자동 변속기용 ADAS 기술 융합 지능형 코스팅 중립 제어 시스템 개발

주행 중 가속 페달에서 발을 떼면 차량은 엔진의 동력 없이 타력으로 주행하게 된다. 이때 변속기의 클러치가 체결되어 있으면 엔진의 펌핑에 의한 역구동 부하가 전달되므로 차량은 엔진 브레이크 효과에 의해 관성 에너지를 잃고 빠르게 감속된다. 한편, 변속기의 클러치가 분리된 중립 상태가 되면 엔진의 역구동 손실이 제거되어 차량은 프리휠 상태(Freewheeling)가 되므로 더욱 먼 거리를 타력으로 주행할 수 있다. 클러치 체결(D단) 및 중립(N단) 상태의 코스팅 감속도 특성을 Fig. 1에 비교하였다. 차량의 속도가 100 km/h에서 30 km/h까지 감소되는 동안 N단 상태가 D단 대비 거의 두 배 수준 더 멀리 무동력으로 주행함을 알 수 있다. 이와 같이 타력 주행 조건에서 변속기를 중립으로 자동 전환하는 제어를 코스팅 중립 제어(Neutral Coasting Control: NCC)라고 칭하며 이 기능은 자동 변속기 제어 장치(TCU)에 의해 수행된다.

Fig. 1

Comparison of coasting distance with & without neutral

타력 주행시의 차량 감속도는 아래의 수식으로 표현된다.

여기서, m_e는 엔진의 관성을 고려한 차량 등가 질량으로서

와 같이 표현할 수 있다.

한편, 엔진의 역구동 부하는 D단 감속시와 N단 감속시에 대해 각각 다음과 같이 표현된다.

따라서 N단 코스팅 주행의 경우 엔진의 역구동 부하인 F_fd가 제거되어 타력 주행 시 더 완만하게 감속을 하게 된다. 또한, 같은 거리 이동에 D단 감속 대비 소요연료량 이득이 발생하는 N단 감속 조건은 식 (5)과 같이 정의할 수 있다.

여기서, C_{fuel_ncc}은 N단 코스팅 주행 시 엔진의 아이들 회전수 유지에 필요한 단위 거리 당 연료량이며, C_{fuel_Vncc}은 클러치 체결 조건에서 차속 v_ncc까지 감속하였을 때 N단 코스팅 대비 짧은 이동 거리인 S_ncc-S_fcut만큼 주행하기 위해 필요한 단위 거리 당 연료량이다. 주행 중 가속 페달에서 발을 떼었을 때 연료 차단 상태로 진입할 지, N단 아이들 코스팅 상태로 제어할 지는 식 (5)의 C_{fuel_Vncc}를 실시간 예측 판단하는 것이 타당하나, 이를 위해서는 C_{fuel_Vncc}와 전방 주행 상황 간 빅 데이터 기반의 실험적 모델을 필요로 하므로 본 논문에서는 규칙 기반(Rule-based)의 지능형 코스팅 제어 방법을 제안한다.

코스팅 중립 기술의 가장 큰 효과는 바로 실도로 연비 효과이다. 일반적으로 타력 주행시 엔진이 특정 회전수 이상을 유지하는 경우 엔진 제어 장치(ECU)가 연료를 차단(Fuel-cut) 하도록 제어하므로 연료는 전혀 소모되지 않는다. 따라서 감속을 위해 브레이크를 조작하는 제동 감속의 경우는 이 연료 차단 상태를 최대한 오래 유지하는 것이 연비에 유리하다. 그러나 차량의 속도를 유지하기 위해 일시적으로 타력 주행을 하는 경우 차량의 속도는 엔진의 역구동 부하에 의해 빠르게 저하되어 속도 유지를 위해 운전자는 가속 페달을 자주 밟아 주어야 하므로 이 때 많은 연료를 소모하게 된다. 한편, 중립(N단) 코스팅의 경우는 엔진이 아이들 상태를 유지하기 위해 소량의 연료를 계속 분사하고는 있으나 타력 주행 거리가 길어짐에 따라 속도 유지를 위한 재가속 빈도가 줄어들게 되므로 결과적으로는 D단 코스팅 대비 연료 소모를 줄일 수 있다. 이와 같은 연료 소모량의 저감 원리를 Fig. 2에 도시하였다.

