급발진 의심 사고의 EDR 파워트레인 데이터 분석

2.1 차량의 구동

운전자가 가속페달을 밟게 되면 엔진제어기는 운전자의 가속페달 위치 센서(APS: Acceleration Pedal Sensor)의 값에 맞춰 스로틀 밸브(Throttle valve) 등을 개방하여 가속에 필요한 동력(토크)을 출력한다. 이 값이 감속기어를 거쳐 기어비만큼 증대되어 바퀴에 작용하는 주행부하보다 크면 차량은 가속하게 되고, 바퀴에 연결된 엔진의 회전수도 차속과 함께 증가하게 된다. 하지만 엔진은 최대 출력 회전수가 제한되어 있어 그보다 큰 값으로 차량을 가속하기 위해서는 추가적인 장치가 필요하다. 이렇듯 엔진에서 출력되는 동력과 차량의 주행부하에 대응하여 차량을 가감속할 수 있도록 다수의 기어비를 제공하고 변화시킬 수 있는 장치가 파워트레인의 변속기다.

변속기는 여러 개의 기어쌍으로 구성되어 있으며, 기어비의 변화를 운전자가 직접 결정하는 수동변속기와 변속제어장치에서 자동으로 수행하는 자동변속기로 구분된다. 특히 자동변속기는 토크 컨버터와 유성기어, 습식 다판 클러치로 구성된 전형적인 구조 이외에 최근에는 DCT(Dual Clutch Transmission)와 같은 AMT(Automated Manual Transmission)도 많이 사용되고 있다.

차량의 구동 시 파워트레인의 거동은 Fig. 1과 같은 구동력 선도(Tractive effort and resistance diagram)로 표시할 수 있다.⁸⁾ 구동력 선도란 차속을 가로축으로 하고 바퀴에 작용하는 구동력과 주행부하를 표시한 그림으로 이를 이용하여 대상 차량의 최대 등판 각도와 최대속도 등 구동 성능을 판별할 수 있다. 대체로 변속기의 1단 기어비는 차량의 최대 등판성능을, 최고 단수 기어비는 최대속도를 목표로 설계하므로 Fig. 1에 표시한 차량의 최대 등판 경사는 57.7 %이며, 최대속도는 170 km/h 정도임을 알 수 있다.

Fig. 1

Tractive effort and resistance diagram of a moving vehicle(https://doi.org/10.1007/978-1-4419-0851-3_799)

차량의 주행 시 바퀴에 작용하는 주행부하는 식 (1)과 같이 등판저항(R_G)과 공기저항(R_A), 구름저항(R_R)으로 분류할 수 있다. 공기저항은 차량 속도의 제곱에 비례하며 구름저항은 차량의 바퀴에 작용하는 차량 무게에 대한 타이어와 지면과의 마찰계수로 표현되며 주행 노면과 차량 속도, 타이어의 종류 등 다양한 변수에 따라 달라지므로 대상 차량의 타행시험을 통하여 추출한 실험 계수 C₁과 C₂를 이용하여 모델링할 수 있다.

여기서 W는 차량의 무게, θ는 등판각도, V는 차량 속도이다. 구동력 선도에서 주행부하를 등판 각도에 따라 표시하면 차속의 제곱에 비례하는 곡선으로 나타난다.

내연기관인 엔진의 출력은 대체로 특정 회전수에서 최대 토크 값을 가지며 그 전후에서 감소하여 포물선의 형태로 나타난다(Fig. 2). 따라서 구동력 선도에서 보이는 포물선은 엔진의 풀-스로틀(Full throttle) 시의 최대 토크 값을 변속기 각 단의 기어비를 사용하여 차속으로 변환한 것이다.

Fig. 2

Engine performance curve

2.2 차량의 가감속과 변속

차량의 가감속은 운전자가 가속페달을 통해 구동원인 엔진의 속도를 직접 변화시키거나 변속기의 변속을 통해 이루어진다. 이러한 변속은 차량의 주행부하와 엔진 상태에 맞추어 수동변속기는 운전자가 변속 시점을 결정하지만. 자동변속기는 미리 정해진 변속스케줄(변속 맵 또는 변속 패턴)에 맞추어 이루어진다. 변속스케줄은 운전자의 가속 의지를 반영하는 APS 값과 차속을 입력조건으로 하며, 차량의 연비와 구동 성능 등을 종합적으로 고려하여 설계되며 변속 제어기(TCU: Transmission Control Unit 또는 PCM: Powertrain Control Module)에 룩업(Look-up) 테이블 형태로 저장되어 사용된다(Fig. 3).

