자동차의 시동장치

저자 소개
김민복 교수는 현대전자(주) 자동차 전장품 생산기술 과장을 거쳐 현대자동차 자동차 품질조사 고객지원 팀장을 역임했다. 그후 현대자동차 정비기술지원 하이테크팀에서 근무했으며, 현재 신흥대학교 자동차과 겸임 교수 겸 e-자동차 전기 연구원으로 활동하고 있다. 주요 저서로는 ‘최신 자동차 전기, 전자 제어 엔진’ 외 다수가 있다.
 

연재순서 1. 자동차의 전장품 분류  2. 시동장치 3. 충전장치  4. 점화장치 5. 등화장치  6. 계기장치 7. 자동차용 전선, 커넥터  8. 전자 제어 엔진(1) 9. 전자 제어 엔진(2)  10. 전자 제어 섀시(1) 11. 전자 제어 섀시(2)  12. 전자 제어 전기

시동장치의 종류와 구성

자동차의 시동장치는 엔진이 정지되어 있는 크랭크 샤프트(crank shaft)를 구동하여 엔진을 시동하는 장치로, 시동 조작 형식에 따라 아래와 같이 점화 스위치의 절환에 의한 키 스위치 절환식 시동장치와 리모컨 조작에 의한 원격 시동장치, 푸시 버튼에 의한 버튼식 시동장치로 구분할 수 있다.
 

• 키 스위치 절환식 시동장치
• 리모컨 제어식 원격 시동장치
• 스마트 시스템을 도입한 버튼식 시동장치

리모컨 제어식 원격 시동장치는 키 스위치 절환식 시동장치에 스타트 릴레이(start relay)를 일정 시간 제어하기 위한 수신 제어 모듈과 리모컨이 추가된 시스템으로 편의성을 도모한 시동장치이다. 이에 비해 버튼식 시동장치는 사용자의 ID(Identifi-cation)를 인식하기 위한 송수신 모듈과 스타트 릴레이를 제어하기 위한 컨트롤 모듈로 구성된 원격 제어 스마트 시스템이다. 이들 시동장치의 기본적인 구성은 그림 1의 회로와 같이 크랭크 샤프트의 링 기어(ring gear)를 기동(起動)하기 위한 시동 모터와 시동 모터를 구동하기 위한 고율 방전 특성의 배터리, 그리고 시동 회로의 접점 소손과 원격 제어가 가능하도록 스타트 릴레이, 그리고 AT(Automatic Transmission) 차량인 경우 자동 변속기의 변속 조작 스위치인 인히비터 스위치(inhibitor switch) 및 점화 스위치로 구성되어 있다는 것은 기본적으로 동일하다. 이들 구성품 중 시동장치에 중심이 되는 시동 모터는 엔진의 크랭크축을 구동하기 위해 구동력이 큰 토크(torque)를 요구하고 있어 보통 직권식 모터를 많이 사용하고 있다.
직권식 모터는 필드 코일(field coil)과 아마추어(armature)가 직렬로 결선된 방식으로, 기계적인 부하가 증대되어 모터의 회전수가 저하되면 아마추어 코일은 필드 코일의 자계 내에 회전하는 자체 유도 기전력은 감소하게 되어 배터리로부터 필드 코일로 흐르는 전류는 오히려 증가하게 된다. 따라서 코일에 흐르는 전류 I는 자속 Φ에 비례 관계를 가지고 있어 모터의 회전 토크가 증가하는 특성을 가지고 있다. 즉, 직권식 모터의 부하를 걸어 회전 속도가 저하하면 할수록 모터의 회전력은 증가하게 돼 초기 엔진을 기동하는 데 적합한 특성을 가지고 있어 시동 모터의 주종을 이루고 있다.

시동 시 모터에 흐르는 크랭킹 전류는 보통 승용차의 경우 50~250 A 정도, 상용차의 경우에는 150~500 A 정도 흐른다. 따라서 자동차용 배터리에 있어서 무엇보다 중요한 것은 엔진을 시동하기 위한 크랭킹(cranking) 전력을 충분히 공급할 수 있는 일이라고 할 수 있다. 이와 같은 일로 자동차용 배터리에는 엔진의 시동성을 나타내는 고율 방전 특성을 규정하고 있다.

