타이어 공기압 모니터링 시스템 (TPMS)

타이어 공기압 모니터링 시스템 (TPMS)

  자동차에서 타이어는 지면에서 차체를 지지하고 움직일 수 있도록 해주며 승차감이나 주행 안전성, 연비에 많은 영향을 주는 부품이기도 하지만 조향성능과 브레이크 성능에도 영향을 주는 부품이다. 이렇게 타이어가 중요한 기능을 유지하려면 타이어에 주입된 공기압력이 적정하여야 한다.

 

  타이어의 규정 공기압력은 자동차 무게나 적재량, 온도에 따라 다르게 결정되지만, 적재량에 큰 변화가 없는 승용차에서는 일반적인 상온에서의 규정 값이라면 외부온도나 승차인원에 따라 공기압을 조정하지 않아도 되지만 현재 타이어의 공기압이 얼마인지 모르는 자동차 사용자들이 대부분이다.

 

 

  타이어 공기압에 따라 승차감이나 자동차의 운동성능이 다르게 나타나지만, 일반적인 주행상태라면 실제적으로는 크게 문제가 되지 않는다. 자동차 사용자에게 직접 영향을 끼치는 것은 비용과 관련된 타이어의 수명이나 연비, 그리고 공기압 저하로 발생하는 타이어의 파손과 이에 따른 사고의 위험성이다.

 

  TPMS는 타이어 압력을 주기적으로 확인하여 타이어 공기압이 시스템에서 정한 범위 (규정압력의 +_10 ~15%)를 초과하면 타이어 공기압력에 이상이 있다는 것을 자동차 사용자에게 알려주는 시스템이다.

 

  초기의 TPMS는 자동차에 적용된 안전장치인 ABS 시스템을 이용하여 ABS 시스템에서 사용하는 휠 속도 센서의 신호를 이용하여 공기압이 낮아지면 타이어의 회전수가 증가하는 원리를 이용하여 자동차의 모든 타이어의 속도를 서로 비교하는 소프트웨어적 방법을 사용하였는데 이 형식에서는 타이어의 마모나 서로 다른 마모량에 의한 오차 등 수많은 변수로 인하여 정확도가 낮아지는 단점이 있다.

 

  이후 타이어 휠 내부에 압력센서와 온도센서, 무선송신기를 일체화하고 안테나 1개를 설치하여 각 타이어의 공기압력을 무선으로 수신하는 무선타입의 TPMS가 개발되었다. 이 시스템은 무선시스템의 약점인 외부 신호에 취약하고 안테나가 1개라 각 타이어의 위치를 정확하게 구별하기 어려워 특정한 타이어의 공기압력이 낮다고 표시할 수 없어 모든 타이어의 공기 압력을 확인하여야 하는 번거로움이 있다. 상대적으로 고가 등의 원인으로 일부 고급차종에만 적용되었다.

 

 

  하지만 2000년 이후에 반도체 기술의 발전과 무선기술의 발전과 함께 타이어 공기압의 문제로 전복사고가 발생했던 미국에서 2003년 이후 미국에서 판매되는 자동차에 TPMS 를 의무적으로 장착되어야 한다는 법이 만들어지면서 기존의 무선 TPMS 시스템에서 센서 당 1개의 안테나를 설치하여 신뢰성을 향상한 1:1형식의 무선 TPMS가 개발되었다. TPMS는 자동차 메이커에서 직접 개발하기보다는 자동차 부품/시스템 업체나 전자 업체에서 개발하고 있으며 기본적인 기능은 같지만 무선주파수대나 무선 송수신 방법, 다른 시스템과의 통합 여부의 차이가 있다.

 

  TPMS 구성부품으로는 센서모듈, 안테나 모듈, 인디케이터, 컨트롤 모듈로 구성된다. 센서모듈은 압력센서와 온도센서, 무선송수신기, 공기주입구가 일체로 모듈화된 것으로 타이어 1개당 1개씩 해당 타이어와 결합된 휠에 설치된다.

 

  센서모듈은 휠 안쪽 타이어 내부에 설치되므로 별도의 전원을 공급할 수 없어 전지를 이용하여 전원을 공급받으므로 전지의 수명이 센서모듈의 수명을 결정하게 된다. 센서모듈에서는 공기압력 신호를 항상 송신하는 것이 아니고 일정한 주기(예를 들면 1분마다 1회씩)로 신호를 송신하며 수신기도 설치하여 평소에는 대기모드에 있다 컨트롤 모듈의 명령에 따라 송신을 개시하기도 한다.

 

  센서모듈은 시스템 메이커나 자동차 메이커에 따라 휠 모듈, 공기압 센서라고 부르며 장착위치(휠)가 진동이 많고 온도변화가 심하여서 내구성이 높아야 한다. 센서모듈은 시스템 메이커나 자동차에 따라 송신기능만 있는 형식과 송신과 수신기능이 모두 있는 형식도 있다. 센서모듈에 고유의 번호(ID)를 부여하여 어느 센서모듈이 자동차의 어느 타이어의 압력을 나타내는지 확인하기도 한다.

