KR101862226B1 - 차량의 엔진시동 전력 시뮬레이션 장치 - Google Patents

차량의 엔진시동 전력 시뮬레이션 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차량의 엔진시동 전력 시뮬레이션 장치에 관한 것으로, 차량 엔진의 회전력을 모사하는 모터, 엔진시동을 모사하기 위한 스타터, 엔진시동 모사 시 상기 스타터에 연결되는 플라이휠, 엔진시동 모사 시 상기 모터의 토크를 검출하는 토크 센서, 배터리의 전압 및 전류 상태 데이터를 수집하는 데이터 수집장치, 및 내부 메모리에 미리 저장된 실차 시험 데이터에 기초하여, 상기 엔진시동 모사를 위해 운전모드에 따라 상기 모터의 속도 제어와 토크 제어를 수행하고, 상기 엔진시동 모사 시 상기 데이터 수집장치를 통해 수집된 배터리의 전압 및 전류 상태 데이터를 바탕으로 엔진시동 전력을 모니터링 하는 제어부를 포함한다.

Description

차량의 엔진시동 전력 시뮬레이션 장치{ENGINE IGNITION POWER SIMULATION APPARATUS FOR A VEHICLE}
본 발명은 차량의 엔진시동 전력 시뮬레이션 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 ISG(Idle Stop and Go) 기능이 적용된 차량의 엔진시동 시 필요한 전력을 다양한 조건에서 시험 및 평가할 수 있도록 하는 차량의 전력제어 시뮬레이션 장치에 관한 것이다.
최근 이산화탄소 배출량 규제 및 연비 개선을 위해 친환경 자동차(예 : HEV, PHEV, EV 등)가 개발되고 있으나, 현실적으로 전체 차량 중 친환경 자동차가 차지하는 비율이 크지 않기 때문에 차량 제조업체에서는 기존 내연기관 차량의 연비개선(즉, 공회전 제한을 통한 연비개선)을 위한 방법으로서 ISG(Idle Stop and Go) 기능을 적용하고 있다.
여기서 상기 ISG 기능은 브레이크 페달을 밟은 상태에서 차속이 기 지정된 속도(예 : 0Km/h)가 되면 엔진을 자동으로 정지시키고, 이렇게 엔진이 정지된 후 브레이크 페달에서 발을 떼면 엔진을 자동으로 재 시동시키는 기능이며, 또한 차량 정지 후 변속 레버를 중립(N), 주차(P)에 두고 브레이크 페달에서 발을 뗀 상태에서 다시 브레이크 페달을 밟으면 엔진을 재 시동시키는 기능이다.
그런데 최근 차량에 장착되는 전자 장치가 증가되면서 많은 전기 에너지를 필요로 함에 따라, 배터리 및 알터네이터의 용량이 증대되고 있고, 또한 차량에 장착된 배터리의 종류에 대응하여 알터네이터의 발전량을 최적으로 제어하기 위한 발전제어 로직이 적용되고 있으나, ISG 기능이 적용된 차량의 아이들 스탑(Idle Stop) 상태에서 엔진시동(또는 재시동)이나 대전력 부하 동작 시 제어기(예 : 전장품 제어기 등)가 리셋되는 등의 문제점이 발생한다.
따라서 이러한 문제점의 원인 파악과 개선을 위해서는 엔진시동(또는 재시동)이나 대전력 부하 동작 시, 제어기(예 : 전장품 제어기 등)에 리셋이 발생하지 않는지, 알터네이터의 발전량이 최적으로 제어되고 있는지, 배터리의 충/방전 밸런스에 문제가 없는지 등 차량 전체적으로 전력이 효율적으로 사용되고 있는지에 대한 반복적인 시험과 평가가 필요하다.
이때 ISG 기능이 적용된 차량의 주행 중 발생할 수 있는 다양한 조건에서 다수의 동일한 시험과 평가를 반복하기 위해서는 실차가 아닌 ISG 차량의 엔진시동 전력을 시뮬레이션 하는 장치가 필요하게 된다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허 10-1294354호(2013.08.01.등록, 배터리 HILS를 이용한 배터리 모델링 검증 시스템)에 개시되어 있다.
