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미국의 CARB의 ZEV(Zero Emission Vehicle), 유럽의 Euro4(자동차 배기가스 관련 규정) 한국의 저탄소녹색 성장 정책 등 세계 각국의 자동차 환경 규제 및 정책에 상응하여 자동차산업에서는 에너지 효율성이 높고 이산화탄소의 배출량이 적은 전기 자동차 기술 개발에 중점을 두고 있다. 이에 자동차 메이커(Ford, GM,Toyota 등) 및 관련 부품 업체에서는 전기를 동력으로하는 기술이 차량에 적용됨에 따라 기존 시스템에서는발생되지 않는 안전성, 신뢰성 문제를 극복하기 위해고장예지 및 건전성평가 기술(Prognostics and HealthMonitoring)을 채택하고 관련 시스템 개발 및 특허를 보유하고 있다. 자동차 산업에서 고장예지 및 건전성평가기술을 채택하여 사용하는 목적을 요약하면 아래와 같이 정리할 수 있다.

1. 차량에서 주행 중에 발생할 수 있는 안전과 관련한고장을 사전에 예지

2. 핵심 부품 유지 보수 정책을 결정3. 차량주행중상태모니터링을통한부품신뢰성향상4. 유지 보수비용 절감기존의 자동차 관련 핵심 부품의 신뢰성 예측 방법론

은 MIL-HDBK-217F, RAIC-217-Plus, Telcordia, FIDES등 신뢰성 예측 규격에서 정의하는 아이템의 고장률을근거로 부품의 수명을 예측하였다. 각 부품의 고장률은수십 년 간 고장 이력을 바탕으로 고장률을 정의하게

된다. 이러한 예측 규격을 통한 신뢰성 예측 방법은 실제 차량이 사용되는 환경 및 동작 조건을 고려할 수 없을 뿐 아니라 설계 특성치가 동일한 부품에 대해서는모두 동일한 수명으로 예측하게 된다. 따라서 기존의신뢰성 예측 방법은 사용 환경 및 동작 상태가 다른 동일한 차량 시스템에 대하여 각각의 수명을 예측하는 것이 불가능하다.

이에 반해 고장예지 및 건전성평가는 차량 시스템 내부의 핵심 부품들의 잔존수명(Remaining Useful Life)을 예측하는 기술로서 주행 중 발생하는 차량의 부하및 동작 프로파일을 바탕으로 잔존수명을 예측하기 때문에 기존의 규격 기반의 수명 예측 방법에 비해 정확도가 높을 뿐만 아니라, 각각 개별 시스템에 대한 잔존수명의 예측이 가능하다. 또한 차량의 이상 상태를 신속, 정확하게 감지하고 차량의 이상 상황에 대한 원인을 규명할 수 있는 방법론으로 사용될 수 있다.

이 글에서는 최근 자동차산업에서 고장예지 및 건전성평가 기술을 적용하기 위해 개발된 시스템 및 관련특허 기술에 관한 내용에 대해 고찰하고자 한다.

차량용고장예지및건전성평가시스템적용사례

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 자동차분야의PHM 기술 적용 사례

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하이브리드/전기 자동차분야의 PHM 기술 적용 사례

36 ● 기계저널

을 활용한 자동차, 즉 하이브리드, 연료전지, 전기 자동차의 주요 부품에 대한 각종 데이터를 실시간으로 수집, 분석하여 부품의 성능 평가가 가능하게 하는 주행관리 시스템으로 자동차부품연구원에서 개발하였다.핵심 부품은 가솔린 자동차에는 장착되지 않았던 부품들 즉 배터리, 인버터, 모터 등이 주요 대상이 된다. 실시간 주행 모니터링 시스템은 실차 환경의 주행 데이터수집, 모니터링, 관리 및 핵심 부품의 성능 평가 체계를구축하기 위한 인프라 시스템이고 부품의 성능평가에관한 요소 기술의 하나로서 PHM 기술을 적용하였다.

실시간 주행 모니터링 시스템은 데이터 수집이 가능한 그린 카 차량, 차량에서 수집된 데이터를 서버로 전송하기 위한 무선통신단말기, 전송된 데이터를 수집, 관리하는 데이터 서버, 이를 분석하고 평가할 수 있는 데이터 관리 시스템으로 구성된다. 실시간 주행 모니터링시스템은 핵심부품과 관련하여 선정된 파라미터를 센

싱하기 위한 데이터 로거 장치가 차량에 창작된다. 데이터 로거는 다수의 온도, 전압, 전류, 주파수, 진동, GPS정보, CAN 데이터 등을 측정할 수 있는 센서를 장착할수 있다. 센싱 데이터, OBD로부터 전송되는 차량 진단정보가 무선 통신망을 통해 그린네트워크 운영 센터 내의 서버로 전송되게 된다. 전송된 데이터들은 주행 모드별 환경/부하 프로파일 구축에서부터 핵심 부품의 신뢰성 평가, HILS 테스트, 핵심 부품의 고장예지 및 건전성평가 시스템 구축을 위한 데이터로 활용되고 있다.