Fig. 2

Comparison of cumulative fuel consumption during coasting

Fig. 2를 보면 가속 페달에서 발을 뗀 경우(Tip-out) D단 타행 상태(점선 표시)에서는 초기에 연료가 전혀 소모되고 있지 않지만 변속기 클러치의 체결로 인한 엔진 브레이크 효과에 의해 차량이 빠르게 감속하게 되므로 속도 유지를 위해서는 가속 페달을 조기에 다시 밟게 되어 연료 분사 타이밍이 앞당겨 짐에 따라 결국 실선으로 표기한 N단 코스팅 대비 누적 연료량이 증가함을 확인할 수 있다.

자동 변속기에 있어서 엔진의 구동력이 필요하지 않은 운전 조건에서 엔진과 변속기를 분리하여 연비를 향상시키는 기술은 오랜 역사를 두고 지속적으로 발전해 왔다. D단 정지 상태에서 엔진과 변속기를 분리하는 정지 중립 제어 기술^1,2)부터, 48 V 마일드 하이브리드 시스템에 적용되는 주행중 엔진 OFF 코스팅 중립 기술³⁾에 이르기까지 변속기의 중립을 통해 얻을 수 있는 연비 효과는 상당하기 때문에 변속기의 중립 관련 기술은 현재도 지속적으로 발전 추세에 있다.

자동 변속기에 있어서 변속 레버를 N단으로 전환하면 확실한 중립을 형성하기 위해 결합 및 해방측의 마찰 요소를 모두 해방시킨다. 그러나 이 상태에서 다시 D단을 선택할 경우 2개 이상의 클러치를 동시에 체결해야 하므로 변속 충격 또는 지연감이 발생할 가능성이 있다. 따라서 코스팅 중립 상태에서는 중립단 형성에 필요한 최소한의 마찰 요소만을 해방하고 나머지 요소는 체결 상태를 유지함으로써 재가속 조작 등의 빠른 가속 요구에 대응할 필요가 있다. Table 1은 코스팅 중립을 구현하기 위한 선체결(Pre-engage) 방법을 예시한 것이다.

Table 1

Pre-engagement strategy of NCC for agile response

앞서 언급한 바와 같이 코스팅 중립 중 재 가속시에는 클러치 체결 후에 가속감이 발생하므로 클러치가 상시 체결되어 있는 조건 대비 가속감이 불리하다는 단점이 있다. 물론 제어 유압의 가압 속도를 높여 클러치 체결을 빠르게 하거나 엔진 회전수 동기 제어(Rev-matching) 등을 적용하여 클러치 체결 응답을 개선하는 방법도 있지만, 어떤 경우든 상시 체결 상태와 비교하면 불리할 수 밖에 없으므로 가속 응답성의 근본적 개선에는 한계가 있다. Fig. 3은 코스팅 중립 중 가속시의 응답을 체결 상태와 비교한 것으로서 코스팅 중립 중의 가속 응답성은 상당히 불리하다는 것을 알 수 있다.

Fig. 3

Acceleration response of kick down during coasting drive

따라서 전방의 주행 상황을 인식하여 빈번한 가감속이 예상되는 조건을 능동적으로 회피함으로써 코스팅 중립 제어를 유효 적절하게 작동시킬 필요가 있다.

전방의 주행 상황을 인식하기 위해 ADAS 제어기의 각종 정보^4,5)를 활용하면 코스팅 중립 제어의 최적 작동 조건을 판단할 수 있다. Fig. 4는 ADAS 신호 정보를 활용하여 개발한 지능형 코스팅 중립 제어 시스템의 구성을 나타낸 것이다.

Fig. 4

System configuration of intelligent neutral coasting control

차량에 장착되어 있는 스마트 크루즈 컨트롤(SCC)용 전방 레이더를 통해 전방 차간 거리와 상대 속도를 검출하여 앞차와의 주행 관계를 파악할 수 있고, 차선 이탈 경고 장치(LKA)용 전방 카메라와 스티어링 조향각 정보를 활용하여 자차의 차선 변경 여부를 감지할 수 있다. 이와 같은 정보를 토대로 자차의 가속 또는 감속이 예측되는 경우 일시적으로 코스팅 중립 제어를 제한하는 것이 가능하며, 이 선제적 대응을 통해 코스팅 중립 제어의 가속감 악화를 최소화 할 수 있다. 특히 운전자가 턴 시그널을 작동시킨 경우 이것을 잠정적인 차선 변경 의지로 간주 할 수 있으므로 턴 시그널의 작동이 종료될 때까지 일시적으로 코스팅 중립 제어를 중단시키는 제어 로직도 적용하였다.

