전동식 제동 시스템

기술동향 및 시장분석

최성배, 정선경

2017. 11

한국과학기술정보연구원

- I -

<목 차 >

제 1 장 자동차 제동장치 정의 및 구조······································································· 1

제1절 자동차 제동장치의 정의··················································································· 1

제2절 자동차 제동장치의 종류 및 구조··································································· 2

1. 자동차 제동장치의 종류···················································································· 2

2. 자동차 제동장치의 기본 구조·········································································· 4

제 2 장 자동차 전동식 제동 시스템 개발 동향······················································· 10

제1절 자동차 전동식 제동 시스템 개요································································· 10

제2절 자동차 전동식 브레이크 시스템 기술 동향··············································· 12

1. ABS(Anti Lock Brake System) ········································································ 13

2. ESC(Electronic Stability Control) or ESP(Electronic Stability Program) 18

3. EHB(Electro-Hydraulic Brake) ········································································ 20

4. EMB(Electro-Mechanical Brake) ····································································· 21

5. Brake-by-Wire 시스템 기술 동향································································· 24

6. AEBS(Advanced Emergency Braking System) ············································· 28

7. 회생 제동 시스템 ······························································································ 33

제3절 자율주행차량의 전동식 제동시스템 ··························································· 45

1. 자율주행차량의 전동식 제동시스템······························································ 45

2. 전동식 제동 시스템 전망················································································ 50

- II -

제 3 장 자동차 전동식 제동 시스템 시장 분석······················································· 52

제1절 전동식 제동 시스템 시장의 로드맵····························································· 52

제2절 전동식 제동 시스템 시장의 메가트렌드····················································· 55

1. 친환경 스마트 제동 ·························································································· 55

2. Zero Vacuum ··································································································· 55

3. 이모빌리티(E-Mobility) ····················································································· 56

4. 전동식 제동 시스템 시장 동향······································································ 57

5. 전동식 제동 시스템 시장 분석······································································ 62

제 4 장 전동식 제동 시스템 국내외 업체 현황······················································· 64

제1절 국내 업체 현황································································································· 64

1. 현대모비스 ·········································································································· 64

2. 만도 ······················································································································ 64

제2절 해외 업체 현황································································································· 66

1. 글로벌 완성차 업체의 전동식 제동 시스템 공급사·································· 66

2. 오토리브(Autoliv) ······························································································· 67

3. 보쉬(Bosch) ········································································································· 68

4 BWI Group ··········································································································· 69

5. Continental Automotive ··················································································· 71

6. ZF-TRW·············································································································· 73

제 5 장 결론 및 시사점································································································· 75

<참고 문헌>························································································································· 77

- III -

<그 림 목 차 >

[그림 1-1] 자동차의 제동 시스템···················································································· 1

[그림 1-2] 자동차 제동장치의 종류················································································ 2

[그림 1-3] 자동차 제동 시스템························································································ 3

[그림 1-4] 브레이크 작동 원리························································································ 4

[그림 1-5] 유압식 브레이크 시스템················································································ 5

[그림 1-6] 디스크 브레이크 및 드럼 브레이크···························································· 6

[그림 1-7] 디스크 브레이크 작동 원리·········································································· 7

[그림 1-8] 드럼 브레이크 작동 원리·············································································· 7

[그림 1-9] 브레이크 부품 ·································································································· 9

[그림 2-1] 차량에서‘X-by-Wire’적용······································································· 10

[그림 2-2] EHB 및 EMB 의 구조] ················································································· 11

[그림 2-3] 브레이크 시스템의 기술 발전 동향·························································· 12

[그림 2-4] Brake by Wire와 기존 유압식 제동장치················································· 13

[그림 2-5] ABS 효과········································································································· 14

[그림 2-6] ABS 시스템 구성도······················································································· 15

[그림 2-7] EBD 시스템 효과(미장착 차량(상)과 장착 차량(하) ······························ 16

[그림 2-8] VDC 효과 ········································································································ 17

[그림 2-9] ESP시스템 작동 원리··················································································· 18

[그림 2-10] ESP시스템 구성 부품 예··········································································· 19

[그림 2-11] Control logic of the EHB ·········································································· 20

[그림 2-12] P와 EHB 시스템 비교················································································ 21

- IV -

[그림 2-13] EHB와 EMB 비교························································································ 22

[그림 2-14] EMB의 시스템 레이아웃············································································ 23

[그림 2–15] Hybrid EMB와 Full EMB의 비교······························································ 23

[그림 2-16] 제동 시스템 부품-현대모비스·································································· 24

[그림 2-17] Brake-by-Wire 시스템 부품-현대모비스··············································· 25

[그림 2-18] EHB의 구성부품(Bosch) ·············································································· 25

[그림 2-19] MK C1(continental) ······················································································ 26

[그림 2-20] Full electric drive-by-wire system (continental) ·································· 27

[그림 2-21] Siemens VDO EWB····················································································· 27

[그림 2-22] 전동 켈리퍼 및 전자 웻지 캘리퍼 원리················································ 28

[그림 2-23] AEBS의 개략적인 구성··············································································· 29

[그림 2-24] AEBS를 위한 센서 및 제어 시스템························································· 29

[그림 2-25] AEBS의 작동 순서······················································································· 30

[그림 2-26] 앞 차량과의 거리: Distance R ································································· 30

[그림 2-27] 앞 차량과의 상대 속도: Relative speed v ············································· 31

[그림 2-28] AEBS의 작동 메카니즘··············································································· 32

[그림 2-29] 회생제동 시스템 개략도············································································ 33

[그림 2-30] 회생제동 시스템 작동 과정······································································ 34

[그림 2-31] 회생제동 시 에너지 흐름도······································································ 34

[그림 2-32] 하이브리드 자동차의 연비개선 효과······················································ 35

[그림 2-33] 운동에너지식 회생제동 장치- Volvo 社 “Flyweel KERS”············· 36

[그림 2-34] 유압에너지식 회생제동 장치···································································· 36

[그림 2-35] 전기에너지식 협조 회생제동 시스템······················································ 37

[그림 2-36] 협조 회생제동 시스템의 회생 제동량···················································· 38

[그림 2-37] HEV의 회생제동 시스템 제동 알고리즘················································ 39

- V -

[그림 2-38] 제동 제어로직의 입출력 관계·································································· 40

[그림 2-39] 차량 제동 시 운동에너지와 제동 토크와의 관계································ 40

[그림 2-40] 협조 제어 시 회생/유압 제동력 관계····················································· 41

[그림 2-41] 모터의 충전 효율 특석 곡선···································································· 42

[그림 2-42] 인휠 모터 시스템 ························································································ 44

[그림 2-43] 자율주행자동차의 기능적 구성································································ 45

[그림 2-44] Advanced Driver Assistance System ······················································· 47

[그림 2-45] Adaptive Cruise Control의 작동······························································· 48

[그림 2-46] ADAS 적용 차량의 구동부 레이아웃······················································ 48

[그림 2-47] ACC 제어 로직 개략도·············································································· 49

[그림 3-1] 전동식 브레이크 시스템 시장 로드맵······················································ 52

[그림 3-2] 전동식 브레이크 시스템 부품 시장 로드맵············································ 53

[그림 3-3] AEBS 시스템의 기능····················································································· 54

[그림 3-4] AEBS 시스템을 적용한 스마트 제동························································· 55

[그림 3-5] 비진공 부스터 적용에 따른 부품 형상 변화·········································· 56

[그림 3-6] 전기차량의 전동식 브레이크 시스템························································ 57

[그림 3-8] 완성차별 전동식 제동 시스템 채용 비율-유럽······································ 60

[그림 3-9] 완성차별 전동식 제동 시스템 적용 현황 및 전망································ 62

[그림 4-1] 통합형 전자제동 장치-현대모비스···························································· 64

[그림 4-2] 오토리브 안전 제어 솔루션········································································ 67

[그림 4-3] 제동 제어 시스템 개념-오토리브······························································ 68

[그림 4-4] 관성 센서와 통합된 진공 독립 부스터-보쉬·········································· 68

[그림 4-5] Bosch의 커넥티드카 컨셉트········································································ 69

[그림 4-6] BWI 그룹의 Brake-by-wire ········································································· 70

[그림 4-7] Continental Automotive 사의 ESC 개발 추이········································· 71

- VI -

[그림 4-8] Continental Automotive 사의 MKC1 유닛의 특징·································· 72

[그림 4-9] ZF-TRW의 전동식 제동 시스템 특징······················································· 73

[그림 4-10] ESC-PH와 일반 브레이크 적용 시 페달 특성의 비교: ZF-TRW····· 74

- VII -

<표 목 차 >

[표 2-1] AEBS의 장착 유무에 따른 파손 심도··························································· 32

[표 2-2] 하이브리드 자동차의 회생제동 시스템························································ 43

[표 2-3] 자율주행차 단계별 구분·················································································· 46

[표 3-1] 전동식 제동 시스템 채용 비율 (유럽-유럽완성차) ···································· 58

[표 3-2] 전동식 제동 시스템 채용 비율 (유럽-아시아완성차) ································ 59

[표 3-3] 전동식 제동 시스템의 채용 추이 및 전망·················································· 61

[표 4-1] 제동 시스템(만도) ······························································································ 65

[표 4-2] 완성차 업체와 전동식 제동 시스템 공급사················································ 66

- 1 -

제 1 장 자동차 제동장치 정의 및 구조

제1절 자동차 제동장치의 정의

제동장치란, 주행 중인 차량을 감속 또는 정지시키고, 정지된 차량을 정지 상태

로 계속 유지시키기 위한 장치로 마찰력을 이용하여 제동 작용을 하고 있다. 또한

운전자의 조작력이나 보조동력에 의해 발생되는 마찰력을 이용하여 자동차의 운

동에너지를 열에너지로 바꾸어 제동하는 장치를 뜻한다.

자동차의 주행 성능 향상, 환경 친화적 부품 사용, 서스펜션 기술의 진보에 따

라 기존의 단순한 제동력 뿐 아니라 안전성 및 신뢰성, 내구성 증의 제동장치에

대한 요구 성능이 엄격해지고 있다. 따라서 제동장치는 안정성 관련 핵심 부품으

로 작동이 확실하고 제동효과도 커야한다.

최근 차량의 정숙감 및 승차감 등의 고급화 지향에 따라 제동장치의 소음이나

제동 시 조작감 등에 대한 감성영역의 요구도 크게 증대되어 이에 기술향상도 필

요하다. 또한 안전성에 중요한 역할을 하므로 조작이 간단하여야 하며, 정비 및

교체 또한 용이한 구조를 지녀야 하며, 제동장치가 작동하지 않을 때는 주행 시

각 차륜의 회전에 영향을 주지 않아야 한다.

[그림 1-1] 자동차의 제동 시스템

- 2 -

제2절 자동차 제동장치의 종류 및 구조

1. 자동차 제동장치의 종류

브레이크는 운동하고 있는 기계의 속도를 감속하거나 정지시키는 장치이다. 브

레이크의 종류는 용도에 따라 1) 주브레이크, 2) 주차브레이크, 3) 엔진브레이크로

나뉜다. 주 브레이크는 흔히 풋 브레이크라고 알려져 있으며 주로 주행 중인 자동

차를 정지 또는 감속할 때 사용되며, 기존에는 유압을 이용한 브레이크와 공기를

이용한 브레이크가 주로 사용되었다. 주차브레이크는 정차 시 차량의 움직임을 방

지하는 것으로 핸드브레이크 또는 사이드브레이크로 표현하기도 하며 센터브레이

크와 휠 브레이크로 나눌 수 있다. 감속 브레이크에 대표적인 엔진브레이크는 차

량의 주행속도와 엔진의 회전 수 차이를 이용하여 차량 속도를 감속시키는 것이

다. 내리막길 운행 중에 차량의 레버를 1단에 두고 주브레이크의 사용 없이 저속

으로 가는 원리를 생각하면 된다.