실시간 주행 모니터링 시스템에서는 배터리 시스템을 평가하기 위한 방법으로 고장예지 및 건전성평가 기술을 채택하였다. 고속도로 주행, 일반도로 주행, 산악로 주행, 고온 날씨, 저온 날씨, 정체/비정체 구간 등 차량의 주행 환경 별 배터리의 부하 및 동작 프로파일을구축하고 이를 파라미터로 활용한 배터리 SOC, SOH 추정 로직을 구현하여 배터리의 성능 평가를 실시하고자

그림 1 실시간 주행 모니터링 시스템(자동차부품연구원)

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한다. 현재 데이터 수집을 위한 시스템 구축 및 주행 모드별 배터리의 환경 및 동작 프로파일을 구축하고 있는연구가 진행 중이다.

해외에서도 국내의 실시간 주행 모니터링 시스템과유사한 형태의 고장예지 및 건전성평가 기술이 진행 중이다. 미국의 MTS Technology 사에서 개발 중인ePulse(Embedded Prognostic Utility and Logical StatusEnvironment) 시스템은 국내의 실시간 주행 모니터링시스템과 유사하다. 이 현재까지 구현된 시스템의 기능은 네 가지로 구분할 수 있다.

1. 데이터 수집, 전송, 관리 기능2. 차량의 기본 운행 정도(엔진 RPM, 차량 주변 환경

온도)등을 도식화 하고, OBD 진단기의 오류 메시지를 정리하여 도식화하는 기능

3. 수집 및 자료의 기초 통계 분석 및 신뢰성 분석을위한 고장 이력 정리 기능

4. GPS를 통한 차량 이동 경로 추적 기능

하지만 아직 자동차의 속도, 주위 환경 온도, 엔진 속도, 배터리 전압 값들을 도식화하여 표현해주는 기능에제한되어 있고 고장예지 기술과 관련한 기능에 대한 것은 현재 연구가 진행 중이다. 실제 주행 중인 차량 데이터를 활용하여 부하/환경 프로파일을 구축하고 이를 통해 고장예지 및 건전성평가 기술을 적용하기 위해서는① 데이터 수집 시스템 구축, ② 주행 데이터 축적, ③고장예지 및 건전성평가 개발의 연구 절차가 요구되며현재 많은 연구 기관에서 데이터 축적 및 알고리즘 연구를 하고 있는 실정이다. 미국의 ePULSE 시스템은 실증연구를 위해 MTS Technologies, Florida 교통부, 크라이슬러, Auburn University, Detroit Diesel, The NationalCenter for Atmospheric Research(NCAR) 등의 기관이컨소시엄을 구성하여 기술개발에 참여하고 있다.

차량용고장예지및건전성평가시스템관련특허

신시내티 대학에서는 2012년 앞 절에서 설명한 실시간 주행 모니터링 시스템(자동차부품연구원), ePULSE시스템(MTS Tech)과 유사한 형태의 고장예지 및 건전성평가 시스템 구현에 관련한 특허를 출원하였다. 주행중 센싱되는 전기 자동차용 배터리 데이터 및 환경/부하 데이터를 GPS를 데이터 수집 서버로 전송하고 이를통해 배터리 관련 건강 상태 및 잔존 수명을 예측하고자 한다. 해당 시스템은 데이터 수집 서버를 클라우드시스템으로 관리하여 데이터의 관리 측면의 효율성을

그림 2 실시간 주행모니터링 시스템의 데이터 로거 및 무선 통신 단말기(자동차부품연구원)

그림 3 MTS 사의 ePULSE 시스템 구성도

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하이브리드/전기 자동차분야의 PHM 기술 적용 사례

38 ● 기계저널

증대 시킨 차이점이 있다. 연구기관뿐만 아니라 자동차 메이커 업체들에서도

차량용 고장예지 및 건전성평가 시스템 관련 특허들을경쟁적으로 출원하고 있다.

Ford 사의 경우, 자동차 시스템 내부에 OBD(OnBoard Diagnostic) 진단기와 같은 고장예지 모듈이 내장되어 있는 구조를 특허로 출원하였다. 차량 내부에장착된 고장예지 모듈은 주행 중 발생되는 배터리, 인버터, 전기 모터의 내부 파라미터 데이터를 자동차 통신 네트워크를 통해 전송 받아 사전에 시험을 통해 모

델링된 주요 부품의 상태 정보와 비교하여열화 상태를 결정하게 된다.