Fig. 3

Shifting schedule in an automatic transmission

일반적인 차량의 가속은 주행 상황에 따라 엔진을 최대 토크 또는 최대 파워 회전수까지 구동한 후 낮은 기어비로 변속하여 엔진의 작동 영역을 확장하는 상단 변속을 통해 이루어진다. 이때 APS 값이 크면 급가속(Fig. 3의 ① Full throttle)으로 판단하여 지연된 상단 변속스케줄을 사용하고, 값이 작으면 완가속(Fig. 3의 ② Part throttle)의 빠른 상단 변속이 이루어진다.

이와 달리 운전자가 추월과 같은 급격한 가속을 원해서 주행 중 가속페달을 더 밟게 되면 APS 값이 순식간에 증가하면서 변속기는 차량 가속도를 최대화하기 위해 일시적으로 높은 기어비로 하단 변속하여 증가한 기어비만큼 엔진 출력 토크를 증배하여 구동축에 전달한다. 이러한 급가속은 운전자가 밟은 APS 값 변화량에 따라 킥-다운 또는 팁-인(Fig. 3의 ③ Kick down, Tip in)이라고 하며 하단 변속 이후 지연된 변속스케줄에 따른 상단 변속이 이루어지면서 가속하게 된다. 특히 킥-다운의 경우 엔진의 과회전을 방지하기 위해 무리한 하단 변속을 방지하는 안전 기능이 변속기에 있으며, 운전자의 페달 오조작 판별이나 빈번한 변속이 발생하지 않도록 차량 제조사별로 약간의 시간지연을 두고 작동한다.

이에 반해 운전자가 주행 중 가속페달에서 발을 떼는 리프트-풋-업 또는 팁-아웃(Fig. 3의 ④ Lift foot up, Tip out)이 발생하면 APS 값이 순식간에 감소하면서 차량은 운전자가 가속 의지가 없다고 판단하고 상단 변속하여 엔진의 작동점을 최대 토크 영역에서 고연비 영역으로 이동하게 된다. 특히 내리막길에서 이를 관성주행(Coasting)이라고 하며 APS가 계속해서 낮은 값으로 유지되면 차량은 순차적인 하단 변속 이후 정지하게 된다.

3.1 차량의 구동 시뮬레이션 프로그램

차량의 엔진과 변속장치의 구성은 무수히 많은 조합이 가능하므로 파워트레인 각 구성요소는 복잡한 동적 특성을 무시한 정상상태로 가정하여 다음과 같이 모델링하고(Fig. 5), 이를 바탕으로 차량의 속도관계식과 운동방정식을 유도하였다(식 (2), (3)).

Fig. 5

Free body diagram of a simplified powertrain system

여기서 I₁은 엔진과 플라이휠, 클러치, 변속기 입력축의 등가 회전관성을 나타내고 I₂는 변속기 출력축과 변속 기어열, 차동장치, 종감속기, 차량의 등가 회전관성을 나타낸다. 또한 α는 변속기의 변속 기어비를 나타내고 ω₁과 ω₂는 각각 엔진과 구동축의 회전속도, T₁과 T₂는 각각 엔진과 주행부하의 토크 값을 나타낸다.

시뮬레이션 대상 차량에 탑재된 엔진은 4,600 rpm에서 최대 토크 163 Nm을 출력하는 1,600 cc 휘발유 엔진이다. 엔진의 공회전 상태와 동특성이 차량의 발진 거동에 미치는 영향은 매우 크지만, 엔진 실린더 내의 폭발력 등에 대한 정확한 모델링이나 실험 등이 어려우므로 앞서 설명한 대로 엔진의 동특성을 무시한 정상상태의 성능 데이터를 사용하였다. 시뮬레이션에 필요한 스로틀 개도(TPS: Throttle Position Signal) 별 엔진 토크 값은 정상상태 성능 데이터 곡선을 3차원 보간하여 계산하였다. 시뮬레이션 프로그램에서 차량의 주행 조건은 간단한 운전자 모델을 이용하여 가속페달과 제동페달의 변위를 시간에 대해 백분율로 입력하도록 하였다. 차량에 탑재된 변속기는 6속 DCT이며 변속스케줄은 Fig. 6과 같고 각 단의 변속 기어비와 종 감속비, 주행부하 계산에 필요한 타행 실험 계수와 차량 사양은 Table 1과 같다.

Fig. 6

Shifting schedule in the target vehicle

Table 1

Vehicle specification

3.2 차량 가속 시 파워트레인의 거동

먼저 개발 프로그램의 해석 결과를 검증하기 위해 대상 차량의 APS 값 100 %의 풀-스로틀(Full throttle)과 APS 값 20 %의 파트-스로틀(Part throttle) 주행을 시뮬레이션하였다.

