자동차에는 기계적인 구성 부품 외에 컴퓨터에 해당되는 전자제어장치(ECU)도 있습니다, 이에 대해 알아보겠습니다.
전자제어장치(Electronic Control Unit / ECU)란?
오늘날 차량의 대부분의 부품은 전자적으로 작동을 하는데, 각 부품에 설치된 센서에서 신호를 받아 작동하는 명령을 내리는 등, 필요한 전자시스템을 관리하는 역할을 하는 작은 컴퓨터입니다. 자동차 개발된 초기에는 기계적인 압력 방식을 이용해 차량의 부품을 구동시켰다면, 이후 전자기술의 발달로 전자적 신호를 주고받아 필요한 부품을 작동시키는 방식으로 바뀌었습니다. 전자부품이 점점 많아지는 최근에는 차량에 100 여개 이상의 제어장치가 들어가기도 합니다.
원리
차량이 충돌 했다고 가정해보겠습니다. 차량의 앞쪽에 설치된 충돌 센서는 이를 감지해 에어백 전자제어장치로 신호를 보내고, 시트 센서는 승객들이 어디 앉아 있는지에 따라 해당 에어백을 전개해야하는지 신호를 보내고, 이 전자적 신호를 받은 장치들은 밸브, 인젝터 또는 릴레이를 사용하여 해당 에어백을 터트리게 됩니다. 이렇게 각 부품으로 전기 신호를 보내 물리적 기계장치를 작동시키는 원리입니다. 즉, 진행순서는 인지, 명령, 실행. 이 세가지 단계로 작동합니다.
종류와 기능
차량에는 하나의 전자 제어장치만 있는게 아니고, 제각각 다른 기능을 수행하는 여려가지 전자제어장치가 있습니다. 각각 별개의 컴퓨터이지만 이를 통칭해서 전자제어장치라고 합니다. 컨트롤 모듈(Control module)이라고도 하며, 회로기판과 센서, 그리고 엑츄에이터(Actuator 전기 에너지를 받아 기계적 동력으로 변환시켜주는 기계)등 여러 기계를 포함하는 개념입니다. 그 대표적인 종류는 다음과 같습니다.
엔진 컨트롤 모듈 (ECM / engine control module)
차에서 가장 중요한 부품은 엔진입니다. 엔진이 작동하는 순서는 연료과 공기를 실린더 내부로 공급하고(홉입), 피스톤이 움직여 이를 실린터 내부에서 이를 (압축)시키고, 점화플러그를 이용해 (폭발)시켜 그 힘으로 차축을 움직이며 이후 배기가스를 배출하는 과정으로 진행이 되는데 이를 흡입-압축-폭발-배기의 4행정 사이클이라고 합니다.
엔진 컨트롤 모듈은 연료분사장치(Fuel injection system)를 제어하는데, 이는 연료를 미리 설정해둔 비율로 피스톤 내부로 공급해주는 기능을 합니다. 또한 피스톤이 순차적으로 타이밍에 맞춰서 폭발할수 있게 그에 필요한 전자 신호를 통해 점화플러그를 작동시켜주는 기능도 합니다. 공기를 실런더 내부로 공급하고 연소후 배기가스를 엔진 밖으로 배출하는 기능은 가변 벨브(Variable valve)가 담당하는데, 이 과정도 엔진 컨트롤 모듈에 의해 작동됩니다.
또한 엔진 컨트롤 모듈은 공회전 속도 제어 장치(Idle speed control) , 전자식 스로틀 밸브 제어 장치(Electric Throttle valve Control, 운전자가 폐달을 밟으면 모터를 작동시켜 연료 분사량을 조절)도 작동시킵니다. 또한 크랭크축 포지션 센서(Crankshaft position sensor), 냉각수 온도 센서, 산소센서(배기가스의 산소량을 측정, 산소량이 적으면 연료 소모가 많다 는 뜻이므로 연료를 줄이는 방식으로 연료량을 제어함) 도 관리하는 등 자동차 엔진 구동에 필수적인 기능들을 수행합니다. 다른 이름으로 파워트레인 컨트롤 모듈 (PCM / powertrain control module) 이라고도 합니다.
변속기 컨트롤 모듈 (TCM / transmission control module)
변속기에 외부에 장착되어 미리 세팅된 값으로 적정한 속도와 주어진 엔진 회전수의 값에 맞게 자동으로 기어를 변속하는 자동변속기의 두뇌에 해당합니다. 작동 과정 역시 위에서 설명드린대로 여러 센서로 부터 조건 값을 입력받아 인지하고, 변속기 컨드롤 모듈은 지정된 명령을 내리면, 기어가 변속되는 실행의 세단계 절차로 진행이 됩니다.