[그림 1-2] 자동차 제동장치의 종류

이러한 브레이크 시스템의 구성은 크게 3가지로서 제동력 발생 장치(Actuation

system), 제동 장치(Foundation System) 및 부수 장치로 나눌 수 있다. 제동력 발

- 3 -

생 장치는 운전자의 조작력이나 보조동력(Vacuum, Hydraulic, Air)을 이용하여 제

동에 필요한 힘을 발생시키는 장치이며, 마스터 실린터(Mater cylinder), 부스터

(Booster), 에어 마스터(Air Master), 에어 챔버(Air Chamber)등이 이에 속한다. 제

동 장치는 제동력 발생장치에서 발생된 힘을 이용하여 실제로 차량을 감속 또는

정지시키는 장치이며, 드럼 브레이크(Drum Brake), 디스크 브레이크(Disc Brake)등

이 이에 속한다. 부수 장치는 제동력 발생 장치의 힘을 제동장치에 전달하는 파이

프(Pipe)류, 밸프(Valve)류 및 동력 발생 장치의 보조동력을 얻기 위한 진공 펌프

(Vacuum pump), 에어 컴프레셔(Air Compressor)등이 있다.

[그림 1-3] 자동차 제동 시스템

일반적으로 주행 시 사용되는 브레이크는 주 브레이크 또는 풋 브레이크이다.

이러한 주 브레이크 시스템은 크게 기존 제동 시스템 CBS(Conventional Brake

System, Hydraulic brake)와 전동식 제동 시스템으로 구분 할 수 있다.

- 4 -

2. 자동차 제동장치의 기본 구조

기존의 공압 또는 유압식 제동 시스템은 파스칼의 원리를 이용하여 마스터 실

린더에서 발생한 유압이나 공압을 휠 실린더 및 캘리퍼에 전달하여 브레이크 슈

및 패드를 가압하여 제동력을 발생시키는 형식으로 안정적인 제동력을 확보할 수

있는 장점을 가지며 현재까지 폭 넓게 적용되고 있다.

[그림 1-4] 브레이크 작동 원리

차량에는 다양한 방식의 브레이크가 적용될 수 있으며, 그 종류로는 크게 디스

크, 드럼 방식의 브레이크로 나뉘고 대형차의 경우 에어 브레이크가 있다. 기존

일반 양산 자동차의 경우 전륜에 디스크 브레이크, 후륜에 드럼 브레이크를 장착

하고 있으며, 이는 디스크 브레이크가 드럼 브레이크에 비하여 효력이 안정되어

있고 핸들 쏠림 방지나 안정된 제동 효력 확보의 측면에서 유리하기 때문에 전륜

에 많이 장착하고 있다.

- 5 -

[그림 1-5] 유압식 브레이크 시스템

- 6 -

[그림 1-6] 디스크 브레이크 및 드럼 브레이크

디스크 브레이크는 마스터 실린더에서 발생한 유압을 이용하여 바퀴와 함께 회

전하는 디스크를 양쪽에서 패드로 압착하여 바퀴의 회전을 구속하는 제동 기구를

갖고 있다. 이 시스템은 디스크가 배기 중에 노출되어 있어 페이드 현상이 적고

소음 및 감성영역의 특성이 뛰어나 고급 중대형 자동차, 고성능 자동차 및 경주용

차량 등에 적용 폭을 점차 높여 가고 있다. 또한 페이드 현상이 적음에 따라 방열

성이 우수하여 브레이크력에 의한 디스크의 열변형이 적어 좌우 브레이크의 힘의

- 7 -

평형이 유지되어 방향안정성이 좋은 장점을 지닌다.

[그림 1-7] 디스크 브레이크 작동 원리

드럼 브레이크는 휠 실린더 동작에 의해 브레이크 마찰판이 외부로 확장되면서

드럼 내부의 마찰면에 접촉하고, 이로 인해 제동력이 발생하는 방식이다. 드럼은

정적, 동적인 평형을 기본적으로 요구하며, 충분한 강성과 내마모성 및 방열 능력

을 지니고 있어야 한다. 드럼 브레이크는 구조상 마찰면이 내부에 존재하여 열의

방출이 어렵다. 이로 인해 온도가 상승되어 마찰계수가 저하되는 페이드(Fade) 현

상과 브레이크 액의 일부가 기화되는 베이버 록(Vapor lock) 현상이 잦다는 단점

을 지닌다.

[그림 1-8] 드럼 브레이크 작동 원리

- 8 -

브레이크의 작동 방식은 운전자가 브레이크페달을 밟으면 그 힘의 5~8배의 힘

으로 마스터실린더를 밀어 유압을 발생시킨다. 이 때 발생한 유압은 피스톤을 거

쳐 파이프를 통해 휠에 설치된 캘리퍼의 피스톤으로 전달된다. 전달된 유압이 피

스톤을 밀어 디스크를 조이면 제동력이 발생한다. 브레이크의 주요 구성요소는 브

레이크페달, 브레이크부스터, 마스터실린더, 유압 비례 제어밸브, 휠실린더, 드럼

과 라이닝, 파이프라인 등이 있다. 이 가운데에서 브레이크 부스터와 마스터 실린

더 및 비례제어밸브를 액츄에이션(Actuation)부로 표현하며 전륜 및 후륜 브레이

크를 파운데이션(Foundation)부로 분류하기도 한다.

제동장치의 개발을 위해서는 안정된 제동력, 열 방출성, 제동감 및 저소음, 내마

모성, 부품교체 용이성을 확보해야만 한다.

- 균일한 제동 성능 확보를 위한 일정한 마찰계수

- 제동 시 발생되는 고열에 의한 성능 저하를 막기 위한 고방열성

- 불규칙 마모 및 공진에 의한 소음 방지

- 패드의 낮은 마모율

- 우수한 부품 교체 용이성

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[그림 1-9] 브레이크 부품

전동식 제동 시스템은 차량에 적용되던 기존의 운전자가 직접적으로 브레이크

의 유압을 조절하여 차량을 제동하는 시스템을 대신하여 운전자가 브레이크 페달

을 밟는 힘을 전기적 신호로 전환해 제동한다. 운전자가 페달을 밟으면 페달에 부

착된 시뮬레이터가 이를 전기적 신호로 바꿔 ECU에 전달하고 ECU는 차량 상태

및 제동력을 연산해 유압 모터를 제어하거나 전동 캘리퍼를 제어하는 시스템으로

지금까지 개발된 브레이크 시스템 가운데 가장 발전적인 개념이라 할 수 있다. 아

작동 매체(Working Medium) 범주에서 유압식 제동 시스템(Hydraulic Brake

System) 일부와 비진공식 제동 시스템(Vacuum-less Braking System)과 이를 적용

하여 발전된 ABS(Anti-lock Brake System), ESC(Electronic Stability Control),

RBS(Regenerative Braking System) 등의 제어시스템까지 통합한다. 이에 대한 자

세한 브레이크 시스템 개발 방향은 다음 장에서 설명하도록 하겠다.

- 10 -

제 2 장 자동차 전동식 제동 시스템 개발 동향

제1절 자동차 전동식 제동 시스템 개요

‘X-by-Wire’란 케이블 또는 전선을 이용한 제어라는 개념으로 원래 항공기에

탑재된 기술로서 조종사의 운전술을 향상시키기 위해 도입된 개념으로 기계적(케

이블, 로드 또는 유압 등)인 수단에 의해 스포일러나 승강기와 같은 액추에이터를

조종하던 방식을 전기적인 신호전달(Wire)에 의한 조종방식으로 대체한 것으로 보

다 정교한 조종과 함께 응답성을 월등히 개선할 수 있다.

자동차의 경우는 1990대부터 본격적으로 X-by-Wire가 도입되기 시작하여 주로

조향, 현가 및 제동시스템 분야에서 활발하게 개발 및 적용되고 있으며 현재 급발

진 관련하여 언론의 관심을 받고 있는 전자식 스로틀 제어장치(ETC : Electronic

Throttle Control)의 경우도 X-by-Wire의 일종이다.

<출처 : 프랑스 limm 발간 자료>

[그림 2-1] 차량에서‘X-by-Wire’적용

- 11 -

기계식 조종방식을 by-Wire에 의해 대체함으로써 얻을 수 있는 기대효과로는

설계 및 수정의 유연성을 확보할 수 있기 때문에 디자인과 경량화 측면에서 유리

하여 연비를 크게 향상시킬 수 있으며 우수한 첨단 제어기술의 적용이 가능하다.

특히 전기식제동장치(Brake-by-Wire)의 경우 운전석에서 자동차의 모든 바퀴에

이르는 복잡한 유압식 또는 공압식 제동계통을 단순한 와이어에 의해 대체함으로

써 그 효과를 더욱 극대화시킬 수 있고 제동 시 응답시간을 획기적으로 감소시켜

제동거리를 단축시킴으로써 사고예방에도 크게 기여할 수 있다는 장점으로 그 활

용가능성이 매우 기대된다. 다만 제동장치의 경우 자동차 안전에 매우 중요한 부

품이므로 기계식 부품을 전자화하였을 경우에 발생할 수 있는 제어계통의 오류

및 단전, 단선 등에 대한 충분한 안전성이 담보되어야 하는 어려움이 있다.

전기식제동장치(Brake-by-Wire)는 그 구현방식 및 발전단계에 따라 전기유압식

(EHB : Electro-Hydraulic Brake)과 전기기계식(EMB : Electro -Mechanical Brake)

및 그 혼합형인 Hybrid EMB로 분류가 가능하다.

<출처 : 만도>

[그림 2-2] EHB 및 EMB 의 구조]

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제2절 자동차 전동식 브레이크 시스템 기술 동향

최근 ABS(Anti-Lock Brake System)를 능가하는 차세대 브레이크 시스템이 개발

되면서 향후 차량의 안전성 향상 및 사고방지에 크게 기여할 것으로 전망된다. 한

때, 첨단 브레이크로 인식되었던 ABS는 급제동시 제동거리 단축에 따른 사고 방

지 효과가 인정되어 대형 차량에 대한 설치를 의무화 하는 등 이제는 보편화된

기술로 정착되었다.

그러나 최근 들어 자동차 기술의 핵심 목표로서 연비 향상과 더불어 차량의 안

전성 향상이 크게 대두됨에 따라 ABS 보다 제동 성능은 물론 좌우방향 미끄러짐

과 흔들림을 크게 개선한 브레이크 시스템의 개발이 활발히 진행되고 있다.

[그림 2-3] 브레이크 시스템의 기술 발전 동향

최근 차세대 브레이크 시스템은 전기식 제동장치(Brake-by-Wire)로 기계식 조종

방식을 by-Wire에 의해 대체함으로써 얻을 수 있는 기대효과로는 설계 및 수정의

유연성을 확보할 수 있기 때문에 디자인과 경량화 측면에서 유리하여 연비를 크

게 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 극

대화시킬 수 있고 제동 시 응답시간을 획기적으로 감소시켜 제동거리를 단축시킴

으로써 사고예방에도 크게 기여할 수 있다는 장점으로 그 활용 가능성이 매우 기

대되고 있다.