시뮬레이션 결과에서 차량은 정해진 변속스케줄에 따라 차속이 증가하면서 상단 변속이 차례대로 이루어졌음을 확인할 수 있다(Fig. 7). 파트-스로틀의 경우 풀-스로틀보다 변속 시점이 빠르고 변속이 이루어진 엔진 회전수가 최대 토크가 아닌 연비가 좋은 영역으로 낮게 형성되고 있는데 이는 파트-스로틀 변속스케줄이 가속 성능보다 연비 성능에 우선하도록 작성되었기 때문이다.

Fig. 7

Simulation result(full throttle and part throttle)

시뮬레이션 결과 풀-스로틀 가속에서 차량 속도 100 km/h에 도달하는 시간이 8.1초로 계산되었다. 실제 차량의 제로-백 성능은 약 7초로 알려져 있으나 해석 프로그램에서는 클러치나 토크 컨버터와 같은 발진기구를 고려하지 않았으며 차량의 발진 시 엔진의 아이들 상태가 고려되지 않았다. 특히 실제 시험 차량의 타이어 상태 등 여러 사양이 성능시험을 위해 조정되고 최적화되었음을 고려하면 시뮬레이션 결과가 비교적 정확하다고 할 수 있다.

프로그램을 이용하여 대상 차량의 급격한 가속페달 조작인 킥-다운과 리프트-풋-업에서 차량의 속도와 엔진 회전수, 변속 기어 단수의 변화를 시뮬레이션하였다. 먼저 Fig. 8은 출발 후 10초까지 APS 값 20 %로 가속하다가 이후 100 %로 급가속하여 킥-다운이 발생한 경우이다. 처음에 차량은 4단까지 순차적인 상단 변속으로 완만히 가속하다가 10초에 킥-다운이 발생하면서 2단으로 급격한 하단 변속을 하게 된다. 이에 따라 엔진 회전수는 약 2,000 rpm에서 4,000 rpm으로 급변하고 이후 계속되는 운전자의 가속 의지에 대응하기 위해 최대 엔진 회전수인 6,300 rpm까지 증가한 후에 3단으로 변속하게 된다. 이후 차량은 변속스케줄에 따라 5단까지 상단 변속하면서 급가속하고 있다.

Fig. 8

Simulation result(kick-down)

Fig. 9는 출발 후 6초까지 APS 값 60 %로 가속하다가 0 %로 리프트-풋-업이 발생한 경우의 시뮬레이션 결과이다. 그림에서 6초까지 차량은 3단까지 완만히 변속하면서 가속하다가 6초 이후 순식간에 6단까지 상단 변속을 하고 있다. 이는 운전자의 가속 의지가 없어졌다고 판단한 차량이 낮은 기어비로 상단 변속하여 엔진의 작동 영역을 최대 토크에서 고연비 영역으로 이동하였기 때문이다. 따라서 엔진 회전수는 이전 4,000 rpm 부근에서 2,000 rpm 이하로 감소하고 이후 차량은 순차적인 하단 변속을 통해 감속하고 있다.

Fig. 9

Simulation result(lift foot up)

4.1 사고 사례 A

본 사례는 사고 차량이 시골길에서 급가속하여 우측 앞 범퍼로 전방의 구조물을 추돌한 후 주차된 차량의 좌측 뒷바퀴 부분을 충격하여 동승자가 상해를 입은 급발진 의심 사고이다. 당시 사고 차량에 차량 진단기를 연결하여 EDR 기록에 관여하는 여러 센서류 등의 이상 유무를 점검한 결과 특별한 고장 코드가 발견되지 않았으며 가속페달과 제동페달, 변속 레버, 인히비터 스위치도 정상 작동함을 확인하였다. 이후 전용 추출장비를 이용하여 EDR에서 ACU(Airbag Control Unit)가 충격을 인지한 시점을 기준으로 5초 전의 주행 정보가 0.5초 단위로 기록한 데이터가 식별되었으며 추출한 주행 정보의 일부를 Fig. 10과 같이 표시하였다.

Fig. 10

EDR data in case A(printed from EDR report)

EDR 기록 중 TPS 값과 엔진 회전수, 차속, 변속 여부를 그림으로 표시하면 다음과 같다(Fig. 11). 시뮬레이션과 달리 실제 차량의 엔진은 회전관성이 비교적 크고, 내연기관의 연소 과정인 실린더 내 행정으로 엔진 출력 토크의 변화가 TPS 값의 변화에 대해 약간의 시간지연 후에 이루어진다. 따라서 보다 정확한 비교를 위해 TPS 값을 다른 주행 정보에 비해 본 연구에서는 0.5초 이동하여 표시하였다.

