전자식 스로틀 밸브
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1. 개요
전자식 스로틀 밸브(ETC)는 운전자가 가속 페달을 밟으면 엔진으로 유입되는 공기량을 조절하는 장치이다. 가속 페달 모듈, 스로틀 밸브, 파워트레인 또는 엔진 제어 모듈(PCM 또는 ECM)로 구성되며, ECM은 다양한 센서 데이터를 기반으로 스로틀 위치를 결정한다. 전자식 스로틀 제어는 차량의 파워트레인 특성을 유지하고, 크루즈 컨트롤, 트랙션 제어, 차체 자세 제어 등의 기능을 통합하는 데 기여한다. 그러나 소프트웨어 또는 전자 장치 고장으로 인해 의도하지 않은 가속 문제가 발생할 수 있으며, 스로틀 포지션 센서(TPS)의 고장도 안전 모드 진입을 유발할 수 있다.
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| 전자식 스로틀 밸브 | |
|---|---|
| 전자식 스로틀 제어 | |
 | |
| 다른 이름 | 드라이브 바이 와이어 (Drive-by-Wire) 전자 스로틀 (Electronic Throttle) 스로틀 바이 와이어 (Throttle-by-Wire) |
| 발명 연도 | 1980년대 |
| 적용 분야 | 자동차, 항공기 |
| 작동 원리 | |
| 주요 구성 요소 | 스로틀 위치 센서 (Throttle Position Sensor, TPS) 액셀 페달 위치 센서 (Accelerator Pedal Position Sensor, APP) 전자 제어 장치 (Electronic Control Unit, ECU) 스로틀 액추에이터 (Throttle Actuator) |
| 작동 방식 | 액셀 페달의 움직임을 센서가 감지하여 ECU로 전달, ECU는 운전자의 요구와 주행 조건을 분석하여 스로틀 액추에이터를 제어, 스로틀 밸브의 개폐 각도를 조절하여 엔진으로 유입되는 공기량을 제어 |
| 장점 | |
| 연비 향상 | 최적의 스로틀 밸브 제어를 통해 불필요한 연료 소모를 줄임 |
| 배기가스 감소 | 엔진 작동 조건을 정밀하게 제어하여 배기가스 배출량을 줄임 |
| 주행 안정성 향상 | 차량 자세 제어 장치(ESC), 미끄럼 방지 브레이크(ABS) 등 다른 안전 시스템과의 연동을 통해 주행 안정성을 향상 |
| 운전 편의성 향상 | 크루즈 컨트롤, 자동 변속기 등 다른 시스템과의 연동을 통해 운전 편의성을 향상 |
| 단점 | |
| 시스템 복잡성 증가 | 기계식 스로틀 제어 시스템에 비해 부품 수가 많고 구조가 복잡 |
| 고장 시 대처 어려움 | 전자 장치 고장 시 차량 제어가 어려워질 수 있음 |
| 비용 증가 | 기계식 스로틀 제어 시스템에 비해 부품 가격이 비싸고 수리 비용이 많이 듦 |
| 안전 | |
| 안전 기능 | 페일 세이프 모드 (Fail-safe Mode): 시스템 고장 시 엔진 출력을 제한하여 안전을 확보 비상 스로틀 제어: 액셀 페달 센서 고장 시 브레이크 페달을 이용하여 엔진 출력을 제어 |
| 추가 정보 | |
| 역사 | 1980년대 항공기에 처음 적용되었으며, 1990년대 후반부터 자동차에 본격적으로 도입됨 |
| 제조사 | 델파이, 보쉬, 덴소 등 |
2. 작동 원리
운전자가 가속 페달을 밟으면 전자식 스로틀 밸브(ETC)는 엔진으로 연결된 공기 입구를 열어 공기가 유입되도록 조작된다. 공기량이 증가하면 엔진 RPM도 오르게 된다.[4]
전자식 스로틀 제어는 운전자가 엔진 온도, 고도 및 부하와 같은 전반적인 조건에 관계없이 차량의 파워트레인 특성을 원활하고 일관되게 유지할 수 있도록 돕는다. 이는 대부분의 운전자들이 인지하지 못하는 장점이다. 또한 운전자가 기어 변속을 쉽게 하고, 급가속 및 감속과 관련된 급격한 토크 변화에 대처할 수 있도록 돕는다.