상기 배경기술은 다양한 조건과 차량 전체 거동에서의 배터리의 상태(전압, SOC : State of Charge)를 비교 평가하는 등의 여러 가지 시험 패턴을 실시간을 처리하여 배터리 모델링의 정확도를 검증하는 시스템에 관한 것이다. 그런데 상기 배경기술은, 차량이 출발한 후부터 정지될 때까지의 주행 상태에서만 차량에서 요구하는 전력의 생산 및 소비를 평가하는 기술의 제공에 요지가 있는 것으로서, ISG 기능이 적용된 차량과 같이, 주행 중 엔진시동(또는 재시동)이 반복되는 차량에서는 엔진시동(또는 재시동) 시 매우 빠르게 변화(예 : 수 ms)되는 전력에 대한 시험 및 평가를 수행할 수 없는 단점이 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 ISG 기능이 적용된 차량의 엔진시동 시 필요한 전력을 다양한 조건에서 시험 및 평가할 수 있도록 하는 차량의 엔진시동 전력 시뮬레이션 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 차량의 엔진시동 전력 시뮬레이션 장치는, 차량 엔진의 회전력을 모사하는 모터; 엔진시동을 모사하기 위한 스타터; 엔진시동 모사 시 상기 스타터에 연결되는 플라이휠; 엔진시동 모사 시 상기 모터의 토크를 검출하는 토크 센서; 배터리의 전압 및 전류 상태 데이터를 수집하는 데이터 수집장치; 및 내부 메모리에 미리 저장된 실차 시험 데이터에 기초하여, 상기 엔진시동 모사를 위해 운전모드에 따라 상기 모터의 속도 제어와 토크 제어를 수행하고, 상기 엔진시동 모사 시 상기 데이터 수집장치를 통해 수집된 배터리의 전압 및 전류 상태 데이터를 바탕으로 엔진시동 전력을 모니터링 하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 엔진시동 모사 시 적어도 하나 이상의 엔진 제어 구간에 대응하는 운전모드에서의 파워를 시뮬레이션 하는 것으로서, 상기 운전모드는, 시동 명령 전 엔진이 정지되어 있는 제1 구간에 대응하는 운전모드(Stop Mode), 실차에서 엔진의 회전 속도가 0 rpm인 상태에서 스타터가 엔진을 회전시키려고 하는 제2 구간과 엔진이 서서히 회전을 시작하는 제3 구간에 대응하는 운전모드(Engine Cranking Mode), 및 엔진 회전 속도가 미리 설정된 특정 RPM 이상이 되어 엔진이 시동되었다고 판단할 수 있는 제4 구간에 대응하는 운전모드(Drive Mode)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 제1 구간에 대응하는 운전모드에서는 모터를 정지 상태로 제어하고, 제2 구간에 대응하는 운전모드에서는 스타터가 상기 모터를 회전시키려고 할 때 상기 모터에 설정되는 토크에 의해 회전을 방해하여 회전 속도가 0rpm이 되게 하고, 배터리 소비전력이 지정된 피크 지점까지 떨어졌다가 다시 서서히 상승하는 형태가 되게 상기 모터의 토크를 제어하며, 제3 구간에 대응하는 운전모드에서는 시간에 대응하여 지정된 속도로 상기 모터의 속도를 제어하는 것과 병행하여 시간에 대응하여 지정된 토크 제어를 수행하고, 제4 구간에 대응하는 운전모드에서는 시간에 대응하여 지정된 속도로 모터의 속도 제어를 수행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 실차 시험 데이터는, 엔진시동 전의 차량 상태 정보로서 엔진 냉각수 온도, 배터리의 상태 정보로서 배터리 SOC(State of Charge), 엔진시동 시의 전력, 및 엔진 RPM 정보 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 운전모드를 판단하기 위하여, 상기 제어부는, 차량 속도가 기 지정된 속도 이하이면 정지 모드(Stop Mode)인 것으로 판단하고, 차량 속도가 기 지정된 속도 이하가 아니면 주행 모드(Drive Mode)인 것으로 판단하고, 상기 차량 속도가 기 지정된 속도 이하인 경우, 시동 상태인지 체크하여, 시동 상태가 아니면 아이들 스탑 모드(Idle Stop)인 것으로 판단하고, 시동 상태이면 엔진 크랭킹 모드(Engine