전기차 주행경고음발생장치의 검사제도 마련을 위한 기초연구

1. 서 론

전기차는 기존 내연기관차와는 다르게 시동을 켜거나 주행 시 큰 소음을 발생시키지 않으므로 시각장애인들이나 노약자들과의 사고 위험성이 존재하며 이를 방지하기 위해 저소음자동차 경고음발생장치인 AVAS(Acoustic Vehile Alerting System) 기능을 전기차에 탑재하는 것이 세계적으로 의무화되고 있다. 유럽의 경우 ’19년 7월부터 전기차와 하이브리드차에 대해 20 km/h 이하에서 56 dB 이상 배기음을 내도록 의무화하였으며,¹⁾ 미국 NHTSA(National Highway Traffic Safety Administration)는 ’19년 9월부터 30 km/h 미만에서 전기차와 하이브리드차에 의무적으로 소음을 발생시키는 규정을 발표했다.²⁾ 한국의 경우 ’18년 7월부터 20 km/h 이하 저소음 자동차 경고음 발생장치 기준규칙을 신설하였다.³⁾

국내에서는 인지성이 높으면서도 소음공해를 최소화하는 전기차 경고음에 대한 설계 연구⁴⁾ 및 전기차 경고음이 실내로 전달되는 것을 저감하기 위한 연구⁵⁾가 진행되었으며 소형 전기차를 대상으로 가상 엔진 사운드 시스템을 장착하는 연구⁶⁾도 진행된 바가 있다. 그러나 전기차 정기 점검 시 검사 위치 및 기준에 관해서는 아직 수립이 되지 않았기 때문에 본 논문에서는 AVAS 관련 검사 기준을 수립하기 위해 여러 조건에서 AVAS 시험을 통한 데이터를 획득하고 관련 기준을 제시하고자 한다.

자동차 검사소에서 전기차의 주기적인 정기 검사 진행 시 AVAS 기능을 점검하기 위한 검사장비가 필요한 상황이다. 검사장비 개발 시 검사소 내의 시끄러운 현장 소음에서도 AVAS 소음측정이 가능해야 하며 시간적 제약으로 인해 빠른 시간 내에 검사가 가능해야 한다. 또한 AVAS 소음이 난청을 유발하거나 청신경에 손상을 입히지 않고 들릴 수 있는 65 ~ 80 dB 사이의 음압대인지를 확인하는 것이 중요하며,⁷⁾ 사람이 들을 수 있는 가청영역대의 주파수를 발생시키는지도 확인이 필요하다.

본 논문의 구성은 다음과 같다. 2장에서 소음 관련 주요 파라미터에 대해 다룬다. 3장에서는 실내⋅외 실차시험을 통하여 검사소 내 AVAS 소음 측정방법을 제시한다. 4장을 끝으로 실내외 실차시험 결과 분석 및 시험데이터를 활용한 검사소 내 AVAS 검사방법에 대한 결론을 제시한다.

2. 소음 관련 주요 파라미터

2.1 데시벨(dB)과 주파수(Hz)

데시벨(Decibel, dB)은 소리에너지 크기의 상대적 비율을 상용로그로 나타낸 값의 단위이다. 데시벨은 일반적으로 각 주파수 성분에 A 가중치를 부여한 dB(A)를 사용하며 A를 생략하여 사용하는 경우가 많다. 이는 인간 귀의 민감도를 반영한 것으로 볼 수 있다. 사람이 들을 수 있는 최저 수준을 0 dB로 가정하며 평균 생활 소음은 40 dB, 일상대화는 60 dB, 지하철이나 도시 거리 소음은 80 dB 수준의 크기에 해당한다.

인간은 소리의 데시벨이 3 dB 변화할 때 소리 크기 변화 인식이 가능하고 5 dB 변화할 때는 뚜렷하게 차이를 인식할 수 있으며, 10 dB 변화 시에는 차이를 2배로 인식하게 된다.⁸⁾

주파수(Hz)는 1초 동안 같은 모양의 파동이 몇 번 반복되었는지를 뜻하며 한 주기가 완료되는데 걸리는 시간인 주기와 역수의 관계이다. 주파수는 소리의 높이를 결정하며 주파수가 높을수록 높은 소리가 난다. 사람이 들을 수 있는 가청주파수의 범위는 약 15 ~ 20,000 Hz이며 일상생활에서 발생하는 주파수는 125 ~ 8,000 Hz 범위에 해당된다.

