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I. 서 론
초기 자동차 산업은 연료를 점화하기 위한 간단한 전기 회로 사용 외에 엔진이 초기 회전을 시작하면, 기계적인 장치 위주로 동작하였다. 이후 1970년대 연비 개선을 위한 엔진제어장치(ECU: engine control unit) 장착을 시작으로 각종 전장품이 적용되면서 차량 내 안전 및 편의성이 증가하였다[1]. 환경에 관한 관심이 증대되어 전기/수소차, 자율주행 자동차와 플리잉 카 등 미래형 자동차(미래차)로 자동차 산업 추세가 변화하고 있다[2].
자율주행 차량의 기능은 인지(perception), 판단(decision making), 제어(control)로 구분할 수 있다[3]. 인지 단계에서는 카메라, 라이다, 레이다, GPS(global positioning system), WSS(wheel speed sensor) 등을 사용하여 데이터를 수집하고, 판단 단계에서 ECU가 데이터를 통합하여 실시간으로 분석 및 처리한다. 인지하는 전장품이 전자파 방출이나 전자파로 인한 오동작이 발생하면 판단에 오류가 발생하기 때문에 전자파 적합성(EMC: electromagnetic compatibility)이 중요하다[4].
전자파 적합성의 중요성과 전장품들의 기술 개발에 발맞추어 자동차의 전자파 규격과 법규도 지속해서 개발되고 개정되어 발전했다[5]. 유럽 법규 ECE regulation No.10 Rev.7과 MIL-STD-461 H도 개정 시기가 도래되고 있어 향후 변화에 빠르게 대응해야 할 것으로 보인다. 본 논문에서는 WSS 전장품의 전자파 평가 항목별 평가방법에 대한 변화와 더불어 평가 관련 이슈가 있던 사항들에 관해 기술하고 향후 개선 및 발전 방향에 대해 제안하고자 한다.
II. WSS 개요
WSS는 그림 1(a)와 같이 차량에 4개의 각 바퀴 휠에 위치하며, 톤 휠과 WSS사이 이격거리 0.7 mm로 이격된 위치에 장착하여 휠의 속도를 감지하는 센서이다.
그림 1(b)와 같이 WSS의 전원 연결을 구성하여 출력 파형을 측정하면 표 1의 신호 상한, 하한 신호 전압이 톤 휠의 회전 속도에 비례하여 상태가 변화한다.
WSS의 톤 휠은 그림 1(c)와 같이 톱니형과 마그네틱형이 있으며, 일반적으로 능동형 동작은 그림 2(a)와 같이 자속 밀도 변화량에 따라 상한 신호 전압과 하한 신호 전압이 50:50의 비율로 출력되는 형태와 그림 2(b)와 같이 부가 정보를 나타내기 위해 duty 비율이 일정하지 않은 스마트 형이 있다[6].
WSS의 출력 신호 전압은 표 2의 자동차에서 사용되는 통신 신호 전압 중에서 상당히 낮은 신호 전압으로 동작하기에 동일한 잡음 소스원에 의해 신호 전압이 변동될시 범위를 초과할 가능성이 더 크다. 또한, 단일 신호 통신은 차동 신호에 비해 전자파가 더 많이 방출되고, 외부 노이즈에 취약하다[7].
III. EMI
WSS의 전자파 방출 평가 항목은 WSS의 전자파 적합성 평가 규격 MES-T-BS-RE-003 또는 ES 95660-30 등에서 radiated emission만 요구하고 있어 현재까지 해당 평가만 진행하였다. 따라서 CE(conducted emission) 및 ME(magnetic emission) 등의 평가 항목이 지금까지와 같이 WSS에 적용하지 않는 것이 맞는지 차후 검토가 필요할 것으로 보인다.
초기 톤 휠 지그는 그림 3(a)와 같이 220 V AC를 입력받아 동작하는 지그로 활용하였으나 지그 자체만 동작 시 발생하는 노이즈로 규제치를 만족하지 못하는 현상이 발생하였다. 따라서 지그 없이 전원만 인가하여 ALSE (absorber-lined shielded enclosure) 평가를 진행하였다. 이후 규격 요구조건인 톤 휠 회전속도 500 rpm 조건을 맞추기 위해 그림 3(b)와 같이 공압식 톤 휠 지그를 도입하여 환경 노이즈 문제를 해결하였다.
기존에는 그림 4(a)와 같이 100 Ω 저항만으로 시료의 정상동작을 확인하였으나, 방사 노이즈가 규제치를 초과하는 경우가 있기 때문에 커패시터 등의 각종 수동소자들이 추가된 그림 4(b) 및 그림 4(c)와 같이 로드 시뮬레이터로 측정하여 노이즈를 저감시켰다.
