전기식 제동장치

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전기식 제동장치(Brake by Wire) 기술현황과 전망

X-by-Wire 란?

'X-by-Wire' 기술은 원래 항공기의 조종기술을 향상시키기 위해 도입된 개념으로 기계적(케이블, 로드 또는 유압 등)인 수단에 의해 스포일러나 엘리베이터 같은 액츄에이터를 조종하던 방식을 전기적인 신호전달(Wire)에 의한 조종방식으로 대체한 것으로 보다 정교한 조종과 함께 응답성을 월등히 개선할 수 있다는 장점이 있습니다.

자동차의 경우는 1990대부터 본격적으로 X-by-Wire가 도입되기 시작하여 주로 조향, 현가 및 제동시스템 분야에서 활발하게 개발•적용되고 있으며 현재 급발진 관련하여 언론의 관심을 받고 있는 전자식 드로틀 제어장치(ETC : Electronic Throttle Control)의 경우도 X-by-Wire의 일종입니다.

 <자료출처 : 프랑스 limm 발간자료>

 Brake-by-Wire (전기식제동장치)

기계식 조종방식을 by-Wire에 의해 대체함으로써 얻을 수 있는 기대효과로는 설계 및 수정의 유연성을 확보할 수 있기 때문에 디자인과 경량화 측면에서 유리하여 연비를 크게 향상시킬 수 있으며 우수한 첨단 제어기술의 적용이 가능하다는 점입니다. 특히 전기식제동장치(Brake-by-Wire)의 경우 운전석에서 자동차의 모든 바퀴에 이르는 복잡한 유압식 또는 공압식 제동계통을 단순한 와이어에 의해 대체함으로써 그 효과를 더욱 극대화시킬 수 있고 제동시 응답시간을 획기적으로 감소시켜 제동거리를 단축시킴으로써 사고예방에도 크게 기여할 수 있다는 장점으로 그 활용가능성이 매우 기대되고 있습니다. 다만 제동장치의 경우 자동차 안전에 매우 중요한 부품이므로 기계식 부품을 전자화하였을 경우에 발생할 수 있는 제어계통의 오류 및 단전, 단선 등에 대한 충분한 안전성이 담보되어야 하는 숙제가 남아 있습니다.

  

Brake-by-Wire와 기존 유압식 제동장치 <자료출처 : 현대모비스>

Brake-by-Wire 종류

전기식제동장치(Brake-by-Wire)는 그 구현방식 및 발전단계에 따라 전기유압식(EHB : Electro-Hydraulic Brake)과 전기기계식(EMB : Electro -Mechanical Brake) 및 그 혼합형인 Hybrid EMB로 분류할 수 있습니다.

 

EHB 및 EMB 구조 <자료출처 : 만도>

전기유압식(EHB)은 by-Wire 시스템의 구조를 가지지만 여전히 유압을 매개체로 사용하기 때문에 습식(Wet type)으로도 불리며, Bosch의 SBC(Sensotronic Brake Control)와 도요타 프리우스에 적용된 ECB(Electronically Controlled Brake) 및 현대자동차 YF 쏘나타 하이브리드에 적용된 HPU(Hydraulic Power Unit) 등이 대표적인 예라고 할 수 있습니다. 이 방식은 기존의 유압식 제동장치와 전기기계식(EMB)의 중간단계로 볼 수 있으며, 브레이크페달에 장착된 감지센서에 의해 운전자의 제동 작동이 감지되면 자동차의 두뇌에 해당하는 전자제어부(ECU : Electric Control Unit)는 유압제어부(Hydraulic Control Unit)를 제어함으로써 각 바퀴의 캘리퍼에 적절한 유압을 보내주어 제동이 되게 하는 구조입니다.

전기기계식(EMB)은 완전한 Brake-by-Wire로 볼 수 있으며 유압을 전혀 사용하지 않는 친환경 시스템으로 전기적인 방식(전동 캘리퍼 또는 전자식 디스크)에 의존하기 때문에 건식(Dry type)으로 불립니다. 이 방식은 모터에 의해 캘리퍼를 작동시키는 방식으로 비교적 큰 제동력이 필요한 전륜의 경우 기존 12V로는 불가능하기 때문에 한때 42V 시스템으로 차량 전장체계의 설계변경이 검토되었으나, 현재는 쐐기형 구조의 강한 마찰력을 이용하여 작은 전압(12V)로도 큰 제동력을 낼 수 있는 전자웻지캘리퍼(Electronic Wedge Brake)가 개발되어 향후 점차로 전륜은 EWB, 큰 제동력이 필요하지 않은 후륜은 EMB 형식으로 개발이 진행되고 있습니다.

