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커넥티드 카 텔레매틱스 하드웨어에 대한 네 가지 설계 고려 사항


거의 20 년 동안 사용되어 온 기술이 커넥티드 카동차 시대를 연 것은 놀라운 일이 아니다. 이콜(eCall) 이라는 기술은 첨단 기술 기준으로 보면 아주 오래된 기술이나 지난 3월 EU가 모든 자동차에 이를 장착할 것을 의무화하면서 관련 업계의 주목을 받고 있다. EU의 이콜 장착 의무화 법안은 법과 기술이 함께 만나 새로운 시장과 서비스를 개척해 나가는 과정을 보여주는 대표적인 사례이다. 둘 사이의 미묘한 관계가 완전한 커넥티드 카가 시장에 출시되는 시기를 결정하기 때문이다.

이콜을 기본적으로 정의하면 응급 상황이 발생했을 때 자동으로 전화를 걸 수 있는 자동차 내부에 장착된 기본 휴대 전화를 말한다. 이콜은 1990 년대부터 시장에서 사용되어 온 기술이다. 그 동안 소비자들은 미래를 내다보며 더욱 진화된 기술과 통합되기를 요구해 왔다. 텔레매틱스 제어 장치로 불리는 TCU가 바로 그런 소비자 요구를 충족하기 위해 개발된 기술이다

TCU는 차량과 연결되어 이콜 기능은 물론이고 위치 정보 등 데이터 송수신, 음성통화, 무선 자동 펌웨어 및 앰 업그레이드 기술로 알려진 OTA 서비스 등을 제공한다. TCU가 없는 이콜은 전화만 걸 수 있다. 아래 그림 1은 비상 통화 기능이 있는 TCU에 대한 설명이다.


그림 1: TCU 안에 비상 호출기능 내장

통합 이콜 시스템 기반 TCU 기능 요구 사항

OEM 업체와 Tier 1 부품 공급 업체는 TCU를 차량 내 서로 다른 위치에 배치하는 자체 설계 사양을 갖고 있기 때문에 TCU 설계마다 그만큼 많은 하드웨어 변형이 따른다.

EU는 새로 출시될 신차의 이콜 시스템이 아래 기능 요구를 충족하도록 의무화하고 있다.

  • 자동차 배터리 없이 충돌 중이나 충돌 후 작동.
  • -20°C 또는 -40°C의 극한의 온도에서 작동
  • 배터리 수명 10년으로 8~10분간의 전화 통화 가능
  • 60분 동안 셀룰러 네트워크에서 위급 서비스 콜 백 제공.
  • 국제 표준화기구 (ISO) 26262의 자동차 안전 무결점성 수준 (ASIL) A 표준 준수.

보조 배터리 선택은 디자인의 첫걸음

보조 배터리 선택은 TCU를 설계 할 때 제일 먼저 시작해야 하는 작업이다. EU 요구 사항에 따라 보조 배터리는 6W~20W의 오디오 전원 및 GSM (Global System for Mobile) 모듈의 피크 전류 (약 2A (공칭 350mA))를 지원해야 한다.

어떤 보조 배터리를 선택하느냐에 따라 TCU 시스템의 나머지 설계 사양이 달라진다. 즉 보조 배터리 화학물질의 성격(리튬이온, 리튬이온 인산염, 니켈 금속 수소화합물 등)이나 셀의 숫자, 성능에 따라 TCU 시스템 설계자는 설계 사양을 달리해야 한다. 시스템의 전원 경로 내 보조배터리의 위치도 사양 결정에 영향을 미친다. 즉 어느 위치에 설계하느냐에 따라 충전기 또는 저전압 강하 레귤레이터의 종류가 달라지게 되며 부스트 레귤레이터의 필요 여부가 결정된다.

표2와 표3은 서로 다른 충전 방식에 따라 설계된 두 가지 전원 경로를 보여준다. 각각의 서로 다른 전원경로 설계사양은 동일한 수의 부품으로 동일한 기능을 하지만 보조 배터리의 종류와 배터리 충전기 기능에 따라 서로 다른 설계 구성으로 이루어졌다.

