차세대 브레이크 시스템인 전기식 제동장치(Brake-by-Wire)의 경우 기존 유압식 조종 방식에서 구현할 수 없는 다양한 효과를 볼 수 있는데, 설계 및 수정의 유연성을 확보할 수 있기 때문에 디자인과 경량화 측면에서 유리하여 연비를 크게 향상시킬 수 있으며, 우수한 첨단 제어기술의 적용이 가능하다는 점이다. 특히 전기식 제동장치의 경우 운전석에서 자동차의 모든 바퀴에 이르는 복잡한 유압식 또는 공압식 제동 계통을 단순한 와이어에 의해 대체함으로써 그 효과를 더욱 극대화시킬 수 있을 뿐만 아니라 제동 시 응답시간을 획기적으로 감소시켜 제동거리를 단축시킴으로써 사고예방에도 크게 기여할 수 있다는 장점으로 갖고 있다.
 

자동차 브레이크 시스템 개발 동향

자동차 브레이크 시스템 기술 발전 동향 
최근 ABS(Anti-Lock Brake System)를 능가하는 차세대 브레이크 시스템이 개발되면서 향후 차량의 안전성 향상 및 사고방지에 크게 기여할 것으로 전망된다. 한때, 첨단 브레이크로 인식되었던 ABS는 급제동시 제동거리 단축에 따른 사고 방지 효과가 인정되어 대형 차량에 대한 설치를 의무화 하는 등 이제는 보편화된 기술로 정착되었다. 그러나 최근 들어 자동차 기술의 핵심 목표로서 연비 향상과 더불어 차량의 안전성 향상이 크게 대두됨에 따라 ABS 보다 제동 성능은 물론 좌우방향 미끄러짐과 흔들림을 크게 개선한 브레이크 시스템의 개발이 활발히 진행되고 있다.

차세대 브레이크 시스템인 전기식 제동장치(Brake-by-Wire)의 경우 기존 유압식 조종 방식에서 구현할 수 없는 다양한 효과를 볼 수 있는데, 설계 및 수정의 유연성을 확보할 수 있기 때문에 디자인과 경량화 측면에서 유리하여 연비를 크게 향상시킬 수 있으며, 우수한 첨단 제어기술의 적용이 가능하다는 점이다. 특히 전기식 제동장치의 경우 운전석에서 자동차의 모든 바퀴에 이르는 복잡한 유압식 또는 공압식 제동 계통을 단순한 와이어에 의해 대체함으로써 그 효과를 더욱 극대화시킬 수 있을 뿐만 아니라 제동 시 응답시간을 획기적으로 감소시켜 제동거리를 단축시킴으로써 사고예방에도 크게 기여할 수 있다는 장점으로 갖고 있다. 이러한 차세대 브레이크 시스템은 종래에 비해 전자제어 기능이 크게 향상된 것으로서 최근 개발되고 있는 지능형 자동차의 전자제어 대상에 통합되어 제어될 경우 제동성능 향상과 더불어 자동운행 기능, 주행성능 개선, 주행 시 안락성 향상에도 크게 기여할 것으로 예상된다. 다만 제동장치의 경우 자동차 안전에 매우 중요한 부품이므로 기계식 부품을 전자화하였을 경우에 발생할 수 있는 제어계통의 오류 및 단전, 단선 등에 대한 충분한 안전성이 담보되어야 하는 숙제가 남아 있다.

전기식 제동장치는 그 구현 방식 및 발전 단계에 따라 전기유압식(EHB)과 전기기계식(EMB) 및 그 혼합형인 Hybrid EMB로 분류할 수 있다.

자동차 브레이크 시스템의 종류
가. ABS(Anti Lock Brake System)  
ABS(잠김방지 브레이크 시스템)는 급제동시 바퀴의 회전이 완전히 정지되는 현상, 즉 ‘잠김 현상’으로 인한 차량의 미끄러짐을 해소하기 위해 짧은 시간 간격으로 바퀴의 회전을 허용하여 잠김 현상이 방지되도록 함으로써 제동거리를 단축하는 시스템이다. ABS 시스템은 1952년 영국 Dunlop社가 항공기용으로 개발한 이래, 1966년 미국 크라이슬러와 포드에서 승용차에 채용하면서 개발에 박차를 가하게 되었다. ABS 시스템은 주행하는 노면이 빙판, 빗물 등으로 어떤 악조건이 생기더라도 완전 로크시키지 않음으로써 운전자는 핸들의 조절을 가능하게 하면서 가능한 한 최단 거리로 차량을 정지시킬 수 있게 하는 장치이다. ABS 시스템의 브레이크 액은 각 바퀴별로 노면의 조건에 따라 달라지므로, 바퀴의 미끄러짐을 방지하여 핸들의 조향 성능을 최대한 유지하면서 바퀴가 미끄러지기 직전의 상태로 각 바퀴의 제동을 On, OFF로 제어하는 것이다. ABS 시스템은 2007년부터 유럽에서는 신차에 의무 장착되었으며, 미국에서는 2011년 9월부로 FMVSS 규정에 따라 전자 안정성 제어(Electronic Stability Control)와 함께 의무화하고 있다.