 

전동 캘리퍼 <자료출처 : TRW>

 

전동 캘리퍼 및 전자 웻지 캘리퍼 원리 <자료출처 : 현대모비스>

마지막으로, 혼합형인 Hybrid EMB는 EHB와 함께 EMB 적용 이전의 중간 단계 기술로 볼 수 있습니다. 이 시스템은 전륜에는 기존의 제동장치와 같이 진공펌프를 이용한 유압식 제동장치를 적용하고, 후륜에는 EMB를 채택한 방식입니다. 앞서 언급했듯이 후륜의 경우 제동을 위해 큰 제동토크가 필요치 않기 때문에 기존 12V 전원을 이용한 EMB 적용이 가능하며 전자식주차제동장치(Electric Parking Brake)의 기능도 포함시켜서 쉽게 구현이 가능하다는 장점이 있습니다. 또한 전륜에는 기존 유압식 제동장치를 그대로 사용하기 때문에 EHB에 비해 향상된 전기적인 고장 안전성을 기대할 수 있으며, 기존의 ABS(바퀴잠김방지장치) 또는 ESC(자동차안전성제어장치) 등의 제어기능을 2 채널로 구현할 수 있기 때문에 시스템 가격도 절감할 수 있는 효과와 함께, 비교적 제동계통이 긴 후륜 설계 간소화에 따라 자동차 제작시 유연성이 크게 향상될 수 있습니다.

 

Hybrid EMB 및 Full EMB 비교 <자료출처 : 만도>

Brake-by-Wire 전망

세계적인 자동차부품회사인 보쉬의 자료에 의하면 자동차부품 중 전장부품 비율이 2010년 30% 수준에서 2020년 40% 수준으로 높아질 것으로 전망되고 있으며, 유럽 한 연구기관(Research and Markets)의 조사결과에 의하면 X-by-Wire에 의한 비용절감 효과가 2010년 3.2억 유로에서 2015년 6.6억 유로로 늘어날 것으로 기대되고 있습니다. X-by-Wire의 대표격인 전기식제동장치(Brake-by-Wire)는 연비향상 효과와 설계용이성, 첨단제어기술 적용 등 제동장치의 혁신을 기대할 만큼 우수한 장치임에는 틀림없으나, 아직까지는 전자제어장치의 오류나 오작동 등에 대비한 안전성 확보 및 Fail-Safety에 대한 보다 신뢰할 수 있는 대비책 마련이 필수적입니다. 이 때문에 Volvo의 경우 X-by-Wire 시스템을 ‘기계적 장치나 유압장치를 사용하지 않는 고장을 허용하는 안전 관련 전자시스템’으로 정의하고 있습니다. 기계적인 방식이 제외된 순수 전기식이기 때문에 전기적 고장에 대해 취약할 수밖에 없다는 것을 인정하는 매우 공감이 가는 정의라고 할 수 있습니다. 

현재 전기유압식(EHB)의 경우 이미 2000년대 초반부터 많은 하이브리드 자동차에 양산 적용되어 있으며, 전기기계식(EMB 및 EWB)은 지멘스(Siemens), TRW, Continental-Teves 등 유수의 자동차부품회사에서 최근 양산형 모델 개발이 거의 완료된 상황입니다.

 

제동관련 기술동향 <자료출처 : 만도>

아직까지는 시판중인 완성차에 Full Brake-by-Wire가 적용된 예는 없지만 시장도입을 막는 특별한 제도․법규적인 장벽이 없는 현실에서 앞서 언급했듯이 첨단기술 적용과 설계의 용이성 및 연비향상, 원가절감 등 수많은 장점으로 인해 가까운 시일 내에 고장안전에 대한 보완과 함께 완성차에도 활발히 도입될 것으로 기대되며, 일단 도입된 후에는 단기간 내에 기존 기계식 제동장치를 대체할 수 있을 것으로 예측됩니다.

[硯泉(김정열)]

인간의 한계는 어디까지일까
안전과 안락함을 위한 기술개발은 무한하다고 본다.
그것은 다른 자동차보다 더 좋은 평가를 받기 위함 때문에...