고율 방전 규격은 완전 충전 후 -15 ℃에서 16시간 이상 방치 후 배터리의 랭크(rank)에 따라 150~300 A의 방전 전류를 5초 또는 30초간(배터리의 랭크에 따라) 흘려 단자 전압이 규정값 이상을 규정하고 있다. 또한 저온 시 고율 방전은 CCA(Cold Cranking current)로 나타내고 있는데, 이것은 그림 2의 특성과 같이 배터리를 완전 충전 상태에서 -18 ℃를 유지한 후, 30초간 전압이 7.2 V가 되는 전류를 CCA(저온 고율 방전 전류)를 규정하여 배터리의 가혹 조건 하의 냉간 시동성을 나타내고 있다. 따라서 배터리의 CCA 값이 크면 그 만큼 시동 능력이 좋다고 할 수 있다.
시동 모터

시동 모터의 작동은 시동 시에만 모터의 피니온 기어(pinion gear)가 엔진의 링 기어와 치합하여 회전하고, 시동 후에는 치합이 이탈되어 원래의 자리로 돌아가 정지하도록 되어 있다. 따라서 시동 모터의 주요 구조는 그림 3과 같이 회전력을 발생하는 모터부(아마추어 코일, 필드 코일)와 모터에 전원을 공급하기 위한 마그네틱 스위치, 피니언 기어를 엔진의 링 기어와 치합하기 위한 마그네틱 스위치의 플런저(plunger)와 시프트 레버, 시동 후 피니언 기어가 이탈해 원위치로 돌아오도록 하는 오버 런닝 클러치(Over running clutch), 그리고 무부하 시동 시에도 일정 부하를 걸 수 있도록 한 브레이크부로 구성되어 있다.

시동 모터의 동력을 전달하는 경로는 일반적으로 그림 3과 같이 아마추어의 축과 직결되어 있는 피니언 기어가 직접 엔진의 링 기어를 회전시키는 방식과 아마추어의 피니언 기어가 감속 기어(Reduction gear)와 연결되어 회전력을 증대시키는 방식이 사용되고 있다. 피니언 기어가 직접 엔진의 링 기어를 회전시키는 방식을 직결식 시동 모터라고 하고, 피니언 기어가 감속 기어와 연결되어 회전력을 증대시키는 방식을 리덕션식 시동 모터라 한다. 현재 주종을 이루고 있는 마그네틱 스위치식 시동 모터에는 직결식 시동 모터와 리덕션식 시동 모터가 사용되고 있다.

시동 모터를 소형화하는 데에는 모터의 효율을 향상하지 않으면 안되는 데, 모터의 효율을 향상하기 위해서는 모터에 흐르는 전류가 중심이 된다고 볼 수 있다. 시동 모터에 전류가 증가하면 주울열(Joule heat)에 의해 모터는 급격히 온도가 상승하게 된다. 결국 시동 모터를 소형화하기 위해서는 온도 상승에 충분히 견딜 수 있는 재료를 사용하지 않으면 안된다. 또한 모터를 소형화하기 위해서는 아마추어 코일을 소형화하지 않으면 안되는데, 모터를 소형화하기 위해서는 코일의 권수를 작게 감지 않으면 안된다. 즉, 모터는 회전수가 증가하는 고속형 모터의 구조를 하게 된다.

이와 같이 시동 모터는 고속형 모터를 기어를 감속해 회전력을 증대하기 위한 근본 이유는 아니지만, 대전류에 의한 모터보다는 소형화가 가능하기 때문이라고 할 수 있다.
직결식 시동 모터의 경우에는 주로 회전력이 낮은 소형차에 많이 적용되고 있으며 리덕션식 시동 모터는 소형에서부터 중형 차량까지 폭넓게 적용되고 있다.

