 휠 속도 센서를 확인하여 차량 속도를 결정하고 휠 잠김으로 인해 ABS 알고리즘이 필요한지 판단한다.
6. 그런 다음 브레이크 제어 시스템은 요 센서, 스티어링 휠 각도 및 구동 배터리 충전 상태를 확인한다.
7. 차량 속도가 약 약 11.27km 이상이면 차량 구동 모터 발전기가 발전기로 사용되어 운동 에너지를 전력으로 변환하고 에너지를 배터리에 저장한다. 이것은 차량을 감속시킨다.
8. 운전자가 브레이크 페달을 더 세게 밟으면 시스템은 유압 마찰 브레이크를 작동하여 제동력을 증가시킨다.
9. 차량 속도가 약 약 11.27km 미만으로 떨어지면, 회생 제동이 효과적으로 작동하지 않으므로 유압 브레이크 시스템이 완전히 제어한다.
10. 요 센서가 차량의 요잉(yaw)을 감지하면 시스템은 차량 안정성 알고리즘과 프로세스(VSC)를 시작한다.
11. 휠 속도 센서가 휠 잠김을 감지하면 시스템은 ABS(ABS) 알고리즘을 시작한다.
4. 2. 전자 제동 시스템 (EBS)
철도차량의 제동장치로는 자동공기제동이 예부터 사용되었지만, 열차 편성이 고속화·장대화(長大化)됨에 따라 낮은 응답성이 문제가 되었다. 이를 개선하기 위해 전자 밸브를 병용한 전자 자동 공기제동과 전자직통제동이 사용되었다. 전기지령식 제동은 전자직통제동을 더 개량한 것으로, 운전대에서 공기관이나 제동변을 거치지 않고 전기적인 지령만으로 각 차량의 직통공기제동을 제어하는 방식이다.
전자 제동 시스템(Electronic Braking System, EBS)은 대형 상용차에 적용되는 전기 지령식 제동이다. 이 시스템은 리타더 및 엔진 브레이크를 포함한 모든 제동 시스템 구성 요소의 전자식 작동을 제공한다. EBS는 트레일러를 지원하며, ISO 11992 프로토콜을 사용하여 견인 차량과 트레일러 간에 통신한다. 트레일러와 견인 차량 간의 통신은 24V 시스템의 경우 ISO 7638-1 또는 12V 시스템의 경우 ISO 7638-2를 따르는 ABS/EBS 전용 커넥터를 통해 이루어져야 한다.[1]
EBS는 여전히 제동을 위해 압축 공기에 의존하며 밸브를 통해 공기를 제어할 뿐이므로, 전기 동력도 제동 압력을 가하는 데 사용되는 전자 기계식 또는 전자 유압식 브레이크 시스템에서 사용되는 더 높은 전압에 의존하지 않는다.[1]
EBS는 기존 제동보다 제동 정밀도를 향상시켜 제동 거리를 단축한다. EBS 시스템에 고장이 발생할 시에는 일반적인 공기 브레이크 제어 압력을 사용하므로, 전자 장치 고장 발생 시에도 차량이 안전하게 정지할 수 있다.[1]
4. 3. 전기기계식 제동 (Electro-mechanical brakes)
전기기계식 제동(EMB) 시스템은 주로 다음 다섯 가지 유형의 요소로 구성된다.
운전자가 인간-기계 인터페이스(HMI, 예: 브레이크 페달)를 통해 시스템에 제동 명령을 입력하면, 자동 잠금 방지 제동 시스템(ABS) 또는 차량 자세 제어 시스템(VSC)과 같은 상위 레벨 브레이크 기능을 기반으로 ECU에서 네 개의 독립적인 브레이크 명령이 생성된다. 이러한 명령 신호는 통신 네트워크를 통해 네 개의 전기 캘리퍼(e-캘리퍼)로 전송된다. 네트워크 오류로 인해 e-캘리퍼와 통신이 제대로 이루어지지 않을 수 있으므로, HMI 감지 데이터도 별도의 데이터 버스를 통해 각 e-캘리퍼로 직접 전송된다.
각 e-캘리퍼에서 마이크로컨트롤러는 ECU에서 수신한 브레이크 명령을 기준 입력으로 사용한다. 컨트롤러는 전원 제어 모듈에 대한 구동 제어 명령을 제공하며, 이 모듈은 영구 자석 DC 모터인 브레이크 액추에이터에 대한 삼상 구동 전류를 제어한다. 이 모터는 42V 전원으로 작동한다. 캘리퍼 컨트롤러는 기준 브레이크 명령을 추적하는 것 외에도 브레이크 액추에이터의 위치와 속도를 제어한다. 따라서 각 e-캘리퍼에서 액추에이터의 위치와 속도를 측정하기 위해 두 개의 센서가 필수적이다. 응용 프로그램의 안전 관련 특성으로 인해, 이러한 감지 데이터의 제한된 수의 샘플을 놓치는 경우에도 보상해야 한다.
4. 4. 전기식 주차 브레이크 (Electric parking brakes)
전자식 제동은 이제 차량 주차 브레이크에 적용되는 기술이다. 전자식 주차 브레이크(EPB)는 2000년대 초 BMW와 아우디가 자사의 최고급 모델(각각 7 시리즈와 A8)에 처음 도입하여, 뒷바퀴에 주로 작동하는 기존의 케이블 작동식 시스템(시트 사이의 레버 또는 발 페달을 통해 작동)을 대체했다. EPB는 후면 디스크 브레이크 캘리퍼에 내장된 전동 메커니즘을 사용하며, 센터 콘솔 또는 대시보드의 스위치를 통해 신호를 보낸다. 전자식 주차 브레이크는 일반적으로 차량의 다른 시스템과 CAN 버스 네트워크를 통해 통합되며 다음과 같은 추가 기능을 제공할 수 있다.- 출발 시 주차 브레이크 자동 해제
- 차량이 경사면에 정지할 때마다 주차 브레이크 자동 체결 - "홀드 어시스트"라고 함
EPB 시스템은 전통적인 핸드 브레이크 레버가 없어 깔끔한 중앙 콘솔을 제공하여 패키징 및 제조상의 이점을 제공한다(많은 제조업체는 확보된 공간을 자사의 인포테인먼트 시스템 제어 장치 배치에 사용했다). 또한 차량 아래에 보우덴 케이블을 배선할 필요가 없어 제조 복잡성을 줄여준다.
EPB는 점차 저렴한 차량으로 확산되었다. 예를 들어 폭스바겐 그룹 내에서 EPB는 2006년 파사트 (B6)에 표준 장착되었으며, 오펠은 2008년 인시그니아에 이를 도입했다.
참조
[1]
서적
Vehicle Technology: Technical foundations of current and future motor vehicles
De Gruyter Oldenbourg
[2]
간행물
SpeedE – Forschungsplattform
https://www.ika.rwth[...]
ika – Institute for Motor Vehicles of RWTH Aachen University
[3]
서적
Vehicle Technology: Technical foundations of current and future motor vehicles
De Gruyter Oldenbourg
[4]
잡지
BRAKE by-Wire
三栄書房
[5]
서적
2005年版 自動車バイワイヤ技術の現状と将来分析
http://www1.odn.ne.j[...]
[6]
웹사이트
プリウスのブレーキはこうなっている，汎用部品の活用で回生協調機能を低コスト化
https://xtech.nikkei[...]
2019-11-11
[7]
웹사이트
電子制御式コンバインドABS
https://www.honda.co[...]
2019-11-11
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