자동차 전자 장치란?

자동차 전자 장치는 차량 시스템으로, 전기 신호와 전력을 처리하고 수정하여 자동차의 기능을 모니터링, 제어 및 수행합니다. 최신 자동차는 상호 연결된 전자 시스템의 복잡한 네트워크를 사용하여 안전, 효율성, 성능, 편안함, 사용자 경험을 개선합니다. 오늘날의 승용차에는 최대 100개의 전자 모듈이 탑재될 수 있으며, 전기차 또는 하이브리드차에는 200개 이상이 탑재됩니다. 전기차(EV) 기술, 자율 주행 및 향상된 연결성의 발전에 따라 자동차에 탑재되는 전자 장치는 더욱 증가할 것입니다. 이러한 동향은 이러한 차량을 설계하고 제작하는 엔지니어에게 새로운 과제를 제시할 것입니다.

차량에 전기를 사용하는 사례는 전기 헤드램프에서 시작하여 자동차 시동이나 와이퍼 작동을 위한 전기 모터로 이어졌습니다. 트랜지스터, 다이오드 등 개별 반도체의 개발로 자동차 제조자는 효율성을 높이기 위해 교류 발전기와 간단한 전자식 연료 분사 장치를 추가할 수 있었습니다.

이후 자동차 산업이 집적 회로를 도입하면서 1980년대에는 엔진 제어, 자동 제동 시스템(ABS), 전자식 안정성 제어(ESC) 모듈 등을 개선하기 위해 멀티칩 전자 제어 장치(ECU)가 추가되었습니다. 21세기에 들어서면서 자동차 제조자들은 자동차 전자 장치의 사용을 확대하여 자동차를 바퀴 달린 컴퓨터로 전환하고 소프트웨어 정의 차량으로 나아가고 있습니다.

다음과 같은 5가지 산업 동향으로 인해 자동차 전자 시스템의 중요성이 증가하고 있습니다.

1. 안전성: 정부, 소비자 및 자동차 산업 자체도 안전에 대한 기대치를 끊임없이 높이고 있습니다. 센서와 스마트 시스템을 결합하면 운전자보다 훨씬 빠르고 효과적으로 안전 위험을 식별하고 처리할 수 있습니다. 제조자는 증가하는 표준을 충족하고 소비자 수요를 충족하기 위해 이러한 기능을 포함해야 합니다.
2. 효율성: 더욱 엄격해진 배출가스 규제를 비롯하여 효율성 향상에 대한 요구 사항도 시간이 지남에 따라 증가해 왔습니다. 제조자와 공급자는 연비를 개선하고 오염 물질을 줄이면서 성능을 유지하기 위해 파워트레인의 모든 부분에 실시간 전자 모니터링 및 제어 시스템을 추가했습니다.
3. 사용자 환경: 전자 장치가 삶의 모든 측면을 변화시키면서 운전자와 동승자는 일반 소비자 가전제품에서 기대하는 것과 같은 연결성, 사용 편의성, 성능을 자동차에서도 기대하게 되었습니다.
4. 전동화: 내연기관 엔진(ICE)으로 구동되는 차에서 하이브리드 및 완전 전기차로 전환하면 자동차의 전자 모듈 수가 두 배가 될 수 있습니다. 동시에, 전기 파워트레인의 고전압 특성으로 인해 전기 추진 차량의 복잡성과 기능 안전 문제가 증가하고 있습니다.
5. 자율 주행: 반자율주행 자동차에서 완전 자율주행 자동차로의 빠른 발전은 자동차 분야에서 전자 장치에 대한 의존도를 높이고 있습니다. 적응형 크루즈 컨트롤과 같은 일반적인 자율 주행 기능은 센서, 연산 장치 및 엔진 제어를 결합하여 운전자 작업을 자동화합니다. 제조자들이 자동화 기능을 더욱 강화함에 따라 차량 전자 장치의 사용량도 증가할 것입니다.

