자동차 바이 와이어 시스템 구현을 위한 핵심 기술 및 솔루션

오랫동안 자동차 산업은 기계 및 유압 공학이 지배해 왔습니다. 서스펜션 및 냉각 시스템에서부터 엔진 및 제어 시스템에 이르기까지, 차량 시스템의 대다수는 기계 및 유압 제어 및 운영을 사용합니다. 그러나 이 상황은 이제 변화하고 있습니다: 자동차 지능, 전기화 및 배출 규제의 트렌드에 의해, 자동차 디자이너들은 기계-유압 시스템을 전기 기계 시스템으로 전환하여 자동차 분야에 혁신을 일으키고 있습니다. 자동차 산업은 전통적인 기계-유압 시스템에 비해 새롭게 등장하는 자동차 기능에 우수한 지원을 제공할 수 있는 차세대 "X-by-Wire" 시스템의 개발에 점차 중점을 두고 있습니다. 이 글에서는 Melexis가 출시한 자동차 와이어 시스템의 핵심 기술과 관련 솔루션을 소개합니다. 

자동차 설계는 전기화와 지능화를 향해 나아가고 있습니다

전통적으로 자동차 설계는 기계적 제어가 지배해왔지만, 자동차의 전동화 및 지능화 발전 추세에 따라 전자 부품이 자동차 설계 시스템에 광범위하게 도입되고 있습니다. 전자 부품은 1930년대부터 자동차에 도입되었지만, 주로 엔진 시동기, 조명, 선택적 라디오에 사용되었으며 자동차의 전체 기계적 특성은 변하지 않았습니다. 하지만, 최근 수십 년간 자동차에서 전자 시스템의 응용 범위가 계속 확장되고 있습니다. 수많은 기계식 펌프와 진공 제어 시스템이 솔레노이드, 솔리드 스테이트 릴레이, 피에조 세라믹으로 대체되었습니다.   반면에 전자 센서와 디스플레이는 오래전부터 기계적 계기판과 같은 기계적 피드백 시스템을 대체해 왔습니다. 그럼에도 불구하고 조향 및 제동과 같은 핵심 기능에서는 기계 및 유압 시스템이 여전히 지배적이며 전자 부품은 보조 역할만을 수행하고 있습니다. 이러한 변화는 기능과 안전성을 향상시키고, 정밀도를 개선하며, 통합을 단순화하고, 전체 시스템 복잡성을 줄이며, 배출량과 에너지 소비를 감소시키는 것을 목표로 합니다.   바이 와이어 시스템은 자동차 제어 시스템의 또 다른 주요 변화를 나타냅니다. 바이 와이어 시스템은 전통적인 기계식 연결을 전자 제어 메커니즘으로 대체합니다. 이는 조향, 제동 및 가속기와 같은 기본 기능이 이제 스티어링 칼럼, 케이블 또는 유압선과 같은 물리적 연결에 더 이상 의존하지 않는 자동차 설계 및 운영의 중요한 변화를 의미합니다. 대신 센서, 전기 액추에이터, 제어 장치가 이러한 기능을 관리합니다.   가속기 바이 와이어 시스템을 예로 들면, 위치 센서를 사용하여 가속 페달 위치를 측정하고 신호를 엔진 제어 장치(ECU)로 전송하여 전자적으로 출력을 조정함으로써 가속 페달과 스로틀 밸브 사이의 기계적 연결을 대체합니다. 기계적 연결 부족이 일부에게 우려가 될 수 있지만, 이 개념은 성공적으로 검증되었습니다.

By-wire 시스템은 제어, 효율성, 안전 기능 등에서 많은 장점을 제공합니다.