ABS를 구성하는 주요 부품은 속도 센서(speed sensors), 밸브(valves), 펌프, 컨트롤러이다. 속도 센서는 휠의 가속도 또는 감속도를 결정하는데 사용하며, 이러한 센서 신호를 생성하기 위해 자석과 와이어의 코일을 사용한다. 각 바퀴에 설치되어 있고 각 바퀴의 회전 속도를 검출해 슬립율을 산출한다.

슬립율(λ) = (차의 속도 - 실제속도(타이어 속도))/차의 속도) X 100 %

ABS에 의해 제어된 각 브레이크의 브레이크 라인에는 밸브가 있다. 보통 밸브는 3단계로 작동되며, 첫 번째로, 밸브는 개방되고 마스터 실린더의 압력은 브레이크에 가해진다. 두 번째로, 운전자가 브레이크 페달을 과하게 밟았을 때 압력이 상승하는 것을 방지하기 위해 라인을 차단한다. 세 번째로 밸브는 브레이크 압력의 일부를 해제한다. 밸브 시스템 문제점의 대부분은 밸브 막힘으로 발생하며 밸브가 막힌 경우 열거나 닫히는 작동을 할 수 없으며 이는 브레이크에 공급되는 압력을 제어하지 못하고 밸브를 조작할 수 없다.
ABS의 펌프는 밸브를 해제한 후, 유압 브레이크로 압력을 복원하는데 사용된다. 휠 미끄러짐을 감지하였을 때 컨트롤러부터의 신호로 밸브는 압력을 해제하고, 이후 펌프는 제동 시스템의 압력을 복원하는데 사용된다. 컨트롤러는 압력의 적정량을 제공하고 미끄럼을 감소시키기 위해 펌프의 상태를 조절한다. 컨트롤러는 ECU(Electric Control Unit) 타입으로 각각의 휠 속도 센서로부터 정보를 받아들여 차속과 바퀴의 회전상황에서 최적의 제동력이 작용하도록 휠 실린더로 지시를 하고 시스템 전체를 제어한다.

ABS시스템은 ABS시스템에 전자제어제동력 배분장치(Electronic Brake force Distribution, EBD)가 장착된 시스템으로 발전하고 있다. 일반 차량의 경우 앞 바퀴에 제동력이 집중되기 마련이지만, 화물이나 탑승 인원이 많아 차량 뒷부분의 무게가 늘어나게 되면 제동력을 다시 조정해야 하는 문제가 생기게 된다. EBD-ABS는 이를 방지하기 위해 차량의 각 바퀴에 전달되는 무게에 따라 제동력을 가장 알맞은 상태로 배분해 주는 장치이다. 이 시스템은 승객에 따라 선회하는 정도에 따라 각 바퀴에 전달되는 제동력을 다르게 주는 것이 특징이며, EBD-ABS가 장착된 차량은 앞으로 나아갈 때 높은 안정성을 유지할 수 있다.