차량의 다양한 전자 시스템은 여러 전자 구성 요소와 해당 구성 요소들 간의 연결로 구성됩니다. 각 구성 요소에는 설계, 작동 및 유지 관리 측면에서 고유한 요구 사항이 있습니다.

다음은 가장 일반적인 유형의 자동차 전자 장치 구성 요소 목록입니다.

• 센서: 센서는 물리적 값을 측정하고 다른 시스템에 보고합니다. 센서는 차량 내부 또는 외부의 압력, 속도, 위치, 온도, 유량, 근접성 등의 값을 측정할 수 있습니다. 레이더, 초음파 장치, 카메라 및 라이다와 같은 더욱 정교한 센서는 대상의 거리, 모양, 방위각 및 고도 위치도 제공할 수 있습니다. 이러한 모든 센서의 입력은 Artificial Intelligence(인공지능) 시스템에 입력되어 센서 융합을 통해 차량의 상황 인식을 향상시킬 수 있습니다.
• 액추에이터: 자동차 제조자는 시간이 지남에 따라 많은 기계식 연결 장치를 액추에이터로 교체했으며, 액추에이터는 솔레노이드나 모터처럼 전기 신호를 기계 장치를 움직이는 힘으로 변환하는 장치입니다. 이러한 장치는 에어컨 시스템의 통풍구를 열고 닫는 것처럼 간단한 것부터 변속기의 기어를 변속하는 것처럼 정교한 것까지 다양합니다.
• ECU: ECU는 센서 데이터와 운전자 입력을 수집하고 처리하여 차량의 다양한 기능을 제어합니다. 컴퓨터처럼 ECU는 소프트웨어와 펌웨어를 사용하여 차량을 작동합니다.
• 전력전자: 전력전자는 고전압을 전달하는 제어 모듈, 전원 공급 장치, 전력 변환기 및 배선 하니스를 의미합니다. 시동 장치, 전기 히터 또는 전기 모터와 같이 전력 소모가 많은 시스템에 전력을 공급하고 배터리 충전 상태를 관리합니다.
• 통신 네트워크: 이러한 모든 모듈과 하위 시스템은 CAN 버스, LIN, FlexRay, 이더넷 등의 프로토콜을 사용하여 유선 네트워크를 통해 통신합니다. 또한 통신 네트워크는 스마트폰, 인터넷, GPS, 기반 시설 또는 다른 차량에 대한 무선 V2X(Vehicle-to-Everything) 연결을 제공합니다. 이러한 구성 요소의 그룹화를 텔레매틱스(Telematics)라고도 합니다.
• 사용자 인터페이스 구성 요소: 운전자와 동승자는 버튼, 인포테인먼트 시스템, 헤드업 디스플레이, 대시보드 구성 요소, 디스플레이 화면 등 사용자 인터페이스 구성 요소를 통해 차량과 상호 작용합니다.

자동차 전자 시스템의 수가 증가함에 따라 업계에서는 기능에 따라 시스템을 여러 분류로 나누고 있습니다.

다음은 표준 분류와 각 범주에서 가장 일반적인 구성 요소의 목록입니다.

파워트레인은 자동차에서 바퀴에 토크를 전달하는 시스템입니다. 연료 탱크와 배기 파이프부터 전기차의 배터리와 모터에 이르기까지, 파워트레인은 가장 많은 에너지를 소비하므로 이 분류의 전자 장치는 대부분 연비 효율, 차량 성능 또는 배출가스 저감에 중점을 둡니다.

ICE 파워트레인에 사용되는 일반적인 전자 모듈은 다음과 같습니다.

• 전자식 연료 제어 장치
• 배출가스 제어 장치
• 엔진 제어 장치
• 엔진 관리 시스템
• 엔진 센서
• 변속기 제어 장치

이러한 많은 구성 요소 외에도 하이브리드 및 전기차는 다음과 같은 전력 전자 모듈을 사용합니다.