설계 사양 1은 저렴한 비용의 심플한 디자인이지만 그 대가로 여러 부스트 레귤레이터를 사용하여 크기와 리던던시를 희생했다. 설계 사양 2는 더 많은 보호가 필요하지만 더 적은 셀을 사용하는 리튬 이온 배터리를 채택한 설계 구성도이다. 둘 다 적합한 설계 구성이지만 시스템 설계자는 비용, 크기 및 안정성을 고려하여 어느 것을 우선적으로 선택해야 할지 결정해야 한다.


그림 2: TCU 전원 경로 설계사양 1번


그림 3: TCU 전원 경로 설계사양 2번

전력 레귤레이터 선택
보조 배터리를 선택한 뒤에는 전원 레귤레이터의 종류에 따른 설계 구성을 고려해야 한다. 자동차와 마찬가지로 차량 외부 배터리 전원은 열악한 온도, 넓은 입력 전압 및 전자기 간섭 (EMI) 완화라는 조건을 유지해야 한다. 텔레매틱스 시스템은 자동차 앞 유리, 승객 좌석, 트렁크, 엔진 등 높은 온도를 견뎌내야 하는 위치에 디자인되기 때문에 자동차업계는 접합 온도가 150°C를 넘는 IC칩과 뛰어난 열효율을 자랑하는 보드를 찾고 있다

OEM로드 덤프, 역 극성 및 콜드 크랭크 조건을 기반으로 하는 입력 전압은 다양하나 일반적으로 최대 42V의 피크로 4.5V에서 시작한다. 스위칭 레귤레이터 중 어느 것도 자동차 라디오의 AM 및 FM 대역을 간섭하지 않아야 하므로 스위칭 주파수는 약 2.1MHz (AM 대역 위 및 FM 대역 아래) 또는 약 400kHz (AM 대역 아래) 중 하나여야 한다. 적절한 스위칭 주파수, 디더링/스프레드 스펙트럼 및 최적화된 레이아웃을 갖춘 스위칭 레귤레이터를 선택하는 것이 EMI 성능을 보장하는 데 핵심적인 요소이다.

오디오 디자인
오디오 전원 출력은 크게 다를 수 있다. 일부 설계자는 4-6W 정도의 저전력 시스템을 선택할 수 있지만 20W 정도의 높은 시스템을 선택해도 무리는 없다. 소비 전력 및 변이를 제외하고 스피커 진단 및 보호 기능은 일반적인 자동차 단락 회로 보호, 부하 덤프 및 온도 보호와 감시 외에도 개방 및 단락 출력 부하, 출력 대 전원 및 접지 단락과 같은 오디오 기능을 위해 꼭 필요한 핵심 기술이다.

데이터 속도 고려
헤드 유닛 또는 중앙 게이트웨이와 연결되는 데이터 속도는 텔레매틱스 시스템 내에서 데이터, 모뎀 및 메모리 저장장치 통합 증가와 함께 빨라진다. CAN, LIN, 또는 USB의 시대는 끝났으며 10/100Mbps 및 심지어 1Gbps의 이더넷으로 대체되고 있다.

텔레매틱스의 미래
위에서 언급한 입법 요인, 인프라 요구 사항, 사용자 경험, 운전자 기대 또는 텔레매틱스가 여러시스템 사양이 공존하는 분화된 시장이라는 여러 사실은 텔레메틱스 시장의 향후 흐름을 결정하는데 중요한 역할을 할 것이다. 소형 애프터 마켓 시장에서 판매될 텔레매틱스 제품은 온보드 진단 동글이나 차량과 차량, 또는 다른 도로 주변 시설과 통신하기 위란 차량사물통신 시스템 (V2X) 모듈과 같은 고급 제품으로 진화할 것이다. 이 동글 장치는 현대의 TCU와 유사한 모뎀, 컴퓨팅 처리, 데이터 통신기능을 갖추게 될 것이다

이 글에서 정말 강조하고 싶은 사실은 커넥티드 카의 미래는 텔레매틱스 기술의 혁신과 자동차 설계 엔지니어가 설계 과제에 어떻게 대응하여 그 추세를 따라갈 수 있을 지에 달려있다는 것이다.

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