이 외에도 TCS(Traction Control System) 및 ASR(Anti Spin Reqular)가 있다.
TCS는 ABS가 가지는 기능 외에 가속 순간의 접지력을 최대한 활용하기 위해 제동과 가속을 반복함으로써 바퀴가 헛도는 것을 방지해주는 장치이다. TCS가 장착되지 않은 경우 눈길이나 빙판길 혹인 미끄러운 언덕길에서 구동을 하거나 주행을 할 때 바퀴가 헛돌거나 조향이 제대로 되지 않는 경우가 발생한다. 그러나 TCS가 장착된 차량의 경우는 빙판길과 같은 저마찰 노면이나 바퀴의 좌우 상태가 다른 노면에서 출발을 하거나 속도를 높일 때 구동력을 확보하고 조정 안정성을 향상시켜 운전자의 안전 운전을 도와주는 기능을 한다.
ASR은 브레이크를 밟는 과정에서가 아니라 가속 페달을 밟는 과정에서 바퀴가 헛돌지 않게 해주는 기능이다. ASR은 브레이크 제어 이외에 운전자가 가속 페달을 밟는 정도에 관계없이 노면 상태에 따라 엔진의 출력을 조절함으로써 미끄러운 노면에서 발진, 선회, 차선 변경 등의 가속 시에도 구동 바퀴의 공회전 또는 미끄러짐을 억제하여 최적의 구동력 확보 및 차량 안전성을 향상시키는 시스템을 말한다.
이보다 발전된 시스템으로 ABS, TCS, EBD 시스템 등을 포함한 VDC(Vehicle Dynamic Control, 차체자세제어)가 있으며 쉽게 말해 차량을 미끄러짐으로부터 안전하게 보호하는 차량 안전 시스템이다. 여기에는 구동 중일 때 바퀴가 미끄러지는 것을 적절히 조절하는 TCS, ABS, EBD, 자동감속제어, 요모멘트 제어(yaw moment control, 한쪽으로 쏠리는 것을 막는 자세제어)따위가 모두 포함된다. VDC 장착으로 교통사고의 80%가 줄어들었다는 연구결과도 있으며, 최근 만들어진 안전장치 중에 가장 효율적이란 평가를 받고 있다.

나. ESC(Electronic Stability Control) or ESP(Electronic Stability Program) 
ESC(차량 자세 안정시스템)는 차체에 설치된 각종 센서로 부터 감지된 데이터를 기초로 차량의 미끄러짐 현상을 실시간으로 감지하여 각 바퀴의 제동력을 개별적으로 제어함으로써 곡선 주행 시 조향 성능을 향상한 기술이다. 차체가 언더 스티어(관성 때문에 회전반경이 커지는 현상) 혹은 오버스티어(회전반경이 작아지는 현상)인 상태로 밸런스를 잃을 때 ESC가 작동해 바퀴에 제동을 걸어주고 엔진 출력을 낮추면서 차체의 움직임을 제어해 균형을 잡아주는 역할을 한다.
ESC는 안전운전에 대한 트랙션 컨트롤(traction control)을 사용한다. ESC는 수직 축의 좌우 움직임의 모니터링을 담당하고 있다면, 트랙션 컨트롤은 전후 이동을 담당하고 있다. 트랙션 컨트롤 시스템이 바퀴의 미끄러짐을 감지하는 경우, ESC 센서는 미끄러지는 방향을 찾아내고 스티어링 휠의 각도와 차량이 미끄러지는 방향 사이에 차이가 있을 경우 ESC는 적절한 휠(하나 또는 여러 개)에 ABS가 작동하도록 하고 차량 속도를 감소시키도록 제어한다.
ESC 정보는 세 가지 유형의 센서를 통해 차량의 중앙 컴퓨터에 공급된다. 휠 속도 센서(Wheel speed sensors)는 각 바퀴에 장착되어 있으며 바퀴 속도를 측정하여 엔진 속도와 비교하는 역할을 수행한다. 조향각 센서(Steering angle sensors)는 운전자가 차량을 목표로 하고자 하는 방향을 측정하며 이 자동차가 실제로 주행 방향과 다르다면 ESC 시스템이 작동한다. 회전 속도 센서(Rotational speed sensor)는 요 센서(yaw sensor)로서 알려져 있으며 이는 차량의 좌우 운동을 측정하며 자동차 중간에 하나가 있다. 이 외에도 가속페달 센서와 압력센서가 있으며 차량 거동을 감지하기 위한 측방향 가속도 센서 등으로 구성된다.

안전운전에 ESC의 가장 중요한 역할은 충돌의 횟수와 심각성을 줄일 수 있다는 것이다. 대부분의 운전자에게는 폭풍우, 얼음 또는 눈으로 덮인 갑작스런 지면과 같은 미끄러운 주행 조건에서 사고가 발생하게 된다. ESC는 오늘날의 차량에 장착된 다른 안전 및 규제 장치와 함께 운전자가 도로에 제어를 유지하는데 도움이 될 수 있다.