특히 운전자가 차량을 스포티하게 운전하는 경우에 코스팅 중립 제어가 빈번하게 작동하면 재 가속시 마다 운전자의 감성적 불만이 발생할 수 있으므로 Fig. 5와 같이 운전 성향이 마일드하다고 인식되는 낮은 스포티 지수(Sporty Index) 조건에서만 코스팅 중립 제어를 허용함으로써 연비 운전 의지를 지닌 운전 성향에 최적으로 부합하도록 제어 로직을 구현하였다.

Fig. 5

NCC operation logic according to driving style detection

본 시스템에서 운전자의 가속 의지를 파악하기 위해 활용하고 있는 운전 성향의 판단은 이미 개발된 스마트 변속 제어 시스템⁶⁾과의 연계를 통해 구현되었으며, 가속 페달 조작량(APS), 가속 페달 조작 속도(ΔAPS), 운전자의 스티어링 조작, 도로 구배도 등의 측정 인자에 적절한 가중치를 적용하여 0~100 %의 범위로 지수화한 스포티 지수(Sporty Index)를 사용한다. 일반적으로 스포티 지수는 0에 가까울수록 마일드하다고 판단할 수 있으며 100에 가까울수록 스포티하다고 간주할 수 있는 운전 성향의 측정 척도이다. 일정 수준 이상의 스포티 지수가 출력되고 있는 경우 운전자는 타행 후 지속적으로 가속할 가능성이 높으므로 이 조건에서는 타행 주행을 하더라도 클러치 체결 상태를 유지하여 이후의 잠재적 가속감을 확보하도록 하였다.

지능형 코스팅 중립 제어의 작동 및 해제는 차량의 주행 상황에 따라 적절히 운용되며 그 조건은 Table 2와 같다. 가감속 조작, 변속 레버 상태에 따라 기본적인 중립 허용 여부가 결정되며, 여기에 전방 레이더, 전방 카메라, 턴 시그널 등의 ADAS 정보와 운전 성향 판단을 통한 근 미래 예측 기반의 코스팅 중립 제어 작동 조건이 추가되었다.

Table 2

NCC activation condition using ADAS information

ADAS 기술과 연계한 주행 상황 별 제어 로직은 아래와 같이 5개 주행 조건으로 구분하여 개발되었다.

• 1) 전방 레이더를 통해 전방 차량과의 차간 거리가 매우 근접한 상태를 유지하고 있다고 판단된 경우, 자차의 빈번한 가감속 조작이 예측되므로 이 조건에서는 코스팅 중립 제어를 금지한다.
• 2) 전방 차량의 속도 검출 신호로부터 자차와 전방 차량간의 상대 속도를 계산하고, 이 값이 +10 KPH(예시)를 상회하는 경우 앞차를 추종하기 위한 자차의 가속이 예상되므로 곧바로 중립 제어를 해제한다.
• 3) 앞 차와의 상대 속도가 -20 KPH(예시) 이하로 감소하는 경우에는 자차의 감속이 예상되므로 중립 제어를 미리 해제함으로써 연료 차단 상태로 조기에 진입시켜 연비를 개선한다. Fig. 6은 전방 레이더를 활용한 코스팅 중립 제어의 작동 원리를 도식적으로 나타낸 것이다.
• 4) 전방 카메라에 의한 차선 이탈 여부와 스티어링의 조향각 검출 신호를 조합하여 차선을 변경하고 있다고 판단이 되면 차선 변경 후의 전방 주행 상황을 예측할 수 없으므로 Fig. 7과 같이 일시적으로 중립 제어를 해제한 후, 차선 변경이 완료되면 그때의 주행 상황을 다시 판단하여 중립 제어의 재개 여부를 결정하게 된다.
• 5) 운전자가 턴 시그널을 작동한 경우에도 차선 변경의지가 있다고 간주하여 중립 제어를 일시 해제하고 턴 시그널 작동이 끝난 후에 중립 제어를 재개한다.