바이와이어 시스템은 더 정밀한 제어, 높은 효율성, 향상된 안전 기능, 자율주행과 같은 신기술과의 호환성을 포함하여 여러 가지 장점을 제공합니다. 그러나 이러한 시스템은 또한 신뢰성 확보와 고급 통합 및 중복 요구사항 충족과 같은 고유한 여러 과제에 직면합니다. 비록 자동차에서 스로틀, 엔진, 일부 변속 시스템에 전자 제어가 사용되어 바이와이어 작동이 이미 흔하지만, 두 주요 차량 시스템의 변환은 상대적으로 느리게 진행되었습니다: 제동 및 조향 시스템. 그러나 이러한 상황은 빠르게 변하고 있습니다.   브레이크 바이와이어 시스템은 브레이크 페달의 위치나 압력을 모니터링하는 센서를 사용하고 전자-유압 또는 전자기계 브레이크 액추에이터(브레이크 캘리퍼)를 구동하여 제동력을 제어합니다. 브레이크 바이와이어 시스템은 고급 운전자 지원 시스템(ADAS) 및 자율주행 기능의 매끄러운 통합을 가능하게 하며, 전기차(EV)의 재생제동을 촉진합니다. 이 기능은 차량의 파워트레인 모터가 제동력을 생성하여 감속 시 배터리 팩을 충전하기 위해 전류 흐름을 반대로 하는 것입니다.   스티어 바이와이어 시스템은 조향 휠을 바퀴와 직접 연결하는 기계적 조향 컬럼을 완전히 없앱니다. 대신, 이 시스템은 전자 센서를 통해 조향 입력을 식별하고 이를 바퀴를 구동하는 액추에이터에 전달합니다. 전통적인 기계적 조향 시스템과 비교했을 때, 스티어 바이와이어 시스템은 많은 장점을 제공합니다. 이 시스템은 레인 유지 보조, 충돌 회피, 가변 조향 비율, 자율주행 기능과 같은 고급 기능의 통합을 간소화하면서 특정 설치 제약을 완화하고 휠 모터의 적용을 가능하게 합니다(일반적인 스티어링 랙에서는 달성하기 어려운). 게다가, 물리적 조향 컬럼의 필요성을 제거함으로써 스티어 바이와이어 시스템은 혁신적인 차량 디자인을 위한 새로운 경로를 열어, 내부 공간과 디자인 가능성을 확장합니다.

"건식" 제동 및 조향 시스템은 관련 배출물과 유지 보수 요구 사항을 제거합니다

반면 유압 시스템은 유체 오염 및 누출에 취약하기 때문에 안전한 작동을 보장하기 위해 정기적인 유지보수와 유체 교체가 필요합니다. 브레이크-바이-와이어 및 스티어-바이-와이어 시스템을 순수하게 전기기계식 액추에이터와 결합하면 유압 보조를 완전히 제거할 수 있습니다. 이는 자동차 산업에서 새로운 패러다임을 나타내며, "건식" 브레이크 및 조향 시스템을 가능하게 하고 차량의 유체량을 줄이며 이와 관련된 배출 및 유지보수 요구를 제거합니다.   브레이크-바이-와이어 기술은 제동 토크의 빠른 적용과 해제를 가능하게 합니다. 정밀 속도 센서 및 차량 지능 시스템과 결합하여 여러 방법으로 브레이크 및 타이어 마모 배출을 최소화할 수 있습니다: 재생 제동의 최적화 사용, 타이어 마모를 최소화하도록 제동 토크 최적화, 그리고 가속 페달과 브레이크의 동시 사용을 완전히 피하는 것입니다.   안전이 중요한 시스템에서는 전자 부품이 여러 주요 기술 요구 사항을 충족해야 합니다. 이러한 부품은 본래의 정밀성, 신뢰성 및 차량의 진동, 온도 변동, 전자기 간섭(EMI)과 같은 가혹한 조건을 견딜 수 있는 능력을 갖추어야 합니다. 센서는 다른 유형의 센서와 쉽게 통합되고 협력할 수 있어야 하며, 다양한 중복이 바이-와이어 시스템의 기능적 안전 아키텍처의 핵심 요소가 되어 안전 고장을 보장합니다.   전통적인 제동 시스템과 비교하여 브레이크-바이-와이어 시스템은 기계적 백업이 없기 때문에 시스템의 더 많은 영역에서 감지 및 더 높은 중복성이 필요합니다. 안전 운행을 보장하기 위해 여러 감지 채널이 일반적으로 배치되며, 센서 통합 및 유연성은 엔지니어 설계의 핵심 고려사항입니다. 시스템 제어 및 피드백은 브레이크 페달 위치 및 힘 센서, 그리고 캘리퍼 및 브레이크 유체 회로에 설치된 추가 센서를 통해 수집됩니다. 이 차량 구역의 온도 범위, 진동 및 소음(EMI) 문제를 고려할 때 센서의 정밀성과 신뢰성은 시스템의 모든 지점에서 중요하며, 고품질 중복 센서를 배치해야 합니다.   스티어-바이-와이어 시스템에서는 랙 위치를 추적하고 움직임이 조향각 센서가 나타내는 요구와 일치하는지 확인하기 위해 보조 센서가 필요합니다. 마찬가지로, 신뢰성이 가장 중요하며 다양한 감지 기술을 배치하여 다양한 중복 시스템 운영을 달성합니다.

