1. TCS(traction control system)의 개요

미끄러지기 쉬운 비에 젖은 노면이나 얼어붙은 노면에서 출발하거나 가속할 때, 구동바퀴의 바퀴가 스핀하는 일이 있다. 이 때 앞바퀴 구동방식의 차량에서는 조향성, 뒷바퀴 구동의 차량에서는 안전성을 잃는다. 이런 현상을 방지하기 위해서 기관의 출력을 저하시키거나, 구동 바퀴에 브레이크를 걸든지 하여, 바퀴와 노면과의 슬립율을 최적인 값으로 유지하는 제어를 하여, 구동바퀴가 스핀하지 않도록 최적의 구동력을 얻는 것이 TCS(구동력 제어장치)이다. 도로와 바퀴의 마찰 계수의 관계는 TCS에서도 마찬가지로 취급한다. 즉, 슬립율이 15~20%으로 되도록 구동력을 제어한다. TCS의 기능은 다음과 같다.

1.1. TCS의 주요 기능

① 구동 성능이 향상된다. - 구동바퀴의 슬립(slip)이 제어되므로 차체의 흔들림이 적고 발진 성능, 가속 성능 및 등판능력이 향상된다.

② 선회 및 앞지르기 성능이 향상된다. - 선회할 때 안전한 코너링 및 앞지르기가 가능해진다.

③ 조향 안전성이 향상된다. - 조향핸들을 돌릴 때 구동력에 의한 가로방향의 작용력을 우선적으로 제어하므로 조향이 용이하다.

1.2. TCS의 일반적인 기능

TCS는 기관의 여유 출력을 제어하는 모든 장치를 말하며, 눈길 등의 미끄러지기 쉬운 노면에서 가속성 및 선회 안전성을 향상시키는 슬립 제어(slip control) 기능과 일반 도로에서의 주행 중 선회 가속을 할 때 자동차의 가로방향 가속도 과다로 인한 언더 또는 오버 스티어링을 방지하여 조향 성능을 향상시키는 트레이스 제어(trace control)가 있다. 슬립 또는 트레이스 제어 모두 기관의 회전력을 저하시키는 방식을 채택하며 기관 제어 방식은 다음과 같은 특징이 있다.

① 미끄러운 노면에서 발진 및 가속할 때 미세한 가속페달의 조작이 불필요하므로 주행 성능을 향상시킨다.

② 일반 노면에서 선회 가속할 때 운전자의 의지대로 가속을 보다 안정되게 하여 선회 성능을 향상시킨다.-트레이스 제어

③ 선회 가속할 때 조향 핸들의 조작 량을 감지하여 가속페달의 조작 빈도를 감소시켜 선회 능력을 향상시킨다.-트레이스 제어

④ 미끄러운 노면에서 뒷바퀴 휠 스피드 센서에서 구한 차체 속도와 앞바퀴 휠 스피드 센서로 구한 구동바퀴의 속도를 검출 비교하여 구동바퀴의 슬립률이 적절하도록 기관의 회전력을 감소시켜 주행 성능을 향상시킨다.

⑤ 일반 노면에서 운전자의 의지로 인한 가로방향 가속도가 규정 값을 초과할 경우 TCS의 컴퓨터가 운전자의 의지를 판단하여 기관 출력을 제어함으로서 선회 안전성을 향상시킨다.

⑥ 운전자의 의지로 트레이스 제어 Off 또는 트레이스 제어와 슬립 제어 Off의 모드 선택으로 TCS를 부착하지 아니한 자동차와 동일한 작동이 가능하므로 스포티브 운전 및 다양한 운전 영역을 제공한다.

2. TCS의 작동원리

2.1. 슬립률

①

②  

2. 슬립률과 구동력 및 가로방향 작용력(횡력)의 관계

(1) 구동력

슬립률이 0일 때에는 전혀 발생하지 않으며, 슬립률에 비례하여 증가하다가 슬립률 15~20% 정도에서 최대가 되며, 그 이상 슬립률이 증가하면 저하한다.

