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이번 호에는 EF 쏘나타에 적용되어 있는 발전전류제어 시스템에 대해 알아본다. EF 쏘나타의 발전기에는 일반 발전기와는 달리 4가닥의
배선이 연결되어 있는데 L·S 단자 외 G· FR 단자가 그것인데 ECU는 이 단자들을 이용해 발전전류를 제어하게 된다. 여기서 설명하는 발전
전류제어 시스템이 적용된 차량은 EF 쏘나타 1.8, 2.0과 그랜저 XG 3.0이다
이민우「현대자동차 하이테크팀」
EF 쏘나타에 적용중인 발전전류제어 시스템에 대해 알아보자.
지난 6월호에도 잠깐 언급했지만 <그림1>에서 보듯 EF 쏘나타의 발전기에는 일반 발전기와는 달리 4가닥의 배선이
연결된다.
<그림1> EF 쏘나타 발전전류 제어 충전 시스템
여러분도 잘 알고 있는 L, S 단자 외 G, FR 단자가 그것인데 ECU는 이 단자들을 이용해 지금부터 설명할 발전전류를 제어하게
된다.
여기서 설명하는 발전 전류제어 시스템이 적용된 현재 차량은 EF 쏘나타 1.8, 2.0과 그랜저 XG 3.0에 적용되어 있다.
■ 발전전류제어 개요
기존의 발전기가 적용된 엔진에서는 공회전 상태에서 헤드램프나 열선 등의 전기부하가 발생하면 엔진회전수가 순간적으로 약 75∼100rpm이
떨어졌다가 상승되는 문제가 발생되는데 이는 발전기의 급격한 발전부하의 증가 때문에 나타나는 현상이다.
따라서 발전부하 증가 때 엔진 rpm 변동에 따른 엔진의 진동이 발생되므로 승차감이 떨어지고 순간적이지만 불안정한 엔진 rpm으로 인해
배기가스가 많이 배출된다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 ECU에서 발전기의 G 단자를 제어, 차량의 전기부하 발생 때 외부부하에 따라 즉각적으로 발전기의 발전전류를
증가시키지 않고, 서서히 증가시킴으로써 기존 발전기에 비해 엔진 rpm의 떨어지는 양을 약 25∼35rpm까지 줄일 수 있는데 이것을
발전전류제어라고 하며 다른 말로 LRC(Load Response Control) 타입이라고도 한다.
결국 발전전류제어 시스템은 엔진의 급격한 rpm 변동을 방지함으로써 배출가스 저감과 저속에서의 엔진 rpm 안정을 통해 승차감 향상이라는
효과를 얻을 수 있다.
■ 발전전류제어의 작동원리
지난 6월호에는 충전경고등이 어떻게 점등 또는 소등되는지에 대해 알아보았다.
이번 호에는 발전전류제어가 어떻게 이루어지는지에 대해 단계적으로 살펴보겠다. 시작하기 전에 먼저 발전기 단자별 기능을 간단하게 정의하고
넘어가도록 하겠다.
<그림2> 와이어링측을 분리하고 본 커넥터
<그림2>의 커넥터는 와이어링측을 분리하고 본 상태이며, 1번 단자는 FR단자, 2번 단자는 L단자, 3번 단자는 S단자, 4번
단자는 G단자이다. 각각의 단자별 역할을 알아보면 다음과 같다.
▶ FR단자
엔진 ECU가 발전기가 발전하고 있는지 그렇지 않는지를 확인하는 단자이다.
▶ L단자
충전상태를 확인할 수 있는 단자로 충전 불가 때는 충전경고등을 점등시키는 단자이다.
▶ S단자
발전기의 충전 전압과 배터리의 전압을 비교하는 단자이다.
▶ G단자
엔진 ECU가 발전 전류를 제어하는 단자이다.
■ 시동키를 ON
<그림3>은 <그림1>의 전체회로에서 발전전류제어의 설명에 필요한 부분만 표현한 회로로 앞으로의 설명은 이 회로를
이용해 설명하도록 하겠다.
<그림3> 발전전류제어 세부회로도
▶ G단자의 작동
시동키 ON때 ECU 내부의 TR은 OFF상태이므로 L단자로부터 저항 R8을 거처 공급되는 전원은 ECU 내부의 TR로 흐르지 못하므로
TR1이 ON된다.
여기서 한가지 회로상에서 보면 시동키 ON때 G단자의 전압은 12V가 측정되어야 하나 실제로 측정해 보면 5V가 측정된다. 이는 현재
설명하고 있는 레귤레이터 회로가 실제로는 IC로 구성되어 있기 때문에 회로에서 표현되지 않는 부분에 의해 그렇게 되는 것이라 생각된다. 따라서
이 회로는 실제의 시스템과는 다소 차이가 있는 것으로 판단되나 전반적인 시스템을 이해하는데는 문제가 없으므로 이해해 주시기 바란다.