다. EHB(Electro-Hydraulic Brake)  
EHB(전기유압식 브레이크)는 엔진의 동력에 의해 작동하던 종래의 유압식 브레이크를 개선한 것으로서, 전기모터에 의해 유압을 발생시켜 제동하는 방식이며, 엔진 정지 시에도 제동이 가능하여 하이브리드 자동차에 적용되고 있다.
EHB는 by-Wire 시스템의 구조를 가지지만 여전히 유압을 매개체로 사용하기 때문에 습식(Wet type)으로도 불리며, Bosch의 SBC(Sensotronic Brake Control)와 도요타 프리우스에 적용된 ECB(Electronically Controlled Brake) 및 현대자동차 YF쏘나타 하이브리드에 적용된 HPU(Hydraulic Power Unit) 등이 대표적인 예라고 할 수 있다. 이 방식은 기존의 유압식 제동장치와 EMB의 중간단계로 볼 수 있으며, 브레이크 페달에 장착된 감지센서에 의해 운전자의 제동 작동이 감지되면 자동차의 두뇌에 해당하는 ECU는 유압 제어부(Hydraulic Control Unit)를 제어함으로써 각 바퀴의 캘리퍼에 적절한 유압을 보내주어 제동이 되게 하는 구조이다.

EHB의 구성 부품은 기존의 휠 속도 센서, 조향각 센서, 센서 클러스터(yaw rate + lateral acceleration), 기존 휠 브레이크 외에 EHB HU + ECU, 전기적 페탈 모듈(Electronic pedal module with pedal feel simulator and sensors) 등으로 되어 있다.

라. EMB(Electro-Mechanical Brake)   

EMB(전기기계식 브레이크)는 종래의 유압식을 브레이크액이 필요없는 기계식으로 전환한 것으로서 각 바퀴에 설치된 전기모터가 직접 힘을 가하여 제동력을 형성하는 방식이며, 유압식에 비해 정밀제어가 가능하고 최근 개발되고 있는 전기 자동차에 활용되고 있다. 이 방식은 모터에 의해 캘리퍼를 작동시키는 방식으로 비교적 큰 제동력이 필요한 전륜의 경우 기존 12V로는 불가능하기 때문에 한때 42V 시스템으로 차량 전장체계의 설계변경이 검토되었으나, 현재는 쐐기형 구조의 강한 마찰력을 이용하여 작은 전압(12V)로도 큰 제동력을 낼 수 있는 전자웨지캘리퍼(Electronic Wedge Brake, EWB)가 개발되어 전륜은 EWB 형식이, 큰 제동력이 필요하지 않은 후륜은 EMB 형식으로 개발이 진행되고 있다.

마. Brake-by-Wire      
국내업체(현대모비스, 만도 등)에서는 ABS를 비롯한 EBD, TCS, VDC, ESC 시스템 개발이 완료되어 일반 자동차에 적용하고 있다. 또한 EHB 시스템은 국내 하이브리드 자동차에 적용되고 있지만 EMB 시스템은 아직까지 연구 단계 수준으로 선진기술 대비 기술경쟁력 확보를 위해 많은 노력이 필요한 부분이라고 할 수 있다.
EHB 시스템은 Bosch, Continental-Teves, Delphi, Toyota, Mercedes-Benz 등에서 상용화되어 있다. 전자식 브레이크 시스템은 각각의 구성부품도 중요하지만 이를 구동하기 위한 레이아웃이 매우 중요한 요소로 최적 설계 구현이 필요한 분야이다.
Continental의 최신 MK C1제품의 경우 브레이크 기능, 브레이크 부스터 및 브레이크 압력 제어모듈(ABS, ESC)이 콤팩트하고 가벼운 브레이크 유닛으로 통합되었는데 전기 유압시스템(EHB)시스템을 최적화이기 때문에 가능하며, 전기적으로 작동된 긴급 브레이크 테스트에서 제동거리가 향상됨을 보고하였다.
EMB 시스템은 아직 상용화되지는 않았지만, 최근 양산형 모델 개발이 거의 완료된 상황이다. Continental에서 개발한 EMB 시스템은 전기식 모터와 기어박스를 사용하며, 핵심 구성 요소는 파킹 브레이크 래치(parking brake latch)이다.

독일의 Siemens VDO는 프로토 타입의 EWB(electric wedge brake)로 시장을 선두하기 위해 노력하고 있다. EWB는 eSTOP이라는 회사에 의해 개발된 기술을 기초로 하는 혁신적인 아이디어인데, Siemens가 2005년 초에 eSTOP을 인수하여 이후 EWB 개발을 계속 추진하였다. 이 시스템은 작은 압력으로 큰 제동력을 부여할 수 있기 때문에 앞서 설명한 바와 같이 EMB 시스템에서 전륜 제동에 사용될 수 있다.

