[태그:] [hmg 저널] 에어컨 작동 시 자동차 성능 저하 문제를 개선한 스마트 a/c 제어시스템

에어컨 작동 시 자동차의 성능을 저하시키는 문제, 어떻게 풀었을까 ​ 에어컨 작동에 따라 자동차의 #연료소비효율 ( #연비 ), 동력, 제동성능이 저하되는 현상은 전 세계 모든 자동차에서 동일하게 발생하는 문제다. 이 문제를 세계 최초의 통합 로직으로 개선한 사람이 있다. 현대·기아차 #연구개발본부 #냉각공조개발팀 정태훈 책임연구원이 바로 그 주인공이다. 그는 이 개선로직 개발로 현대차그룹의 ‘변화와 혁신 대상’ 개인부문 대상을 수상하기도 했다. 작은 의문에서 시작한 그의 연구는 어떻게 혁신을 이끌어냈을까? ​​​#에어컨 컴프레서가 상황에 따라 능동적으로 움직인다 에어컨 작동 시 자동차 성능 저하 문제를 개선한 정태훈 책임연구원​ #공조장치 는 차량 밖의 공기를 차량 안으로 유입시키고, 차량 안의 공기를 정화시키는 역할을 한다. 여기에는 난방이나 냉방, 습기와 악취 제거 같은 역할도 포함된다. 그런데 소형차의 경우 여름에 차량 에어컨을 틀면 차의 출력이 떨어질 때가 있다. 언덕길에서 갑자기 힘이 부족해 비실대는 경우가 생기는 것이다. 이유는 에어컨 작동 시 자동차 엔진에 과부하가 걸리기 때문이다. 시원한 바람을 만들기 위해서는 냉매를 고압으로 압축시키는 컴프레서가 같이 작동해야 한다. 대부분의 자동차는 엔진의 힘으로 컴프레서를 돌리는데, 이렇게 되면 엔진은 바퀴를 굴리는 것 외에도 해야 할 일이 하나 더 늘어나는 셈이다.​그래서 출력이 부족한 소형차의 경우 에어컨을 틀면 차의 힘이 약해지거나, 연비가 크게 떨어진다. 심지어 에어컨 작동이 멈추는 경우도 발생하곤 했다. 그런데 이 문제점을 로직(logic, 차량용 컴퓨터를 움직이는 논리 회로) 변경으로 개선한 사례가 등장했다. 공조/연비/동력/제동성능을 통합 개선한 ’스마트 A/C 제어시스템’이다. ​기존 공조장치 로직은 #ECU (Engine Control Unit)가 가속 페달, 차의 속도, 엔진회전수 등의 기본 정보를 바탕으로 에어컨 작동을 언제 중지시킬 지 결정했다. 에어컨이 필요한 상황이라 해도 ECU가 엔진의 힘이 달려서 가속이 제대로 되지 않는다고 판단하면 일시적으로 에어컨을 꺼버린다. 오르막길을 오를 때 찬바람이 제대로 나오지 않는 이유다. 큰 엔진이 들어간 대형차는 이런 경우가 거의 없지만 출력이 빠듯한 #준중형차 이하로 내려오면 피할 수 없는 현상이다.​정태훈 책임연구원이 개발한 스마트 A/C 제어시스템은 에어컨 컴프레서를 문제 상황에서 완전히 작동 중지시키는 게 아니라 부분적으로 열고 닫으면서 최적으로 제어하는 로직이다. 이 때 ECU는 자동차의 여러 정보를 공조 컨트롤러에 전달하는 역할만 수행하고, 공조 컨트롤러는 이 정보를 종합해 최종적으로 에어컨을 어떻게 제어할지 결정한다. 제어방법 변경을 통해 힘을 공조, 연비, 동력, 제동성능 각각이 필요로 하는 상황에 맞게 적절히 나누는 것이다. 뿐만 아니다. 스마트 A/C 제어시스템은 가속 페달이나 차의 속도, 엔진회전수 같은 조건 외에 운전자의 운전 패턴에 따라서도 로직을 바꿔 스마트하게 제어한다. 