OBD

OBD(On-Board Diagnostics) 또는 온보드 진단기는 자동차의 상태를 진단하고 결과를 알려주는 장치이다.

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개요

OBD는 자동차의 전기/전자적인 작동 상태를 확인하고 제어하기 위한 진단 규격이다. 자동차는 여러 가지 계측과 제어를 위한 센서를 탑재하고 있고, 센서들은 ECU(Electronic Control Unit)가 제어하고 있다. ECU의 원래 개발 목적은 점화시기와 연료 분사, 가변 밸브 타이밍, 공회전, 한계값 설정 등 엔진의 핵심 기능을 정밀 제어하는 것이었으나, 차량과 컴퓨터 성능의 발전과 함께 자동변속기 제어를 비롯해 구동계통, 제동계통, 조향계통 등 차량의 모든 부분을 제어하고 있다. 만약 감시하고 있는 시스템들에 고장이 발생할 경우, 고장 내역은 ECU에 저장되며, 표준화된 인터페이스를 통해 이를 조회할 수 있다. 이 외에도 추가로 계기판의 고장 지시등(MIL：Malfunction Indicator Lamp) 또는 메시지를 통해 운전자에게 고장 메시지를 전달한다. 이러한 전자 진단 시스템은 거듭 발전해, 최근 OBD-II(On-Board Diagnostic version II)라는 표준 진단 시스템이 되었다.

역사

자동차가 처음 나왔을 때만 해도 전자장치라는 것은 존재하지 않았기 때문에 당연히 OBD라는 개념도 존재하지 않았다. 그러다 1960년대 말부터 트랜지스터와 IC 등 전자부품이 발전하고, 자동차 업계에서도 엔진 출력의 강화와 배기가스 감소 등 여러 문제를 해결하고자 엔진을 아날로그 방식이 아닌 전자적인 방식으로 제어하려는 움직임이 시작됐다. 그러한 엔진의 흡기/배기 등 작동을 제어하는 컴퓨터를 ECU(Engine Control Unit)라고 한다. 지금은 그 개념이 엔진을 넘어 트랜스미션 등 다른 파워트레인 영역까지 제어하는 형식으로 바뀌었는데, 이를 PCM(Powertrain Control Module)으로 부르기도 한다. OBD는 바로 이 ECU/PCM이 내보내는 정보를 운전자 또는 정비 엔지니어가 확인할 수 있도록 하는 규격이다. OBD라는 이름이 나온 것은 나중의 일이지만 이미 1960년대 후반부터 폭스바겐을 비롯한 일부 자동차 제조사들은 전자식 연료 분사 제어를 도입하면서 원시적인 스캐닝 시스템을 갖추기 시작했고, 1980년대 들어 제너럴모터스에서 독자 규격인 ALDL이라는 지금의 OBD 개념과 비교적 비슷한 것을 내놓았다. 1970년대에 들어와서 환경오염이 심각한 사회문제가 되면서 환경에 대한 관심이 증가하게 됨에 따라 미국환경보호국(Environmental Protection Agency)이 설립되었다. 미국환경보호국은 환경오염원인 자동차의 환경오염 물질 배출을 제한하기 위한 목적으로 새로운 표준을 제정하였으며, 자동차 제조사들은 이 표준에 근거하여 자동차의 연료공급 장치와 점화 장치를 전자식으로 제어하는 방법을 고안하게 되었다. 나아가 1988년 미국 자동차 공업 협회(Society of Automative Engineers)는 진단 테스트 신호를 처리하는 표준 플러그 커넥터와 온보드 진단 프로그램 표준인 OBD를 제정하였으며, OBD 표준은 그 후 보완을 거쳐 OBD-1.5, OBD-II라는 이름의 표준으로 발전하였다. 이후 1991년 미국 캘리포니아주의 환경 관련 부서(CARB)에서 캘리포니아주에서 팔리는 모든 신차에 OBD(OBD-I) 인터페이스를 넣을 것을 의무하면서 사실상 표준 인터페이스로 자리잡았고, 1996년부터는 아예 미국에서 팔리는 모든 신차에 OBD-Ⅱ 규격을 의무화했다. OBD-Ⅱ는 배출가스의 모니터링을 주 목적으로 제안되었다. 2005년 1월부터는 대한민국에서 판매되는 모든 승용차에 대하여 OBD-II 시스템의 장착이 의무화되었다.