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특히, 이러한 차세대 브레이크 시스템은 종래에 비해 전자제어 기능이 크게 향

상된 것으로서 최근 개발되고 있는 지능형 자동차의 전자제어 대상에 통합되어

제어될 경우 제동성능 향상과 더불어 자동운행 기능, 주행성능 개선, 주행 시 안

락성 향상에도 크게 기여할 것으로 예상된다. 다만 제동장치의 경우 자동차 안전

에 매우 중요한 부품이므로 기계식 부품을 전자화하였을 경우에 발생할 수 있는

제어계통의 오류 및 단전, 단선 등에 대한 충분한 안전성이 담보되어야 하는 숙제

가 남아 있다.

Brake by Wire 시스템 유압시스템

<출처 : 현대모비스>

[그림 2-4] Brake by Wire와 기존 유압식 제동장치

전기식 제동장치는 그 구현 방식 및 발전 단계에 따라 전기유압식(EHB)과 전기

기계식(EMB) 및 그 혼합형인 Hybrid EMB로 분류할 수 있다.

1. ABS(Anti Lock Brake System)

ABS(잠김방지 브레이크 시스템)는 급제동시 바퀴의 회전이 완전히 정지되는 현

상, 즉 “잠김 현상으로 인한 차량의 미끄러짐을 해소하기 위해 짧은 시간 간격으

로 바퀴의 회전을 허용하여 잠김 현상이 방지되도록 함으로써 제동거리를 단축하

는 시스템이다. ABS 시스템은 1952년 영국 Dunlop사가 항공기용으로 개발한 이

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래, 1966년 미국 크라이슬러와 포드에서 승용차에 채용하면서 개발에 박차를 가하

게 되었다. ABS 시스템은 주행하는 노면이 빙판, 빗물 등으로 어떤 악조건이 생

기더라도 완전 로크 시키지 않음으로써 운전자는 핸들의 조절을 가능하게 하면서

가능한 한 최단 거리로 차량을 정지시킬 수 있게 하는 장치이다.

ABS 시스템의 브레이크액은 각 바퀴별로 노면의 조건에 따라 달라지므로, 바퀴

의 미끄러짐을 방지하여 핸들의 조향 성능을 최대한 유지하면서 바퀴가 미끄러지

기 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 ABS를

의무화하고 있다.

<출처 : 기아자동차>

[그림 2-5] ABS 효과

ABS를 구성하는 주요 부품은 속도 센서(speed sensors), 밸브(valves), 펌프, 컨트

롤러이다. 속도 센서는 휠의 가속도 또는 감속도를 결정하는데 사용하며, 이러한

센서 신호를 생성하기 위해 자석과 와이어의 코일을 사용한다. 각 바퀴에 설치되

어 있고 각 바퀴의 회전 속도를 검출해 슬립율을 산출한다.

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

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ABS에 의해 제어된 각 브레이크의 브레이크 라인에는 밸브가 있다. 보통 밸브

는 3단계로 작동되며, 첫 번째로, 밸브는 개방되고 마스터 실린더의 압력은 브레

이크에 가해진다. 두 번째로, 운전자가 브레이크 페달을 과하게 밟았을 때 압력이

상승하는 것을 방지하기 위해 라인을 차단한다. 세 번째로 밸브는 브레이크 압력

의 일부를 해제한다. 밸브 시스템 문제점의 대부분은 밸브 막힘으로 발생하며 밸

브가 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, 이

후 펌프는 제동 시스템의 압력을 복원하는데 사용된다. 컨트롤러는 압력의 적정량

을 제공하고 미끄럼을 감소시키기 위해 펌프의 상태를 조절한다. 컨트롤러는

ECU(Electric Control Unit) 타입으로 각각의 휠 속도 센서로 부터 정보를 받아들

여 차속과 바퀴의 회전상황에서 최적의 제동력이 작용하도록 휠 실린더로 지시를

하고 시스템 전체를 제어한다.

<출처 : www.roaddriver.co.uk>

[그림 2-6] ABS 시스템 구성도

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ABS시스템은 ABS시스템에 전자제어제동력 배분장치(Electronic Brake force

Distribution, EBD)가 장착된 시스템으로 발전하고 있다. 일반 차량의 경우 앞바퀴

에 제동력이 집중되기 마련이지만, 화물이나 탑승 인원이 많아 차량 뒷부분의 무

게가 늘어나게 되면 제동력을 다시 조정해야 하는 문제가 생기게 된다. EBD-ABS

는 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 장착

된 차량은 앞으로 나아갈 때 높은 안정성을 유지할 수 있다.

<출처 : 르노삼성자동차>

[그림 2-7] EBD 시스템 효과(미장착 차량(상)과 장착 차량(하)

이 외에도 TCS(Traction Control System) 및 ASR(Anti Spin Regular)가 있다. TCS

는 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 장

착된 차량의 경우는 빙판길과 같은 저마찰 노면이나 바퀴의 좌우 상태가 다른 노

면에서 출발을 하거나 속도를 높일 때 구동력을 확보하고 조정 안정성을 향상시

켜 운전자의 안전 운전을 도와주는 기능을 한다.

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ASR은 브레이크를 밟는 과정에서가 아니라 가속 페달을 밟는 과정에서 바퀴가

헛돌지 않게 해주는 기능이다. ASR은 브레이크 제어 이외에 운전자가 가속 페달

을 밟는 정도에 관계없이 노면 상태에 따라 엔진의 출력을 조절함으로써 미끄러

운 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 안

전하게 보호하는 차량 안전 시스템이다. 여기에는 구동 중일 때 바퀴가 미끄러지

는 것을 적절히 조절하는 TCS, ABS, EBD, 자동감속제어, 요모멘트제어(yaw

moment control, 한쪽으로 쏠리는 것을 막는 자세제어)따위가 모두 포함된다.

VDC 장착으로 교통사고의 80%가 줄어들었다는 연구결과도 있으며, 최근 만들어

진 안전장치 중에 가장 효율적이란 평가를 받고 있다.

<출처 : 기아자동차>

[그림 2-8] VDC 효과

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2. ESC(Electronic Stability Control) or ESP(Electronic Stability Program)

ESC(차량 자세 안정시스템, Electronic Stability Control)는 차체에 설치된 각종

센서로 부터 감지된 데이터를 기초로 차량의 미끄러짐 현상을 실시간으로 감지하

여 각 바퀴의 제동력을 개별적으로 제어함으로써 곡선 주행시 조향 성능을 향상

한 기술이다. 차체가 언더 스티어(관성 때문에 회전반경이 커지는 현상) 혹은 오

버스티어(회전반경이 작아지는 현상)인 상태로 밸런스를 잃을 때 ESC가 작동해

바퀴에 제동을 걸어주고 엔진 출력을 낮추면서 차체의 움직임을 제어해 균형을

잡아주는 역할을 하는 것이다.

<출처 : Continental-automotive>

[그림 2-9] ESP시스템 작동 원리

ESC는 안전운전에 대한 트랙션 컨트롤(traction control)을 사용한다. ESC는 수직

축의 좌우 움직임의 모니터링을 담당하고 있다면, 트랙션 컨트롤은 전후 이동을

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담당하고 있다. 트랙션 컨트롤 시스템이 바퀴의 미끄러짐을 감지하는 경우, ESC

센서는 미끄러지는 방향을 찾아내고 스티어링 휠의 각도와 차량이 미끄러지는 방

향 사이에 차이가 있을 경우 ESC는 적절한 휠(하나 또는 여러 개)에 ABS가 작동

하도록 하고 차량 속도를 감소시키도록 제어한다.

ESC 정보는 세가지 유형의 센서를 통해 차량의 중앙 컴퓨터에 공급된다. 휠 속

도 센서(Wheel speed sensors)는 각 바퀴에 장착되어 있으며 바퀴 속도를 측정하

여 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 측정

하며 자동차 중간에 하나가 있다. 이 외에도 가속페달 센서와 압력센서가 있으며

차량 거동을 감지하기 위한 측방향 가속도 센서 등으로 구성된다.

<출처 : VW>

[그림 2-10] ESP시스템 구성 부품 예

안전운전에 ESC의 가장 중요한 역할은 충돌의 횟수와 심각성을 줄일 수 있다는

것이다. 대부분의 운전자는 폭풍우, 얼음 또는 눈으로 덮인 갑작스런 지면과 같은

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어떤 점의 불쾌하고 미끄러운 주행 조건에서 사고가 발생한다. ESC는 오늘날의

차량에 장착된 다른 안전 및 규제 장치와 함께 운전자가 도로에 제어를 유지하는

데 도움이 될 수 있다.

3. EHB(Electro-Hydraulic Brake)

EHB(Electro-Hydraulic Brake, 전기유압식 브레이크)는 엔진의 동력에 의해 작동

하던 종래의 유압식 브레이크를 개선한 것으로서, 전기모터에 의해 유압을 발생시

켜 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

토요타 프리우스에 적용된 ECB(Electronically Controlled Brake) 및 현대자동차 YF

쏘나타 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 감지 센서에 의해 운전자의 제동 작동이 감지되면 자동

차의 두뇌에 해당하는 ECU는 유압 제어부(Hydraulic Control Unit)를 제어함으로써

각 바퀴의 캘리퍼에 적절한 유압을 보내주어 제동이 되게 하는 구조이다.

<출처 : FISITA 2012 World Automotive Congress>

[그림 2-11] Control logic of the EHB

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[그림 2-12] P와 EHB 시스템 비교

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 있

다.

4. EMB(Electro-Mechanical Brake)

EMB(전기기계식 브레이크)는 종래의 유압식을 브레이크액이 필요없는 기계식으

로 전환한 것으로서 각 바퀴에 설치된 전기모터가 직접 힘을 가하여 제동력을 형

성하는 방식이며, 유압식에 비해 정밀제어가 가능하고 최근 개발되고 있는 전기

자동차에 활용될 전망이다. 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 구조

의 강한 마찰력을 이용하여 작은 전압(12V)로도 큰 제동력을 낼 수 있는 전자 웻

지캘리퍼(Electronic Wedge Brake, EWB)가 개발되어 향후 점차로 전륜은 EWB,

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큰 제동력이 필요하지 않은 후륜은 EMB 형식으로 개발이 진행되고 있다.

[그림 2-13] EHB와 EMB 비교

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[그림 2-14] EMB의 시스템 레이아웃

[그림 2–15] Hybrid EMB와 Full EMB의 비교

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5. Brake-by-Wire 시스템 기술 동향

국내업체(현대모비스, 만도 등)에서는 ABS를 비롯한 EBD, TCS, VDC, ESC 시스

템 개발이 완료되어 일반 자동차에 적용되고 있다. 또한 EHB 시스템은 국내 하이

브리드 자동차에 적용되고 있다. 하지만 EMB 시스템은 아직까지 연구 단계 수준

으로 선진기술 대비 기술경쟁력 확보를 위해 많은 노력이 필요한 부분이라고 할

수 있다.

[그림 2-16] 제동 시스템 부품-현대모비스

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[그림 2-17] Brake-by-Wire 시스템 부품-현대모비스

EHB 시스템은 보쉬(Bosch), 컨티넨탈 테베스(Continental-Teves), 델파이(Delphi),

토요타(Toyota), 메르세데스-벤츠(Mercedes-Benz) 등에서 상용화되어 있다. 전자식

브레이크 시스템은 각각의 구성부품도 중요하지만 이를 구동하기 위한 레이아웃

이 매우 중요하다.

[그림 2-18] EHB의 구성부품(Bosch)

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컨티넨탈 테베스(Continental-Teves)의 최신 MK C1제품의 경우 브레이크 기능,

브레이크 부스터 및 브레이크 압력 제어모듈(ABS, ESC)이 컴팩트하고 가벼운 브

레이크 유닛으로 통합됐다. 이는 시스템이 완벽한 전기 유압시스템(EHB)이기 때

문에 가능하며, 전기적으로 작동된 긴급 브레이크 테스트에서 브레이크 거리가 종

전의 시스템들보다 훨씬 짧게 나타난다고 밝혔다.