Fig. 11

Powertrain behavior in case A

사고 차량의 변속 여부를 판단하기 위해 EDR 파워트레인 데이터 중 엔진 회전수와 차속을 비교하여 전체 기어비 변화를 추정하였다. 이론적으로 변속이 발생하지 않으면 전체 기어비는 일정한 값을 가져야 하지만 실차에서 차속은 휠속 센서(Wheel speed sensor)에서 입력된 각 바퀴의 회전수로 계산하기 때문에 사고 발생 시 바퀴의 미끄러짐이나 타이어 파손으로 인한 동하중 반경값 변화에 따라 오차가 발생할 수 있다. 특히 토크 컨버터를 장착한 자동변속기의 경우에는 유체장치인 토크 컨버터의 슬립률에 따라 차량 전체 기어비가 일정하지 않고 변할 수 있어 식 (4)와 같이 정수화(Integer-valued) 함수를 이용하여 계산하였다.

EDR 기록에서 사고 차량의 TPS 값은 5초 동안 최소 16 %에서부터 최대 100 %까지 기록되어 있으며 차속은 -5.0초에 17 km/h에서 -4.0초에 38 km/h로 급가속하고, 이후 2차로 -2.5초에 13 km/h에서 70 km/h로 0.5초 만에 순간적으로 증가한 것으로 나타난다.

먼저 -5.0초에서 -4.0초 사이는 TPS 값 100 %로 엔진 회전수가 2,600 rpm에서 고토크 영역인 3,900 rpm까지 증가하였고 이후 1차 추돌로 차량이 하단 변속하면서 차속이 감소하였다(Fig. 11의 [a]). 이후 -3.0초에 TPS 값이 16 %에서 27 %로 변하는 팁-인이 발생하였는데 이전의 하단 변속으로 인해 약 3,800 rpm의 높아진 엔진 회전수 때문에 차량은 -2.5초에 상단 변속하여(Fig. 11의 [b]), 차속이 13 km/h에서 70 km/h로 크게 증가하였다. 사고 당시 노면이 고르지 않아 타이어의 마찰저항이 감소할 수 있고 사고 직전까지 운전자가 브레이크 페달을 작동하지 않고 주행함을 고려하였을 때 사고 차량의 파워트레인은 정상적인 변속 거동을 나타낸 것으로 보이며 급발진 의심과 같은 차량의 이상 거동은 확인할 수 없다.

4.2 사고 사례 B

본 사례는 아파트 단지 아스팔트 도로를 주행하던 사고 차량이 불상의 이유로 정문 외벽을 충격한 급발진 의심 사고이다. 당시 사고 차량은 에어백이 전개된 상태이며 센서류 등의 이상 유무를 점검한 결과 특별한 고장 코드가 발견되지 않았다. 이후 EDR에서 추출한 주행 정보를 Fig. 12와 같이 표시하였다.

Fig. 12

EDR data in case B(printed from EDR report)

EDR 기록에서 사고 차량은 -5.0초부터 -4.0초까지APS 값 15 ~ 44 % 내외로 가속하다가 이후 90 %로 급하게 운전자가 가속페달을 밟은 후 발을 떼고, 이후 -1.0초에서 90 %로 잠시 변화하였다가 다시 가속페달을 밟은 것으로 나타난다. EDR 기록을 바탕으로 APS 값에 대응한 TPS 값과 엔진 회전수, 차속, 변속 여부를 표시하면 다음과 같다(Fig. 13).

Fig. 13

Powertrain behavior in case B

먼저 -2.0초까지 차량은 전형적인 가속 상태를 나타내고 있다. -4.0초에서 TPS 값이 100 %로 일시적으로 증가하였으나 차속이 23 km/h 내외로 이미 낮은 변속 단으로 주행 중이었고, TPS 값이 바로 줄어들어 킥-다운과 같은 급격한 하단 변속은 발생하지 않은 것으로 판단된다(Fig. 13의 [a]). 이후 운전자가 가속페달에서 발을 뗀 -2.5초부터 TPS 값은 0%로 1초간 유지되면서 차량은 -2.0초에서 리프트-풋-업으로 상단 변속하여(Fig. 13의 [b]) 주행하고 있다.

그리고 -1.5초에서 TPS 값이 16 %에서 27 %로 변하는 팁-인이 발생하였고 차량은 -1.0초에 하단 변속하여(Fig. 13의 [c]) 엔진 회전수가 1,700 rpm에서 2,300 rpm의 고토크 영역으로 증가하였고 차속은 26 km/h에서 34 km/h로 증가하였다. 이 사례에서 사고 차량의 파워트레인은 APS 값에 따른 정상적인 변속 거동을 나타낸 것으로 판단되며 마찬가지로 급발진 의심과 같은 차량의 이상 거동은 확인할 수 없다.