말하자면 자동차와 탑승객의 상황, 열 부하를 종합적으로 계산해서 능동적으로 움직이는 것이 핵심이다. ​​​스마트 A/C 제어시스템은 어떻게 개발됐나 정태훈 책임연구원은 에어컨 없이 여름을 버틸 수 없는 인도에서 스마트 A/C 제어시스템 개발 아이디어를 떠올렸다​ 8년 전, 정태훈 책임연구원이 인도에서 근무할 때다. 에어컨을 작동시킨 상태에서 자동차가 경사로를 오르면 속도가 크게 떨어지고 찬바람이 나오지 않는 문제가 자주 발생했다. 이런 상황을 해결하기 위해서는 ECU가 에어컨 작동을 정지시키고 가속에 힘을 몰아주는 것이 일반적이지만 운전자는 불편할 수밖에 없다.​그는 ‘어떻게 하면 에어컨 작동 중지 빈도를 최소화할 수 있을까?’를 고민했다고 한다. 공조성능을 담당하는 연구원 입장에서 연비, 동력, 제동성능과 엮여 있는 에어컨의 기능을 최대한 잘 살릴 수 있는 방법을 찾아야 했고, 고민이 서서히 무르익어 가던 중 3년 전 인도로 다시 출장을 가게 됐다. 인도 현지에서 똑같은 차에 운전자를 20명 정도 바꿔 가면서 가속과 정지 패턴을 실험했는데 그때 ‘운전자에 따라 제어가 달라지는 로직이 있다면 어떨까?’ 하는 아이디어를 떠올렸다. 그렇게 차량상태와 운전자의 패턴을 종합적으로 판단하여 에어컨을 제어하는 스마트 A/C 제어시스템 개발이 시작됐다. ​​​ECU의 역할을 뛰어넘을 새로운 로직을 찾아라 ECU만으로 에어컨 작동 여부를 결정했던 기존 공조장치 로직과 달리 스마트 A/C 제어시스템은 자동차의 여러 정보를 종합해 에어컨을 어떻게 제어할지 결정한다 ​ 정태훈 책임연구원은 ‘ECU의 역할을 뛰어넘을 새로운 로직을 어떻게 만들까’가 가장 중요한 질문이었다고 한다. 로직은 쉽게 말해 ‘이걸 작동해라, 이걸 중시시켜라’ 명령하는 역할을 한다. 단순히 공조 성능에만 국한되는 로직이 아니라 연비, 동력, 제동성능까지 아우를 수 있는 로직을 만들어야 했다. 공조뿐 아니라 연비나 동력, 제동성능에 대한 공부까지 한 끝에 많은 문제점을 개선할 수 있는 로직 설정값 변경안을 도출해냈다. 그 결과 에어컨 제어라는 큰 틀에서 제동성능과의 상충관계를 해결하고 에어컨 작동 시 연비까지 개선시킬 수 있었다. 에어컨이 과부하 상황에서 작동하면 브레이크 작동에 도움을 주는 부압(진공)이 잘 형성되지 않아 브레이크가 밀리는 현상이 발생한다.​​​스마트 A/C 제어시스템은 어떻게 연비를 상승시키나 운전자의 운전 패턴에 따른 스마트 A/C 제어시스템의 작동 원리​ 그러면 어떻게 로직 변경만으로 연비를 개선시킬 수 있었을까? 차량은 정지 상태에서 출발할 때 연료 소모가 가장 크다. 이때 에어컨까지 작동한다면 연료 소모는 더욱 커진다. 스마트 A/C 제어시스템은 차량 출발 시 운전자의 가속 페달 작동에 따라 에어컨 컴프레서에 전달되는 동력을 순간적으로 저감해 차량 출발 시 연료소모를 낮추는 것이 기본이다. 이때 운전자의 운전 패턴과 차량 실내의 온도 변화에 따라 공조 컨트롤러가 능동적으로 에어컨 컴프레서의 작동량을 조절하면 연비를 상승시킬 수 있는 것이다. ​조금 더 자세히 살펴보자. 