[그림 2-19] MK C1(continental)

EMB 시스템은 아직 상용화되지는 않았지만, 최근 양산형 모델 개발이 거의 완

료된 상황이다. Continental은 완전한 EMB 시스템을 개발하였으며, 이는 전기식

모터와 기어박스를 사용하며, 핵심 구성 요소는 파킹 브레이크 래치(parking

brake latch)이다.

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[그림 2-20] Full electric drive-by-wire system (continental)

독일의 지멘스(Siemens) VDO는 프로토 타입의 EWB(electric wedge brake)로 시

장을 선두하기 위해 노력하고 있다. EWB는 eSTOP이라는 회사에 의해 개발된 기

술을 기초로 하는 혁신적인 아이디어이다. 지멘스는 2005년 초에 eSTOP을 인수하

여 이후 EWB 개발을 계속 추진하였다. 이 시스템은 작은 압력으로 큰 제동력을

부여할 수 있기 때문에 앞서 설명한 바와 같이 EMB 시스템에서 전륜 제동에 사

용될 수 있다.

[그림 2-21] Siemens VDO EWB

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<출처 : 현대모비스>

[그림 2-22] 전동 켈리퍼 및 전자 웻지 캘리퍼 원리

6. AEBS(Advanced Emergency Braking System)

AEBS는 ‘Brake-by-Wire’기술의 적용과 함께 자동차 안전을 위하여 적용된

자동비상제동시스템으로서 주행차선의 전방에 위치한 자동차의 충돌 가능성을 감

지하여 운전자에게 경고를 주고 운전자의 반응이 없거나 충돌이 불가피하다고 판

단되는 경우, 충돌을 완화 및 회피시킬 목적으로 자동차를 자동적으로 감속시키기

위한 장치이다. 이는 타 차량의 인식을 위한 비전센서 및 레이다에서 얻어진 정보

를 ECU에서 실시간으로 판단하여 엔진 및 브레이크를 제어하는 시스템을 포함하

고 있다.

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[그림 2-23] AEBS의 개략적인 구성

[그림 2-24] AEBS를 위한 센서 및 제어 시스템

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[그림 2-25] AEBS의 작동 순서

자동차 전면에 부착된 레이더(Radio Detection and Ranging)를 통하여 실시간으

로 앞 차량과의 거리와 상대적인 속도를 모니터링 한다. 아래 그림에서 나타난 바

와 같이 주행 차량에서 발생한 전파가 앞 차량에 반사되어 돌아오는 지연 시간

(delay time)을 측정하여 앞 차량과의 거리를 측정한다. 또한 파장의 위상 차이를

이용하여 차량 간의 상대 속도를 측정할 수 있다.

[그림 2-26] 앞 차량과의 거리: Distance R

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[그림 2-27] 앞 차량과의 상대 속도: Relative speed v

레이더의 측정으로 ECU에서 계산된 차량 간 위치와 속도 정보에 따라 두 가지

상황으로 충돌 시나리오를 나누어 AEBS가 작동한다.

Scenario 1. 충돌 위험을 감지하였을 때

- 운전자에게 경고음으로 위험을 알림

- 운전자의 페달 조작에 신속히 반응할 수 있도록 제동 시스템 대기 모드로

작동하여 운전자가 제동 입력 시 최대 제동력을 발생시킴

Scenario 2. 충돌 위험이 있는 상황에서 운전자가 브레이크를 밟지 않는 경우

- 브레이크를 자동으로 약하게 작동시켜 지정된 속도로 감속 유도

- 차량 사양에 따라 헤드업 디스플레이에 충돌 경고 표시

- 충돌 직전 자동으로 최대 제동력으로 제동

2011년~2015년 AEBS 적용 차량 317대의 사고 상황을 분석한 결과, 차량의 보닛

부분을 5등분하여 차량의 파손 정도를 분석하였을 때 그 결과를 아래 표에 나타

내었다. 전조등, 앞 범퍼, 커버 등 1정도의 파손되는 비율은 장착 차량의 93.0%로

서 미장착 차량 대비 10%정도 높게 나타나 가벼운 손상만 입을 확률이 더 높음을

알 수 있다. 특히 차량의 앞부분이 절반 이상(손상심도3) 파손되는 비율은 AEBS

장착차량은 0%인 반면 미장착 차량은 4.7% 이상으로 조사된바 있다. (삼성화재

교통사고DB)

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<출처 : Frost & Sullivan, 2014>

[그림 2-28] AEBS의 작동 메카니즘

[표 2-1] AEBS의 장착 유무에 따른 파손 심도

파손심도 1 2 3 4 5

AEBS 장착 93.9% 6.1% 0.0% 0.0% 0.0%

AEBS 미장착 83.0% 12.4% 3.7% 0.5% 0.5%

<출처 : 삼성화제 교통사고 DB>

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7. 회생 제동 시스템

▶ 회생 제동 시스템 개요

회생 제동 장치는 자동차가 주행 시에 가지고 있는 운동에너지를 감속 시에 다

른 형태의 에너지 형태로 울트라 커패시터(Ultra Capacitor)와 같은 에너지 저장장

치에 일시 축적하였다가 발진, 가속, 등판 시에 재사용하는 일련의 시스템을 말한

다. 이 역시 전동식 제동 시스템(Brake-by-Wire)기술의 적용으로 차량의 제동을

ECU에서 제어 가능함에 따라 하이브리드나 전기차량에 적용되었다. 해당 기술은

전기자동차가 휘발유 자동차에 비하여 1회 충전 항속거리가 짧다는 단점을 보완

하기 위하여 개발되었으나, 현재는 전기 자동차뿐만 아니라 하이브리드 자동차와

연료 전지 자동차에서 연비 개선의 목적으로 사용되고 있다.

[그림 2-29] 회생제동 시스템 개략도

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운전자가 브레이크 페달(Pedal)을 밟음으로써 발생하는 유압을 검출하고 해당

유압에 상당하는 제동력이 발생되도록 인버터를 제어하여 모터에 음의 토크를 발

생시킨다. 이 때 해당 모터는 역기전력을 발생시키는 발전기로써의 역할을 수행하

여 생산된 전력을 이차전지나 울트라 커패시터에 축전한다. 검출된 유압을 분석하

여 모터에서 발생시킬 수 있는 제동력 범위 내에서는 우선적으로 회생 브레이크

를 작동시키고, 이상의 제동력에서는 회생브레이크 시스템의 협조 밸브를 통하여

유압브레이크를 동시에 작동시켜 마찰 제동을 실시한다.

[그림 2-30] 회생제동 시스템 작동 과정

제동 시 회생제동 시스템 내에서 발생하는 에너지의 흐름을 아래 그림에 나타

내었다. 그림에 나타난 바와 같이 가능한 많은 에너지를 회생시키기 위해서는 각

손실에너지를 적극적으로 저감시키는 것이 효과적이 된다.

[그림 2-31] 회생제동 시 에너지 흐름도

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이러한 회생제동에 의한 에너지 절감 효과는 모터, 배터리의 용량과 적용 대상

자동차의 운전 전략에 따라 달라지지만 30kW급 모터를 장착한 하이브리드 자동

차의 경우 도심 주행 시 동급 차량 대비 100% 이상의 연비 향상 중 회생 제동에

의한 개선이 전체의 약 35%를 차지한다고 알려졌다. 따라서 회생제동 기술은 하

이브리드 자동차뿐만 아니라 전기 및 연료전지 자동차와 같이 에너지 저장 장치

를 가지고 있는 전기자동차에서 에너지 절감과 이에 의한 배기가스 감소효과를

얻을 수 있는 핵심 기술이다. 회생제동의 적용에 의한 효과는 연비 향상뿐만 아니

라 기계적 제동의 부담 감소로 인한 브레이크 패드의 수명 연장 및 전자식 브레

이크 시스템의 확장을 통한 차량 안전성과 제동 응답성 향상을 가져온다.

[그림 2-32] 하이브리드 자동차의 연비개선 효과

회생제동의 일반적인 수단은 발전기, 전동기, 배터리의 전기에너지식, 플라이휠

을 사용하는 운동에너지식, 펌프·모터, 어큐뮬레이터를 사용하는 유압에너지식이

있다. 플라이휠을 이용하는 운동에너지식은 오래전부터 트롤리버스 등에서 실용화

가 시도되었고, 볼보, 벤츠, 피아트 시작차를 발표하였으나 관성 질량의 경량화,

하우진의 진공 기술, 베어링, 안전성, 자이로 현상 등의 문제로 실용화에 이르지

못하였으나, 최근 볼보자동차 그룹에서 순수 기계식 하이브리드 플라이휠 회생제

동 시스템을 개발하여 일반도로에서 기술 테스트를 완료한 바 있다.

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[그림 2-33] 운동에너지식 회생제동 장치- Volvo 社 “Flyweel KERS”

유압식은 운동에너지와 유압에너지를 변환함과 동시에 무단 변속기 기능을 하

는 가변 용량 펌프·모터와 질소 가스를 봉입한 어큐뮬레이터로 구성이 되며 플

라이휠 식에 비교하면 에너지 저장량은 떨어지나 제어와 제작이 용이하고 전기식

보다는 출력과 중량 면에서 유리하게 때문에 대형차에 실용화를 연구 중이며 독

일 중심으로 노선버스, 건설 중장비에 적용시키는 연구가 이루어져 왔다.

[그림 2-34] 유압에너지식 회생제동 장치

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운동에너지를 전기에너지로 변환하여 배터리에 충전하는 전기에너지식은 하이

브리드 자동차, 전기자동차, 연료전지 자동차 등의 개발 추진에 따라 최근 연구개

발이 활발하게 이루어지고 있으며, 특히 하이브리드 자동차에는 1997년에 이미 상

용화되었다. 최근에는 Electrical Hydraulic Brake system(EHB)에 전기에너지식 회

생제동이 협조제어 로직과 결합하여 협조 회생제동 시스템이 적용되고 있다. 기존

의 엔진 부압을 이용한 브레이크 부스터를 제거하고 유압으로 배력하는 유압 브

레이크 부스터를 장차하여 아이들 정지 시나 기통 휴지 시 순수 전기모터 구동을

가능하게 하며 유압 제동의 제어를 가능하게 하였다. 이에 구형 HEV에서는 운전

자의 요구제동력을 유지하기 위해 일정량으로 제한하고 있던 회생 제동 량을 10%

이상 증가시킴으로서 약 5% 이상의 연비를 향상시켰다.

[그림 2-35] 전기에너지식 협조 회생제동 시스템

아래 그림은 하이브리드 자동차에 적용되는 전기에너지식 협조 회생제동 시스

템 내에서 제동력 협조제어 로직에 의하여 기존회생 제동 대비하여 능동적으로

회생/유압 제동이 이루어지고 있는 형상을 나타내고 있다.

- 38 -

[그림 2-36] 협조 회생제동 시스템의 회생 제동량

하이브리드 자동차의 회생제동 기술은 회생제동 제어모듈과 회생제동 제어로직

으로 구성된다. 회생제동 제어로직은 차량의 주행상태 및 운전자의 제동의지에 따

라 차량의 안전성을 고려하여 능동적인 제동력 분배가 이루어져야 한다. 또한 회

생제동의 크기는 모터나 배터리의 보호를 위하여 모터의 특성이나 배터리의 충전

상태, 온도에 따라 제한되어야 한다. 회생제동 제어기술은 하이브리드 연비향상에

가장 중요한 요소 중 하나로 회생제동 에너지 회수를 극대화하기 위하여 선진 자

동차 회사들은 모터·배터리 시스템의 효율 향상 및 엔진과 같은 구동계의 마찰

손실을 감소시키는 기술을 개발하고 있다. 제동에너지 회수율을 증가시키기 위하

여 전륜과 후륜에 각각 독립 모터를 장착한 독립구동 방식 하이브리드 자동차가

개발됨에 따라 전·후륜의 제동에너지를 회수함으로써 회생 제동 량을 더욱 증가

시키는 추세이다.