Cranking)로 판단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 운전모드가 아이들 스탑 모드인 경우, 상기 제어부는, 엔진을 모사하는 모터를 정지시키고, 실차 시험 데이터 중 부하 데이터에 기초하여 부하를 모사하는 충/방전기를 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 운전모드가 엔진 크랭킹 모드인 경우, 상기 제어부는, 실차 시험 데이터의 차량 상태에 기초하여 미리 구분된 개수의 엔진 크랭킹 모드 중 해당하는 엔진 크랭킹 모드를 판단하며, 상기 엔진 크랭킹 모드가 제1 엔진 크랭킹 모드이면, 엔진을 모사하는 모터의 속도 제어와 병행하여 토크 제어를 수행하되, 미리 설정된 제1 토크(T1)에 기초하여 토크 제어를 수행하고, 상기 엔진 크랭킹 모드가 제2 엔진 크랭킹 모드이면, 상기 모터의 속도 제어와 병행하여 토크 제어를 수행하되, 미리 설정된 제2 토크(T2)에 기초하여 토크 제어를 수행하고, 상기 엔진 크랭킹 모드가 제3 엔진 크랭킹 모드이면, 상기 모터의 속도 제어와 병행하여 토크 제어를 수행하되, 미리 설정된 제3 토크(T3)에 기초하여 토크 제어를 수행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 엔진 크랭킹 모드는, 차량이 정차한 후 기 설정된 시간이 경과된 이후 첫 시동이 걸리는 모드로서, 상기 제1 엔진 크랭킹 모드에서는 냉각수 온도가 차량의 외기 온도와 지정된 범위 내에서 차이가 없는 온도인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제2 엔진 크랭킹 모드는, 첫 시동이 걸린 후 주행 중 아이들 스탑(Idle Stop)된 상태로서, 냉각수 온도가 설정된 최대 온도에 도달하기 이전의 상태인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제3 엔진 크랭킹 모드는, 첫 시동 또는 아이들 스탑(Idle Stop) 이후, 냉각수 온도가 설정된 최대 온도에 도달한 상태인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 ISG 기능이 적용된 차량의 엔진시동 시 필요한 전력을 다양한 조건에서 시험 및 평가할 수 있도록 함으로써, ISG 기능이 적용된 차량의 시동 시 발생할 수 있는 제어기 리셋 등의 원인을 파악하고 문제점을 개선하는데 활용할 수 있도록 한다.
도 1은 기존에 실제 차량을 특정 시험 패턴으로 주행하면서 다이나모 전력 평가를 통해 획득한 파워 패턴을 보인 예시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 관련된 내연기관 차량의 엔진시동 시 전류 변화 파형을 그래프로 보인 예시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 엔진시동 전력 시뮬레이션 장치의 개략적인 구성을 보인 예시도.
도 4는 상기 도 3에 있어서, 스타터와 플라이휠의 형상을 보인 예시도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 엔진시동 시 요구되는 파워와 엔진 회전 속도 간의 관계 그래프를 보인 예시도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 엔진시동 전력 시뮬레이션 장치의 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도.
도 7은 상기 도 6에 있어서, 운전모드 판단의 세부적인 방법을 설명하기 위한 흐름도.
도 8은 상기 도 7에서 판단된 운전모드나 상태가 아이들 스탑인 경우, 본 실시예에 따른 차량의 엔진시동 전력 시뮬레이션 장치의 세부적인 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도.
도 9는 상기 도 7에서 판단된 운전모드나 상태가 엔진 크랭킹인 경우, 본 실시예에 따른 차량의 엔진시동 전력 시뮬레이션 장치의 세부적인 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도.