(1) 마그네틱 스위치
시동 모터의 내부 회로는 그림 4와 같이 모터부와 마그네틱 스위치로 구성되어 있다. 모터부에는 아마추어 코일과 필드 코일이 직렬로 연결되어 마그네틱 스위치의 M-단자와 연결돼 있고, 마그네틱 스위치의 플런저에는 풀링 코일(pulling coil)과 홀딩 코일(holding coil)이 서로 반대로 감겨 직렬로 연결되어 있는 구조를 하고 있다. 또한 마그네틱 스위치의 접점에는 차종에 따라 50~250 A 정도 대전류가 흐르기 때문에 접점의 재질로는 동(Cu)을 사용하고 있다.
마그네틱 스위치의 작동을 살펴보면 마그네틱 SW의 S-단자를 통해 전원이 공급되면 한쪽은 풀링 코일과 필드 코일을 통해 약 40 A 정도의 전류가 흘러 모터는 서서히 회전을 시작하게 되고, 한쪽은 홀딩 코일을 통해 약 10 A의 전류가 흘러 플런저는 자화되어 접점으로 흡인되게 된다. 이때에는 풀링 코일과 홀딩 코일이 자속 방향이 서로 일치돼 흡인력이 강하게 되어 마그네틱 스위치의 접점에 플런저는 빠른 속도로 접촉하게 된다. 접점이 접속되면 배터리 B-단자로부터 상시 전원은 마그네틱 SW의 접점을 통해 모터부로 공급하게 된다. 엔진 시동이 걸려 점화 스위치를 OFF 하면 배터리 B-단자의 상시 전원은 M-단자를 통해 풀링 코일과 홀딩 코일로 전류가 흘러 자속은 서로 상쇄된다.
이 때에는 풀링 코일과 홀딩 코일의 자속이 서로 반대가 되어 상쇄되고 플런저 리턴 스프링에 의해 빠르게 접점으로부터 탈락하게 되는 구조를 가지고 있다.

아마추어의 커뮤테이터(commutator)에 전원을 연결하는 브러시(brush)는 전류가 잘 흐르는 물질은 물론 커뮤테이터의 고속 회전으로 브러시가 잘 마모되지 않는 것을 요구하고 있다. 시동 모터와 같이 대전류가 흐르는 곳에서는 동(銅) 분말과 흑연 분말을 혼합하여 압착 소결하여 사용하는 것이 일반적이다.

12 V용 모터의 경우에는 보통 동 75 %, 흑연 25 % 정도를 혼합한 것을 사용하고, 24 V용 모터의 경우에는 열에 충분히 견딜 수 있도록 동 65 %, 흑연 35 % 정도를 혼합한 것을 사용한다.

(2) 시동 모터의 특성
그림 5는 직권식 시동 모터의 출력 특성을 나타낸 것으로 모터의 구동 토크 T(kgf.m)와, 회전 속도 N(rpm), 출력 P(kw)의 관계를 나타낸 것이다. 모터의 동력을 나타내는 출력 P는 토크 T와 회전수 N의 곱으로 표시한다.

먼저, 시동 모터가 무부하 상태 일 때를 생각해 보면 모터의 회전 속도는 대단히 크게 되지만 반대로 모터의 구동 토크는 모터의 회전속에 의한 것만을 제외하면 무부하 시 구동 토크는 0이 되어 결국 무부하 시 출력은 0이 된다. 반대로 모터의 기계적인 부하 상태가 최대로 된 정지 상태일 때 모터의 회전 속도가 0이 되어도 구동 토크는 대단히 크게 증가하여도 출력은 결국 0이 되고 만다. 그림 5의 특성에서 볼 수 있듯이 토크 T와 회전수 N의 곱이 무엇보다 크게 되는 위치는 출력이 최대가 되는 중앙 위치가 된다.
따라서 엔진을 크랭킹하는 경우에는 출력 특성이 큰 범위에서 사용하는 것이 바람직하다. 그러나 계절에 따라 엔진의 크랭킹 저항이 달라 동일 조건의 부하를 항상 유지할 수가 없어 배터리의 전원 전압 특성과 시동 모터의 출력 관계를 같이 표시하고 있다. 또한 크랭킹 시 대전류로 인해 급격한 온도 상승으로 모터가 연손하는 것을 방지하기 위해 설계 상 30초 이상 연속해 크랭킹하는 것을 고려하고 있지 않다. 