▶ 회생제동 제어기술

회생제동 제어기술의 핵심은 모터에 의한 회생제동력과 브레이크 시스템의 마

찰제동력, 즉 2가지 다른 특성의 제동력을 능동적으로 분배하는 제어기술이다. 따

라서 회생제동력의 천이구간에서는 회생제동과 마찰제동의 총제동력을 운전자가

요구하는 제동력에 대응하도록 하는 제어가 요구된다. 한 예로, 도요타의 푸리우

스에서는 회생제동의 천이구간에서 토크 변동이 발생할 경우 EHB보다 응답특성

- 39 -

이 빠른 모터의 응답시간지연 보상 제어를 통하여 요구제동력의 변동을 최소화

시켰다. 아래 그림은 일반적인 HEV의 회생제동 제어 알고리즘 순서도를 나타내고

있다.

[그림 2-37] HEV의 회생제동 시스템 제동 알고리즘

회생제동 제어로직은 먼저 운전자의 제동의지를 감지하여 전·후륜 제동력 분

배곡선으로 각 전·후륜의 요구 제동력을 계산한다. 요구 제동력이 결정되면 전류

의 모터 특성을 고려한 최적 회생 제동력을 결정하며 배터리 SOC, 배터리 파워,

모터 파워, 변속 유무, 차량의 속도의 상태에 따라 회생 제동 가능 여부를 판단하

고 회생 제동이 제한될 경우 유압제동으로 전환하게 된다. 제동 제어 장치는 자동

변속기의 특성에 고려하여 설계되어야 하며 이의 최적 제어를 위하여 크게 회생

제동력 계산, 제동력 분배, 회생 제동의 제한의 3개의 부분으로 구성된 요소를 최

적화해야 한다. 제동 제어를 위한 입출력 관계는 아래 그림에 나타나 있다.

- 40 -

[그림 2-38] 제동 제어로직의 입출력 관계

- 회생 제동력 계산 :

질량과(m), 속도(v)를 갖는 하이브리드 차량이 t초 동안 제동 시간을 가질 때

운동에너지와 제동 토크의 관계는 아래와 같다. 여기서 Pb는 회생 제 동 파워, Rt

는 타이어 반경, w는 차륜의 회전 속도를 나타낸다.

[그림 2-39] 차량 제동 시 운동에너지와 제동 토크와의 관계

이때 제동 토크는 협조 제어를 통한 회생/유압 제동이 동시에 작용하므로 아래

식으로 나타낼 수 있으며, 해당 차량의 주행 속도와 모터 전류 등의 내 부 시스템

정보를 통하여 회생 제동을 위한 모터 토크와 유압 제동력을 계 산 가능하다.

- 41 -

[그림 2-40] 협조 제어 시 회생/유압 제동력 관계

- 제동력의 분배 :

제동력의 분배로직은 차량의 안전성을 고려하여 운전자의 제동의지와 차 량

상태에 따라 능동적인 제동력 분배가 이루어져야 한다. 제동 시 차량의 전륜과 후

륜에 적절하지 못한 제동력이 분배될 경우 슬립 또는 요잉과 같은 현상이 발생하

여 차량이 불안정한 상태에 처할 수 있다.

- 회생 제동력의 제한 :

회생제동으로 인하여 배터리가 과충전 되면 배터리의 수명을 단축하게 될 뿐

만 아니라 폭발의 위험성이 있다. 따라서 최대 회생 제동의 크기는 배터리 SOC에

따라 제한을 하여야 한다. 일반적으로 차량 제동 시 회생제동을 금지해야 하는 경

우를 아래 나타내었다.

i) 배터리의 SOC가 0%~80%까지 가능한 최대 회생제동 토크를 사용하며 초과되

는 변위에서는 회생제동을 제한함

ii) 급제동 시 모터에 의한 과도한 동력 발생으로부터 배터리를 보호하기 위하여

모터의 파워가 배터리의 파워보다 커질 경우 회생제동 제한함

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iii) CVT 변속기의 경우 변속치 클러치의 영향을 받지 않으므로 회생 제동시 클

러치 engage와 dis-engage를 고려하지 않아도 되지만, AT 변속기의 경우 변속 시

클러치의 영향을 받으므로 변속 중에 회생 제동을 제한함

iv) 저속에서의 빈번한 회생제동은 승차감을 떨어뜨리게 되므로 일정속도이하에

서는 회생제동을 제한함

[그림 2-41]은 모터의 충전 효율 특성 나타내는 곡선으로서 이를 통하여 제동

분배 기초 자료로 사용된다. 제동 시 모터가 낼 수 있는 최대 회생 제동량 보다

클 경우 나머지 제동력은 유압제동력으로 잡아준다. 요구되는 제동력이 B지점에

서 발생되어 지면 모터의 용량 허용범위 내에 있으므로 100% 회생 제동을 한다.

그러나 C 라인 선상에서 제동력이 요구되어진다며 모터가 낼 수 있는 최대 허용

범위인 D 지점에서 최대 회생 제동력을 발생하고 나머지 제동력은 유압 제동이

담당하게 된다.

[그림 2-41] 모터의 충전 효율 특석 곡선

▶ 회생제동 모듈기술

회생제동 제어모듈은 회생제동 구현 기능과 기존의 마찰제동 기능을 가지고 있

어야 한다. 이는 회생제동만으로는 운전자에 의해 요구되는 제동력을 보장할 수

없기 때문이다. 회생제동 모듈은 운전자의 제동의지와 주행 상태에 대응하는 회생

제동량에 대하여 적절한 마찰제동 수단을 갖추어야 한다. 일반적으로 회생 제동량

- 43 -

이 결정됨과 동시에 회생제동에 상당하는 만큼 마찰제동의 크기를 감소시켜야 하

며 X-by-Wire 시스템의 경우 운전자의 제동 페달 답력의 이질감을 방지하기 위

하여 운전자의 적절한 페달 감을 구현 할 수 있는 장치가 요구된다.

[표 2-2]는 대표적으로 상용화된 HEV 차량과 회생제동시스템을 나타내었다. 지

금까지 하이브리드 자동차에 적용된 회생제동 시스템은 크게 기존 유압 브레이크

시스템과 BBW에 기반을 둔 EHB 시스템으로 나눌 수 있다.

[표 2-2] 하이브리드 자동차의 회생제동 시스템

구분 Advics Nissin Teves

브레이크시스템 형식

유압 브레이크 ○

EHB ○ ○

회생/일반 제동 분배

자동분배 ○ ○

고정분배 ○

적용차종

Toyota(Hard HEV)

Honda(Soft HEV)

Ford(Hard HEV)

기존 유압 브레이크 시스템을 사용하는 회생제동 제동 시스템은 모터용량이 작

은 소프트타입 HEV에 적용이 되었으며 차속에 따라 회생제동과 마찰제동의 분배

비율이 고정되어있다. 이에 비해 BBW에 기반을 둔 EHB 타입의 회생제동 시스템

은 하드 타입 HEV에 적용되었으며 가변적인 마찰 제동 량의 구현이 가능하기 때

문에 회생에너지 회수의 극대화가 가능하다.

그러나 2004년 벤츠와 다임러 크라이슬러의 EHB 문제로 인한 리콜로 당분간 양

산차량에 EHB 적용은 중단된 상태이다. EHB 시스템의 신뢰성 문제로 인해 향후

- 44 -

회생제동 시스템은 진정한 의미의 BBW인 EMB(Electro Mechanical Brake) 시스템

이 적용될 것으로 기대된다. 특히 EMB 시스템 적용 시 문제점인 전력 문제가

HEV에서 해결되기 때문에 선진 브레이크 업체들은 EMB 시스템의 개발을 활발히

진행하고 있으나 양산 적용을 위해서는 아직 해결해야할 문제들이 많이 남아있어

기존 EHB의 문제점을 해결하기 위한 연구도 병행하고 있다.

또한 [그림 2-42]와 같이 휠 내에 모터가 장착되어 차량의 구동과 제동시 각 휠

모터의 능동적인 제어로 향후에는 브레이크 시스템이 보조적인 제동장치가 될 것

이며 최종적으로는 마찰 브레이크 시스템이 사라질 것으로 전망된다.

[그림 2-42] 인휠 모터 시스템

- 45 -

제3절 자율주행차량의 전동식 제동시스템

1. 자율주행차량의 전동식 제동시스템

자율주행자동차(Autonomous Vehicle)는 운전자가 직접 조작하지 않아도 자동차

가 주행 환경을 인식해 위험을 판단하고 주행경로를 계획하여 운전자 주행조작을

최소화하며, 스스로 안전운행이 가능한 인간 친화형 자동차를 말하여 핵심 구조는

4가지로 구성된다. 자동차 및 주행 환경 데이터를 수집하는 센서, 데이터를 처리

하는 프로세서, 처리결과를 해석하고 운행에 대한 결정을 내리는 알고리즘과 시스

템 제어 장치인 엑츄에이터로 구성되어 있다.

[그림 2-43] 자율주행자동차의 기능적 구성

핵심 기술은 운전자의 판단 능력을 대체할 수 있는 인공지능 기술인 알고리즘

기술로서 현재 완성차 업체뿐만 아니라 구글, 애플 등 IT 업체에서 실 도로 주행

을 통한 핵심 기술을 개선해 가고 있다. 아래 표는 자율주행자동차의 기능에 따라

자율주행 단계를 5단계로 구분해 놓고 있다.

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[표 2-3] 자율주행차 단계별 구분

완벽한 자율주행자동차는 운전자가 목적만 입력하면 모든 상황을 차량이 제어

하는 단계로서 이에 선행되는 핵심 기술은 첨단 운전자 보조 시스템(ADAS,

Advanced Driver Assistance System)이다. ADAS는 크게 6가지의 기술로 나눌 수

있는데 그중 핵심 기술은 적응형 순항제어(ACC, Adaptive Cruise Control) 기술로

서 교통 환경에 따라 속도를 조절할 수 있는 기능을 말한다.

- ADAS 핵심 기술

·적응형 순항 제어 시스템(ACC, Adaptive Cruise Control)

·주차 조향보조시스템(IPAS, Intelligent Parking Assistance System)

·차선 이탈경보시스템(LDWS, Lane Departure Warning System)

·긴급상황 자동브레이크 시스템(AEB, Autonomous Emergency Braking)

·사각지대 감지 시스템(BSD, Blind Spot Detection)

·전면 충돌 방지 및 경고 기술

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[그림 2-44] Advanced Driver Assistance System

차량 앞쪽에 장착된 레이터 시스템이 ACC가 장착된 차의 경로에 속도가 낮은

차량의 주행 여부를 감지하고 아래와 같이 작동하여 ACC 장착 차량은 운전자의

개입 없이 자율적으로 교통상황에 맞는 속도로 주행하게 된다.