변속기 컨트롤 모듈은 다양한 센서로부터 신호를 받는데 그 대표적인 종류는 차량 속도 센서(VSS / Vehicle Speed Sensor)와 휠스피드 센서(WSS / Wheel Speed Sensor), 그리고 스로틀 포지션 센서(TPS / Throttle Position Sensor)와 터빈 스피드 센서(TSS / Turbine Speed Sensor), 미션 오일 온도 센서(TFT / Transmission Fluid Temperature Sensor) 등이 있습니다. 이렇게 다양한 센서로 부터 차량 속도, 자동차 바퀴 회전 속도 등에 대한 정보를 받아 종합하여 최적의 기어 변속 타이밍을 결정합니다.
브레이크 컨트롤 모듈(BCM / brake control module)
브레이크가 원활하게 작동할 수 있도록 관련 센서와 신호를 주고 받아 컨트롤하는 장치입니다. 휠스핀 센서(타이어의 회전수를 감지)와 브레이크 페달 위치 센서, 가속페달 센서 등 여러 센서에서 신호를 받아 ABS(급 정차시 브레이크를 나눠서 작동시켜 제동력을 높여주는 기능)와 트랙션컨트롤(바퀴 회전수를 감지하여 엔진회전값과 다를 경우 엔진, 변속기 값을 조정하여 차량의 구동력을 조정하는 기능)을 작동할지 여부를 결정해 그에 대한 신호를 해당 부품으로 전달해 작동하게 합니다.
또한, 차체 자세 제어 장치, 영어로는 ESC(Electronic Stability Control), DSC (Dynamic Stability Control)라고 하며 코너에서 차가 미끄러 질 경우 휠의 조향각 센서(Steering Angle Sensor)에서 바퀴의 각도와 휠 스피드 센서에서 바퀴의 회전 속도, 차량의 회전 정도를 감지하기 위한 자이로 센서(Gyro Sensor), 차량의 수직과 수평 , 회전 롤(Roll) 등을 감지하기 위한 가속도 센서(Acceleration Sensor)등의 신호를 조합해서 운전자가 의도한 방향을 파악하여 차체를 안정적으로 조정해주는 기능을 합니다.
예를 들어 코너에서 차량의 앞부분이 미끄러지는 경우(언더스티어), ESC는 차량의 속도를 줄이고 차량의 뒷바퀴 쪽을 제동시켜 차체를 안졍시켜주고, 차량의 뒷부분이 접지력을 잃어 코너 밖으로 나가는 경우에는(오버스티어) 차량의 앞쪽 브레이크를 작동시켜 자세를 잡아줍니다.
일반 전자 모듈(GEM / general electronic module)
보통 대쉬보드 내부에 설치하고, 와이퍼, 유리 열선, 파워 윈도우, 트렁크, 도어 락 등 전기적으로 움직이는 여러 장치들을 통합해 제어하는 중앙제어장치입니다. 다른 이름으로는 중앙 컨트롤 모듈(CCM / central control module) 혹은 중앙 타이밍 모듈(CTM / central timing module), 바디 컨트롤 모듈 (BCMs / Body control modules) 이라고도 합니다.
작동 원리는 다른 전제자어장치와 마찬가지로, 인지, 명령, 실행 이 세 가지의 단계로 진행이 됩니다. 예를 들면 비가 오는 정도에 따라 자동으로 와이퍼의 속도를 조정하는 기능은, 비가 얼마나 오는지 센서를 통해 인지하고, 거기에 맞춰서 어느정도 속도로 작동할건지 미리 프로그래밍된 명령을 내리면 와이퍼는 그에 맞춘 값으로 작동하는 방식입니다.
차가 정차하고 엔진 정지 후 스마트 키를 가진 사람이 차에서 멀어지면 자동으로 잠기는 기능도 비슷한 예로 들수있습니다. 또한, 엔진 컨트롤 모듈과 변속기 컨트롤 모듈과도 신호를 주고 받으며 이상이 생길시 계기판에 경고등을 띄워주는 등의 기능도 함께 하고 있습니다. 우리가 평소 편하게만 사용하는 기능에 이런 여러가지 기술이 들어가 있는게 놀랍지 않나요?
서스펜션 컨트롤 모듈(SCM / suspension control module )
최근의 차량들은 최적의 승차감을 위해 서스펜션에 여러가지 전자장비가 설치되어 작동하는데 ,이부품들을 제어하기 위해 센서값을 전달받아 명령을 내리는 장치입니다.