• 배터리 관리 시스템
• 배터리 온도 제어 장치
• 구동 모터
• 충전 전자 장치
• 인버터 및 전압 조정기

안전 시스템

설계 팀은 ECU의 센서 및 엣지 컴퓨팅 기능 향상을 활용하여 차량 안전성을 개선하고 모듈의 복잡성을 높일 수 있습니다.

더욱 일반적인 안전 시스템으로는 다음이 있습니다.

• 에어백
• 잠김 방지 브레이크 시스템
• 미끄럼 방지 제어 시스템(ASR)
• 후방 카메라
• 사각지대 센서
• 충돌 감지 및 방지 시스템
• 비상 제동 시스템
• 경사로 출발 보조 시스템(HSA)
• 차선 이탈 경고 시스템
• 타이어 공기압 모니터링 시스템
• 트랙션 제어 시스템(TCS)

인포테인먼트 시스템

동승자에게 정보 또는 엔터테인먼트를 제공하는 전자 장치는 인포테인먼트 시스템으로 분류됩니다. 인포테인먼트 시스템으로는 다음이 있습니다.

• 광대역 연결
• 엔터테인먼트 시스템
• 계기판
• 내비게이션 시스템
• 스마트폰 연결
• 스피커 및 마이크
• 사용자 인터페이스 장치
• 차량 진단 시스템
• 차량 기능 설정 시스템

섀시 전자 장치

위의 범주에 속하지 않는 자동차 전자 시스템을 섀시 전자 장치라고 합니다. 하지만 자동화 및 통합이 증가함에 따라 안전 시스템과 섀시 전자 장치의 경계가 모호해지고 있습니다.

섀시 전자 모듈로는 다음이 있습니다.

• 적응형 헤드라이트
• 첨단 운전자 보조 시스템(ADAS)
• 실내 조명
• 공조 장치
• 전자식 파워 브레이크
• 전자식 파워 스티어링
• 스마트키
• 조명 시스템
• 서스펜션 제어 장치

엔지니어는 설계 프로세스 전반에 걸쳐 시뮬레이션 툴을 사용하여 끊임없이 증가하는 자동차 전자 장치의 복잡성과 과제가 점점 증가하는 상황에 대응할 수 있습니다. 팀은 프로토타입을 통해 아이디어를 테스트하고 전자 시스템이 열, 구조 및 전자기 하중에 충분히 견고한지 검증할 때까지 기다릴 여유가 없습니다.

원천 장비 제조자(OEM)와 그 공급자는 차량 전기 시스템의 모든 구성 요소, 모듈 및 어셈블리에 시뮬레이션을 적용합니다. 이러한 가상 프로토타입 제작으로 성능을 향상하고, 보증 청구 건수를 줄이며, 안전성을 검증하고, 비용을 절감하고, 새로운 설계를 더 빠르게 출시할 수 있습니다.

대부분의 시뮬레이션 작업은 다음 네 가지 영역 중 하나에 해당합니다.

1. 기능

시뮬레이션의 초기 응용 분야는 엔지니어가 자동차를 설계하여 구성 요소의 기능을 시험해 볼 수 있도록 돕는 것입니다. 구성 요소, 하위 시스템 및 시스템 수준에서 설계를 하는 동안 각 모듈의 응답을 가상으로 설계 및 테스트할 수 있습니다. 엔지니어는 Ansys Maxwell 고급 전자기장 솔버와 같은 툴을 사용하여 모터, 액추에이터 등의 전기 기계 장치 또는 변압기, 전압 조정기 등의 전력 전자 시스템을 설계합니다. 광학 시스템 설계자는 Ansys Zemax OpticStudio 광학 시스템 설계 및 분석 소프트웨어 등의 광학 시뮬레이션 플랫폼을 사용하여 광 기반 센서의 렌즈 요구 사항을 충족합니다. 또는 인테리어 설계자는 Ansys Speos CAD 통합 광학 및 조명 시뮬레이션 소프트웨어 등의 제품을 사용하여 실내 조명의 모양과 느낌을 연구할 수 있습니다.

