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자동차와 완벽한 소통을 시작하다
더 디테일해진 파워트레인 제어기술2015/11/17by 현대·기아

파워트레인의 발전과 함께 성장한 파워트레인 제어기술.
지금의 제어기술 독자화를 이루기까지 현대기아차는 어떤 노력을 기울였을까요?

파워트레인은 환경 규제라는 시대적 이슈와 보다 다양해진 운전자의 취향에 대응하기 위해 긴 발전의 과정을 거쳐왔습니다
l 파워트레인은 환경 규제라는 시대적 이슈와 보다 다양해진 운전자의 취향에 대응하기 위해 긴 발전의 과정을 거쳐왔습니다



점점 강화되는 배기규제와 연비에 대한 중요성, 자율주행 등의 전자제어 신기술이 양산화되기 시작하면서 더 정밀한 파워트레인 제어의 필요성이 부각되고 있습니다. 이에 현대기아차는 제어 부분의 독자개발 시기를 마련하고, 제어 부품, 제어 알고리즘 등 제어 시스템 전체를 국산화하는 데 힘을 쏟고 있죠.



파워트레인 제어기술의 독자화와 청사진

2012년 모닝과 레이의 CVT 양산 이후 파워트레인제어개발 부문의 규모와 연구의 다양성도 확대됐죠
l 2012년 모닝과 레이의 CVT 양산 이후 파워트레인제어개발 부문의 규모와 연구의 다양성도 확대됐죠

파워트레인 제어 시스템은 엔진과 변속기를 운전자가 원하는 방향으로 정확히 제어하는 전자적 시스템입니다. 파워트레인센터 초기에는 제어 부문을 EMS(엔진 제어 시스템: Engine Management System) 및 TMS(변속기 제어 시스템: Transmission Management System) 관련 업체들과 공동 개발해왔지만 해외업체의 경우 소통의 불편함, 프로세스의 복잡화 등이 뒤따를 수밖에 없었는데요. 이에 파워트레인제어개발 전담 조직을 신설한 뒤 2012년 모닝과 레이에 CVT 제어 유닛 TCU(변속기 제어 유닛: Transmission Control Unit)를 양산했습니다. 이후 2014년 7단 DCT에 독자 개발 변속기 제어 시스템(LF 쏘나타), 2015년 감마 1.6 GDi엔진에 독자 개발 엔진 제어 시스템(신형 아반떼)을 양산하기에 이르렀죠.

7단 DCT는 변속기 본체뿐만 아니라 제어 시스템까지 독자적으로 개발했습니다.
l 7단 DCT는 변속기 본체뿐만 아니라 제어 시스템까지 독자적으로 개발했습니다.

제어 부문에서 독자 기술을 보유한다는 것은 의미가 남다를 수밖에 없습니다. 제어기술의 개발 과정은 표준화되어 있어 업체마다 큰 차이점이 없지만 알고리즘 구현에 대한 노하우는 상이하게 나뉘기 때문이죠. 개발 차량에 최적화된 제어 시스템을 정밀하게 개발하는 것은 고도의 기술력을 필요로 합니다. 자동변속기의 경우 진화하는 신기술 때문에 엔진과 변속기의 협조 제어가 더욱 긴밀하게 이뤄져야 하는데요. 현대기아차는 2014년 말 본체 및 제어부문을 독자 개발한 7단 DCT로 ‘변화와 혁신 리더스 대상’에서 최우수상을 수상했고, 향후 제어 부문에서 앞장설 수 있는 신엔진, 신변속기를 개발해 파워트레인 시스템을 리드하는 역할을 할 예정입니다.



자동차 제어의 기본, ECU와 TCU

엔진을 제어하는 ECU 시스템은 차량의 운전성, 연비, 배기가스 규제 등 목표성능을 만족하게 합니다
l 엔진을 제어하는 ECU 시스템은 차량의 운전성, 연비, 배기가스 규제 등 목표성능을 만족하게 합니다

제어 시스템은 크게 엔진을 제어하는 ECU(Engine Control Unit)와 변속기를 제어하는 TCU(Transmission Control Unit)로 나뉩니다. ECU는 엔진의 흡기, 연료, 점화, 후처리 시스템을 제어해 차량의 운전성, 연비, 배기가스 규제 등 목표성능을 만족하게 하죠. 연료 분사량을 제어하는 가장 단순한 제어에서부터, 점화 시기, 가변밸브타이밍, 터보차저에서 조절하는 부스터 레벨 제어 등 복잡한 형태로 발전해왔습니다. ECU의 가장 기본적인 역할은 운전자의 의도를 정확하게 반영하는 데 있는데요. 이는 엑셀, 브레이크 등으로 표현되는 운전자의 움직임을 반영해 매 상황에서 적절한 파워를 내도록 엔진을 제어하는 거죠.

유럽 시장에 판매되는 씨드는 수동 변속기 비중이 큰 현지 시장의 니즈에 따라 신규 알고리즘을 적용하고 있습니다
l 유럽 시장에 판매되는 씨드는 수동 변속기 비중이 큰 현지 시장의 니즈에 따라 신규 알고리즘을 적용하고 있습니다

배출가스 규제를 만족하도록 하는 것 역시 ECU의 역할입니다. 뿐만 아니라 최근에는 운전자가 원하는 성능을 낼 수 있도록 디테일한 부분의 제어 알고리즘을 신규 적용하고 있죠. 수동 변속기 차량의 부드러운 출발을 위해 클러치를 붙여주는 순간을 ECU에 입력해 토크를 제어하는 알고리즘을 적용해 수동 변속기 비중이 큰 유럽 시장 전략차에 양산하고 있습니다.