도 10은 상기 도 9에서 판단한 엔진 크랭킹 모드에 따라 제어하는 모터의 토크와 속도 간의 관계를 나타내는 그래프를 개략적으로 보인 예시도.
도 11은 상기 도 7에서 판단된 운전모드나 상태가 차량 주행 상태인 경우, 본 실시예에 따른 차량의 엔진시동 전력 시뮬레이션 장치의 세부적인 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 특정 주행 구간에서의 ISG 기능이 적용된 차량의 실차 시험 데이터를 반영하여 시뮬레이션 한 차량 속도와 배터리의 전력 파형을 보인 예시도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 차량의 엔진시동 전력 시뮬레이션 장치 및 방법의 일 실시예를 설명한다.
이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 기존에 실제 차량을 특정 시험 패턴으로 주행하면서 다이나모 전력 평가를 통해 획득한 파워 패턴을 보인 예시도이다.
도 1의 (a)는 다이나모 전력 평가를 위해 지정된 시간(예 : 600sec) 동안의 실제 차량이 주행한 속도 패턴 그래프를 보인 예시도(즉, US06 모드에서의 속도 예시도)이고, 도 1의 (b)는 상기 속도 패턴으로 실제 차량을 주행 시험을 했을 때, 배터리에서 계측된 시간에 대한 파워(전류 또는 전력) 패턴 그래프를 보인 예시도이다.
상기 도 1의 (a)를 참조하면, 실차 주행 중 도로 상황에 따라 차속이 지정된 속도(예 : 0km/h)로 진입하는 구간(또는 아이들(Idle) 상태)이 6번 정도 발생한 것을 알 수 있다.
상기와 같이 차량이 아이들(Idle) 상태로 진입하게 될 경우, ISG 기능이 적용되지 않은 일반 내연기관 차량은 시동이 꺼지지 않은 상태에서 차속만 0km/h가 되지만(즉, 엔진이 회전하는 상태에서 주행만 하지 않지만), ISG 기능이 적용된 차량은 엔진이 정지(Stop) 되었다가 지정된 조건이 되면(예 : 브레이크 페달의 누름 해제) 엔진이 재시동(Start) 된다.
따라서 ISG 기능이 적용된 차량을 대상으로 모든 동작 구간의 전력을 평가하기 위해서는 엔진시동(또는 재시동) 시의 전력까지 모사(또는 시뮬레이션) 해야 하는데, 도 2에 도시된 바와 같이, 엔진시동(또는 재시동) 시의 전류 파형을 보면, 순간적으로(예 : 2 ~ 3(ms)) 최대 800 ~ 900(A) 까지 전류가 소모되고, 서서히 전류 소모량이 줄어들게 되면서 최종적으로 엔진시동이 걸리게 된다. 즉, 엔진이 시동되는 약 0.5(sec) 동안에 상당한 전력(또는 전류)이 소모됨을 알 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 관련된 내연기관 차량의 엔진시동 시 전류 변화 파형을 그래프로 보인 예시도로서, 도 2의 (b)는 도 2의 (a)의 전류 변화 파형을 1ms 단위로 샘플링 하여 세부적으로 확대한 전류 변화 파형 그래프를 보인 예시도이다.
이와 같이 엔진시동(또는 재시동) 시까지 포함한 전력을 기존의 방식으로 시뮬레이션하기 위해서는 충/방전기를 빠른 응답으로 동작시켜 방전시켜야 하는데, 일반적으로 충/방전기를 단독으로 사용할 경우에는 수십 ms 이내의 응답 특성을 갖지만, 통신(예 : CAN)에 의해 충/방전기를 제어할 경우에는 통상적으로 수백 ms 이내로 응답 속도가 느려지게 된다. 따라서 기존에는 엔진시동 시까지 포함한 전력을 시뮬레이션 할 수가 없었다.
