미국의 CARB의 ZEV(Zero Emission Vehicle), 유럽 의 Euro4(자동차 배기가스 관련 규정) 한국의 저탄소 녹색 성장 정책 등 세계 각국의 자동차 환경 규제 및 정 책에 상응하여 자동차산업에서는 에너지 효율성이 높 고 이산화탄소의 배출량이 적은 전기 자동차 기술 개발 에 중점을 두고 있다. 이에 자동차 메이커(Ford, GM, Toyota 등) 및 관련 부품 업체에서는 전기를 동력으로 하는 기술이 차량에 적용됨에 따라 기존 시스템에서는 발생되지 않는 안전성, 신뢰성 문제를 극복하기 위해 고장예지 및 건전성평가 기술(Prognostics and Health Monitoring)을 채택하고 관련 시스템 개발 및 특허를 보 유하고 있다. 자동차 산업에서 고장예지 및 건전성평가 기술을 채택하여 사용하는 목적을 요약하면 아래와 같 이 정리할 수 있다.
1. 차량에서 주행 중에 발생할 수 있는 안전과 관련한 고장을 사전에 예지
2. 핵심 부품 유지 보수 정책을 결정
3. 차량 주행 중 상태 모니터링을 통한 부품 신뢰성 향상 4. 유지 보수비용 절감
기존의 자동차 관련 핵심 부품의 신뢰성 예측 방법론 은 MIL-HDBK-217F, RAIC-217-Plus, Telcordia, FIDES 등 신뢰성 예측 규격에서 정의하는 아이템의 고장률을 근거로 부품의 수명을 예측하였다. 각 부품의 고장률은 수십 년 간 고장 이력을 바탕으로 고장률을 정의하게
된다. 이러한 예측 규격을 통한 신뢰성 예측 방법은 실 제 차량이 사용되는 환경 및 동작 조건을 고려할 수 없 을 뿐 아니라 설계 특성치가 동일한 부품에 대해서는 모두 동일한 수명으로 예측하게 된다. 따라서 기존의 신뢰성 예측 방법은 사용 환경 및 동작 상태가 다른 동 일한 차량 시스템에 대하여 각각의 수명을 예측하는 것 이 불가능하다.
이에 반해 고장예지 및 건전성평가는 차량 시스템 내 부의 핵심 부품들의 잔존수명(Remaining Useful Life) 을 예측하는 기술로서 주행 중 발생하는 차량의 부하 및 동작 프로파일을 바탕으로 잔존수명을 예측하기 때 문에 기존의 규격 기반의 수명 예측 방법에 비해 정확 도가 높을 뿐만 아니라, 각각 개별 시스템에 대한 잔존 수명의 예측이 가능하다. 또한 차량의 이상 상태를 신 속, 정확하게 감지하고 차량의 이상 상황에 대한 원인 을 규명할 수 있는 방법론으로 사용될 수 있다.
이 글에서는 최근 자동차산업에서 고장예지 및 건전 성평가 기술을 적용하기 위해 개발된 시스템 및 관련 특허 기술에 관한 내용에 대해 고찰하고자 한다.
차량용 고장예지 및 건전성평가 시스템 적용 사례
실시간 주행 모니터링 시스템이란 그린 동력 시스템
장 중 순 아주대학교 산업정보시스템공학부 교수 ㅣ e-mail : jsjang@ajou.ac.kr 김 기 태 아주대학교 산업공학과 박사과정 ㅣ e-mail : kitae23@ajou.ac.kr
이 글에서는 자동차산업에서 고장예지 및 건전성평가 기술을 적용하여 개발된 시스템 및 관련 특허 기술에 관한 내용 및 향후 연구 방향에 관해 서술한다.
하이브리드/전기 자동차 분야의 PHM 기술 적용 사례
3저널(7월호).ok 2013.7.5 9:41 AM 페이지35 DK
을 활용한 자동차, 즉 하이브리드, 연료전지, 전기 자동 차의 주요 부품에 대한 각종 데이터를 실시간으로 수 집, 분석하여 부품의 성능 평가가 가능하게 하는 주행 관리 시스템으로 자동차부품연구원에서 개발하였다.
핵심 부품은 가솔린 자동차에는 장착되지 않았던 부품 들 즉 배터리, 인버터, 모터 등이 주요 대상이 된다. 실 시간 주행 모니터링 시스템은 실차 환경의 주행 데이터 수집, 모니터링, 관리 및 핵심 부품의 성능 평가 체계를 구축하기 위한 인프라 시스템이고 부품의 성능평가에 관한 요소 기술의 하나로서 PHM 기술을 적용하였다.
실시간 주행 모니터링 시스템은 데이터 수집이 가능 한 그린 카 차량, 차량에서 수집된 데이터를 서버로 전 송하기 위한 무선통신단말기, 전송된 데이터를 수집, 관 리하는 데이터 서버, 이를 분석하고 평가할 수 있는 데 이터 관리 시스템으로 구성된다. 실시간 주행 모니터링 시스템은 핵심부품과 관련하여 선정된 파라미터를 센
싱하기 위한 데이터 로거 장치가 차량에 창작된다. 데이 터 로거는 다수의 온도, 전압, 전류, 주파수, 진동, GPS 정보, CAN 데이터 등을 측정할 수 있는 센서를 장착할 수 있다. 센싱 데이터, OBD로부터 전송되는 차량 진단 정보가 무선 통신망을 통해 그린네트워크 운영 센터 내 의 서버로 전송되게 된다. 전송된 데이터들은 주행 모드 별 환경/부하 프로파일 구축에서부터 핵심 부품의 신뢰 성 평가, HILS 테스트, 핵심 부품의 고장예지 및 건전성 평가 시스템 구축을 위한 데이터로 활용되고 있다.