속도가 낮은 차량이 감지되면 ACC 시스템은 주행 속도를 낮추고 ACC 장착 차

량과 전방 차 사이의 거리 및 시간 간격을 제어하며, 시스템이 ACC 장착 차량 경

로에 주행 차량이 없음을 감지하며 ACC 시스템은 미리 설정된 주행 속도로 차를

가속한다. 이와 같은 ACC 차량의 속도 제어는 아래 그림에 나타난 ACC 제어 로

직에서 보는 바와 같이 센서 시스템, 엔진 컨트롤 모듈 및 가속, 제동 시스템에

의하여 이루어지며, 그 중 제동 시스템의 전동화는 단순한 제동 제어를 통하여

ACC 의 신뢰성을 향상시키기 위한 핵심 기술 요소이다.

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[그림 2-45] Adaptive Cruise Control의 작동

[그림 2-46] ADAS 적용 차량의 구동부 레이아웃

또한, 앞선 장에서 언급한 긴급 상황 자동브레이크 시스템(AEB)는 다른 차량

또는 보행자 등과 같은 전방 장해물의 충돌방지 및 완화를 위해 자동으로 브레이

크를 넣는 충돌 방지 시스템을 말한다. 이 기능은 차량 전방 센서에 의존해 도로

전방을 조사하고, 잠재적 교통 상황과 직접적인 장해물로의 위협을 예측할 수 있

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으며, 물체의 상대 속도, 궤적 및 위협 정도를 파악할 수 있다. 가령 운전자가 충

돌 상황에서 무대응 시 센서가 이를 감지해 충돌 완화/방지를 위해 브레이크를

동작할 수 있다. 이 뿐만 아니라 주차 보조 시스템(IPAS), 전면 충돌 발지 시스템

등 차량의 속도를 제어해야하는 기술에는 반드시 브레이크 시스템의 제어가 필요

하므로 전동 기반의 제동 시스템은 필수가 되고 있다.

[그림 2-47] ACC 제어 로직 개략도

특히, 국내에서는 운전자의 졸음으로 인한 빈번한 상용차와 버스의 사고로 인

하여 2016년 관련 법안을 개정하여 2017년 1월부터 새로 출시되는 11미터 이상의

승합 차량 및 20톤 초과 대형 상용차에 대하여 긴급제동 장치(AEB)를 의무적으로

장착해야 하는 법을 시행하고 있다. 일본의 경우 ADAS 시스템이 실제 도로 상황

에서 운전자와 승객의 안전성 확보에 파급력이 크다는 것을 파악하고 적극적인

투자를 진행하고 있다. 중·대형 고급차 뿐만 아니라 엔트리카와 주력 세그먼트

경차에도 레이더나 카메라 등을 사용한 충돌 회피 및 제동 시스템을 적용해 왔으

며 의무화하기 위한 법안 발의도 진행 중에 있다. 미국의 경우 2022년까지 3.8톤

이하 승용·승합·승합차에 AEBS를 기본 장착하기로 합의되어 있으며 2025년까

지 3.8톤 이상의 차량으로 확대하기로 되어있다.

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이러한 자율주행 차량의 기술 적용과 확대는 차량의 속도를 직접적으로 제어

하는 시스템인 제동 시스템의 기능적 발전이 선행되어야 하고 이에 필수적으로

제어 용이성과 성능을 확보할 수 있는 전동식 제동 시스템의 적용되어야 한다.

2. 전동식 제동 시스템 전망

유럽의 한 연구기관(Research and Markets)의 조사결과에 의하면 X-by-Wire에

의한 비용 절감 효과가 2010년 3.2억 유로에서 2015년 6.6억 유로로 늘어날 것으

로 기대되고 있다. X-by-Wire의 대표 격인 전기식 제동장치는 연비향상 효과와

설계용이성, 첨단제어기술 적용 등 제동장치의 혁신을 기대할 만큼 우수한 장치임

에는 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, Continental-Teves 등 유수의 자동차 부품 회사에서

최근 양산형 모델 개발에 거의 완료된 상황이다.

아직까지는 시판중인 완성차에 Full Brake-by-Wire가 적용된 예는 없지만 시장

도입을 막는 특별한 제도 법규적인 장벽이 없는 현실에서 앞서 언급했듯이 첨단

기술 적용과 설계의 용이성 및 연비향상, 원가 절감 등 수많은 잠성으로 인해 가

까운 시일 내에 고장 안전에 대한 보완과 함께 완성차에도 활발히 도임될 것으로

기대되며, 일단 도입된 후에는 단기간 내에 기존 기계식 제동장치를 대체할 수 있

을 것으로 예측된다.

또한, 하이브리드/전기/연료전지 자동차 기술은 동력 전달 장치, 모터/배터리 기

술, 차량 제어, 회생제동 등 여러 가지 기술로 구성되지만 이중에서도 회생제동

기술은 해당 차량의 연비를 좌우하는 핵심 기술로서 회생제동 에너지의 극대화는

결과적으로 에너지 사용을 최소화함으로써 환경오염을 줄일 수 있다는 장점이 있

다. 회생제동 기술은 회생제동 에너지 회수 극대화를 위하여 엔진, 모터, 배터리

변속기 등 친환경 차량의 파워트레인 시스템의 각 요소의 기술들과 통합되고 있

다. 또한 회생제동 시스템은 지금까지 CBS, EHB 단계를 거쳐 진정한 BBW인

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EMB 시스템으로 발전될 전망이며 제동에너지 회수뿐만 아니라 차량의 안정성 향

상을 위하여 ABS, TCS, ESP 등의 기술과 통합이 이루어지고 있으며 최종적으로는

인휠 모터를 사용한 브레이크 시스템으로 발전할 것으로 기대된다.

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제 3 장 자동차 전동식 제동 시스템 시장 분석

제1절 전동식 제동 시스템 시장의 로드맵

유럽과 북미 시장 내 ABS/ESC의 의무 장착으로 인하여 기존의 유압식 브레이크

시스템과 전자식으로 유압 제동을 제어하는 ABS/ECS 제어장치가 통합되어왔다.

특히, 2000년대 벤츠 모델에 적용된 센서트로닉 브레이트 제어 시스템은 주행 조

건에 따라 유압식 브레이크 시스템에서 발생하는 제동력을 ECU에서 제어한다. 전

자제어 제동시스템을 갖는 통합 ESC는 자동차 내 센서와 데이터 처리기술과 융합

을 통하여 섀시와 ADAS 기술과 통합으로 기술적 발전을 진행하고 있으며, 이를

통하여 제동 시스템의 성능과 효율 증가가 이루어지고 있다.

비진공 브레이크 부스터는 차량의 경량화와 정밀한 전자식 브레이크 제어의 필

수요소로 현재 브레이크 시스템의 변화를 이끌고 있다. 이러한 시장 변화에 따라

Brake-by-wire 시스템은 생산 비용과 신뢰성을 극복하기 위한 개발 단계로 연구

가 진행되고 있다.

<출처 : Frost & Sullivan, 2014>

[그림 3-1] 전동식 브레이크 시스템 시장 로드맵

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기존의 단독으로 사용되어온 전장 부품들이 제어 및 센서 모듈로 통합은 전동

식 제동 시스템을 활성화 하는데 필요한 트렌드이다. 통합화 이후에는 주요 센서

를 단일로 통합한 ESC 모듈이 엔진 근처에 장착되고 다른 차량 안전 시스템과 상

호작용하면서 자율적인 제동을 도모하기 위하여 자동차의 각 휠의 제동 운동을

제어할 것으로 예상된다.

<출처 : Frost & Sullivan, 2014>

[그림 3-2] 전동식 브레이크 시스템 부품 시장 로드맵

기존의 단독으로 사용되어온 전장 부품들이 제어 및 센서 모듈로 통합은 전동

식 제동 시스템을 활성화 하는데 필요한 트렌드이다. 통합화 이후에는 주요 센서

를 단일로 통합한 ESC 모듈이 엔진 근처에 장착되고 AEBS 기술과 같이 다른 차

량 안전 시스템과 상호작용하면서 자율적인 제동을 도모하기 위하여 자동차의 각

휠의 제동 운동을 제어할 것으로 예상된다.

- 54 -

[그림 3-3] AEBS 시스템의 기능

이를 통한 예측 긴급 제동은 도시 주행상태에서 저속 충돌을 줄이는 목적으로

하고 있는 AEBS 시스템이로서 30km/hr 이하에 주행하는 차량이 승객의 피해를

최소화하기 위하여 차체의 손상을 제한한다. 상대 차량이 근접하는 상황에서 해당

차량은 속도를 낮추게 되고 운전자에게 인지시킬 경고음을 발생시킨다. 차량 간

간격이 더 좁아지면 제동 시스템은 미리 제동 장치를 초기화하고 운전자가 브레

이크를 작동하는 순간 최대의 제동력을 발생시킨다. 만약, 운전자가 제동을 하지

못하게 되면, AEBS는 충돌을 피하기 위해 자율적으로 제동시스템을 작동한다. 이

러한 기술은 2014년에 상용화되었으며 2018년부터 국내에 의무로 적용될 예정이

다.

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제2절 전동식 제동 시스템 시장의 메가트렌드

1. 친환경 스마트 제동

제동시스템 제조자는 작동 유닛과 센서를 통합화하고 더 빠르고 정확한 반응을

나타내는 시스템을 갖는 제어유닛의 전자식 모니터링 시스템을 포함하는 제동 기

술 개발을 진행하고 있다. 이는 자율 주행뿐만 아니라 AEBS와 같은 다양한 능동

안전 시스템과 통합되는 방향이 필수가 될 것으로 예상된다. EBS는 운전자의 운

전 패턴에 파악하고 운전자의 입력에 따라 최적화된 제동 반응을 제공함으로써

차량의 연료효율을 개선 가능하다.

[그림 3-4] AEBS 시스템을 적용한 스마트 제동

2. Zero Vacuum

기존의 제동 시스템이 충실히 유지되는 과정에서도, EBS는 비진공 제동 부스터

(zero-vacuum brake booster)를 채용하는 방향으로 진행될 것이다. 이는 충분한

제동력을 디스크에 부과하기 위하여 진공으로 부스터 압력을 발생시켜야 하는 방

법을 완전히 바꾸어 놓을 것으로 예상된다. 이러한 진공 부스터의 제거는 진공을

발생시킬 때 엔진에 걸리는 로드를 줄여줄 뿐만 아니라 브레이크 시스템의

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30~40%에 해당하는 무게를 경량화 하여 차량의 연료 효율 향상시킬 것이다. EBS

는 EV와 HEV의 브레이크 시스템을 공유하여 2025년부터 강화되는 배기가스 규제

를 만족하는데 도움을 줄 것으로 예상된다.

[그림 3-5] 비진공 부스터 적용에 따른 부품 형상 변화

3. 이모빌리티(E-Mobility)

완성차 메이커들이 재생 가능한 에너지원을 사용하여 미래 지속가능한 차량에

대한 연구를 진행하면서 이모빌리티는 가장 유력한 아이템이다. 해당 아이템에 대

한 새로운 시장은 전동식 제동 시스템 영역에서 혁신적인 해결 방안으로 도출되

고 있다. 더 중요한 부분은, 완성차 업체가 이러한 이모빌리티 흐름에서 고유 플

랫폼을 공유를 강화하고 유지하기를 기대면서 전동식 제동 시스템으로의 빠른 변

화가 이루어질 것으로 판단된다.

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[그림 3-6] 전기차량의 전동식 브레이크 시스템

4. 전동식 제동 시스템 시장 동향

유럽의 경우 평균적으로, 전동식 제동 시스템은 75%~79%의 모델에서 적용되고

있으며, 완성차 별로 일부 차이를 나타내고 있다. 아래 도시한 [표 3-1]은 유럽 내

에서 생산하고 있는 유럽 완성차 OEM별 전동식 제동 시스템의 채용(penetration)

현황을 보여주고 있다. [Standard: 기본사양/Optional: 선택사양/Unavailable: 비적

용].