Fig. 6

Distance range of NCC operation using front radar signal

Fig. 7

NCC operation condition from lane change detection

FTP 또는 NEDC 모드와 같은 표준 연비 인증 모드사이클에는 순수한 타력 주행 조건이 설정되어 있지 않으므로 인증 모드상에서 코스팅 중립 제어의 연비 효과를 검증하는 것은 불가능하다. 한편, 실도로에서는 타력 주행 조건이 자주 발생하기 때문에 코스팅 중립 제어의 연비 효과를 파악하기 위해 실도로 연비 시험을 진행해야 한다. 그러나 실도로의 특성상 정확하고 일관성 있는 연비 효과를 객관적으로 추정하는 것이 용이하지 않으므로 본 연구에서는 국도 및 고속도로에서 일정한 속도를 유지하면서 가속과 타력 주행을 반복하는 상황을 모사하여 이른바 펄스 앤 글라이딩(Pulse and Gliding, P&G) 시험 방법으로 코스팅 중립 제어의 연비 효과를 측정하였다.

시험 차량은 중량 1,965 kg의 당 사 프리미엄 급 세단으로서 배기량 3.8 L 자연 흡기 GDI 방식의 6기통 엔진에 후륜 8속 자동 변속기가 장착된 차량을 적용하였다.

Fig. 8은 본 시험에 적용한 시험 모드이며 상한 차속까지 가속한 후에 상한 차속에 도달하면 타력 주행을 실시하고 속도가 감소하여 하한 차속에 도달하면 다시 상한 차속까지 가속을 하는 운전 조작을 반복하는 것이다. 총 10 km 구간을 반복한 후에 코스팅 중립 제어 적용 전/후의 연비 측정 결과를 비교하여 상대적인 연비 효과를 파악하였다.

Fig. 8

Pulse and gliding test procedure for fuel economy evaluation

펄스 앤 글라이딩의 가/감속 반복 차속 밴드를 각각70~80 KPH, 90~100 KPH, 110~120 KPH 등의 3가지 차속구간으로 구분하여 시험한 결과, Table 3과 같은 연비 개선 효과를 확인하였다. 즉, 70~80 KPH 구간은 약 2.5 % 개선, 90~100 KPH는 1.9 % 개선, 110~120 KPH는 약 9.0 % 개선으로 차속이 증가할수록 개선 효과가 향상되는 경향을 알 수 있는데 이는 고속으로 갈수록 재 가속을 위한 가속 페달 조작량이 커서 코스팅 중립 제어가 적용되지 않은 사양의 연비 악화율이 상대적으로 증가했기 때문으로 판단된다. 다만 실험 결과의 경향이 차속 증가와 정확히 일치하지 않는 것은 시험이 진행되는 도로 구간에서의 노면 상태와 풍향, 풍속 등의 영향이 개입된 것으로, 향후 연구에서는 시험 횟수를 늘려 차속에 대한 정확한 효과 모델을 확립할 필요가 있을 것으로 사료된다.

Table 3

Result of fuel economy of P&G test

코스팅 중립 제어의 연비 개선 효과는 Fig. 9와 같이 P&G 시험이 진행되는 동안의 누적 연료량 관찰을 통해서도 확인된다.

Fig. 9

Comparison of cumulative fuel consumption

본 논문에서 제안한 ADAS 연계 중립 제어의 효과를 검증하기 위해 차간 거리 별로 전방 차량을 추종하면서 연료 소모량을 측정하였다. 속도는 약 100 KPH를 유지하는 조건에서 시험을 진행하였으며 그 결과를 Table 4에 도시하였다.

Table 4

Improvement of fuel efficiency in NCC by distance to front vehicle

상기 결과를 보면 알 수 있듯이 차간 거리 12 m의 경우 매우 가까운 차간 거리 유지를 위해 빈번하게 가감속 조작을 함에 따라 연비는 오히려 악화된 것을 알 수 있다. 그러나 차간 거리 20 m부터 연비는 동등 수준을 보이다가 약 30 m 이상으로 차간 거리를 넓히면 연비 효과가 크게 증가함이 확인된다. 이것은 차간 거리에 따른 재가속 빈도와 코스팅 진입 후의 유지 시간이 연비 효과와 큰 상관 관계를 갖고 있음을 의미한다.

