자동차 타이어의 상태를 알아보기 쉬운 척도 중에는 타이어의 마모상태, 타이어 공기압 등이라고 할 수 있다. 이 중에서도 타이어의 공기압은 타이어의 성능 발휘에 가장 중요하게 작용하는 변수가 된다. 적정한 공기압 상태에서는 타이어의 성능을 온전하게 발휘할 수 있지만 공기압이 적정량 이상이거나 이하인 경우에는 타이어가 원하는 기능 혹은 성능을 발휘할 수 없다. 특히 타이어의 공기압이 낮아지는 경우에는 자동차의 주행 불안정성, 연료소비의 증가, 갑작스런 타이어의 파열 등이 발생할 수 있으므로, 매우 불안한 요소라고 판단할 수 있다.
독자들 중에는 주행중, 혹은 시동을 켰는데 그림 1과 같은 타이어 모양의 경고등이 켜져 당황했던 적이 있을 수도 있다. 타이어공기압 경보장치(Tire Pressure Monitoring System, 이하 TPMS)의 경고등으로, 문자 그대로 타이어 공기압에 이상이 있을 때 알려주는 경고등이다.
자동차 타이어의 상태를 운전자가 실시간(real time)으로 확인할 수 있는 장치인 타이어공기압 경보장치(Tire Pressure Monitoring System, 이하 TPMS)가 의무 장착이 추진되어 많이 대중화가 되었다. TPMS의 의무장착 정책은 도로교통 안전 측면에서 그 의의가 크다고 할 수 있다. 그럼 도로 상에서 주행 중인 자동차의 타이어 공기압을 실시간으로 감지하여, 타이어공기압의 상태를 운전자에게 알려주는 스마트한 TPMS는 누가 먼저 시도하였으며, 어떠한 부품들이 어떤 원리로 작동되는 지, 타이어공기압 경고등으로부터 운전자가 판단해야 하는 것등에 대하여 알아보기로 하겠다.
◇ TPMS의 이력
TPMS를 최초로 도입한 자동차 제조사는 독일의 포르쉐(Porche)로 1980년대 자동차경주대회(WRC)에 출전하기 위해 만들어졌던 슈퍼카인 포르쉐 959에 처음 적용하였다고 한다. 하지만 TPMS의 대중화는 자동차의 전복 사고들부터 시작되었다. 1990년대 세계적 타이어 제조사인 파이어스톤(Firestone)가 포드(Ford)사의 SUV인 익스플로러(Explorer)에 납품하던 타이어의 일부가 공기압이 낮을 경우 도로주행 중에 잇따라 파열되면서 자동차 전복사고로 이어져 백여 명의 사망자와 수천 명의 부상자가 나오게 되었다. 결국 포드와 파이어스톤은 타이어 600여만 개를 전량교체하는 상황이 발생하게 되었으며 이로 인해서 전 세계 자동차산업계에 TPMS에 주목하게 시작하였으며 타이어로 인한 안전사고의 중요성을 알리는 계기가 되었다. 2007년 미국을 시작으로, EU도 2012년부터 TPMS 장착이 의무사항이 되었으며, 우리나라의 경우에는 2013년부터 국내 판매되는 새로운 자동차(승용자동차와 총중량 3.5톤 이하의 승합/화물/특수자동차는 신차)에 한하여 TPMS가 의무 적용되기 시작하였습니다.
◇ TPMS의 작동방식의 종류
운행 중인 자동차를 대상으로 타이어 공기압을 조사한 결과에 따르면 약 17%는 규정값보다 높게, 약 13%는 규정값 범위로, 그리고 약 70%는 규정값보다 낮은 것으로 나타났다. 이와 같은 조사결과는 절대 다수의 자동차들이 항상 공기압이 부족한 상태로 운행되고 있음을 의미한다. TPMS은 공기압이 일정수준 이하로 낮아지면 경고신호를 발생시키고, 더 낮아져 위험한 상황이 되면 경보를 발생하여 운전자가 자동차를 정차시킬 수 있도록 하게 되는 데 작동방식에는 직접방식과 간접방식이 있다.