에어서스펜션으로 차고 높이를 조절하고(Air Suspension Control), 주행 모드에 따라 승차감을 조절하고, 코너에서 차제의 자 자세를 잡아주는 안티롤링제어 기술, 노면의 상태에 따라 서스펜션의 반응을 조절하는 기술(Adaptive Suspension) 등 다양한 기술들이 계속 계발되고 있습니다.
클라이메이트 컨트롤 모듈 (CCMs / Climate control modules)
과거 80년대의 자동차는 에어콘의 바람세기나 풍향을 기계식 장치로 사람이 손으로 직접 조절하여 사용했지만 이후 전자시스템 개발로 자동으로 온도와 바람의 세기를 맞춰주는 등 다양한 기능을 자적으로 제어하는 제어 장치입니다. 모듈 내에 미리 프로그래밍된 조건에 맞으면 전자신호를 에어컨 컴프레서 또는 히터로 보내 작동하게 하는 방식으로 작동합니다.
인포테인먼트 컨트롤 모듈 (ICMs / Infotainment control modules)
최근에는 차량 계기판도 전자식으로 바뀌고, 대부분의 차량에 네비게이션이 탑재되는 등 운전자가 필요한 다양한 정보를 제공하는 모듈입니다. 핸드폰과 차량을 블루트스 연결해서 필요한 작동을 할 수 있는 할수있는 기술, 터치 스크린과 손동작을 인식하는 기술, 계기판의 정보를 운전자가 보기 쉽게 차량 앞유리에 띄워주는 헤드업 디스플레이(Heads-Up Display) 등 도 탑재되면서 그 기능더 더 중요해지고 있습니다.
파워스티어링 모듈 (PSMs / Power steering modules)
핸들을 조정하는 시스템에 펌프와 실린더를 설치해서 핸들을 돌릴때 전자적으로 유압을 조정하여 핸들의 움직임을 부드럽게 하거나 무겁게 하는 역할을 합니다. 스피드 센서에서 차량의 현재 속도값을 전달받아, 저속에서는 핸들의 음직임을 가볍게 하고, 고속에서는 안정성을 위해 핸들이 쉽게 움직이지 않도록 무겁게 설정합니다. 일렉트릭 파워 스티어링(EPS / Electric power steering), MDPS(Motor Driven Power Steering)이라고도 합니다.
컨트롤 모듈 구성 부품
마이크로컨트롤러(Microcontroller)
사각형 칩으로 디지털 신호에 의해 정해진 기능을 수행하는 컴퓨터로 각 컨트롤 모듈의 두뇌에 비유할수 있습니다. 가정용 컴퓨터에 장착된 마이크로프로세서는 사용자의 입력값에 따라 다양한 연산을 수행하지만, 마이크로컨트롤러는 미리 설계해둔 연산대로 작동하는 차이가 있습니다. PC보다는 성능이 낮고, 저렴한 가격으로 오늘날 대부분의 전자기기에 사용됩니다.
메모리(RAM, ROM)
컴퓨터가 연산을 하기 위해서는 그 값을 기억해야할 장치가 필요한데, 그것이 메모리(Memory)이고 마이크로컨트롤러는 이를 포함하고 있습니다. 두 가지 메모리가 있는데, ROM(Read Only Memory)는 제작 시 자동차 구동에 필요한 정해진 데이터를 저장해서 그 값을 변경하거나 지울수 없고, RAM(Randon Access Memory)는 자동차가 운행중에 여러 센서에서 보내주는 데이터 값을 임시로 저장했다가 전기공급이 차단되면 소멸됩니다. 컨트롤 모듈의 메모리는 마이크로 컨트롤러에 포함되어 있습니다.
입력단자(Inputs)
Supply Voltage and Ground: Power sources for the ECU.
Digital Inputs: Receive binary signals.
Analog Inputs: Process variable signal inputs.
출력단자(Outputs)
Actuator Drivers: Manage components like injectors, relays and valves.
H-Bridge Drivers: Control servomotors for precise movement.
Logic Outputs: Send signals based on processed data.
통신부품(Communication Elements)
Housing: Protective casing for ECU components.
Bus Transceivers: Facilitate communication, examples being K-Line, CAN, and Ethernet.
소프트웨어(Embedded Software)
Boot Loader: Initiates the ECU's operating system.
ECU & Software Identifiers: Handle metadata, versions, and checksums.
Functional Software Routines: Execute specific ECU tasks.
Configuration Data: Store settings and preferences.