시동장치의 고장과 진단

시동장치의 고장 현상은 크랭킹이 전혀 되지 않는 경우와 크랭킹이 되는 데도 불구하고 시동이 되지 않는 경우로 구분할 수 있다. 전자의 경우는 배터리 가부(可不) 여부를 판단하여 배터리의 이상이 없는 경우에는 시동 회로에 기인한 것으로 점화 퓨즈 및 터미널 연결 상태를 확인한 후 시동 회로를 점검하는 것이 점검 수순이다. 반면, 후자의 경우에는 크랭킹이 정상적으로 되는 경우로 시동 회로 이외의 부분에 기인한 것으로 판단하여 점화 장치나 연료 공급 장치를 점검하는 것이 수순이다.

시동 회로의 점검은 크랭킹이 전혀 되지 않는 경우는 물론, 마그네틱 스위치의 작동음은 들리는데 크랭킹이 되지 않는 경우나, 크랭킹 시 시동 모터의 회전속 저하의 원인 점검에도 적용된다. 시동 회로의 점검 방법에는 현상에 따라 회로의 전압 강하를 측정하여 진단하는 방법과 시동 모터의 크랭크 전류를 측정하여 진단하는 방법, 정비 현장에서 자주 사용하는 간이 점검 방법 등이 사용되고 있다. 회로의 전압 강하를 점검하는 방법에는 시동 모터의 어스 상태 점검과, 시동 모터의 B-단자 케이블 전압 강하 시험, 마그네틱 스위치 접점의 전압 강하 시험 등을 측정하여 판단하는 방법이 사용되고 있다. 또한 시동 모터의 크랭킹 전류를 측정하여 시동 회로를 진단하는 방법은 시동 모터의 크랭킹 전류와 배터리의 전압 강하치를 측정하여 진단하는 방법이다. 

이 방법은 시동 모터의 B 케이블에 클램프 테스터(clamp tester)를 연결하고 멀티미터를 이용하여 배터리의 전압 강하를 확인하는 방법이다. 크랭킹 전류가 규정치보다 작고 배터리 단자 전압이 10 V 이하인 경우에는 배터리의 이상으로 판단하며, 크랭킹 전류가 규정치보다 낮고 배터리 전압이 11 V 이상인 경우에는 시동 모터와 주변에 연결되어 있는 와이어 하니스(wire harness)나 배터리 터미널, 시동 모터의 어스 상태 등의 접촉 불량을 예상할 수 있다. 또한 시동 모터의 크랭킹 전류가 규정치를 훨씬 초과하고, 배터리 터미널 양단 간 전압 강하가 10 V 이하인 경우에는 시동 모터의 자체에 이상이 있는 것으로 판단할 수 있다. 즉 이 방법은 크랭킹 전류량과 배터리의 전압 강하를 측정하여 시동 회로를 진단하는 방법으로 시동 모터의 전류량 변화와 배터리 능력을 동시에 확인할 수 있다는 측면이 있다. 여기서 말하는 크랭킹 전류의 규정치란 표 1과 같이 시동 모터의 정격에 의한 예를 나타낸 것으로, 이 값은 시동 모터의 종류와 차량의 배기량에 따라 달라지므로 참고하기 바란다.
시동 모터의 단품을 점검하기 위한 방법으로는 마그네틱 스위치의 풀링 코일과 홀딩 코일의 흡인력과 유지력을 점검하는 방법과 시동 모터의 무부하 시험 예를 들 수 있다. 먼저, 시동 모터의 M-단자를 떼어놓고 마그네틱 스위치를 동작시켜 플런저의 흡인 상태와 플런저의 유지 상태를 점검하는 방법이다. 이에 비해 무부하 시험은 시동 모터의 무부하 상태에서 시동 모터의 전류를 측정하여 표 2의 범주 내에 있는 지를 확인해 보는 시험이다. 그밖에도 시동 모터가 크랭킹이 되지 않는 이유로는 시동 모터의 피니온 기어(pinion gear)와 엔진의 크랭크 샤프트의 링 기어 소손에 의한 기어 치합 불량에 의한 결함이나 시동 모터의 오버 런닝 클러치(over running clutch)의 기계적인 결함에 의한 것도 생각해 볼 수 있다. <끝>

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AEM_Automotive Electronics Magazine