▶ S단자의 작동
S단자는 저항 R5, R6과 TR1을 거처 어스로 흐르게 되나 R5와 R6 사이의 지너다이오드에 걸리는 분압전압은 시동이 걸리지 않은
상태이므로 배터리 전압이 낮아 지너다이오드를 통과할 수가 없게 된다. 이는 여기에 사용되는 지너다이오드가 보통 5V 이상의 전압이 인가될 때
전류가 흐를 수 있는 특성이 있지만 저항 R5, R6의 비를 배터리 전압인 S단자가 약 14∼14.7V 이상이 될 때 R5, R6 사이의
분압전압이 5V 이상이 걸리도록 설계되어 있기 때문이다. 결국 시동이 걸리지 않을 때의 S단자 전압인 약 12∼12.5V의 전압으로는
지너다이오드가 도통되지 못하므로 TR2는 OFF상태가 된다.
▶ L단자의 작동
키 ON때 L단자는 IG 전원이 램프를 거처 TR2로 공급되지만 TR2가 OFF상태이므로 더 이상 흐르지 못하고 R2, R1쪽으로 흘러
TR3을 ON하게 된다. 따라서 분기점 A에서 갈라진 L단자의 IG 전원은 로터코일과 TR3을 통해 어스로 흐르게 되어 로터코일에 여자전류가
흐르게 되고 동시에 충전램프도 점등한다. 또한 R3와 R4를 거처 어스로도 흐르지만 L단자도 S단자의 경우와 마찬가지로 시동이 걸리지 않은
상태에서는 분압전압이 낮아 지너다이오드를 통과할 수 없게 되므로 TR2를 작동시키지는 못한다.
▶ FR단자의 작동
FR단자는 ECU에서 발전기 쪽으로 키 ON때 풀업전압 12V를 항상 내 보내고 있으나 L단자에 전원에 의해 TR3이 작동되어 있으므로
ECU에서 내보내는 12V 전압은 TR3을 거쳐 어스로 흐르므로 FR단자의 전위는 0V(실제로는 약 1.5V)가 된다. 결국 키 ON때에는
L단자 만이 경고등 점등 및 로터코일 여자전류를 공급해주는 기능을 수행할 뿐 S, G, FR단자의 작동은 사살상 아무런 의미가 없다고도 볼 수
있다.
■ 시동이 걸리면
시동이 걸리면 엔진 회전수 증가에 따라 발전기는 발전을 시작하게 되는데 이때 단자별로 어떤 변화와 기능을 수행하는지 알아보자.
<그림4>
▶ L단자의 작동
시동이 걸려 발전전압이 상승하면 보조다이오드의 L단자와 연결된 레귤레이터 전압도 상승되어 L단자와 동전위가 되므로 램프는 소등된다.
이 레귤레이터 전압은 저항 R3과 R4를 거쳐 어스로 흐르게 되는데 레귤레이터 전압이 더욱 상승해 약 14.3V가 되면 R3과 R4 사이의
분압전압이 5V 이상이 되어 지너다이오드를 통과하므로 TR2가 ON이 된다.
따라서 R2 이후의 전위는 0V가 되므로 TR3은 OFF되고 이로 인해 로터코일로 흐르던 여자전류는 TR3이 OFF되어 더 이상 흐르지
못하므로 발전이 되지 않게 된다. 따라서 보조다이오드에서 출력되는 레귤레이터 전압도 떨어지게 되므로 R3과 R4의 분압전압도 떨어져
지너다이오드를 통과할 수 없으므로 다시 발전이 된다.
이러한 작동이 아주 빠른 속도로 반복됨으로써 발전기는 일정한 발전전압을 얻을 수 있는데
이러한 작동을 우리는 전압조정(전압 레귤레이터)이라 한다. 이 내용은 6월호에서 자세히 다루었으므로 참고 바란다.
▶ S단자의 작동
S단자는 배터리 전압 센싱단자로 항상 B+ 전원인 배터리 전압이 저항 R5, R6, R7을 거쳐 어스로 흐르게 된다.
이 단자의 기능은 배터리 전압이 충분히 높은 상태(약 14.7V)에서도 계속되는 불필요한 발전을 방지함으로써 효율적인 충전을 하기 위해
L단자에 의해 전압조정이 되는 경로와는 달리 지너다이오드에 별도로 연결되어 있다.
즉 배터리의 전압이 설정치 이상이 되면 R5와 R6의 분압전압이 5V 이상이 되어 지너다이오드를 통과함으로써 TR2를 작동시켜 L단자의
경우와 마찬가지로 발전이 되지 않는다.
▶ FR단자의 작동
FR단자는 ECU에서 발전기 TR3 쪽으로 12V가 항상 출력되는데, TR3는 이미 설명한 전압조정 과정에 의해 ON/OFF를 반복하게
된다.