기능

OBD 시스템은 다음과 같은 하위 시스템 및 센서들을 지속적으로 또는 주행 사이클마다 감시한다. 주행 사이클은 기관을 시동, 일정한 회전속도와 주행속도로 주행하고 감속, 기관을 정지하는 것을 의미한다. 이때 기관 냉각수 온도는 최저 22℃에서 70℃까지 변화되어야 한다.

• 촉매기의 기능, 촉매기 히터
• 공기비센서의 기능
• 기관 실화 감시 시스템
• EGR-시스템의 기능
• 연료탱크 환기시스템(증발가스 시스템)의 기능
• 2차공기 시스템의 기능
• 배기가스 관련 부품의 전기회로

동작 원리

ECU는 엔진의 성능이 최고가 되도록 공연비 제어, 점화시기 제어, 공회전 속도의 제어, 자기진단 제어, 페일세이프(fail-safe) 제어, 통신기능 등을 담당한다. 또한 만약 시스템에 고장이 발생한 경우에는 그 원인과 고장코드를 메모리에 저장하고 단자를 통해서 외부의 진단 장비에게 시스템의 이상 부위와 고장을 진단할 수 있도록 하는 역할을 한다. 검출된 이상 부위는 미리 정해진 고장코드로 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 메모리에 의해 백업되어 있어서 차량 시동이 꺼진 상태에도 그 내용은 보존된다. 이렇게 저장된 고장코드는 아래 표와 같은 OBD-II 규격의 메시지를 통해 진단 장비로 전달된다.

Header1

Header2

Header3

Data1

Data2

Data3

Data4

Data5

Data6

Data7

CRC

Data1은 차량 상태를 나타내며, 여러 가지 데이터를 표시한다. Data2은 PID(Parameter ID)를 나타내며, 차량의 ECU로부터 받은 정보 데이터들을 사용자가 확인할 수 있도록 지원 가능 여부를 결정하고, Data3~7은 차량 상태 데이터로써 고장 여부, 엔진의 상태, 냉각수의 상태, 속도, 배터리 상태 등을 1바이트씩 저장하여 나타낸다. 그리고 마지막의 CRC는 통신 오류의 발생 여부를 알린다.

분류

OBD-I

최초 OBD-I의 목적은 자동차 제조사가 자동차의 사용 기간 동안 신뢰할 수 있는 배출가스 제어 시스템을 만드는 것이었다. 캘리포니아에서 연간 배출가스 시험에 통과하지 못하는 차량을 등록하지 못하게 해 운전자가 시험을 패스하는 데 더 믿을 만한 차량을 구매하게 하는 것이 목적이었다. 하지만 이러한 기대는 대체적으로 성공하지 못하고, 배출가스 진단 정보는 신뢰할 만한 것이 아니었다. 믿을 만하고 표준화된 배출가스 정보를 모든 차량에서 얻는 기술을 구현하는 어려움이 연간 시험 프로그램을 효과적으로 실행하기 어렵게 했다. 이어서 등장한 OBD-II는 차량의 배출가스 진단과 고장 정보를 하나의 기기로 모든 차량에서 검색할 수 있고, 안전 및 섀시의 고장 정보 확인과 검색이 가능하여 자동차의 소유자와 수리 기술자가 고장을 더 빨리 파악하고 접근하게 해 준다.

OBD-II

촉매기의 기능 감시

엔진 ECU는 촉매기의 앞/뒤에 설치된 2개의 λ–센서의 출력신호를 서로 비교한다. 공기비제어는 촉매기 전방에 설치된 제1 λ–센서의 신호에 근거해서 수행된다. 촉매기의 기능감시는 촉매기 후방에 설치된 제2의 λ–센서가 담당한다. 제1 λ–센서로는 배기가스 중의 산소농도에 비례하여 전압이 변화하는 특성을 가지고 있으며 정상작동온도 약 750℃인 λ–센서가, 제2 λ–센서로는 λ＝1에서 전압값이 급격히 변화하는 특성을 가지고 있으며 정상작동온도 약 350℃인 λ–센서가 주로 사용된다. 촉매기의 정화효율이 높으면 제2 λ–센서의 출력전압은 중간값 부근에서 맥동하게 된다. 촉매기는 노후도에 비례해서 산소저장능력이 감소되므로, 노화되면 CO와 HC를 많이 산화시킬 수 없게 된다. 그렇게 되면 촉매기 전방/후방의 산소농도에 차이가 거의 없게 되고, 따라서 제2 λ–센서의 신호는 제1 λ–센서의 제어신호와 비슷한 형태가 되게 된다. 촉매기의 기능저하가 감지되면, ECU는 이를 고장으로 저장하고 동시에 운전자에게 고장을 알린다.