전자식 스로틀 제어 장치에서는 가속 페달과 스로틀 밸브 사이에 기계적 연결이 없다. 대신, 스로틀 밸브의 위치(즉, 엔진 내 공기량)는 전기 모터를 통해 ETC 소프트웨어에 의해 완전히 제어된다. 그러나 전기 모터에 새로운 신호를 보내 스로틀 밸브를 열거나 닫는 것만으로는 개방 루프 조건이 되며 부정확한 제어로 이어진다. 따라서 현재의 ETC 시스템은 대부분, 아니 거의 모든 시스템이 PID 제어와 같은 폐쇄 루프 피드백 시스템을 사용하며, ECU는 스로틀에 일정량 열거나 닫으라고 지시한다. 스로틀 위치 센서의 값을 지속적으로 읽고, 소프트웨어는 원하는 엔진 출력을 얻기 위해 적절한 조정을 수행한다.
일반적인 ETC 시스템은 액셀러레이터 페달 모듈, 전기 모터로 열고 닫을 수 있는 스로틀 밸브, 파워트레인 또는 엔진 제어 모듈(PCM 또는 ECM)의 세 가지 주요 구성 요소로 구성된다.[4] ECM은 액셀러레이터 페달 위치 센서, 엔진 속도 센서, 차량 속도 센서 및 크루즈 컨트롤 스위치를 포함한 다른 센서에서 측정된 데이터를 계산하여 필요한 스로틀 위치를 결정하는 임베디드 시스템이다.[4] ECM 내의 폐쇄 루프 제어 알고리즘을 통해 전동기를 사용하여 스로틀 밸브를 원하는 각도로 연다.[4]
3. 장점
전자식 스로틀 제어는 크루즈 컨트롤, 트랙션 제어, 차체 자세 제어 및 토크 관리가 필요한 사전 충돌 방지 시스템과 같은 기능을 통합하는 데 도움을 준다. 스로틀은 운전자의 가속 페달 위치와 관계없이 움직일 수 있다. 전자식 스로틀 제어는 공기-연료비 제어, 배기 가스 배출 및 연료 소비 감소와 같은 영역에서 일부 이점을 제공하며, 가솔린 직분사와 같은 다른 기술과 함께 작동한다.
4. 고장 모드
스로틀 포지션 센서(TPS)에는 두 가지 주요 유형이 있다. 하나는 전위차계이고, 다른 하나는 비접촉식 센서인 홀 효과 센서(자기 장치)이다. 전위차계는 라디오의 볼륨 조절과 같이 중요하지 않은 응용 분야에 적합하지만, 와이퍼와 저항기 사이의 먼지나 마모와 같은 저항 요소에 닿는 와이퍼 접촉부가 불규칙한 판독값을 유발할 수 있다. 더 신뢰할 수 있는 해결책은 물리적 접촉이 없는 자기 결합 방식이며, 따라서 마모로 인한 고장이 발생하지 않는다. 이는 완전한 고장이 발생할 때까지 어떤 증상도 나타나지 않을 수 있다는 점에서 은밀한 고장이다. 모든 TPS가 있는 자동차에는 '안전 모드'라고 알려진 기능이 있다. 자동차가 안전 모드로 들어가면 가속 페달, 엔진 제어 컴퓨터 및 스로틀이 서로 연결되어 함께 작동할 수 없기 때문입니다. 엔진 제어 컴퓨터는 스로틀 위치 모터에 대한 신호를 차단하고, 스로틀의 일련의 스프링이 이를 빠른 공회전 상태로 설정한다. 이는 변속기를 기어에 넣을 수 있을 만큼 빠르지만 운전이 위험할 정도로 빠르지는 않다.