[표 3-1]의 그림에서 나타난 바와 같이 폭스바겐의 경우 60~70% 수준으로 전동

식 제동 시스템을 기본 사양으로 채택하고 나머지 25%는 선택사양으로 차량을 판

매하고 있다. 오펠의 경우, 북미 시장에서 제품 전반에 걸쳐 기본 사양으로 채택

하고 있음에도 불구하고, 약 58%의 전동식 제동 시스템의 적용률로 기본 적용하

고 있다. Fiat의 경우 일부 고급 사양을 제외하고 75% 수준에 대하여 전동식 제동

시스템을 비적용하거나 선택사양으로 판매 중에 있다.

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[표 3-1] 전동식 제동 시스템 채용 비율 (유럽-유럽완성차)

[단위 : %]

VW Peugeot Citroen Renault Fiat Opel

Unavailable 0 20 37 18 35 13

Optional 32 32 16 34 40 28

Standard 68 48 47 48 25 59

<출처 : Frost & Sullivan, 2013>

[표 3-2]는 유럽 시장에서 판매하고 있는 아시아계 완성차 OEM별 제동 시스템

의 채용 현황을 나타내고 있다. 폭스바겐과 도요타는 유사한 적용 전략을 쓰고 있

다. 60~70% 수준에서 전동식 제동 시스템을 적용하고 있으며 나머지 차종에 대해

서는 선택 사항으로 제공하고 있다. 르노-닛산의 경우 동일한 생산자임에도 불구

하고 닛산의 모델보다 르노의 경우 적용률이 높다. 오펠의 경우, 북미 시장에서

제품 전반에 걸쳐 기본 사양으로 채택하고 있음에도 불구하고, 약 58%의 전동식

제동 시스템의 적용률로 기본 적용하고 있다.

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[표 3-2] 전동식 제동 시스템 채용 비율 (유럽-아시아완성차)

[단위 : %]

Honda Nissan Toyota Kia Hyundai

Unavailable 8 32 0 40 44

Optional 4 14 38 15 32

Standard 88 54 62 45 24

<출처 : Frost & Sullivan, 2013>

혼다는 전동식 제동 시스템 기술을 약 88%를 적용하면서 아시아계 완성차 업체

중 가장 높은 채용율을 나타내고 있다. 닛산과 도요타는 각각 62%와 54%로서 혼

다와 비교하여 낮은 기본 적용률을 보인다. 동일한 차종으로 비교하였을 경우 아

시아계 완성차 업체의 채용 비율을 약 54%로서 유럽계 완성차 업체의 채용 비율

인 49%보다 높게 나타난다. 아래 표는 완성차 메이커에 따른 전동식 제동 시스템

의 채용 비율을 나타내고 있다. 아우디는 94%의 높은 기본 채용율을 나타내고 있

으며, 미니의 경우 BMW의 자회사임에도 불구하고 차량의 대부분에 선택적으로

적용하고 있다.

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<출처 : Frost & Sullivan, 2014>

[그림 3-8] 완성차별 전동식 제동 시스템 채용 비율-유럽

아래 나타난 그래프는 전동식 제동 시스템의 채용 현황과 추이를 나타낸 것으

로서 북미, 유럽, 아시아 별로 해당 기술의 적용 변화를 확인 및 예측할 수 있다.

북미의 경우, 전동식 제동 시스템의 채용 비율이 매우 높으며 현재 대부분의 차량

에 적용되고 있으며, 유럽의 경우 현재 약 90% 수준으로 2020년에 전 차종에 적

용될 것으로 예측된다. 아시아의 경우 일본을 따라 현재 80% 수준이며 2020년에

90%에 도달하여 다 지역 대비 적용 비율이 다소 낮을 것으로 판단된다.

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[표 3-3] 전동식 제동 시스템의 채용 추이 및 전망

[단위 : %]

2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020

North America 93 94 96 97 98 100 100 100 100

Europe 74 79 82 85 89 92 95 97 100

Japan 60 65 74 81 83 86 88 90 91

<출처 : Frost & Sullivan, 2014>

유력 완성차 업체는 현재의 전동식 브레이크 시스템의 채용 트렌드에 민감하게

반응하여 채용 비율을 급격하게 향상시킬 것으로 예상된다. 아래 도표는 2013년

(현황)과 2020년(예측)에 대한 유력 완성차 업체의 전동식 제동 시스템의 채용 비

율을 나타내고 있다.

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<출처 : Frost & Sullivan, 2013>

[그림 3-9] 완성차별 전동식 제동 시스템 적용 현황 및 전망

전통적으로, 유력 완성차 업체는 타사 일반 차량과 차별화를 위하여 적극적으로

신기술을 채용하려는 의지가 있다. ESC(electronic stability control)에 의하여 높아

진 주행감은 전동식 제동 시스템을 기반으로 하고 있기 때문에, 비유력 완성차 업

체에서 단순이 ABS(Anti-lock Braking System)을 적용하는 동안에 대부분의 차량

에 전동식 제동 시스템을 기본 사양을 채택할 것으로 예상된다. 해당 법 제정의

부재로 인하여 ESC의 일반차량 채용 비율에 제한이 있으나, 2014년 이후 법 제정

이 유효화하면서 ESC 채용 비율에 큰 변화가 있을 것으로 판단된다.

5. 전동식 제동 시스템 시장 분석

EBS(Electronic Braking System)은 차량의 제동을 용이하게 하기 위하여

ESC(Electronic Stability Control)와 유압 작동장치 및 기본 제동 장치와 연결되는

관련 회로를 포함한다. 차량 동역학 관리 시스템의 핵심 기능은 전자 안정성 제

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어, 안티 록 제동 시스템 및 트랙션 제어이다. 2003년 유럽에서 ABS(Anti-lock

Braking System)이 표준화되면서 거의 모든 차량이 전자 제어 제동 장치를 포함하

고 있다. ACC(Adaptive Cruise Control)와 전자 주차 제동을 위한 통합회로와 같은

기능은 최근에 차량에 추가되고 있다. 2011년 까지 ESC는 유럽에서 판매된 승용

차에서는 선택 품목으로 장착되었다. 유럽에서 ESC의 장착 비중은 미국에 비에

현저히 낮았다.

특히, 2008년 이후 북미에서 ESC가 의무화되면서 , 2009년에 북미에 판매되는

모든 SUV가 해당 기술을 탑재하였다. 북미 픽업트럭은 ESC 시스템의 장착이 엄

격하게 표준화되기 시작되면서 해당 시스템 생산이 기하급수적으로 증가하였다.

2011년에는, 생산된 픽업트럭의 72%가 ESC 시스템을 장착하여 전동식 제동 시스

템을 적용하였다. 그 후, 2012년부터 북미 및 유럽에서 판매되는 모든 승용차에

표준으로 ESC가 장착되었다. 유럽에서의 ESC 장착의 지연을 고려할 때, 모든 자

동차 제조업체는 2014년 이후 ESC를 표준 적용하기 위하여 노력하였다. 이는 패

키징(Packaging) 관점에서 재설계가 필요하기 때문에 ESC를 수용하는데 시간이

일정기간의 시간이 소요되었다. 유럽과 북미에서 해당 기술의 적용은 아시아권의

적용률 보다 높은 것으로 조사되었다.

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제 4 장 전동식 제동 시스템 국내외 업체 현황

제1절 국내 업체 현황

1. 현대모비스

현대모비스는 2015년 말 친환경 통합형 전자제동장치 “IMEB”를 세계 2번째로

개발에 성공하였다. 이는 하이브리드차 및 전기차 등 친환경차에 적용되는 차세대

회생 제동 브레이크 시스템(Integrated Mobis Electronic Brake)을 말한다. IMEB는

기존의 여러 개의 부품 단위로 나뉘어 운영되던 것을 하나로 통합한 첨단 제동

장치이다. 회생제동 브레이크 시스템을 구성하는 압력 공급부와 압력 제어부를 하

나의 전동식 시스템으로 통합하여 원가와 중량을 30% 이상 줄였다. 이는 차체자

세유지 장치(ESC), 자동잠김방지장치(ABS), 스마트크루즈컨트롤(SCC), 긴급자동제

동장치(AEB)등의 연계 기능이 통합 구현되었다.

[그림 4-1] 통합형 전자제동 장치-현대모비스

2. 만도

국내 최초이자 세계 4번째로 전자식 제동 장치인 ABS(Anti-Lock Brake System),

TCS(Traction Control System), ESC(Electronic Stability Control)를 독자적으로 개발

해왔다. 보수용 부품은 일정한 품질수준 이상이 확보 되어야만 시장진입을 할 수

있으며 국내의 소수 중소기업들은 국내시장 영업보다는 해외 저가시장 진입에 주

력하고 있다. 2013년도 프랑크푸르트 모터쇼에서는 능동형 캘리퍼 (ARC) 브레이

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크를 선보여 운전자가 비제동시 브레이크와 디스크 사이에서 발생할 수 있는 끌

림저항을 최소화 하여 연비를 향상시킨 제품을 소개하였으며, 운전자의 제동의지

에 맞춰 차량이 감속되는 지능형 통합브레이크 (IDB) 등에 대한 연구도 수행하고

있다고 발표하였다.

[표 4-1] 제동 시스템(만도)

적용 부품 설명

Electric

Parking

Brake

기존의 와이어 방식과 달리 전자식으로

제어되는 주차 브레이크 시스템

ABS제동 시 미끄러짐을 방지하여 제동거리

단축 및 차량의 자세 안정성 확보

TCS

눈길, 빗길 등의 미끄러운 노면에서 차

량을 출발하거나 가속할 때 과잉 구동력

을 발생시켜 타이어가 공회전하지 않도

록 차량의 구동력을 제어하는 시스템

ESC

차량이 중행 중 미끄러지는 것을 방지할

수 있도록 구동력과 제동력을 제어하는

기술

Active

Hydraulic

Booster

회생제동이 가능한 친환경 차량 전용 제

동 시스템으로써 기존 진공 부스터를 대

신하여 필요한 압력을 생성해주는 별도의

고압장치와ABS/ESC가 통합된 Brake

Actuation 유닛으로 구성됨

Integrated

Dynamic

Brake

모터로 직접 압력 피스톤을 구동하여 제

동압력을 생성하는 통합형 전자 브레이

크로서 기존 진공 부스터를 대체하고

ESC의 모든 기능을 포함하는 일체형 통

합 브레이크 장치

<출처 : 만도>

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제2절 해외 업체 현황

1. 글로벌 완성차 업체의 전동식 제동 시스템 공급사

글로벌 완성차 업체는 차종별, 지역별로 안정적인 차량 공급을 위하여 부품 공

급 업체를 다양화하고 있다. 전동식 제동 시스템도 같은 맥락으로 다원화 하고 있

으나 높은 기술적 장벽으로 인하여 사실상 일부 업체가 전동식 제동 시스템 시장

을 주도하고 있다. 아래 나타난 표는 글로벌 시장에 주요한 완성차 업체에 전동식

제동 시스템을 공급하는 부품 제조사의 목록을 나타내고 있다. 해당 시장은

Bosch와 Continental 사가 주도하고 있으며 TRW 및 Mando등의 제조사가 뒤를 따

르고 있다.