RC 기본 회로에서 시정수(τ: time constant)는 식 (3)으로 정의되며, 전압의 시간에 따른 상승 및 하강 특성은 각각 식 (4) 및 식 (5)로 표현된다. WSS의 출력 신호 모니터링을 위한 회로 구성을 조정하여 시정수를 증가시켜 상승 및 하강 시간을 연장함으로써 고조파 성분을 줄이는 효과를 기대할 수 있다.
WSS에 전원만 인가한 것보다 공압식 톤 휠 지그를 적용하여 500 rpm을 설정 시 회전속도에 따라 상태 변화하는 디지털 신호가 발생하다 보니 로드 안테나로 측정하는 주파수 전기장에 대한 노이즈가 증가한다.
해당 구형파 신호의 −20 dB/dec로 감쇄하는 특성은 식 (6)과 같으며, 500 rpm에 해당하는 400 Hz(능동형) 또는 800 Hz(스마트형)로 고정이 되어 있기에 이를 계산해보면 127 Hz, 254 Hz이다.
저주파수 노이즈가 감소되는 원리는 로드 시뮬레이터에서 커패시터 등의 소자에 의해 상승 및 하강 시간이 변화하여 −40 dB/dec로 감쇄하기 시작하는 주파수인 식 (7)이 더 낮은 주파수가 되어 그림 5와 같은 원리로 저주파수 노이즈가 낮아진다.
100 Ω 저항 연결 시 상승 및 하강 시간이 그림 6(a)와 같이 1 us 수준이며, 로드 시뮬레이터 연결 시 100 Ω 저항 외에 커패시터 등의 회로에 의한 영향으로 그림 6(b)와 같이 12 us로 상승한다. −40 dB/dec로 감쇄하기 시작하는 주파수를 계산하면, 각각 318 kHz와 26 kHz로 약 10분의 1 수준이다.
그림 7(a)와 같이 WSS에 전원만 인가한 것보다 그림 7 (b)와 같이 공압식 톤 휠 지그를 적용하여 500 rpm을 설정시 회전속도에 따라 상태 변화하는 디지털 신호가 발생하다 보니 로드 안테나로 측정하는 저주파수 전기장에 대한 노이즈가 증가한다. 하지만 그림 7(c)와 같이 로드 시뮬레이터를 적용시 전기장 방사 노이즈가 감소된 것을 확인할 수 있다.
IV. EMS
전자파 방사 내성은 크게 3가지로 BCI, ALSE, portable transmitter가 있으며, 초기 BCI 평가는 20~80 MHz, ALSE는 80 MHz~2 GHz를 진행하였으며, 이후 portable transmitter가 146 MHz~6 GHz까지의 다양한 휴대용 전자기기 통신주파수 평가가 도입되었다. 80 MHz 이하는 BCI method, 80 MHz 이상은 ALSE method로 구분하였던 것을 향후 ISO 11452-4(2011)의 기본 주파수인 1~400 MHz로 평가하다가 2020으로 개정되면서 0.1~400 MHz로 저주파수 확장이 이루어졌다. 또한, ALSE도 2 GHz에서 3 GHz로 확장되었다가 최근 5G 및 Wi-Fi 5 GHz 대역과 V2X(vehicle to everything)통신을 고려하여 6 GHz까지 확장되어 평가한다.
BCI 평가는 하니스에 injection probe를 체결하여 자기장에 의한 유도로 와이어 하니스에 전자파 노이즈를 주입하는 시험으로 ISO 11452-4를 참조로 한다. 노이즈 주입 시 WSS의 신호 파형이 왜곡되어 출력될 수 있다.
그림 8과 같이 상승 시간이 왜곡된 신호 파형에서 측정될 수 있어 측정값이 수백 us로 측정되지만, 오실로스코프의 측정 오류이기에 판정에서는 예외로 한다. 또한, 모니터링 전압이 offset이 생기는 경우가 발생할 수 있으며, 노이즈 레벨을 조정하여 임계점을 잡고 규격에서 요구하는 만족 조건과 맞는지 판단한다.
RI-ALSE 평가는 안테나로 전기장을 방사하여 노이즈를 주입하는 시험으로 ISO 11452-2를 참조로 한다. 안테나의 극성이 수평보다 수직이 WSS에 영향을 더 주는 경향이 있으며, 80~200 MHz의 주파수 대역에서 전기장 노이즈에 대한 영향이 크다.