ETC 내의 소프트웨어 또는 전자 장치 고장은 일부 사람들에 의해 의도하지 않은 가속 사건의 원인으로 의심받아 왔다. 미국 국립 고속도로 교통 안전 위원회(NHTSA)의 일련의 조사에서는 2002년 이후 모델의 도요타 및 렉서스 차량에서 발생한 모든 의도하지 않은 가속 사건의 근본 원인을 밝히지 못했다. 2011년 2월에 NASA 팀(NHTSA의 요청에 따라 2005년형 캠리 모델의 소스 코드와 전자 장치를 연구)에서 발표한 보고서에서는 소프트웨어 오작동을 잠재적인 원인으로 배제하지 않았습니다.[5] 2013년 10월, 도요타의 소스 코드에 대한 증거를 청취한 최초의 배심원(전문 증인 마이클 바 (소프트웨어 엔지니어))은 2007년 9월 오클라호마에서 발생한 의도하지 않은 가속 사고로 인한 승객 사망에 대해 도요타의 책임을 인정했다.[6]
4. 1. 의도하지 않은 가속 문제
전자식 스로틀 제어(ETC) 시스템은 가속 페달과 스로틀 밸브 사이의 기계적 연결 없이, 전기 모터를 통해 스로틀 밸브 위치를 제어한다.[5] 이러한 방식은 PID 제어와 같은 폐쇄 루프 피드백 시스템을 사용하여 정밀도를 높이지만, 소프트웨어나 전자 장치의 고장은 의도하지 않은 가속 문제를 야기할 수 있다.[5]
스로틀 포지션 센서(TPS)는 전위차계 또는 홀 효과 센서를 사용하는데, 전위차계는 마모나 먼지로 인해 오작동할 수 있다.[5] 홀 효과 센서는 비접촉식이라 더 안정적이지만, 고장 시 전조 증상이 없을 수 있다.[5] TPS에 문제가 생기면 자동차는 '안전 모드'로 들어가 빠른 공회전 상태가 된다.[5]
ETC 관련 소프트웨어나 전자 장치 결함은 의도하지 않은 가속의 원인으로 지목되기도 했다.[5] 미국 국립 고속도로 교통 안전 위원회(NHTSA)의 조사에서는 2002년 이후 도요타 및 렉서스 차량에서 발생한 의도하지 않은 가속의 원인을 명확히 밝히지 못했다.[5] NASA는 소프트웨어 오작동 가능성을 배제하지 않았으며,[5] 2013년에는 마이클 바 (소프트웨어 엔지니어)의 증언을 통해 도요타의 소스 코드 결함이 의도하지 않은 가속 사고의 원인으로 인정되기도 했다.[6]
5. 대한민국 현황 및 전망
참조
[1]
간행물
Delphi Electronic Throttle Control Systems for Model Year 2000; Driver Features, System Security, and OEM Benefits. ETC for the Mass Market
http://www.carprogra[...]
SAE
2018-12-01
[2]
논문
Computerized gas pedal throttles wheelspin
https://books.google[...]
1986-03
[3]
웹사이트
How Drive-by-wire Technology Works
https://auto.howstuf[...]
2009-04-28
[4]
간행물
Sensitivity of Contact Electronic Throttle Control Sensor to Control System Variation
http://delphi.com/pd[...]
Society of Automotive Engineers (SAE) Technical Paper
2006-04
[5]
간행물
NHTSA-NASA Study of Unintended Acceleration in Toyota Vehicles
http://www.nhtsa.gov[...]
National Highway Traffic Safety Administration
2013-11-25
[6]
뉴스
Toyota settles acceleration lawsuit after $3-million verdict
https://www.latimes.[...]
2013-11-24
[7]
웹인용
자동차용 플라스틱의 시대가 온다
http://www.paxnet.co[...]
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