2. 최적화

자동차 응용 분야를 위한 전자 장치의 기능 요구 사항을 충족한 후 엔지니어는 설계를 최적화해야 합니다. 이 단계에서 효율성을 개선하고 배출량을 줄이며 성능을 극대화합니다.

엔지니어는 중요한 임베디드 소프트웨어를 위한 Ansys SCADE Suite 모델 기반 개발 환경 등의 기능을 갖춘 툴을 사용하여 ECU의 펌웨어를 수정할 수 있습니다. 또는 GPS 애플리케이션용 안테나를 설계하고 최적화하기 위해 Ansys HFSS 고주파 전자기 시뮬레이션 소프트웨어를 사용할 수도 있습니다. 이 안테나를 Ansys Systems Tool Kit(STK) 디지털 미션 엔지니어링 소프트웨어 등의 디지털 미션 시뮬레이션 플랫폼과 결합하여 인포테인먼트 시스템의 GPS 안테나가 다양한 주행 상황에서 최대한 강력한 신호를 수신하도록 할 수 있습니다.

각 모듈이 최적화되면 엔지니어는 Ansys optiSLang 프로세스 통합 및 설계 최적화 소프트웨어와 같은 포괄적인 최적화 플랫폼을 배포하여 목표를 빠르고 효율적으로 달성할 수 있습니다.

3. 신뢰성

자동차 설계에서 가장 중요한 측면 중 하나는 신뢰성입니다. 차량 소유자는 장거리 주행 후에도 차량이 제대로 작동하기를 기대합니다. 그러나 자동차 내부의 열, 진동, 충격 및 전자기 소음으로 인해 이러한 높은 수준의 내구성 목표를 달성하기는 어렵습니다. 따라서 엔지니어링 팀은 구조, 열 및 전자기 시뮬레이션 툴을 사용하여 자동차 전자 시스템에 대해 엄격한 가상 테스트를 수행합니다.

열, 구조 및 진동 평가를 위한 Ansys Mechanical 구조 유한 요소 해석 소프트웨어를 배포하여 차량의 모든 구성 요소와 물리적 및 전기적 연결이 차량 수명 요구 사항을 충족하고 시간이 지남에 따라 제대로 작동하는지 확인할 수 있습니다. 또는 ECU의 인쇄 회로 기판(PCB) 및 집적 회로 패키지의 경우 Ansys Icepak 전자 냉각 시뮬레이션 소프트웨어, Ansys Sherlock 전자 장치 신뢰성 예측 소프트웨어 등 전자 장치에 특화된 시뮬레이션 툴을 사용할 수 있습니다.

4. 간섭

전자기 간섭 및 전자기 호환성(EMI/EMC)은 자동차 전자 장치에 점점 더 큰 과제를 제기하고 있으며, 특히 전기자동차와 같이 고전압 시스템을 포함하는 차량에서 더욱 그렇습니다. 고주파 구성 요소 및 모듈 간에 이동하는 고속 디지털 신호의 수, 전기 배터리 시스템의 전압, 안테나 사용이 증가하고 있습니다. 엔지니어는 Ansys SIwave 및 패키지 전자기 시뮬레이션 소프트웨어와 같은 툴을 사용하여 ECU에 사용되는 PCB의 신호 및 전력 무결성 문제를 해결하거나, Ansys EMC Plus 전자기 모델링 및 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 고주파 파동이 케이블과 전선 간에 어떻게 상호 작용하는지 연구합니다. 심지어 낙뢰가 자동차의 전자 시스템에 어떤 영향을 미칠 수 있는지 모델링하는 데도 사용할 수 있습니다.

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