Table 1

Center frequency of 1/3 octave

3. 전기차 AVAS 소음 시험

3.1 AVAS 시스템 구성

AVAS 소음 시험을 진행하기 위해 AVAS 시스템이 어떻게 구성되어 있는지 확인할 필요가 있다. AVAS 시스템은 30 km/h 이하의 속도로 주행하는 상황에서 75 dB 이하의 경고음을 발생시키며 입력부, 출력 신호 생성 및 증폭제어를 담당하는 제어부, 가상 엔진사운드를 생성하고 증폭시키는 신호생성부 및 증폭부, 소리로 변환하여 출력하는 사운드출력부로 구성된다.¹¹⁾

Fig. 1

AVAS System configuration diagram

3.2 전기차 AVAS 소음 측정 시험 조건

본 AVAS 소음측정 시험은 아이오닉5(IONIQ5) EV 차량, 봉고3(BONGO3) EV 2개 차종을 대상으로 실시하였으며 해당 차종들의 스펙은 아래 그림과 같다.

Fig. 2

IONIQ 5, BONGO 3 EV body size

Table 2

IONIQ 5, BONGO 3 EV specifications

또한 해당 차종들의 AVAS 장착 위치는 다음 사진과 같다.

Fig. 3

IONIQ 5 EV AVAS mounting location

Fig. 4

BONGO 3 EV AVAS mounting location

본 논문에서는 자동차검사소 내 외부소음의 영향이 크므로 전기자동차 내부에 설치된 AVAS를 측정하기 위해 근거리장(Near Field)을 고려하여 실내외 환경에서 시험을 고려할 수 있는 방안을 제시한다. 그래서 측정 위치는 외부 소음 영향을 크게 받게되는 전면부와 영향을 줄일 수 있는 하부로 구분하였다. 상용차인 봉고3 EV의 경우 범퍼의 높이가 승용차인 아이오닉5 EV에 비해 높으므로 하부 측정 시 봉고3 EV의 측정 높이를 아이오닉5 EV보다 높게하여 AVAS와 가까우면서도 범퍼하부에 걸리거나 닿지 않는 측정위치로 Table 3과 같이 정하였다.

Table 3

Electric Car AVAS sound measurement location scenario

Fig. 5

Test scenario 1 - IONIQ 5 front

Fig. 6

Test scenario 2 - IONIQ 5 bottom

Fig. 7

Test scenario 3 - BONGO 3 front

Fig. 8

Test scenario 4 - BONGO 3 bottom

측정 장소는 실외, 무향실 2곳에서 실시하였다. 실외 시험은 지능형자동차부품진흥원 소음로에서 실시되었으며 레퍼런스 데이터를 위한 무향실 시험은 경남테크노파크 무향실에서 실시하였다.

Fig. 9

Outdoor AVAS test environment (KIAPI Pass by noise test track)

Fig. 10

Anechoic chamber AVAS test environment (Kyeongnam Techno Park)

AVAS는 30 km/h 이하로 주행하는 상황에서 소음을 발생시키는데 해당 시험에서는 정차 상태에서 AVAS 소음을 발생시키기 위해 진단기를 이용하여 AVAS를 강제 구동시켰으며 SVANTEK 社의 SV 977D 소음측정기 장비를 사용하여 측정을 100회 실시하였다.

3.3 무향실 내 AVAS 소음 시험

검사제도 수립을 위해 전기차의 AVAS가 어떤 소음 특성을 가지는지를 알기 위한 레퍼런스 데이터를 취득할 필요가 있다.

전기차 2종에 대해 무향실 내에서 100회 시험한 결과, 아이오닉5 EV AVAS 소음의 1/3 옥타브 중심주파수는 전면부와 하부 모두 630 Hz에서 가장 높게 기록되었으며, 봉고3 EV의 경우 전면부와 하부 모두 800 Hz에서 가장 높게 기록되었다.

아이오닉 EV AVAS의 데시벨은 전면부에서 평균 71.1 dB(A), 하부에서 평균 69.8 dB(A)로 전면부가 하부보다 0.3 dB(A) 정도 높게 측정되었다.

봉고3 EV의 경우 전면부에서의 데시벨은 평균 72.6 dB(A), 하부에서의 데시벨은 평균 80.7 dB(A)로 측정되었다. 봉고3 EV 하부 AVAS 소음 측정 시 전면부 보다 데시벨이 8.1 dB(A) 정도 높았으며 상용차인 봉고3 EV는 측정 위치와 조건에 따라 데시벨 차이가 큰 것을 확인하였다.

Table 4

Electric Car AVAS sound measurement results in an anechoic chamber (average of 100 times)

Fig. 11

Anechoic chamber AVAS sound test result

또한 무향실 내에서 전기차의 하부를 측정했을 때는 전면부보다 표준편차가 0.11 ~ 0.12 dB(A) 정도 높게 나타났다.