실시간 주행 모니터링 시스템에서는 배터리 시스템 을 평가하기 위한 방법으로 고장예지 및 건전성평가 기 술을 채택하였다. 고속도로 주행, 일반도로 주행, 산악 로 주행, 고온 날씨, 저온 날씨, 정체/비정체 구간 등 차 량의 주행 환경 별 배터리의 부하 및 동작 프로파일을 구축하고 이를 파라미터로 활용한 배터리 SOC, SOH 추 정 로직을 구현하여 배터리의 성능 평가를 실시하고자
그림 1실시간 주행 모니터링 시스템(자동차부품연구원)
한다. 현재 데이터 수집을 위한 시스템 구축 및 주행 모 드별 배터리의 환경 및 동작 프로파일을 구축하고 있는 연구가 진행 중이다.
해외에서도 국내의 실시간 주행 모니터링 시스템과 유사한 형태의 고장예지 및 건전성평가 기술이 진행 중 이다. 미국의 MTS Technology 사에서 개발 중인 ePulse(Embedded Prognostic Utility and Logical Status Environment) 시스템은 국내의 실시간 주행 모니터링 시스템과 유사하다. 이 현재까지 구현된 시스템의 기능 은 네 가지로 구분할 수 있다.
1. 데이터 수집, 전송, 관리 기능
2. 차량의 기본 운행 정도(엔진 RPM, 차량 주변 환경 온도)등을 도식화 하고, OBD 진단기의 오류 메시 지를 정리하여 도식화하는 기능
3. 수집 및 자료의 기초 통계 분석 및 신뢰성 분석을 위한 고장 이력 정리 기능
4. GPS를 통한 차량 이동 경로 추적 기능
하지만 아직 자동차의 속도, 주위 환경 온도, 엔진 속 도, 배터리 전압 값들을 도식화하여 표현해주는 기능에 제한되어 있고 고장예지 기술과 관련한 기능에 대한 것 은 현재 연구가 진행 중이다. 실제 주행 중인 차량 데이 터를 활용하여 부하/환경 프로파일을 구축하고 이를 통 해 고장예지 및 건전성평가 기술을 적용하기 위해서는
① 데이터 수집 시스템 구축, ② 주행 데이터 축적, ③ 고장예지 및 건전성평가 개발의 연구 절차가 요구되며 현재 많은 연구 기관에서 데이터 축적 및 알고리즘 연구 를 하고 있는 실정이다. 미국의 ePULSE 시스템은 실증 연구를 위해 MTS Technologies, Florida 교통부, 크라이 슬러, Auburn University, Detroit Diesel, The National Center for Atmospheric Research(NCAR) 등의 기관이 컨소시엄을 구성하여 기술개발에 참여하고 있다.
차량용 고장예지 및 건전성평가 시스템 관련 특허
신시내티 대학에서는 2012년 앞 절에서 설명한 실시 간 주행 모니터링 시스템(자동차부품연구원), ePULSE 시스템(MTS Tech)과 유사한 형태의 고장예지 및 건전 성평가 시스템 구현에 관련한 특허를 출원하였다. 주행 중 센싱되는 전기 자동차용 배터리 데이터 및 환경/부 하 데이터를 GPS를 데이터 수집 서버로 전송하고 이를 통해 배터리 관련 건강 상태 및 잔존 수명을 예측하고 자 한다. 해당 시스템은 데이터 수집 서버를 클라우드 시스템으로 관리하여 데이터의 관리 측면의 효율성을
그림 2실시간 주행모니터링 시스템의 데이터 로거 및 무선 통신 단말기(자동차부품연구원)
그림 3MTS 사의 ePULSE 시스템 구성도
3저널(7월호).ok 2013.7.5 9:41 AM 페이지37 DK
증대 시킨 차이점이 있다.
연구기관뿐만 아니라 자동차 메이커 업체들에서도 차량용 고장예지 및 건전성평가 시스템 관련 특허들을 경쟁적으로 출원하고 있다.
Ford 사의 경우, 자동차 시스템 내부에 OBD(On Board Diagnostic) 진단기와 같은 고장예지 모듈이 내 장되어 있는 구조를 특허로 출원하였다. 차량 내부에 장착된 고장예지 모듈은 주행 중 발생되는 배터리, 인 버터, 전기 모터의 내부 파라미터 데이터를 자동차 통 신 네트워크를 통해 전송 받아 사전에 시험을 통해 모
델링된 주요 부품의 상태 정보와 비교하여 열화 상태를 결정하게 된다.
Honeywell 사의 특허의 경우, 차량 시스 템에 내장되어 있는 고장예지 모듈에 대한 기능을 보다 상세화하여 기술하고 있다. 주 행 중 센서를 통해 측정되는 차량 시스템의 정보를 상태(condition), 건강(health), 예지 (prognosis)의 3단계로 구분하여 분석한다.
상태 신호는 자체고장진단(built-in test) 기능이 있는 서 브시스템으로부터 고장예지 모듈로 전송되는 상태 진 단 데이터를 의미하며 상태 진단 데이터를 지속적으로 축적하고 분류(classification) 알고리즘을 통해 건강 신 호 를 생 성 해 낸 다 . 또 한 건 강 신 호 는 추 이 분 석 (Trending Analysis)을 통해 예지 신호를 생성하게 된다.
Toyota에서는 PHM 기술에서 정의하는 데이터 기반 의 고장예지 및 건전성평가 기술에 대한 구체적 분석 절차에 대해 기술하고 있다. GM에서는 PHM에서 정의 하는 모델 기반의 고장예지 및 건전성평가 기술에 대한
그림 4차량 내부 시스템의 PHM 기술 적용 사례
그림 5배터리 PHM 시스템 구성 방법 관련 특허(신시내티 대학교)