따라서 본 실시예에서는 실제 차량에서와 같은 엔진시동을 모사하여 엔진시동 시까지 포함한 전력을 시뮬레이션 할 수 있도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 엔진시동 전력 시뮬레이션 장치의 개략적인 구성을 보인 예시도이다.
이에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 차량의 엔진시동 전력 시뮬레이션 장치는, 차량의 엔진시동 전력 시뮬레이션 장치를 통합 제어하고 모니터링 하는 RTS(Real Time System)(130), 부하를 모사하는 충/방전기(140), 엔진의 회전력을 모사하는 모터(160), 엔진시동을 모사하기 위한 스타터(200), 엔진시동 모사 시 상기 스타터(200)에 연결되는 플라이휠(210), 엔진시동 모사 시 상기 모터(160)의 토크(torque) 제어를 위해 토크를 검출하는 토크 센서(190), 상기 RTS(130)의 제어에 따라 상기 모터(160)를 구동하는 구동부(150)(즉, 모터 구동부), 발전제어용 알터네이터(180), 부하를 모사하는 상기 충/방전기(140)에 전원을 공급 및 저장하는 배터리(BAT), 상기 배터리(BAT)의 전압(V) 및 전류(I)를 모니터링 하는 데이터 수집장치(DAQ : Data Acquisition)(120), 그리고 배터리(BAT)의 주위 환경을 모사하는 환경 챔버(CHAM)를 포함한다.
이때 본 실시예에서 상기 RTS(130)는 제어부로 기재할 수도 있다.
상기 모터(160)는 기어비를 이용해 회전속도와 토크 제어를 수행할 수 있는 가속기(170)를 통해 상기 알터네이터(180)에 연결될 수 있으나, 반드시 상기 가속기(170)를 통해 연결되어야 하는 것은 아니다. 또한 상기 모터(160)는 회전속도 제어가 가능한 모터로서, 예컨대 상기 모터(160)는 서보모터를 포함할 수 있으나, 반드시 서보모터로 한정하는 것은 아니다.
또한 상기 스타터(또는 스타터 모터)(200)는 실차에서는 엔진의 크랭크샤프트와 연결되는 플라이휠(210)과 링 기어로 연결된다.
상기 스타터(200)의 피니언 기어는 엔진시동 시 밀려나와 플라이휠(210)의 링 기어를 물어 회전시키고, 엔진시동 후에는 밀려들어가 플라이휠(210)의 링 기어에서 해제된다(도 4 참조).
도 4는 상기 도 3에 있어서, 스타터와 플라이휠의 형상을 보인 예시도이다.
이때 상기 각 구성요소들(120~200, CHAM, BAT) 간의 통신은 CAN(Controller Area Network)을 사용하지만, 반드시 CAN 통신으로 한정하는 것은 아니며, LIN 통신 등의 다른 통신 방식을 사용할 수도 있다.
또한 상기 배터리(BAT)에 IBS(Intelligent Battery Sensor)가 장착되어 있는 경우에는 RTS(Real Time System)(130)에서 LIN(Local Interconnect Network) 통신을 통해 배터리의 상태 정보(예 : 전압, 전류, 배터리 주위 온도, SOC 등)를 확인 할 수 있다. 그러나 IBS나 BMS(Battery Management System)가 장착되지 않은 배터리는 상기 DAQ(120)를 통해 측정된 전압, 전류, 온도 등을 CAN 통신을 통해 상기 RTS(Real Time System)(130)에 전달하고, RTS(130)에서 SOC(State of Charge)를 추정하는 임의의 알고리즘을 적용하여 IBS의 역할을 대신하게 할 수도 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 엔진시동 시 요구되는 파워와 엔진 회전 속도 간의 관계 그래프를 보인 예시도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따라 ISG가 적용된 차량의 엔진시동 전력 시뮬레이션 장치는, 엔진시동 시 각 제어 구간별 파워(또는 전류)를 시뮬레이션 하는 것으로서, 엔진시동 시의 부하를 상기 모터(160)를 제어하여 시뮬레이션 하는 것이다. 따라서 상기 RTS(130)는 기본적으로 실차에서의 엔진시동 시의 엔진 회전 속도에 대응하여 상기 모터(160)의 속도를 제어하고, 이때 토크를 제어하여 배터리(BAT)에서 소비되는 전력을 시뮬레이션 한다.