(2) 가로방향 작용력(횡력, side force)

슬립률이 0일 때 최대가 되며, 슬립률이 증가함에 따라 저하한다.

(3) 슬립률 제어

큰 구동력을 얻는 경우에는 슬립률이 20% 정도이고, 큰 코너링 포스를 얻는 경우는 슬립률이 0%일 때이다. 즉, TCS는 기관 출력을 자동으로 제어하는 것이며, 슬립률을 최적으로 제어하여 주행 및 선회 성능을 높이는 장치이다.

2.3. TCS작동 원리

(1) 슬립 제어(slip control)

슬립 제어는 ABS 작동원리와 같이 바퀴의 슬립 비율을 제어하여 바퀴의 구동력 및 가로방향 작용력(횡력)을 자동차 운전상황 및 노면상태에 대응하여 최적의 상태로 제어하는 것이다. 일반적으로 자동차가 주행할 때 바퀴에는 가속으로 인한 구동력과 선회에 의한 가로방향 작용력이 발생하며 직진주행에서는 슬립 비율이 높은 영역으로, 선회 주행을 할 때에는 슬립 비율이 비교적 낮은 영역으로 제어한다. 또 자갈길과 같은 험한 도로에서의 구동 특성은 슬립 비율이 증대되어도 비교적 구동력이 큰 상태로 만들며, 눈길, 빙판 길 등과 같은 미끄러운 노면에서도 가속성능이 우수하다.

(2) 트레이스 제어(trace control)

TCS는 조향과 가속페달을 밟는 양 및 이때 구동되지 않는 바퀴의 좌우 속도 차이를 검출하여 구동력을 제어함으로서 안정된 선회가 가능하도록 한다. 선회상태에서 가속을 할 경우에는 원심력이 어느 한계 이상이 되면 조향 각도를 증가시키지 않을 경우 바퀴의 궤도가 바깥쪽을 향하게 된다. 즉 언더 스티어링이 증가한다. 그리고 조향 각도를 증가시켜 나가는 경우에는 선회 반지름이 감소하여 급격하게 가로방향 작용력이 증가하나, 자동차의 움직임에는 지연이 있으므로 미리 자동차의 움직임을 예측하여 적절한 구동력을 얻어야 한다. TCS는 이런 상황에 도달하기 전에 컴퓨터(ECU)가 운전자의 의지를 센서로부터 검출하여 연산 후 자동 제어를 하고, 또한 안정된 선회를 위한 구동력 제어를 위해 기관 출력을 감소시킨다. 즉, 뒷바퀴의 회전속도 차이로부터 선회 반지름을, 평균값으로부터 자동차 주행속도를 연산하여 두 값을 이용한 가로방향 작용력을 산출하여 기준 값을 초과할 경우에는 구동력을 제어한다. 뒷바퀴의 회전속도 차이에서 조향 각도 증가량을, 스로틀 위치 센서로부터는 운전자의 가속 의지를 판단하여 가속페달을 밟은 상태에서도 적절한 조향이 가능하게 된다.

3. TCS의 종류

TCS의 종류에는 기관 제어방식, 브레이크 제어방식, 동력 전달장치 제어방식, 통합 제어방식 등이 있다.

3.1. 기관 제어방식(engine control system)

TCS에서 기관을 제어하는 방식에는 흡입공기량 제어방식과 기관 조정(EM)방식이 있다.

(1) 흡입 공기량 제어방식

눈길?빙판 길 등에서 운전 경험이 많은 운전자라면 가속페달을 밟음에 의해 구동바퀴가 슬립하는 것의 판단이 가능하며, 소리·기관 회전속도 및 가·감속 등을 감지한 경우 운전자는 가속페달에서 발을 떼어 슬립을 회복한다. 흡입 공기량 제어방식은 가장 운전자의 조작에 근접하는 방식이며, 스로틀밸브로 흡입되는 공기량을 제어하여 기관 출력을 제어하므로 기관 출력의 절대량을 연속적으로 안정되게 조정이 가능한 반면 미세 슬립 영역에서는 충분한 기능 발휘가 어려운 결점이 있다. 흡입 공기량 제어방식에는 메인 스로틀 밸브 제어와 보조 스로틀 밸브 제어방식이 있다.