[표 4-2] 완성차 업체와 전동식 제동 시스템 공급사

OEM Electronic Braking System Supplier

BMW Robert Bosch GmbH, Continental AG

Daimler AG Bosch, Continental

Fiat-Chrysler Bosch, Continental, Mando Corp. TRW

Ford Motor Company Continental, TRW

General Motors1) Various Supplier

Hyundai-Kia Hyundai Mobis, Mando 3)

PAS Peugeot Citroen Bosch, Continental

Renault-Nissan Bosch, Continental

Toyota Motor Corp.2) Bosch, Continental, TRW

Volkswagen Bosch

1) General Motors는 Bosch, BWI 그룹, Continental, Mando와 TRW의 다양한 공

급사에서 전동식 제동 시스템을 공급받고 있음

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2) Toyota는전동식 제동 시스템 제조사인 ADVIS 사를 계열사로 두고 있음에도,

주로 Bosch, Continental과 TRW에서 해당 부품을 공급받고 있음.

3) 현대모비스는 현대자동차 그룹만 전동식 제동 시스템을 공급하고 있으며, 만

도는 GM과 Crysler사에 해당 부품을 공급하고 있음

2. 오토리브(Autoliv)

액티브 및 패시브 안전 시스템에 대한 핵심 전문 지식을 갖춘 공급 업체로서,

오토리브는 제동 제어와 안전전자제어를 통합화하고 있다. 보쉬(Bosch), TRW 및

콘티넨탈(Continental)과 같은 다른 주요 공급 업체들도 안전 제어 시스템 분야의

전문 지식을 보유하고 있지만, 오토리스는 최초로 제동 제어를 인터페이싱

(interfacing)함으로써 통합 차량 안전 모듈을 위한 원스톱 솔루션을 제공한다.

[그림 4-2] 오토리브 안전 제어 솔루션

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[그림 4-3] 제동 제어 시스템 개념-오토리브

3. 보쉬(Bosch)

보쉬는 진공독립 EMB booster인 iBooster를 사용하여 최신 제동 시스템에 대한

요구 사항을 충족시키는 독립적인 진공 전자 기계식 브레이크 부스터를 개발했다.

이는 모든 전동 장치 개념에서 사용될 수 있으며, 특히 복합형의 전기 자동차에

적합하도록 설계되었다. iBooster에서 브레이크 페달의 작동은 내장된 페달-트래

블 센서에 의해 기록되고 컨트롤 유닛으로 전달되며, 제어 장치는 2단계 변속기를

사용하여 토크를 필요한 동력 보조 장치로 변환하는 전기 모터의 트리거링

(triggering) 신호를 계산하는 방식으로 표준 마스터 실린더에서는 부스터가 제공

하는 동력이 유압으로 변환된다. 보쉬에서 자체 개발된 전자식 안전 프로그램

(ESP, Electronic Stability Program)와 함께 운전자가 개입하지 않아도 독립적으로

차량을 제동할 수 있는 시스템에 대한 연구를 진행하고 있다.

[그림 4-4] 관성 센서와 통합된 진공 독립 부스터-보쉬

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[그림 4-5] Bosch의 커넥티드카 컨셉트

4 BWI Group

BWI 그룹은 미래형 자동차에 적용되는 진보적인 제동 성능 확보를 위하여

Brake by wire 시스템에 중점적으로 연구개발을 진행 중에 있다. BWI 그룹에서

제작된 ABS는 후륜의 비례 밸브(Proportioning valve)를 제거하고 전자식 제어를

통하여 동적인 후륜 제어를 적용하였다. 또한 엔진 트랙킹 시스템은 엔진의 토크

가 μ-slip 표면에서 휠 슬립(wheel slip)이 발생하지 않도록 조절하고 이를 통하여

월등한 제동 성능을 나타내고 있다. ABS의 코너 제동 분배 특징은 회전 구간 주

행 시 차량의 안전성을 개선하였다.

BWI 그룹이 개발한 ESC 시스템은 ABS, 주행 제어 및 안전성 제어의 일반적인

기능에 추가하여 브레이크 페달 위에서 급제동 시 발생하는 입력을 감지하여 급

제동시 차체 자세를 어시스트하는 특성을 가지고 있다. 또한. ESC의 런치(launch)

어시스트 기능으로 경사면의 주행 동력을 향상시키도록 하였다. 개발된 ESC는

ACC와 같은 ADAS와 통합되고 있으며, 적용범위는 전륜구동 차량까지 확장되고

있다.

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특징

- 페달과 휠 간의 유압링크를 전자 제어 시스템으로 대체

- 브레이크 캘리퍼를 전자적으로 작동가능한 볼 스크류 사용

- ESC와 ADAS 기능의 통합

- 전자 브레이크 캘리퍼는 후륜에만 적용

- 브레이크 부스터의 제거

- 저관성 모터를 적용하여 표준 전압(14V)으로 사용 가능

[그림 4-6] BWI 그룹의 Brake-by-wire

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5. Continental Automotive

컨티넨탈 오토모티브는 친환경 차량의 제동 시스템에 필요한 모든 주요 기능을

포함하는 하나의 통합 유닛을 적용한 미래형 제동 시스템을 목표로 연구개발을

진행 중에 있다. 아래 표는 컨티넨탈 오토모티브에서 개발한 ESC 유닛에 따른 적

용 기능을 나타내고 있다. 연구 개발이 진행됨에 따라 Actuation 부분은 통합되어

가고 있으며, 차량의 안전한 제동 및 자세 제어를 위한 기술은 점진적으로 혁신화

되어 가고 있다. 휠의 브레이크 캘리퍼의 경우, 전륜은 고정형의 유압 캘리퍼를

사용하고 후륜은 전자제어 유압식 캘리퍼가 적용되고 있다.

[그림 4-7] Continental Automotive 사의 ESC 개발 추이

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특징

- 능동 및 수동형 안전 시스템이 연계되도록 링크 역할

- 진공 부스터를 제거한 단일 유닛을 적용한 제동 부스터와 제어 모듈을 통합

- 제동 압을 능동적으로 발생시키는 동안 마스터 실린더 내에 유체를 압축하여 단시간 내에 제동압력 부과 가능

- 8~9인치의 진동부스터를 소규모의 전동모터로 대체한 전자유압 유닛을 사용한 응집 제동 시스템(cohesive braking system) 구성

- 제동 시스템의 변경 없이 내연기과, 하이브리드 및 전기차에 적용 가능

[그림 4-8] Continental Automotive 사의 MKC1 유닛의 특징

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6. ZF-TRW

ZF-TRW는 일반적으로 사용되는 제동 부품을 대체하기 위한 전자 유압 제어가

적용된 전자 제어식 제동 시스템의 연구개발을 진행 중에 있다. 또한 차세대 슬립

제어 시스템(SCS, Slip Control System), EHCU(Electronic Hydraulic Control Unit)와

통합 제동 제어 유닛은 회생제동 에너지에 중점을 맞추고 연구를 진행 중이며 이

는 전기차량과 하이드로 차량을 개선시킬 것으로 예상된다.

특징

Slip Control

System

- 하이드로 차량과 내연기관 차량이 호환되는 비진공 유압 브레이크 시스템

- HEV 차량에 회생 제동과 일반 차량에 부스터 압력을 공급- 재활용 부품의 증가로 제조사의 애플리케이션 비용 저감

ECU-R

- 페달 시뮬레이터로서 기존 차량의 부스터와 마스터 실린더를 사용 가능

- 회생 제동을 수행하는 전기차량과 하이브리드 차량에 적용 가능- 시뮬레이터에서 발생하는 페달 이동 거리와 압력을 측정하여

정밀한 제동력 부과

Integrated

Brake Control

- 모든 파워트레인과 호환 가능한 비진공 제동 부스터 적용- 빠른 압력 상승으로 고출력 브러시리스(Brushless) 모터 사용 - 동일한 부품으로 페달 시뮬레이션 통합

[그림 4-9] ZF-TRW의 전동식 제동 시스템 특징

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ZF-TRW는 안전한 주행성능을 달성하기 위하여 다양하고 견고한 제동 시스템과

ADAS 시스템을 통합함으로서 시너지 효과를 나타내고 있다. ZF-TRW는 레이더

기반 충돌완화 제동 시스템(Collision Mitigation Braking)을 통하여, 충돌이 임박했

을 때 자동 제동 지원을 작동한다.

충돌 직적에, 레이더를 통하여 대상 차량과 거리가 허용치 이하로 식별되면, 시

스템은 운전자에게 소리, 신호 또는 햅틱 경보를 통하여 운전자를 인지시킨다. 자

동 비상 제동 기능(AEB, Automatic Emergency Braking)은 충돌이 불가피할 때 자

동적으로 차량을 감속시킨다. 시스템은 충돌 시나리오를 분석하기 위하여 레이더

및 카메라 기반 입력을 모두 사용하고 AEB는 센서-데이터 융합 정보에 의하여

활성화된다. 탑승자의 안전을 극대화하기 위하여 운전자 입력 유무에 관계없이 완

전한 ABS 제동을 발생하도록 적용하고 있다.

ZF-TRW는 ADAS 기능과 통합 가능한 소형 차량과 프리미엄 차량에 ESC 시스

템을 적용한다. 플러그인 하이브리드와 전기차량에 대하여, ESC-PH는 최적 제동

성능을 보장하기 위하여 유압 제동 토크를 적용하여 회생 제동 토크를 얻도록 시

스템을 구성하고 있다.

[그림 4-10] ESC-PH와 일반 브레이크 적용 시 페달 특성의 비교: ZF-TRW

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제 5 장 결론 및 시사점

○ 자동차의 브레이크 시스템은 차량의 제동 성능을 결정하는 요소로서 기계적

으로 주행 성능과 동등한 중요성을 갖고 있다. 브레이크 시스템에 대한 연구는 지

속적으로 이루어져 왔으며 최근 자동차의 동력계에 변화가 급격하게 진행됨에 따

라 이에 대한 진화가 이루어지고 있다.

○ 차량의 주행 중 발생하는 차량 및 차량 외의 물체에 의한 충돌로 인하여 운

전자와 승객을 능동적으로 보호하기 위한 기술 개발이 이루어져 왔으며 이에 대

표적으로 차량 효율적 및 능동적인 제동에 대한 연구가 진행되었다. 이에 필연적

으로 제동시스템의 전동화를 이루게 되었다. 이러한 전동식 제동 시스템의 개발은

차량의 감지 기술, 제어 시스템의 발전과 더불어 승객의 안전을 위한 차량의 제동

제어와 자세제어 등의 영역으로 넓혀갔다.

○ 이러한 브레이크 시스템의 전동화는 ABS, TCS, ASR, EBD, ESP, ESC 시스템

등에 접목되었고, 자동차의 에너지원의 큰 변화와 전장화에 따라 해당 기술은 급

속도로 차량에 적용되고 있다.

○ 전동식 브레이크 시장은 능동 차량 안전 시스템의 적용과 더불어 크게 확대

되어 국내 및 아시아 시장은 2020년까지 90%이상의 적용률을 보일 것으로 예상된

다.

- (Technology) 전동식 브레이크 기술은 액츄에이터와 모듈 유닛을 통합화 하

여 비진공 제동시스템으로 기술개발 트랜드가 이루어질 것이다.

- (Technology Push) 국내 및 해외 시장의 ESC 규제에 따라 완성차에서 전동식

제동 시스템(EBS) 기술을 채택하여 이에 대응할 것으로 예상된다.

- (Supplier) 대부분의 제동 시스템 제조업체는 제동 엑츄에이터와 모듈유닛을

통합화하여 비진공 제동 장치를 개발하는 전략으로 연구개발을 진행하고 시

장에 대응할 것이다.

- (Consumer) ESC 및 기타 안전시스템의 적용에 따라 차량의 원가 증가에 따

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른 고객의 비용 증가가 예상된다. 고객의 요구에 따른 원가 절감과 비용 증

가를 심리적으로 상쇄할 제동 효율 향상을 통한 연비 증가 및 안전성 향상에

대응해야할 것으로 예상된다.

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<참고 문헌>

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