위의 표에서 보듯 부드럽게 출발하는 운전자는 가속 페달을 세게 밟지 않는다. 따라서 엔진회전수도 높지 않다. 이 경우, 운전 패턴에 따른 A/C 작동량을 제어하지 않으면 냉방성능은 좋아질 수 있다. 엔진의 힘이 차를 움직이는 데 쓰이기보다는 공조장치 작동에 집중될 수 있기 때문이다. 하지만 A/C 작동량 제어가 거의 되지 않기 때문에 연비 향상 효과는 미흡했다.​반대로 과격하게 출발하는 운전자의 경우, 가속 페달을 거칠게 밟고 그에 따라 엔진회전수가 높은 경우가 많다. 이때, 운전 패턴에 따른 제어를 하지 않으면 빈번하게 A/C 작동량 제어가 개입해 냉방성능이 나빠질 수 있다. 결국 차량 실내 온도가 상승하게 되고 결국 평균적인 A/C 작동량 자체가 상승하게 되어 연비까지 추가로 나빠지는 최악의 결과를 낳게 된다.​이런 문제를 개선하기 위해 모든 운전자의 패턴에 따라 최적화된 빈도로 에어컨 컴프레서 듀티(작동량) 제어를 하는 로직을 개발한 것이다. 부드러운 출발과 과격한 출발 사이에는 수많은 운전 패턴이 존재하는데, 오랜 연구의 결과 운전자 개개인에게 최적화된 빈도로 에어컨 컴프레서의 듀티를 가변제어할 수 있게 됐다. ​스마트 A/C 제어시스템은 운전 패턴에 의한 제어 외에도 실내 온도에 맞춰서도 에어컨 컴프레서의 작동량을 가변제어한다. 차 실내가 뜨거운 상태일 때는 냉방성능 위주로, 실내가 시원할 때는 연비 위주다. 이렇게 되면 탑승자가 느끼는 냉방성능은 기존과 동일하지만 연비는 큰 폭으로 개선할 수 있다. 쉽게 말해 과거 제어방식이 ‘ON or OFF’로 단순했다면 스마트 제어시스템은 0~100% 사이에서 다단계로 실시간 제어함으로써 냉방성능과 연비라는 두 마리 토끼를 동시에 잡게 된 셈이다.​​​우연히 실마리를 찾다 ‘ECU의 역할을 뛰어넘을 새로운 로직을 어떻게 만들까’라는 고민 끝에 완성된 스마트 A/C 제어시스템 ​ 해발 1000미터 이상의 고지대에 위치한 도시의 경우, 여름에는 #브레이크 조작 여부에 따라 에어컨이 작동하지 않는 경우가 많다. 에어컨이 작동한다 해도 브레이크 페달이 수시로 딱딱해지는 문제가 발생하기도 한다. 더운 고지대에서 이런 일이 생기는 이유는 대기압력이 낮아 자동차 내부의 압력 차이가 적어지기 때문이다(우리나라는 고지대에 위치한 도시가 없고, 열대지역도 아니라 이런 문제를 느끼기 힘들지만 이런 문제를 겪는 도시가 많다). 이는 브레이크의 제동부압에도 영향을 미친다. ​발 끝으로 브레이크 페달을 살짝 밟았을 뿐인데, 무거운 차가 멈출 수 있는 이유는 뭘까. 엔진에서 생성되는 압력이 부족한 힘을 보충해주기 때문이다. 이 힘은 대기압력과 엔진의 실린더에서 흡입하는 공기의 압력 차이를 이용한다. 이 압력을 엔진부압이라고 하는데, 별도의 탱크에 저장되어 있다가 브레이크 페달을 밟는 동시에 브레이크 피스톤을 작동시켜 제동을 쉽게 할 수 있도록 돕는다. 이처럼 제동 시 보다 큰 힘을 만들어주는 게 바로 제동부압이다.​이 힘은 엔진 스로틀 작동에 따라 커지기도, 작아지기도 한다. 