1) 메인 스로틀 밸브 제어방식

가속페달과 기계적으로 연결 작동되는 메인 스로틀 밸브를 전동기나 기관의 흡기 부압, 케이블 등을 이용하여 강제로 구동하는 방식이다.

2) 스로틀 밸브 제어방식

메인 스로틀 밸브와 별도의 TCS 제어용 제2 스로틀 밸브(보조 스로틀 밸브)를 설치하여 제어하는 방식이며, 작동은 메인 스로틀밸브와 연결되어 작동을 하다가 보조 스로틀 밸브를 전기적으로 개폐시키므로 반응 시간 지연을 보완할 수 있다.

(2) 기관 조종 방식(EM ; engine management type)

전자제어 연료 분사장치 기관에서 액추에이터의 추가 없이 소프트웨어만의 대응이 가능하므로 가격 면에서 효과적이고 초기 제어를 할 때 빠른 응답성의 출력 제어가 가능하지만, 감속 절대량 제어와 연속적인 출력 조정이 어려워 승차 감각이 떨어지므로 충분한 연구가 필요하다. 특히 촉매 컨버터의 손상 및 기관 수명을 단축시킬 수 있다. 기관 조종방식에는 연료분사 제어와 점화시기 제어방식이 있다.

1) 연료분사 제어방식

실린더 수가 많은 기관에서 몇 개의 실린더에 연료 공급을 차단하여 기관의 출력을 저하시키는 방식이다.

2) 점화시기 제어방식

점화시기를 정상보다 지연시켜 기관의 출력을 감소시키는 방식이다.

(3) 브레이크 제어방식(brake control system)

브레이크 제어방식은 슬립이 발생하는 바퀴자체를 제어하는 방식이며, ABS의 액추에이터(모듈레이터)를 수정 보완한 것을 ABS와 함께 사용한다. 이 방식의 특징은 다음과 같다.

① 브레이크 제어에 의한 슬립감소 효과는 매우 빠르며, 기관제어만으로는 불가능한 좌우 구동바퀴 사이의 미세한 슬립영역에서도 바퀴의 구동력을 발생시키면서도 슬립 감소가 가능하다.

② 가격에 비하여 미세 슬립 영역 제어를 제외하고는 큰 장점이 없으며, 마스터 실린더 및 브레이크계통 등 기존 브레이크장치의 변경이 필요할 수 있다.

③ 브레이크 패드의 과열 문제가 예상되며, 고속에서는 사용이 곤란하므로 단독으로 사용하는 경우는 거의 없으며, 저속이거나 초기 제어에서만 사용되고 있다.

3.2. 동력전달장치 제어방식

동력전달장치 제어방식에는 차동장치 제어방식과 4WD(4wheel drive) 및 클러치 제어방식이 있다. 4WD는 가격이 비싸고, 자동차 무게 및 연료 소비량이 증가하는 결점이 있다. 차동장치 제어방식은 차동장치에 차동 제한장치(LSD ; limited slip differential)를 기계방식, 비스코스 커플링방식, 전자방식 등으로 작동시키는 것이다. 차동장치 제어방식의 특징은 다음과 같다.

① 좌우 구동 바퀴사이의 슬립 감소가 가능하며, 슬립하는 바퀴의 구동력을 잡아서 반대쪽 바퀴로 보낸다.

② 구동력 손실은 없으나 과잉 구동력 제어가 불가피하므로 기관 제어 방식과 공동으로 사용하면 그 효과가 기대된다.