람다 센서 감시

엔진 ECU에는 제1 λ–센서의 공기비제어 주파수의 한계값이 저장되어 있다. 예를 들어 센서가 열적으로 노화되면, 공기/연료 혼합기의 변화에 대한 센서의 반응속도가 느려지게 된다. 즉 제어주파수가 감소하게 된다. 제어주파수가 한계값 이하로 낮아지게 되면 고장이 저장된다.

기관 실화 감시 시스템

실화에 의해 회전토크의 리듬이 파괴되면 즉, 회전토크가 순간적으로 함몰되게 되면 기관의 작동상태는 거칠어지게 된다. 유도센서가 크랭크축에 설치된 특수 기어휠(증분 기어휠)에서 이 작동상태의 거칠기를 감지하여 엔진 ECU에 맥동신호로 전송한다. 기관의 맥동이 한계값을 초과하게 되면 고장이 기록된다. 이 외에도 실화율이 일정 수준(5~20% 범위에서 다양)을 초과하게 되면, 해당 실린더의 분사밸브는 연료분사를 중단하게 된다. 이를 통해 촉매기가 열부하에 의해 손상되는 것을 방지한다.

EGR 기능 감시

EGR 기능은 타행주행 시 EGR밸브를 연 상태에서 흡기다기관압력을 측정하여 감시한다. EGR 시스템의 기능이 정상일 때 EGR밸브를 열면, 흡기다기관과 배기다기관이 서로 연결되므로 흡기다기관압력이 변화되어야 한다. 이때 흡기다기관압력이 변화하지 않으면 고장이 저장된다.

증발가스제어장치의 기능 감시

연료탱크 환기시스템의 기능은 λ–센서의 전압으로 점검할 수 있다. 점검은 대부분 공전속도에서 이루어진다. 먼저 연료탱크환기밸브를 닫은 상태에서 λ–값을 측정한다. 이어서 환기밸브를 열고 λ–값을 측정한다. 활성탄여과기에 증발가스가 많이 포집되어 있을 때 환기밸브를 열면, 연료/공기 혼합비는 농후해지게 된다.(Uλ－sensor＝800mV~900mV) 만약 활성탄여과기에 증발가스가 포집되어 있지 않을 때 환기밸브를 열면, 연료/공기 혼합비는 희박해지게 된다.(Uλ－sensor＝300mV~100mV) 그리고 ECU는 이 값을 기록한다. 기능 시험은 여러 번 반복된다. 일정 횟수의 기능시험에서 그 값이 타당한 것으로 나타나면, ECU는 연료탱크 환기시스템의 기능이 정상인 것으로 판정한다.

2차공기 시스템의 기능감시

2차공기 시스템의 기능은 λ–센서의 전압으로 감시한다. 기관이 차가울 때, 그리고 난기운전 중 2차공기 공급펌프는 기관의 부하와 회전속도에 따라 자동으로 스위치가 켜진다. 2차공기 시스템이 정상일 때 2차공기 공급펌프 스위치가 켜지면, λ–센서의 전압은 희박한 범위(300mV~100mV)를 지시해야 한다. 측정은 냉시동단계(약 1.5분)에서 일정한 시간간격으로 반복된다. λ–센서의 전압값이 낮게 나타나는 횟수가 충분히 많으면, ECU는 2차공기 시스템의 기능이 정상인 것으로 판정한다.