예컨대 스로틀이 열리면 대기압력과 엔진 흡기 압력의 차이가 적어지고, 엔진부압이 하강하며, 제동력이 떨어진다. 스로틀이 닫힐 경우에는 그 반대다. ​컴프레서를 포함한 여러 장치들은 엔진의 힘을 이용하기 때문에, 에어컨 작동 시 엔진은 더 많은 힘을 만들기 위해 스로틀을 조금 더 열게 된다. 그럴 경우 제동력이 부족해지고, 이때 아무 조치를 하지 않으면 브레이크 페달이 딱딱해지는 느낌을 받게 되는 것이다. 제동력을 회복시키려면 어떻게 해야 할까? 엔진이 부담하는 힘을 줄이면 된다. 이때 순간적인 작동 중지에 따른 부작용이 가장 적은 장치가 #컴프레서 다. 그래서 컴프레서의 작동을 수 초 간 중지시켜 제동력을 회복하는 것이 일반적이다. 엔진 출력이 부족한 소형차에서 에어컨이 멈추곤 하는 것은 이 때문이다. ​​​ 고지대는 기압이 낮다. 소형차가 에어컨 작동 시 제동력에 문제가 생길 수 있다 ​ 스마트 A/C 제어시스템은 위와 같은 제동력 문제로 에어컨 작동이 멈추기 직전에 미리 컴프레서 작동량을 순간적으로 줄인다. 그렇게 되면 엔진의 부담이 줄어드는 동시에 컴프레서 작동 또한 멈추지 않기 때문에 냉방 쾌적성을 대폭 개선할 수 있는 것이다. 에어컨 작동이 멈추기 전 제동부압을 회복시켜주기 때문에 제동력에도 문제가 없다. 그럼에도 불구하고 여러 원인으로 인해 제동부압이 지속적으로 낮아지면, 기존 방식과 동일하게 에어컨 작동이 중단된다. 따라서 기존 시스템 대비 안전 측면에서도 전혀 차이가 없다. 결국 스마트 A/C 제어시스템은 제동력을 동등하게 유지하면서 냉방 쾌적성도 대폭 개선할 수 있었다. ​하지만 이 기술을 구현하는 것은 상당히 힘들었다고 한다. 컴프레서 작동량을 순간적으로 줄이면 컴프레서가 필요로 하는 힘(토크)이 낮아지기 때문에 스로틀이 닫히면서 제동부압이 회복돼야 하는데, 이것만으로는 의미 있는 변화를 만들기 힘들었다. 제동력이 제대로 유지되지 않은 것이다. ​그러다 우연한 기회에 엔진이 컴프레서가 사용하는 예상 토크를 평상시보다 높게 책정해야 제동부압이 제대로 형성된다는 사실을 알게 됐다고 한다. 이와 관련된 다양한 상황을 검증하기 위해 함백산을 비롯해 해외에 위치한 3000~4000m 높이의 많은 산을 오르내리면서 평가를 진행했다. 해발고도가 높아질수록 대기압력이 낮아지고 이에 따라 제동부압이 부족해지기 때문에 고지대와 같은 극단적인 제동 상황에서 스마트 A/C 제어시스템의 효과를 확인할 필요가 있었다.​​​스마트 A/C 제어시스템은 어떻게 활용될까 정태훈 연구원이 개발한 스마트 A/C 제어시스템은 곧 전 차종에 적용될 예정이다 ​ 스마트 A/C 제어시스템의 가장 큰 성과는 특별한 투자 없이 로직만 업데이트 하면 연비와 쾌적성이 업그레이드 된다는 것이다. 에어컨을 작동시킨 채 인증연비를 측정하는 여러 테스트에서 실주행 연비를 상당 수준 개선시킨 구체적 연구 결과가 있다. 자동차의 연비 상승은 물론 환경에도 좋은 영향을 미칠 스마트 A/C 제어로직. 이 획기적인 시스템이 전 차종에 도입될 날이 머지 않았다.​​​

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