그림 9(a)와 같이 출력 파형 offset이 발생할 수 있으며, 그림 9(b)와 같이 상한 및 하한 신호의 기준 전압의 변동성이 커지면 오실로스코프의 주파수 측정도 기준 주파수의 2배 수준인 1.37 kHz로 측정이 되기도 한다.
portable transmitter 평가는 차량 환경에서 휴대용 통신기기 등에 의한 오동작 여부를 확인하는 평가로 실제 활용 장비를 사용하여 평가하거나 범용 안테나를 활용하여 평가하는 2가지 방식이 있다.
CDMA, GSM, Bluetooth, Wi-Fi(5G 포함), V2X 등이 포함되며, ISO 11452-9를 참조한다. near-field 안테나를 통해 해당 통신 주파수 대역의 변조를 모사하며, 측정 거리는 기본적으로 50 mm로 진행하고 그림 10(a)와 같이 하니스 연결부 평가 시 하니스를 별도로 고정하지 않으면 안테나와 밀접하게 된다. 이때, 출력 파형에 왜곡이 발생하는 주파수 대역이 있어 평가 시 주의가 필요하며, 그림 10(b)와 같이 하니스를 안테나로 이격시켜 해결할 수 있다.
CCC(capacitive coupling clamp)는 신호선으로 유입되는 순간적 과도 전압 노이즈를 주입하여 오동작 여부를 확인하는 평가 방법이며, ISO 7637-3을 참조한다. CCC method는 fast pulse이며, 최근에는 slow pulse인 ICC(inductive coupling clamp) method도 평가하는 추세이다.
순간적 과도 전압 노이즈가 주입되면서 WSS의 출력 파형에 그림 11과 같이 해당 노이즈가 커플링 되어 출력되는 경우가 있으며, 오실로스코프의 노이즈 필터와 샘플링 조건 및 출력 신호 사이에 광 컨버터 사용 여부에 따라 커플링 영향이 달라진다.
ESD는 시료의 조립, 운반, 교체 또는 작동 중 정전기에 의한 손상을 방지하기 위해 정전기 노이즈를 인가하여 오동작 여부를 확인하는 평가 방법이며, ISO 10605를 참조한다. 기존 평가 테이블 하단의 GRP(ground reference plan)과 bleeder wire(high resistance 2×470 kΩ)를 사용하던 것을 최신 2023년도 개정판에서는 제외되었다.
WSS 해더는 절연체로 감싸져 있어 일반적으로 공압식 톤 휠 지그의 금속 부위에 인가가 되며, 고주파성 노이즈에 영향을 받을 수 있는 오실로스코프 특성상 그라운드 테이블에 정전기를 인가만 해도 그림 12와 같이 출력 파형 신호에 영향을 줄 수 있다.
Ripple은 전원전압이 흔들리면 오동작 여부를 확인하는 평가로 전자파 적합성 평가 항목보다는 전기적 성능 평가 항목 범주에 포함되며, ISO 16750-2를 참조한다.
WSS의 전원전압이 흔들리면 100 Ω 저항의 전압에도 영향을 주며, 이 영향성의 정도는 오실로스코프의 샘플링 또는 그림 13과 같이 노이즈 필터 적용 여부에 따라서도 달라진다.
V. 결 론
본 논문에서는 WSS의 전자파 적합성 평가 시 사용하는 오실로스코프의 설정 조건에 따라 전자파 노이즈 영향성의 변화를 확인하였으며, 이에 따라 실제 WSS의 신호를 입력받는 컨트롤러를 전자파 적합성 평가시 모니터링용으로 활용 및 데이터 수집하는 것이 필요할 것으로 보인다. 또한, 60 km/h 수준에 해당하는 500 rpm 평가 조건도 EMI의 경우 법적 허용 수준의 최대 속도에 해당하는 악조건으로 측정하는 것에 대한 검토가 필요하다.
각 완성차 업체는 자체 규격을 개정해 오고 있으며, 완성차에 납품하기 위해 각 부품사는 해당 규격으로 평가한 성적서가 있어야 한다. 미래형 자동차의 특성상 전기차와 자율주행은 안전과 밀접한 연관성이 있으며 안전 관련 부품 시험의 경우 실제 차 환경을 대표할 수 있는지에 대한 검토를 하여 항상 최신화를 유지하는 것이 중요하다. 평가 사전에 테스트계획을 작성하여 부품 특성에 맞게 계획을 세우게 되는데, 부품 개발사와 완성차 및 시험기관 담당자와 긴밀한 협업을 하는 것이 중요하다.