TCU는 수동변속기에서 사람의 손이 하는 작업을 컴퓨터가 유압 시스템으로 대신 하는 자동변속기의 제어 시스템을 말합니다. 각종 센서로부터 운전 상태를 파악하고 연산을 통해 적절한 변속단의 결정, 부드러운 변속을 위한 변속 제어를 수행합니다. 변속기 제어 종류로는 클러치 정밀 제어(Clutch to Clutch)와 지능형 제어 시스템(도로 상태 및 운전자 성향을 파악해 능동적인 최적의 변속패턴 설정), 고장진단 시스템(변속기 고장을 운전자에게 알림) 등이 있습니다.



친환경 이슈에 따른 제어기술의 발전

K9에 적용된 스마트 시프트 시스템은 연비 향상에 일조했습니다
l K9에 적용된 스마트 시프트 시스템은 연비 향상에 일조했습니다

최근 들어 불거지고 있는 연비 이슈. 이로 인해 제어 분야에서도 하드웨어 변경 없이 연비 향상 효과를 볼 수 있는 알고리즘에 대한 연구가 지속되고 있습니다. 기아자동차 K9에 적용된 ‘스마트 시프트(Smart Shift)’ 는 운전자의 운전 습관을 학습하고 운전 조건을 판단해 변속 패턴을 최적으로 바꿔 연비를 향상시키는 시스템입니다. 대형차뿐만 아니라, 중형차급까지도 스마트 시프트 기술을 확대, 적용하기 위해 개발을 진행하고 있죠.

TCU의 제어 구성 요소는 크게 입력 요소, 제어 요소, 출력 요소, 협조 제어 등 4가지로 분류됩니다. 입력 요소에는 차량 운전 상태 및 운전자 입지를 감지해 입/출력 속도 센서 및 변속단 센서, 온도 센서 등이 탑재되어 있죠. 제어 요소에는 TCU가 있어 자동차의 속도, 엔진의 회전 수, 운전자가 가속 페달을 밟는 정도 등을 입력 신호로 받아 상황에 따른 적절한 단수를 판단해 변속을 합니다. 출력 요소에는 솔레노이드 밸브 작동으로 유로 전환 및 작동 유압 제어가 이뤄지죠. 마지막으로 협조 제어는 외부제어기(ECU, ESP- Electronic Stability Program)와 협조 제어 및 외부 센서(APS- Accelerator Position Sensor, Brake) 등 CAN 통신으로 진행됩니다.

자동차 제어에 있어서 안전과 관련이 있는 OBD(On-Board Diagnostics, 운행기록 자기진단장치)는 법적으로 규정된 하위 진단/감시 시스템으로 차량 상태는 물론, 연비와 가속도 정보를 파악할 수 있어 차량 관리에 도움을 줍니다. 제품마다 표시할 수 있는 정보가 다르고, 무선형보다 유선형이 끊김 없이 정보를 받아보기에 좋죠. 감시하고 있는 시스템들이 고장 날 경우, 고장내역은 ECU에 저장되며 표준화된 인터페이스(Interface)를 통해 이를 조회할 수 있습니다. 추가로 계기판의 경고등이나 메시지를 통해 운전자에게 고장 메시지를 전달합니다.



현대기아차 독자 제어 시스템 양산

신형 씨드에 적용된 카파 1.0 T-GDi엔진. 엔진과 제어 시스템의 동시 개발을 통한 진보의 초석이 되었습니다
l 신형 씨드에 적용된 카파 1.0 T-GDi엔진. 엔진과 제어 시스템의 동시 개발을 통한 진보의 초석이 되었습니다

지금까지는 감마 1.6 GDi엔진, 7단 DCT 등 기존 개발된 엔진에 독자개발한 제어 시스템을 적용했다면, 이제는 신규 엔진 개발과 동시에 새로운 제어 시스템을 개발하여 양산하는 단계에 이르렀습니다. 8월 유럽에서 양산된 신형 씨드의 카파 1.0 T-GDi엔진이 바로 그것이죠. 일반적으로 외부 업체에서 ECU를 도입하게 되면 인젝터, 고압펌프 등 주요 제어 부품도 함께 도입해야 하는 경우가 많아 부품 선택 자유도가 낮은데요. 제어 시스템 전반을 자체적으로 개발하게 되면, 부품 역시 국내 계열사 및 협력사에서 개발할 수 있어 국산화가 가능합니다. 이를 위해, 현대기아차, 현대케피코, 현대오트론이 함께 3사 TFT를 구성하여 카파 1.0 T-GDi엔진의 제어 부품, 알고리즘 등 제어 시스템 전체를 함께 연구, 개발했습니다. 독자개발과 국산화는 원가적인 측면은 물론, 설계 및 시험 과정에서의 피드백에 대해 신속히 대응할 수 있어 보다 긴밀한 협조 제어가 가능해 파워트레인 기술력은 한 단계 끌어올리는 계기가 되었습니다.



도움말. 장경준 이사대우 / 파워트레인제어개발팀
이주항 책임연구원 / 자동변속기설계팀(TCU)





▶ 현대자동차그룹 연구개발본부 간행물 '파워트레인 Tech Story'에서 발췌한 내용입니다




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