3.3. 통합 제어방식

TCS의 통합 제어방식에는 스로틀 밸브와 브레이크 제어를 복합한 방식, 기관 조종과 브레이크 제어를 복합한 방식, 스로틀 밸브와 브레이크 제어 및 차동 제한장치를 복합한 방식 등이 있다.

(1) 스로틀 밸브와 브레이크 제어를 복합한 방식

메인 제어장치로 스로틀밸브를 사용하고, 보조 제어장치로 브레이크를 사용하는 방식이며, 큰 슬립 영역과 미세 슬립 영역 모드에서 만족스러운 성능 발휘가 가능하며, ABS와 통합하여 원가 절감을 실현하면 중대형 자동차에 설치가 가능하다.

(2) 기관 조정(EM)과 브레이크 제어를 복합한 방식

저속에서 빠른 응답성의 출력 제어로 성능 발휘가 기대되며, 가격 면에서 유리하지만 연속적인 출력 조정이 곤란하다. 또한 자동차 안정성 및 승차 감각 개선을 위한 충분한 연구가 필요하다.

(3) 스로틀 밸브·브레이크 및 차동 제한장치(LSD)를 복합한 방식

큰 슬립 영역과 미세 슬립 영역에서 우수한 성능을 발휘할 수 있으나 가격이 비싼 결점이 있다.

4. TCS의 제어

4.1. TCS 제어의 종류

(1) FTCS(full traction control system)

FTCS 장치는 ABS 컴퓨터가 TCS의 제어도 실행을 하며, 컴퓨터가 구동바퀴(앞 기관 앞바퀴 구동방식에서는 앞바퀴)와 뒷바퀴의 휠 스피드 센서의 비교에 의하여 구동바퀴의 슬립을 검출한다. 구동바퀴의 슬립을 검출하면 TCS의 제어를 실행하게 되는데 이때 먼저 브레이크 제어를 실행한다. 또한 기관 제어용 컴퓨터(ECU) 및 자동변속기 제어용 컴퓨터(TCU)에 TCS의 제어를 위해 CAN통신을 하는 BUS라인에 슬립량에 따라 기관 회전력의 감소 요구, 연료 공급을 차단하는 실린더 수 및 TCS제어 요구 신호를 전송한다. 기관 제어용 컴퓨터는 ABS 컴퓨터가 요구한 실린더 수만큼 연료 공급 차단을 실행하며, 기관 회전력 감소 요구에 따라 점화시기를 늦춘다. 자동변속기 제어용 컴퓨터(TCU)는 TCS 작동신호에 따라 변속 위치(shift position)를 TCS제어 시간만큼을 유지(hold)상태로 제어한다. 이것은 킥 다운에 의한 저속 변속으로 가속력이 증가하는 것을 방지하기 위함이다.

(2) BTCS(brake traction control aystem)

BTCS는 TCS를 제어할 때 브레이크의 제어만 실행하며, 모터 펌프에서 발생되는 유압으로 제어한다.

4.2. 브레이크 제어

(1) 하이드롤릭 유닛 내부의 각 밸브

1) 구동력 제어밸브(TCV : traction control valve)

구동력 제어 밸브는 NO(normal open 항상 열림)밸브의 일종이며, 앞바퀴(구동바퀴)와 뒷바퀴(피동바퀴)사이의 오일회로에 2개가 설치되어 있으며, 컴퓨터의 제어 신호에 의해 앞바퀴와 뒷바퀴의 오일 회로를 연결하거나 차단한다. 즉, TCS가 작동할 때에는 오일회로를 차단하고, 작동하지 않을 때에는 연결한다.