3.4 실외 AVAS 소음 시험

전기차 2종에 대해 실외 KIAPI 소음로에서 100회 시험한 결과, 아이오닉5 EV AVAS 소음의 1/3 옥타브 중심주파수는 전면부와 하부 모두 무향실과 같은 630 Hz에서 가장 높게 기록되었으며 봉고3 EV도 전면부와 하부 모두 800 Hz에서 가장 높게 기록되었다.

Table 5

Outdoor Electric Car AVAS sound measurement results (average of 100 times)

Fig. 12

Outdoor AVAS sound test result

아이오닉 EV AVAS의 데시벨은 전면부에서 평균 71.1 dB(A), 하부에서 평균 70.5 dB(A)로 측정되었다. 무향실 내에서 측정한 결과처럼 실외에서도 전면부가 하부보다 데시벨이 0.6 dB(A) 정도 높았다.

봉고3 EV의 경우 전면부에서의 데시벨은 평균 72.0 dB(A), 하부에서의 데시벨은 평균 79.9 dB(A)로 측정되었다. 실외에서도 봉고3 EV 하부 AVAS 소음은 전면부보다 데시벨이 7.9 dB(A) 정도 높았으며 무향실과 유사한 경향성을 가지는 것을 확인하였다.

반면 외부 소음이 존재하는 실외의 경우 무향실과는 달리 전면부의 표준편차가 아이오닉5는 0.04 dB(A), 봉고3는 0.2 dB(A) 정도로 하부의 표준편차보다 높았으며 이는 외부 소음이 존재하는 환경에서는 하부에서 AVAS 소음을 측정하는 것이 외부 소음 영향을 적게 받는다는 것을 의미한다.

또한 무향실과 실외 시험 모두 아이오닉5 EV는 전면부가 하부보다 데시벨이 더 크게 측정되었으나 봉고3 EV는 하부가 전면부보다 데시벨이 더 높게 측정되었다. 이는 차량 구조 특성으로 인해 봉고3 EV 하부 측정 시 아이오닉5 EV보다 AVAS 음원에 소음측정기를 가깝게 측정했기 때문으로 판단된다.

4. 결 론

• 1) 봉고3와 아이오닉5 EV 차량 AVAS의 1/3 옥타브 중심주파수 영역대는 630 ~ 800 Hz로 사람이 들을 수 있는 가청주파수 영역대다. 데시벨 또한 봉고3 EV 차량 하부를 제외하면 75 dB을 넘지 않는 69 ~ 74 dB(A) 대역의 적정 데시벨이었으며 사람들이 AVAS 소음을 듣게 되는 위치는 차량의 하부가 아닌 전면부 쪽임을 고려하면 AVAS에서 내는 소음은 적정 데시벨에 해당되는 것으로 판단된다.
• 2) 실외 AVAS 소음 결과 전면부의 표준편차(IONIQ5: 0.38 dB(A), Bongo3: 0.54 dB(A))가 하부의 표준편차(IONIQ5: 0.34 dB(A), Bongo3: 0.34 dB(A))보다 크며, 하부에서의 소음 측정이 외부 소음 영향을 적게 받았다. 그러나 결과값의 표준편차가 전반적으로 작기 때문에 향후 외부 소음이 큰 조건에서 추가 연구를 진행할 예정이며, 봉고3 EV 하부의 경우 75 dB(A)를 초과하는 데시벨이 측정되었으므로 AVAS 장착 위치를 기준으로 측정 위치를 변경하면서 추가적인 시험을 진행하고자 한다.
• 3) 검사소 환경에서는 검사수행 시 주변 차량들의 소음으로 인해 검사소 내의 소음이 심하다. 따라서 검사소 입구에서 AVAS 소음 측정이 이루어지는 것이 적합하며 외부 소음에 의한 영향을 줄이기 위해 마이크로폰 주변을 차폐시키고 차량 하부쪽에서 AVAS 소음을 측정하는 것이 적합할 것으로 판단된다.
• 4) 차후에는 검사소 내에서 추가적인 시험을 진행하고 전기차 AVAS 검사 시 적합 측정 위치 기준을 수립하기 위한 연구를 진행할 예정이다.

Acknowledgments

본 논문은 국토교통부/국토교통과학기술진흥원(과제번호: RS-2023-00243574, 과제명: 전기자동차 안전성 평가 및 통합 안전 기술 개발)의 지원을 받아 수행하였다.

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