세미 액티브 서스펜션(semi-active suspension)은 차량의 서스펜션 시스템 중 하나로, 진동 억제를 위해 댐퍼의 감쇠 계수를 실시간으로 변화시켜 차체의 진동을 제어하는 방식의 서스펜션을 말한다. 액티브 서스펜션(active suspension)의 한 종류로 분류되며, 풀 액티브 서스펜션(full active suspension)과 구별되는 개념이다.
정의 및 작동 원리
세미 액티브 서스펜션은 차체와 차륜(또는 대차) 사이에 설치된 댐퍼의 감쇠 계수를 전자 제어를 통해 변화시킴으로써 차체의 진동을 억제하는 구조로 되어 있다. 풀 액티브 서스펜션과 달리 진동 억제를 위해 별도의 동력원(액추에이터)을 사용하지 않고, 외부에서 입력된 진동 에너지의 일부를 이용하여 작동한다. 따라서 서스펜션 구동에 필요한 에너지를 절약할 수 있다는 장점이 있다.
또한 제어부가 고장 등으로 작동하지 않을 경우에도 일반적인 댐퍼로서 기능하기 때문에 안전성이 확보되며, 구조가 비교적 간결하여 비용이 저렴하고 탑재성이 뛰어난 특징이 있다. 그러나 발생할 수 있는 힘이 한정되어 있기 때문에, 스카이 훅(skyhook) 이론을 그대로 적용하더라도 풀 액티브 서스펜션과 동등한 성능을 얻을 수는 없다는 한계가 있다.
액티브 서스펜션과의 구분
액티브 서스펜션은 크게 두 가지 부류로 나뉜다. 하나는 각 바퀴에서 차체를 독립적으로 승강시키는 액추에이터를 사용하는 '진정한 액티브 서스펜션(true active suspension)'이고, 다른 하나는 쇼크 업소버의 감쇠 특성만을 변화시키는 '어댑티브(adaptive) 또는 세미 액티브(semi-active) 서스펜션'이다.
어댑티브 서스펜션과 세미 액티브 서스펜션은 모두 쇼크 업소버의 점성 감쇠 계수만을 변화시키며 서스펜션 시스템에 에너지를 추가로 공급하지 않는다는 공통점이 있다. 다만 어댑티브 서스펜션은 일반적으로 응답 속도가 느리고 제한된 수의 감쇠 계수 값만을 제공하는 반면, 세미 액티브 서스펜션은 수 밀리초 수준의 빠른 응답 시간을 가지며 넓은 범위의 감쇠 값을 실시간으로 제공할 수 있다. 따라서 어댑티브 서스펜션은 주로 컴포트, 노멀, 스포츠 등의 주행 모드에 대응하는 감쇠 계수를 제공하는 데 그치는 경우가 많고, 세미 액티브 서스펜션은 도로 조건과 차량의 동역학에 따라 감쇠를 실시간으로 조절한다.
주요 기술 방식
세미 액티브 서스펜션은 구현 방식에 따라 크게 두 가지로 나눌 수 있다.
첫째는 솔레노이드 밸브 방식이다. 이는 쇼크 업소버 내부의 유압 매체 흐름을 솔레노이드 밸브로 조절하여 감쇠 특성을 변화시키는 방식으로, 가장 경제적이고 기본적인 형태이다. 제어 컴퓨터가 일반적으로 스카이 훅 기법에 기반한 제어 알고리즘에 따라 밸브에 명령을 전송한다. 이 방식은 1983년 도요타 소어러(Toyota Soarer)에 최초로 양산 적용된 도요타 전자 변조 서스펜션(TEMS)을 비롯하여, 캐딜락의 컴퓨터 커맨드 라이드(CCR), 닛산의 슈퍼 소닉 서스펜션 등에 사용되었다.
둘째는 자기유변(magnetorheological) 댐퍼 방식이다. 이는 댐퍼 내부의 유체에 포함된 금속 입자를 전자기장으로 제어하여 유체의 점도를 변화시킴으로써 감쇠 특성을 조절하는 방식이다. 대표적인 상용 기술로는 MagneRide가 있으며, 2002년 캐딜락 STS에 처음 적용된 이후 여러 고급 차량에 채택되었다. 이 방식은 밀리초 단위의 빠른 반응 속도를 제공하여 각 바퀴의 감쇠 특성을 독립적으로 실시간 조절할 수 있다.
적용 분야
세미 액티브 서스펜션은 자동차뿐만 아니라 철도 차량에도 적용된다. 한국의 고속철도 시험 차량인 HEMU-430X와 일본 신칸센 300계, 500계, 700계, N700계 전동차 등에 탑재된 사례가 있다.
자동차 분야에서는 도요타, 닛산, 캐딜락, 볼보, 폭스바겐 등 여러 제조사가 다양한 명칭으로 세미 액티브 서스펜션 기술을 양산 차량에 적용해 왔다. 최근에는 비선형 H∞ 제어 이론에 기반한 제어 방법이 개발되어 도요타 자동차의 일부 승용차에 H∞ TEMS라는 이름으로 채용된 사례도 있다.
한계
세미 액티브 서스펜션은 제어력의 방향이 서스펜션의 현재 속도 벡터와 반대 방향일 수 없다는 물리적 제약이 있다. 즉, 시스템이 에너지를 추가로 공급하지 않기 때문에 감쇠력의 크기만을 조절할 수 있을 뿐, 차체에 능동적으로 힘을 가할 수는 없다. 그럼에도 불구하고 풀 액티브 서스펜션에 비해 비용이 낮고 에너지 소비가 적으며, 제어 실패 시에도 패시브 모드로 전환되어 안전하게 작동할 수 있다는 장점으로 인해 지능형 차체 및 진동 제어 시스템 분야에서 중요한 기술로 평가받고 있다. 최근 연구에서는 세미 액티브 서스펜션의 성능이 지속적으로 향상되면서 풀 액티브 서스펜션과의 성능 격차가 좁혀지고 있다.