도 5를 참조하면, 시동 명령 전 엔진이 정지되어 있는 제1 구간(Stop Mode 구간)에서는 상기 모터(160)도 정지 상태로 제어된다.
다음 제2 구간(Start Mode의 토크 제어 구간)은 실차에서 엔진의 회전 속도가 0 rpm인 상태에서 실제 스타터가 엔진을 회전시키려고 하는 구간으로서, 상기 스타터(200)가 상기 모터(160)를 회전시키려고 할 때 상기 모터(160)에 설정되는 토크에 의해 회전을 방해하여 속도가 0rpm이 되게 하고, 배터리 소비전력이 그래프의 피크 지점까지 떨어졌다가 다시 서서히 상승하는 형태가 되게 상기 모터(160)의 토크를 제어한다.
다음 제3 구간(Start Mode의 토크+속도 제어 구간)은 엔진이 서서히 회전을 시작하는 구간으로서, 기본적으로 상기 모터(160)의 속도 제어에 병행하여 토크 제어를 수행한다.
다음 제4 구간(Drive Mode의 속도 제어 구간)은 엔진 회전 속도가 미리 설정된 특정 RPM 이상이 되어 엔진이 시동되었다고 판단할 수 있는 구간으로서, 이 구간부터는 모터(160)의 속도 제어만 수행한다.
이하 본 실시예에 따른 엔진시동 전력 시뮬레이션을 위해서 미리 ISG 기능이 적용된 다양한 차량의 실차 시험을 통해 엔진시동 전의 차량 상태(예 : 엔진 냉각수 온도), 배터리의 기본 상태(예 : 배터리 SOC), 엔진시동 시의 전력, 및 엔진 RPM 정보 등의 실차 시험 데이터를 취득한 것으로 가정한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 엔진시동 전력 시뮬레이션 장치의 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6을 참조하면, RTS(130)는 차량의 엔진시동 전력 시뮬레이션을 위해 먼저 실차 시험 데이터로부터 운전모드를 판단한다(S101).
상기 운전모드를 판단(S101)한 결과에 따라, 상기 운전모드가 아이들 스탑 모드(Idle Stop) 이면(S102의 0), 상기 RTS(130)는 상기 모터(160)의 정지 제어를 수행한다(S103).
다음 상기 운전모드를 판단(S101)한 결과에 따라, 상기 운전모드가 엔진 크랭킹 모드(Engine Cranking 또는 Start Mode) 이면(S102의 1), 상기 RTS(130)는 상기 모터(160)의 속도 제어와 병행하여 토크 제어를 수행한다(S104).
다음 상기 운전모드를 판단(S101)한 결과에 따라, 상기 운전모드가 엔진 런 모드(Engine Run 또는 Drive Mode) 이면(S102의 2), 상기 RTS(130)는 상기 모터(160)의 속도 제어를 수행한다(S105).
상기와 같이 각 운전모드(예 : Idle Stop, Engine Cranking, Engine Run)에 대응하는 방식으로 상기 모터(160)를 제어하여 엔진시동 전력 시뮬레이션을 수행하고, 시뮬레이션(또는 시험)이 종료될 때까지 상기 각 운전모드별 모터 제어 동작을 반복 수행한다(S106).
도 7은 상기 도 6에 있어서, 운전모드 판단의 세부적인 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 상기 RTS(130)는 실차 시험 데이터를 호출하여 차량 정보를 확인한다(S201).
여기서 상기 실차 시험 데이터의 차량 정보는, 냉각수 온도, 차량 속도, 엔진 상태(Stop, Cranking, Idle(Idle Stop), Run), 및 배터리 SOC 등이 있다.