Honeywell 사의 특허의 경우, 차량 시스템에 내장되어 있는 고장예지 모듈에 대한기능을 보다 상세화하여 기술하고 있다. 주행 중 센서를 통해 측정되는 차량 시스템의정보를 상태(condition), 건강(health), 예지(prognosis)의 3단계로 구분하여 분석한다.

상태 신호는 자체고장진단(built-in test) 기능이 있는 서브시스템으로부터 고장예지 모듈로 전송되는 상태 진단 데이터를 의미하며 상태 진단 데이터를 지속적으로축적하고 분류(classification) 알고리즘을 통해 건강 신호를 생성해낸다. 또한 건강 신호는 추이 분석(Trending Analysis)을 통해 예지 신호를 생성하게 된다.

Toyota에서는 PHM 기술에서 정의하는 데이터 기반의 고장예지 및 건전성평가 기술에 대한 구체적 분석절차에 대해 기술하고 있다. GM에서는 PHM에서 정의하는 모델 기반의 고장예지 및 건전성평가 기술에 대한

그림 4 차량 내부 시스템의 PHM 기술 적용 사례

그림 5 배터리 PHM 시스템 구성 방법 관련 특허(신시내티 대학교)

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구체적인 분석 절차 및 자동차 핵심 부품과 고장 모드및 관련 고장 전조 파라미터의 관계에 대해 일부 기술하고 있다.

차량용고장예지및건전성평가시스템관련기술에대한고찰

현재 차량용 고장예지 및 건전성평가 기술을 구현하기 위한 실차 적용 사례를 살펴보면 대부분의 기술들이고장예지 및 건전성평가 기술의 핵심인 고장예지 알고리즘을 구현하기 위한 데이터 수집 및 관리를 위한 시스템 개발에 중점을 두고 있다. 또한 개발된 데이터 수

집 및 관리 시스템을 통해 고장예지 및 건전성평가 기술을 일부 적용 사례에서는 배터리를 대상으로 하는 기술에 중점을 두고 있다.

향후 차량용 고장예지 및 건전성평가 기술을 적용하기 위한 기술 개발을 위해서는 축적되고 있는 차량 데이터에 대한 요약, 환경/부하 프로파일 구축을 위한 알고리즘 및 모델/데이터 기반의 고장예지 알고리즘에 관련한 연구가 지속적으로 요구되며 배터리 외의 전기 자동차의 핵심 부품인 전동화 기기, 전력변환장치들에 대한 고장예지 및 건전성평가 기술 관련 연구가 필요할것이다.

기계용어해설

간접측정(Indirect Measurement)측정량과 일정한 관계에 있는 양을 측정한 후 그 값을 계산 또는 환산표로 산출하여 측정값을 알아내는 방식.

지압계(Indicator) 내연기관, 공기압축기 등에서 실린더 내의 압력이 피스톤의 이동에 따라 변하는 모양을 그래프로 나타내는 기기.

공업용로봇(Industrial Robot)자유도가 5~6 정도로 사람의 손과 비슷한 작업을 자동화할 수 있고, 특정한 일을 행하도록 프로그램 가능한 제어장치를 갖춘 기계장치.

도시연료소비율(圖示燃料消費率; Indicated Specific FuelConsumption)도시출력 1PS가 매시간마다 소비하는 연료의 양을 g으로나타낸 값.

고주파경화<담금질>(Induction Hardening)고주파전류로 전자유도 전류를 발생시켜 피가열체의 표면부만을 급속히 가열한 후 분사냉각 등으로 담금질하는방법.

자력죔(Self-locking)마찰저항의 작동으로 일어나는 것으로, 예를 들면, 죈나사가 이것을 죄던 손을 놓아도 반대쪽으로 돌아가서 저절로 풀리는 일이 없는 것과 같은 상태.

경사계(Inclinometer)수준기의 기포가 중앙에서 정지하도록 미동조정나사를조작하여 원주눈금을 읽고 측미경으로 최소 눈금을 읽는각도측정기.

간접전동(Indirect Transmission)서로 떨어져 있는 원동절과 종동절에 벨트, 로프, 체인 등으로 동력이나 운동을 전달하는 방식.

유도<인>통풍(Induced Draft)화격자 사이에서 공기를 흡출하여, 연료가 연소하는 데필요한 바람을 보일러나 노에 보내는 방식.

유도전동기(Induction Motor) 회전자 또는 고정자의 한쪽만이 전원에 접속되어 있고,다른 쪽은 유도하여 동력을 얻는 대표적인 교류전동기.

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