(1) 간접방식 TPMS
특정 타이어의 공기압이 부족하게 되면 타이어의 둘레가 작아지게 되어, 도로주행 중 해당 타이어 바퀴의 회전속도가 빨라지게 되는 데, 이러한 원리를 특정 타이어의 공기압 이상 으로 판단하는 것이다. 즉 간접방식 TPMS에서는 ABS장치에서 바퀴 회전속도를 감지하는 용도로 사용되는 4개의 휠스피드센서(wheel speed sensor)의 신호를 받아 그 변화를 논리적으로 계산하여 타이어의 내부 공기압력상태를 간접적으로 유추하는 방법을 사용한다. TPMS의 초기 적용단계에서는 사용되었으나, 타이어 마모에 의한 영향도와 오프로드와 같은 비포장도로주행 시에 신뢰도가 떨어지는 단점이 있어 현재는 거의 사용되지 않고 있다.
(2) 직접방식 TPMS
직접방식 TPMS는, 그림과 같이 타이어의 공기 주입 밸브에 각각 타이어 압력센서가 부착되고, 이 압력센서들로 부터 타이어 압력과 온도를 감지하여 직접 계측하고 이를 바탕으로 운전자에게 경고하는 방식이다. 간접방식에 비교하여 시스템의 가격이 높으나 계측 값이 정확하고 시스템이 안정적이어서 현재 대부분의 자동차에는 직접방식 TPMS가 적용되고 있다.
일반적으로 타이어 압력센서는 자동차의 속도가 20Km/h 이상시 동작하며 타이어 공기압과 온도 등을 측정하여 약 15초 주기로 라디오 주파수(RF : Radio Frequency)를 사용하여 TPMS 제어유닛( ECU)에 송신하게 된다. 무게가 약 30~40g 정도로 각 휠의 림(rim)에 각각 장착되고, 센서 내부에는 소형 배터리가 내장되어 있으며 배터리 수명은 약 10년 정도이다.
타이어의 압력이 낮다는 것만 경보하는 로우라인(Low Line)방식 TPMS과, 타이어의 압력이 낮아질 경우 어느 타이어의 압력이 낮은지를 저압경고등과 타이어 위치 경고등을 통해 구체적으로 경보하는 하이라인(High Line)방식 TPMS으로 구분되어 지고 방식(로우라인 혹은 하이라인)에 따라 구성부품이 차이가 난다.
로우 라인(Low Line)방식 TPMS은 타이어의 압력이 낮다는 것만 경보할 뿐 4개 타이어 중에서 어느 타이어의 공기 압력이 낮은 지는 알려주지 않는 방식이다. 그림 2와 같이 로우라인 방식의 TPMS의 구성 부품으로는 타이어압력센서, TPMS ECU, 고장경고등이 있다.
- 하이라인(High Line)방식 TPMS
하이라인 방식의 TPMS은 타이어의 압력이 낮아질 경우 어느 타이어의 압력이 낮은지를 저압경고등과 타이어 위치 경고등을 통해 구체적으로 경보한다. 즉 개별 타이어의 공기압 상태를 확인할 수 있는 장점이 있다. 하이라인 방식의 TPMS 구성품으로는 타이어 압력 센서, TPMS ECU(리시버), 계기판(타이어 저압경고등, 고장경고등, 타이어위치 경고등)으로 구성된다.