첨단 자성 및 유도 센서로 구성된 바이 와이어 시스템

Melexis는 자동차 산업과 오랜 협력 관계를 유지하며 다양한 센싱 기술을 오래 제공해 왔습니다. 제품 라인에는 차세대 와이어 시스템을 위해 특별히 설계된 최첨단 자기 및 유도 센서가 포함되어 있습니다. Melexis의 자기 센서, 예를 들어 MLX90423, MLX90424, MLX90427은 Melexis의 독자적인 Triaxis® 기술을 활용하며, 고급 자동차의 브레이크 바이 와이어 및 스티어 바이 와이어 응용을 위해 설계되었습니다. 전통적인 홀 센서는 홀 소자의 표면에 수직인 자기 플럭스 밀도만 감지할 수 있는 반면, Triaxis® 센서는 통합된 자기 집중기(IMC) 덕분에 세 가지 자기 플럭스 구성 요소(XYZ)를 감지할 수 있습니다. 이 기술은 센서가 회전 또는 선형 변위 여부에 관계없이 모든 움직이는 자석의 절대 위치를 정확하게 해독할 수 있게 합니다.   Melexis의 Triaxis® 센서, 예를 들어 MLX90423과 MLX90427은 ISO 26262 ASIL-C 표준을 준수하며 최대 5 mT의 외부 자기장을 견딜 수 있어 전기 자동차 또는 다른 자기 센서에 인접한 시스템에 적합한 선택입니다. 또한 TSSOP-16 Dual-Die 패키지로 제공되어 추가 내장된 중복성을 제공하며 ASIL-D 시스템 구현을 지원합니다. MLX90424와 같은 제품은 Triaxis® MLX90423 센서 두 개와 저전력 래치 및 스위치 웨이크업 센서인 MLX92292를 단일 패키지로 통합하여 브레이크 바이 와이어 응용에 대한 궁극적인 감지 솔루션을 제공합니다.   감지 요소 외에도 Triaxis® 센서는 고급 와이어 시스템 개발을 더욱 간소화하기 위해 설계된 다양한 주요 기능을 제공합니다. 여러 출력 모드(아날로그, SPI, PWM 및 SENT, MLX90377 및 MLX90376과 같은 칩의 SPC 기능 포함)는 멀티 센서 버스 아키텍처를 사용하는 응용 프로그램을 지원하고 다양한 시스템 구성과의 호환성을 보장하여 다양한 자동차 플랫폼에 원활하게 통합할 수 있습니다.   또한 MLX90372와 같은 칩에 게이트웨이(입력 핀)를 포함하여, 센서는 압력 센서, 힘 감지 저항기 또는 NTC 온도 센서와 같은 외부 소스의 신호를 통합할 수 있습니다. 이 기능은 통합 가능성을 향상시키고, 와이어 수를 줄이며, 시스템 설계를 간소화합니다.   더욱이, Melexis의 유도 감지 칩(예를 들어 MLX90513)은 ISO 11452-8 표준을 준수하는 자기 외장자장에 강하여 높은 전자기 간섭(EMI) 환경에서도 배치될 수 있으며 MLX90423 또는 MLX90427과 같은 자기 센서와 함께 사용할 수 있습니다. 이는 안전 필수 와이어 시스템에 요구되는 이질적 설정에 이상적입니다.   