 

 

  센서모듈은 타이어마다 1개씩 의무적으로 있어야 하지만 안테나 모듈은 시스템에 따라 1개만 사용하는 형식, 차륜 1개당 1개씩 사용하는 형식, 센서 모듈 2개에 안테나 모듈 1개, 또는 센서모듈 1개당 1개의 안테나 모듈을 사용하는 형식이 있다. 안테나 모듈의 수가 많을수록 비용은 증가하지만, 외부 전파원에 대한 영향이 적고 시스템의 로직도 간단하다. 최근의 TPMS에서 안테나는 센서모듈과 1:1로 설치되기 때문에 무선방식이지만 신뢰성이 많이 향상되었다 .

 

  안테나 모듈은 타이어와 가까운 곳에 무선 노이즈가 작은 곳에 고정하여 설치되는데 센서모듈과 장착거리에 따라 신호의 크기도 변화되는 특징이 있어 자동차가 주행하는 조건에서는 타이어가 회전하므로 센서모듈과 안테나 모듈과의 거리가 가까워졌다 멀어지기를 반복하며 신호를 받는데 다른 타이어의 센서모듈 신호도 감지되지만 가장 가까운 센서모듈의 신호를 자신의 신호로 인정하게 된다.

 

  안테나 모듈은 센서모듈의 신호를 컨트롤 모듈에 전달하기도 하지만 컨트롤 모듈의 신호로 대기모드에 있는 센서모듈을 작동개시 신호를 보내기도 한다. 안테나 모듈 중 수신기능뿐 아니라 송신기능이 있는 것은 LFI(Low Frequency Initiator나 간단하게 Initiator)라고 부르기도 한다 .

 

 인디케이터는 TPMS의 작동결과인 타이어 압력 상태를 자동차 사용에게 시각적으로 알려준다. TPMS 사양에 따라 차이가 많은 것이 인디케이터인데 단순한 경고등이나 알람을 이용하여 자동차 사용자에게 타이어 공기압의 이상을 알려주는 시스템에서부터 LCD 모니터를 사용하여 각 타이어의 압력이나 상태를 숫자나 램프 색상으로 독립적으로 나타내면서 경고 메시지도 규정압력과의 차이에 따라 색상을 변화시키거나 점멸기능을 이용하여 사용자가 쉽게 인지할 수 있도록 한 고급시스템도 있다.

 

 컨트롤 모듈은 센서모듈의 타이어 압력 신호를 안테나 모듈을 통하여 전달받아 시스템에서 정해진 규정 값을 초과하게 되면 인디케이터를 통하여 자동차 사용자에게 알려준다. 컨트롤 모듈은 자신의 시스템(TPMS)이 정상적으로 작동하는지 확인하는 자기진단 모드와 센서모듈이 보내는 신호가 어느 타이어인지를 식별하는 모드, 작동 모드와 대기모드 등으로 로직이 구성된다.

 

 

  센서모듈과 안테나 모듈이 1:1인 경우에는 안테나 모듈의 위치는 변화되지 않으므로 센서모듈의 ID가 일치되는지 확인하면 되고 일치하지 않는다면 컨트롤 모듈은 다른 안테나 모듈의 신호는 차단시키고 해당 안테나 모듈의 신호만 활성화해 가장 신호가 강한 센서모듈을 해당 안테나 모듈의 위치와 일치시키는 방법이나 안테나 모듈의 송신신호에 응답하는 센서모듈을 일치시키는 방법을 사용하는데 이것은 저출력 무선신호는 거리에 따라 신호의 크기 (세기)가 변화하는 것을 이용하는 것이다.

 

  컨트롤 모듈은 다른 시스템과 연동되는 경우에 통합모듈을 사용하기도 하고 독립적으로 사용되기도 하며 일부 제조업체에서는 리시버라고 부르기도 한다.

 

  TPMS는 자동차 IG 전원이 ON 되면 작동되기 시작하여 현재의 타이어 압력을 확인하여 이전의 주행 중에 입력된 타이어 압력과 비교하고 각 센서 모듈의 위치가 변경되지 않았는지 확인하는 절차를 실시하며 이상이 없다면 센서모듈의 전지소모량을 줄이기 위하여 연속적으로 신호를 보내지 않고 일정한 시간을 두고 정기적으로 송신하게 된다.

 

  1개의 타이어에 센서모듈과 안테나 모듈이 조합된 1:1 형식에서는 각 센서모듈의 위치 (타이어의 위치)를 검출하기 편하며 센서모듈의 신호발생 주기나 검출 로직은 다른 시스템 (ABS) 과의 연동이나 센서모듈의 수신기능, 안테나 모듈의 송신기능에 따라 다르게 설정된다.

 

  현재 TPMS 전문 업체로는 독일의 BERU 와 미국의 TRW가 있으며 쌍용자동차와 포르쉐, 벤츠, 폴크스바겐, 아우디, 랜드로버는 BERU시스템을 사용하며 현대자동차는 미국의TRW시스템을 적용한 것으로 보인다.