2) 하이드롤릭 서틀 밸브(HSV : hydraulic shuttle valve)

하이드롤릭 서틀 밸브는 저압 어큐뮬레이터(LPA : low pressure accumulator)와 모터 펌프 입력측 사이의 오일회로 중간과 마스터 실린더(MC : master cylinder)측 오일회로 사이에 연결되는 기계식 밸브이며, 브레이크가 작동하지 않는 상태에서 모터펌프가 작동할 때 펌프로 유입되는 저압 어큐뮬레이터의 오일이 부족하게 된다. 이때 마스터 실린더의 오일을 펌프에 보충해 주기 위해 오일 회로를 열어주는 역할을 한다.

(2) 평상 제동(normal brake) - TCS 비작동

TCS가 작동하지 않을 때에는 구동력 제어밸브(TCV)는 OFF되어 마스터 실린더와 앞?뒷바퀴의 캘리퍼 사이의 오일회로가 모두 열려 있다. NO밸브(normal valve)도 OFF되어 마스터 실린더와 캘리퍼 사이의 오일회로는 연결되어 있다.

이때 NC밸브(normal closed valve)는 OFF되어 캘리퍼와 저압 어큐뮬레이터(LPA)사이의 오일회로를 차단한다. 이에 따라 브레이크 페달에 의해 마스터 실린더에서 발생한 유압은 NO밸브를 통하여 각 캘리퍼로 전달되어 브레이크가 작동한다. 브레이크가 풀릴 경우에도 같은 통로를 통하여 오일이 복귀하여 해제된다. 이때 모터 펌프는 작동하지 않는다.

(3) 증압 모드(rise mode) -TCS 작동

증압 모드에서는 모터펌프가 작동하여 유압을 형성한다. 구동력 제어밸브(TCV)가 ON이 되므로 모터펌프와 뒷바퀴(피동 바퀴)쪽이 차단되어 앞바퀴(구동 바퀴)쪽만 브레이크 제어가 된다. 또한 하이드롤릭 스로틀밸브(HSV)의 오일회로가 열려 마스터 실린더와 모터펌프 입력측의 오일회로가 열려서 모터펌프가 작동할 때 오일이 부족하지 않도록 한다. 이때 ON밸브는 OFF되어 모터펌프와 캘리퍼사이의 오일회로가 연결되어 유압이 캘리퍼에 가해져 TCS의 제어가 실행되며, NC밸브는 OFF되어 캘리퍼와 저압 어큐뮬레이터(LPA)사이의 오일회로는 차단된다.

(4) 유지 모드(hold mode) - TCS 작동

유지 모드에서는 구동력 제어밸브(TCV)가 ON이 되어 모터펌프와 뒷바퀴(피동 바퀴)의 오일회로를 차단하고 앞바퀴(구동 바퀴)만 브레이크 제어가 실행된다. 그리고 하이드롤릭 서틀밸브(HSV)의 오일회로는 열려 마스터 실린더와 모터펌프 입력측 오일회로가 열려 모터 펌프가 작동할 때 오일이 부족하지 않도록 한다. 이때 NO밸브는 ON이 되어 모터펌프와 캘리퍼사이의 오일회로를 차단하며, NC밸브는 OFF되어 캘리퍼와 저압 어큐뮬레이터(LPA)사이의 오일회로 또한 차단된다. 현재 캘리퍼에 가해진 유압이 그대로 유지되며 모터 펌프는 작동한다.

(5) 감압 모드 - TCS 작동

감압모드에서는 구동력 제어밸브(TCV)가 ON이 되어 모터펌프와 뒷바퀴의 오일회로를 차단하고, 앞바퀴만 브레이크제어를 실행한다. 그리고 하이드롤릭 서틀밸브(HSV)는 오일회로를 열어서 마스터 실린더와 모터펌프 입구 측 회로가 연결되어 모터펌프가 작동할 때 오일이 부족하지 않도록 한다. 이때 NO밸브는 ON이 되어 모터펌프와 캘리퍼사이의 오일회로는 차단하며, NC밸브도 ON이 되어 캘리퍼와 저압 어큐뮬레이터 사이의 오일회로를 연결하므로 캘리퍼에 가해진 유압이 감소된다. 이때 모터펌프는 작동한다.