MLX90513은 자동차 및 산업 응용을 위해 설계되었으며, 유도 센서 분야에서 Melexis의 15년 이상의 경험을 활용합니다. 이 센서는 회전 및 직선 운동의 절대 위치를 감지할 수 있는 견고한 인터페이스입니다. 유도 센서는 발신기 코일, 타겟 피스, 및 세 개의 수신기 코일 간의 유도 결합을 통해 작동합니다. 칩 내 LC 발진기가 송신기 코일을 통해 전자기장을 생성하면, 이 분야는 타겟 피스(로터)의 각도에 따라 달라지는 전압을 세 개의 수신기 코일에 유도합니다.   MLX90513의 내부 신호 처리 장치는 이 세 가지 신호를 캡처하고 처리하여 최대 오류가 전체 스케일의 ±0.1%인 정밀한 위치 정보를 제공합니다. 수신기 코일은 금속 타겟 피스(로터)의 극의 수에 따라 서로 배치됩니다. 일반적으로 이러한 코일은 인쇄 회로 기판에 트랙 형태로 되어 있어 간단한 맞춤 설계와 우아한 통합을 브레이크 바이 와이어 및 스티어 바이 와이어 시스템에 제공합니다.   자기 센서와 유사하게, MLX90513도 ISO 26262 ASIL-C 표준을 준수하며 멀티 센서 버스 설정에 맞추기 위한 네 가지 출력 모드(SENT/SPC, PWM 및 아날로그)를 제공하여 자동차 플랫폼과 원활한 통합을 촉진합니다.   Melexis의 센서는 뛰어난 정밀도, 넓은 작동 온도 범위(-40°C ~ 160°C), 전자기 간섭 및 외부 자기자장에 대한 우수한 내성을 제공하여 가장 혹독한 자동차 환경에서도 뛰어난 성능을 보장합니다. 기술적 기능을 넘어 Melexis의 솔루션은 내장된 중복성(e.g., ASIL-D 시스템을 위한 TSSOP-16 Dual-Die 패키지), 여러 출력 모드(아날로그, SPI, PWM, SENT, SPC), 입력 핀을 통한 외부 신호 통합 기능과 같은 기능을 통해 복잡한 시스템 설계를 간소화합니다. 이 포괄적인 접근 방식은 자동차 OEM 및 Tier 1 공급업체가 개발 사이클을 간소화하고 전체 시스템 복잡성과 비용을 줄일 수 있게 합니다.

결론

자동차 산업은 큰 변화를 겪고 있으며, 스티어바이와이어 및 브레이크바이와이어 기술이 차세대 차량의 초석이 되고 있습니다. 이러한 안전 필수 시스템은 기존의 기계식 및 유압식 방식과 비교하여 뛰어난 기능과 우수한 제어를 제공하며, 보다 지속 가능하고, 깨끗하며, 스마트한 이동성 미래로의 중요한 발전을 가능케 합니다. 그러나 이러한 고급 시스템의 성공적인 구현은 매우 정확하고 신뢰할 수 있으며 지능적으로 통합된 센싱 솔루션에 달려 있습니다. 이 기사에서 소개된 Melexis Triaxis® 자기 센서와 외란 필드 면역 유도 센서는 자동차 바이와이어 애플리케이션의 엄격한 요구 사항을 충족하도록 설계되었습니다. 이러한 고품질 위치 센서는 단순한 부품이 아니라 미래 차량의 안전, 성능, 혁신적인 디자인을 보장하는 핵심 동력입니다.