타이어 공기압 경보장치의 TPMS ECU(리시버)는 차량의 운행조건에 영향을 줄 수 있는 타이어 내부 압력변화를 경고하기 위해 4개의 타이어 압력센서들로 부터의 RF 데이터인 압력과 온도를 지속적으로 감시하고 정보를 분석하여 개별 타이어의 상태를 판단한 후 경고등 제어에 필요한 신호를 출력하게 된다. 타이어 압력 센서로부터 수신하는 정보들로는 압력, 온도 뿐만 아니라 센서 배터리정보와 ID, 위상차 등이 포함된다. 그림 6과 같이, TPMS는 위치 경고등의 점등과 함께 계기판의 중앙에 “공기압이 낮습니다”라는 메시지를 표출하여 운전자에게 공기압이 낮은 타이어의 위치(뒤바퀴 좌측 타이어)를 알려주게 된다. 4개의 타이어 압력센서로 부터 낮은 공기압 상태를 갖는 타이어 위치 판별에 관련된 설명은 다소 장황하므로 지양하기로 하겠다.
오늘날 자동차의 TPMS는 감지 방식에 따라 크게 직접방식과 간접방식으로 나뉜다. 직접방식은 타이어의 공기 주입 밸브에 센서가 부착되는 형태다. 이 센서가 타이어 내 공기압과 온도를 감지하여 자체 송신기를 통해 차내 수신기로 정보를 실시간으로 전달한다.
이 방식은 상당한 수준의 기술을 요구한다. 직접방식의 TPMS 센서는 주로 마이크로 컨트롤러(Micro Controller Unit, MCU), 압력 센서, 온도 센서, RF 송신기, 그리고 배터리로 구성된다. 여기에 동일한 주파수 대역을 사용하는 TPMS 간의 간섭 및 오작동을 막기 위해 개개의 자동차 전용의 인증 코드를 부여해야 한다. 또한, 타이어 자체가 끊임없는 노면과의 마찰로 인해 열을 많이 받는 부위이기 때문에, 여기에 사용되는 센서는 최소한 영상 40도~영상 180도까지 오르는 가혹한 운행 조건을 견뎌내야 한다. 오늘날에는 분해능(分解能) 감도가 높은 센서의 개발과 같은 기술 발전으로 이러한 난점들이 대부분 해결된 상태로, 대중적으로 쓰이고 있다.
하지만 직접식 TPMS는 제조단가가 높고, 고도의 기술이 필요했기 때문에 TPMS의 도입 초기에는 후술할 간접방식을 주로 사용하였다. 간접방식은 안티-록 브레이크 시스템(Anti-lock Break System, ABS)에서 습득하게 되는 바퀴의 회전수에 대한 정보를 토대로, 타이어의 공기압 상태를 판별하는 방식이다. 공기압이 높으면 타이어의 둘레가 커지고, 낮으면 작아지는 원리를 이용한 것이다.
이 방식은 고도의 기술력을 필요로 했던 직접방식과는 달리, ABS의 개조 작업만을 통해 상대적으로 쉽게 구현할 수 있어, 널리 사용되었다. 그러나 이러한 방식은 주행 중인 차량의 타이어 마모도가 큰 변수로 작용한다. 네 타이어의 공기압이 모두 적정량이더라도 한쪽, 혹은 모든 타이어의 마모도가 심하다면, 정확한 공기압의 상태를 파악하기 어렵다. 또한, 이러한 방식은 타이어의 공기압을 측정하는 데 필요한 분해능 감도가 직접방식에 비해 낮다. 따라서 최근에는 직접방식이 더 증가하고 있는 추세다.
기온이 떨어지는 동절기에는 일시적으로 TPMS 경고등이 점등이 되기도 하는 데, 이는 기온이 낮을수록 공기의 부피가 줄어들기 때문에 타이어 공기압력도 낮아지면서 나오는 일시적인 현상일 수 있습니다. 40Km/h 이상으로 주행 후에 경고등이 사라진다면 공기압 저하를 염려할 필요는 없습니다. 다만 지속적으로 TPMS 경고등이 점등한다면 규정 공기압으로의 압축공기 보충이나 타어어에 대한 진단 점검을 필수적으로 하셔야 합니다.
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