활용도

OBD는 본래 목적인 차량의 고장 지점 예측 확인용으로 중요한 역할을 한다. 각 센서는 지정된 범위를 넘는 이상 상태를 발견하면(엔진의 미스파이어, 과전압, 과열 등) 그 내용을 ECU로 전달하고, ECU는 그것을 저장하고 OBD 인터페이스를 통해 스캐너로 전달한다. 계기판의 엔진 경고등과 달리 스캐너는 정확한 오류 코드를 알려주며, 스캐너로 이상 지점을 확인한 엔지니어는 그 부분을 수리하여 최소한의 노력과 부품 교환만으로 수리를 끝마칠 수 있다. OBD는 전문가의 영역을 넘어 아마추어 마니아, 심지어 자동차 초보운전자까지도 도움이 되는 용도로 쓰이고 있다. 과거에는 수십에서 수백만 원대의 스캐너 장비를 갖춰야만 OBD의 정보를 구체적으로 볼 수 있었지만, 이제는 블루투스 방식 OBD-Ⅱ 인터페이스를 연결하여 스마트폰 또는 태블릿 PC에 설치하는 스캐너 앱을 통해 이러한 오류 코드를 운전자가 직접 볼 수 있게 되었다. 지금의 자동차는 엔진의 흡기, 폭발, 배기부터 트랜스미션 조작 등 차량의 핵심적인 부분을 전부 전자 제어에 의존하고 있어 OBD 단자가 보내주는 정보는 자동차의 상태 및 주행 상태에 대한 많은 것을 담고 있어 운전자가 차량의 상태를 확실히, 편하게 알 수 있게 된다. 가장 기본적으로 속도, 엔진 회전수, 수온 및 유온, 전압, 흡기량 및 연료 분출량, 액셀러레이터 개방 정도, 공연비 등 산소센서의 정보, 배기온 등 엔진과 관련한 여러 정보를 볼 수 있고, 차량에 따라서는 트랜스미션의 단수 등 엔진 계통 이외의 정보도 출력할 수 있다. 여기에 더해 이렇게 입력을 받은 정보를 바탕으로 자동차의 순간 연비, 이산화탄소 발생량 등 다양한 차량 운행 정보를 예측할 수 있게 된다. 차량이 모니터링할 수 있는 많은 정보를 단자 하나로 출력할 수 있는 만큼 엔진 각 부분에 하나씩 선을 따 연결해야 하는 여러 게이지를 하나로 통합할 수 있었는데, 시중에서는 '에코 게이지'라는 이름의 이러한 OBD-Ⅱ 규격 게이지를 팔고 있으며, iOS나 안드로이드 스캐너 앱은 대부분 이러한 게이지 기능을 포함하고 있다. 최신 차량의 경우, 굳이 진단기를 따로 살 필요도 없이 그냥 차량 내부 디스플레이에 자체 진단 기능이 내장되어 있는 경우도 많다. 이 경우는 그냥 단자에 특정 진단 플러그 하나 꽂아주면 바로 차량 인터페이스에 진단 결과가 바로 뜬다.

전망

최근 사물인터넷(IoT) 기술이 발전하면서, 자동차와 IoT가 결합된 기술이 큰 이슈로 대두되고 있다. 이미 OBD 단자에 블루투스 및 와이파이 모듈을 장착하여, 스마트폰 및 태블릿 PC 등의 스마트 기기를 통해 자동차의 OBD 정보를 확인하는 수 많은 제품이 출시되었고, 그 밖에 단순히 OBD 정보를 확인하는 것뿐만 아니라 택배 업무에 활용하거나, 자동차 사고 상황 분석에 활용하는 등 새로운 부가 가치를 창출하고 있다. 자율주행의 핵심 기술인 V2X(Vehicle to Everything) 관련 기술에도 이미 접목되어 개발이 진행 중이며, 앞으로도 광범위하고 다양한 분야에서 OBD를 적용한 기술이 활용될 전망이다.

참고자료

• 〈OBD〉, 《나무위키》
• 〈온보드 진단기〉, 《위키백과》
• 〈OBD의 개요〉, 《네이버 지식백과》
• 〈OBD-Ⅱ의 감시 기능(발췌)〉, 《네이버 지식백과》
• 슈어소프트테크, 〈OBD(On Board Diagnostics) 소개〉, 《네이버 블로그》, 2018-05-23

같이 보기

• ECU

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