따라서 ECU에서 출력되는 12V 전압은 TR3이 ON되면 어스로 흘러 전위는 0V(충전상태), TR3가 OFF되면 12V(충전안됨)가
되는데 이 신호는 ECU로 입력되어 충전 여부를 판단한다.
▶ G단자의 작동
ECU는 FR단자의 ON되는 시간과 크랭크각 센서 신호(엔진회전수)를 이용해 목표발전량을 결정하고 G단자를 듀티 제어함으로써 최적의
발전량을 실현한다.
결국 G단자의 듀티는 <그림5> 와 같이 ECU가 결정한 목표발전량에 따라 변화되는데 <그림6>과 같이 크랭크각 센서
1주기당 FR단자의 ON되는 시간을 적산계산한 값과 엔진회전수가 증가하면 G단자의 듀티량도 증가되어 발전 전류량이 증가된다.
<그림4> G단자의 목표듀티(발전전류량)
FR신호의 ON시간 발전전류량 엔진회전수
<그림5> FR신호의 계산(예)
CPS신호 FR신호 FR ON시간 적산계산 CPS 1주기당 계산
■ G단자 ON/OFF에 따른 작동설명
ECU에서는 G단자를 ON/OFF해 발전여부를 결정하게 되는데 이에 관한 내용을 살펴보자.
▶ G단자 ON때(전압: 0V)
ECU 내부의 G단자 TR이 ON되면 R8을 거쳐 유입되던 L단자 전압이 ECU 내부 TR을 통해 어스로 흐르게 되어 R8 이후의 전위는
OV가 되므로 TR1은 OFF된다.
TR1이 OFF되면 저항 R5와 R6 사이의 분압전압은 R5, R6, R7의 저항 비율에 의해 상승해 TR 2를 작동시키게 된다.
TR2가 작동하면 R2 이후의 전위가 OV가 되므로 TR3이 OFF되어 발전이 되지 않는다.
☞ G단자 LOW(0V): TR1 OFF→TR2 ON→TR3 OFF→발전 안됨
▶ G단자 OFF때(전압: 5V)
ECU 내부의 G단자 TR이 OFF되면 R8을 거쳐 유입되던 L단자 전압이 ECU 내부 TR을 통해 흐르지 못하게 되고 이로 인해 TR1은
ON이 된다.
TR1이 ON되면 저항 R5와 R6 사이의 분압전압은 R7 저항이 없는 것과 마찬가지가 되어 역시 저항 비율에 의해 분압전압이 낮아져
TR2는 OFF되므로 TR3이 ON되어 발전이 된다.
☞ G단자 HIGH(12V): TR1 ON→TR2 OFF→TR3 ON→발전됨
이렇게 ECU는 엔진 rpm과 FR단자의 ON시간을 연산해 G단자의 ON/OFF시간, 즉 듀티를 제어함으로써 발전 전류를 제어할 수 있는
것이다.
끝으로 아래 파형은 공회전 때 발전전류제어에 관련된 파형을 측정한 것으로 발전전류제어 때 각 단자의 상태에 대해 알아보자.
<그림6>
ECU는 이미 설명한데로 엔진회전수와 FR단자의 ON되는 시간을 연산해 G단자를 제어하는데 G단자는 CAS 1주기동안에 CAS와 동기해
1회의 ON/OFF 제어를 실시하며 HIGH인 경우에는 발전, LOW인 경우에는 비발전하게 된다.
<그림6>은 공회전 상태에서 측정한 파형으로 G단자의 OFF(발전상태)시간은 상황마다 조금씩 다를 수 있으나 대부분 CAS가
HIGH로 된 구간보다는 길게 된다.
엔진회전속도가 빨라지면 G단자의 HIGH 구간은 점점 길어지게 되고 약 2700rpm이 되면 항상 HIGH가 된다. 또한 외부의 전기
부하가 감지되면 ECU는 G단자가 HIGH가 되는 시간을 천천히 증가시킴으로써 급격한 외부 전기부하가 발생하더라도 발전부하가 갑자기 증가되지
못하므로 엔진은 안정적인 rpm을 유지할 수 있게 된다.
FR단자는 TR3의 작동 상태를 감지, 즉 발전유무를 감지하는 단자로 HIGH 시그널이 출력되면 TR3이 OFF되었다는 뜻으로 이때는
발전이 되지 않는 것을 의미하고 LOW가 되면 발전이 되는 것을 의미하는데 G단자와는 반대의 특성을 갖는다. 즉, G단자가 HIGH이고 FR이
LOW이면 발전, G단자가 LOW, FR단자가 HIGH면 비발전 상태가 되는 것이다.
지금까지 발전전류제어 시스템에 대해 알아보았다.
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