바. 브레이크 시스템의 향후 전망   
유럽의 한 연구기관(Research and Markets)의 조사결과에 의하면 Brake-by-Wire에 의한 비용 절감 효과가 2010년 3.2억 유로에서 2015년 6.6억 유로로 늘어날 것으로 기대되고 있다. Brake-by-Wire의 대표 격인 전기식 제동장치는 연비향상 효과와 설계 용이성, 첨단제어기술 적용 등 제동장치의 혁신을 기대할 만큼 우수한 장치임에는 틀림없으나, 아직까지는 전자제어장치의 오류나 오작동 등에 대비한 안전성 확보 및 Fail-Safety에 대한 보다 신뢰할 수 있는 대비책 마련이 필수적이다.
현재 EHB의 경우 이미 2000년대 초반부터 많은 하이브리드 자동차에 양산 적용되어 있으며, EMB는 지멘스, TRW, Continetal-Teves 등 유수의 자동차 부품 회사에서 최근 양산형 모델 개발이 거의 완료된 상황이다.
아직까지는 시판중인 완성차에 Full Brake-by-Wire가 적용된 예는 없지만 시장 도입을 막는 특별한 제도 법규적인 장벽이 없는 현실에서 앞서 언급했듯이 첨단기술 적용과 설계의 용이성 및 연비향상, 원가 절감 등 수많은 잠재 가능성으로 인해 가까운 시일 내에 고장 안전에 대한 보완과 함께 완성차에도 활발히 도임될 것으로 기대되며, 일단 도입된 후에는 단기간 내에 기존 기계식 제동장치를 대체할 수 있을 것으로 예측된다.
회생제동 브레이크 시스템    
가. 회생제동 브레이크 시스템 개요  
회생 제동 장치는 자동차가 주행 시에 가지고 있는 운동에너지를 감속 시에 다른 형태의 에너지 형태로 울트라 커패시터(Ultra Capacitor)와 같은 에너지 저장장치에 일시 축적하였다가 발진, 가속, 등판 시에 재사용하는 일련의 시스템을 말한다. 해당 기술은 전기자동차가 휘발유 자동차에 비하여 1회 충전 항속거리가 짧다는 단점을 보완하기 위하여 개발되었으나, 현재는 전기 자동차뿐만 아니라 하이브리드 자동차와 연료 전지 자동차에서 연비 개선의 목적으로 사용되고 있다.

회생 제동 시스템은 제동이 시작되는 시점부터 상대적으로 복잡한 작동 구조를 갖고 제동과 에너지 축적을 수행한다. 우선 운전자가 브레이크 페달(Pedal)을 밟음으로써 발생하는 유압을 검출하고 해당 유압에 상당하는 제동력이 발생되도록 인버터를 제어하여 모터에 음의 토크를 발생시킨다. 이 때 해당 모터는 역기전력을 발생시키는 발전기로써의 역할을 수행하여 생산된 전력을 이차전지나 울트라 커패시터에 축전한다. 검출된 유압을 분석하여 모터에서 발생시킬 수 있는 제동력 범위 내에서는 우선적으로 회생 브레이크를 작동시키고, 이상의 제동력에서는 회생브레이크 시스템의 협조 밸브를 통하여 유압브레이크를 동시에 작동시켜 마찰 제동을 실시한다.

제동 시 회생제동 시스템 내에서 발생하는 에너지의 흐름을 그림 22에 나타내었다. 그림 22에 나타난 바와 같이 가능한 많은 에너지를 회생시키기 위해서는 각 손실에너지를 적극적으로 저감시키는 것이 효과적이 된다.

이러한 회생제동에 의한 에너지 절감 효과는 모터, 배터리의 용량과 적용 대상 자동차의 운전 전략에 따라 달라지지만 30kW급 모터를 장착한 하이브리드 자동차의 경우 도심 주행 시 동급 차량 대비 100% 이상의 연비 향상 중 회생 제동에 의한 개선이 전체의 약 35%를 차지한다고 알려져 있다. 따라서 회생제동 기술은 하이브리드 자동차뿐만 아니라 전기 및 연료전지 자동차와 같이 에너지 저장 장치를 가지고 있는 전기자동차에서 에너지 절감과 이에 의한 배기가스 감소효과를 얻을 수 있는 핵심 기술이라고 할 수 있다. 회생제동의 적용에 의한 효과는 연비 향상뿐만 아니라 기계적 제동의 부담 감소로 인한 브레이크 패드의 수명 연장 및 전자식 브레이크 시스템의 확장을 통한 차량 안전성과 제동 응답성 향상을 가져온다.