또한 코스팅 중립 제어 중 재가속 빈도가 감소하였을 때 코스팅 중립 제어의 유지 시간이 크게 증가하는 것이 확인되는데, 이를 연비 효과와 연계하여 고찰하게 되면 코스팅 중립 제어는 적어도 2초 이상 유지되어야 연비 효과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.

이 결과를 토대로 전방 레이더 신호를 활용하여 중립 유지 시간이 길어질 수 있는 조건에서만 코스팅 중립 제어를 작동시키도록 하여 연비 효과의 극대화를 도모하였다.

일반적으로 실제 도로에서 교통 흐름에 맞춰 주행하는 경우 전방 차량이 가속을 하면 운전자는 무의식적으로 전방 차량을 따라서 가속을 하고, 전방 차량이 감속을 하면 함께 감속을 하는 것이 보통이다. 따라서 전방 레이더 신호로부터 자차와 전방차간의 상대 속도를 검출하여 활용할 경우 전방차의 가감속을 운전자가 인지하여 가속 페달 또는 브레이크 페달을 밟기 전에 코스팅 중립 제어를 해제함으로써 이후의 가감속에 미리 대비할 수 있다.

이와 같이 전방 차간 상대 속도를 고려하여 코스팅 중립 제어를 조기 해제한 경우와 해제하지 않은 경우의 가속 응답 시간 차이를 비교함으로써 상대 속도 연계 성능을 검증하였다. Fig. 10은 그 시험 결과이다. 가속에 의한 클러치 체결의 경우 가속 페달 팁-인부터 최대 가속도 도달점까지 1.02초 소요되었으나, 상대 속도 검출을 통한 클러치 조기 체결시 가속에 걸리는 시간은 0.53초로 약 48 % 단축 효과가 있었다. 이 효과는 결국 클러치 체결에 요하는 시간만큼 단축되었다고 할 수 있으며, 상대 속도 판정에 따른 클러치 조기 체결에 의해 코스팅 중립 제어의 단점이었던 재가속 응답성이 크게 개선될 수 있음을 알 수 있다. 전방차가 감속하는 경우에도 동일한 원리로 개선이 될 수 있다.

Fig. 10

Effect of NCC according to relative speed

코스팅 중립 제어 작동 상태에서 차선 변경 후 재 가속시 코스팅 중립 제어를 미리 해제한 경우와 해제하지 않은 경우의 응답 시간을 Fig. 11에 비교하였다.

Fig. 11

Effect of NCC according to lane change detection

차선 변경 후 가속에 의한 클러치 체결의 경우 가속 페달 팁-인부터 최대 가속도 도달점까지 0.97초 경과되었으나, 차선 변경에 검출에 의한 클러치 조기 체결시 가속에 걸리는 시간은 0.50초로 약 49 % 단축 효과가 있었다. 이 효과 역시 클러치 체결 시간만큼 단축된 것이며, 차선 변경 후 재가속 조건에서도 마찬가지로 가속 응답성이 개선됨을 확인하였다.

운전 성향과 연동한 중립 주행 차별화 작동을 확인하기 위해 가속 페달을 높게 유지하는 주행 상태에서의 타행 조건과 가속 페달을 낮게 유지하는 상태에서의 타행 조건을 Fig. 12와 같이 비교하였다.

Fig. 12

NCC activation by sporty index (driving style criteria)

가속 의지가 판단된 스포티 운전 조건에서는 일시적으로 타력 주행을 하더라도 코스팅 중립으로 진입하지 않고 클러치 체결 상태를 유지함으로써 운전 성향에 부합하는 재 가속감을 확보할 수 있었으며, 연비 운전을 위해 가속 페달을 작게 조작하다가 타력 주행한 경우에는 코스팅 중립 제어가 작동하여 연비 운전이 가능함을 확인하였다. 즉, 운전 성향에 따라 에코-컴포트-스포츠 모드로 주행 모드가 실시간 자동 전환되는 스마트 주행 모드에서는 연비 운전을 하고 있는 스마트 에코 상태가 감지된 경우에만 중립 주행 제어가 작동한다.