상기 RTS(130)는 상기 실차 시험 데이터에 기초하여 차량 속도가 기 지정된 속도(예 : 0km/h, 4km/h 이하 등) 이면(S202의 예) 차량이 정지한 상태인 것으로 판단하고, 차량 속도가 기 지정된 속도가 아니면(S202의 아니오) 차량이 주행 상태(즉, 운전모드2, Engine Run, 또는 Drive Mode)인 것으로 판단한다(S206).
따라서 상기 차량 주행 상태(즉, 운전모드2, Engine Run, 또는 Drive Mode)인 경우, 상술한 바와 같이, 상기 RTS(130)는 상기 모터(160)의 속도 제어를 수행한다.
한편 상기 차량 속도가 기 지정된 속도(예 : 0km/h, 4km/h 이하 등)인 경우(S202의 예), 상기 RTS(130)는 시동 상태인지 아닌지를 체크한다(S203).
상기 체크(S203) 결과, 차량이 시동 상태가 아닌 경우(S203의 아니오), 상기 RTS(130)는 차량이 아이들 스탑 상태(즉, 운전모드0, Idle Stop, 또는 Stop Mode)인 것으로 판단한다(S204).
또한 상기 체크(S203) 결과, 차량이 시동 상태인 경우(S203의 예), 상기 RTS(130)는 차량이 엔진 크랭킹 상태(즉, 운전모드1, Engine Cranking, 또는 Start Mode)인 것으로 판단한다(S205).
상기와 같이 차량의 상태(또는 운전모드)가 판단되면, 상기 RTS(130)는 상기 판단된 상태(또는 운전모드)에 대응하여 상기 모터(160)를 제어한다.
도 8은 상기 도 7에서 판단된 운전모드나 상태가 아이들 스탑인 경우, 본 실시예에 따른 차량의 엔진시동 전력 시뮬레이션 장치의 세부적인 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 상기 도 7에서 판단된 운전모드나 상태가 아이들 스탑(즉, 운전모드0, Idle Stop, 또는 Stop Mode)인 경우, 상기 RTS(130)는 상기 모터(160)를 정지시키고(S301), 실차 시험 데이터 중 부하 데이터에 기초하여 상기 충/방전기(140)를 제어한다(S302).
도 9는 상기 도 7에서 판단된 운전모드나 상태가 엔진 크랭킹인 경우, 본 실시예에 따른 차량의 엔진시동 전력 시뮬레이션 장치의 세부적인 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 9를 참조하면, 상기 도 7에서 판단된 운전모드나 상태가 엔진 크랭킹(즉, 운전모드1, Engine Cranking, 또는 Start Mode)인 경우, 실제 차량에서의 엔진시동시의 전력 파형은 차량의 상태나 배터리의 상태에 따라 달라지기 때문에, 본 실시예에서 상기 RTS(130)는 이를 반영하기 위하여 엔진 크랭킹 모드(즉, 운전모드1, Engine Cranking, 또는 Start Mode)를 보다 세부적으로 구분하여 모터(160)를 제어한다.
예컨대 상기 RTS(130)는 실차 시험 데이터의 차량 상태(예 : 냉각수 온도, 운행 시간 등)에 기초하여 미리 구분된 3가지의 엔진 크랭킹 모드(예 : Cold Cranking Mode, Normal Cranking Mode, Hot Cranking Mode) 중 해당하는 엔진 크랭킹 모드를 판단한다(S401).
상기 엔진 크랭킹 모드를 판단(S401)한 결과에 따라, 상기 엔진 크랭킹 모드가 제1 엔진 크랭킹 모드(또는 Cold Cranking Mode)이면(S402의 0), 상기 RTS(130)는 상기 모터(160)의 속도 제어와 병행하여 토크 제어를 수행하되, 미리 설정된 제1 토크(T1)(도 10 참조)에 기초하여 토크 제어를 수행한다(S403).
여기서 상기 제1 엔진 크랭킹 모드(또는 Cold Cranking Mode)는, 차량이 정차 후 오랜 시간(기 설정된 제1 시간)이 경과된 이후 첫 시동이 걸리는 모드로서, 상기 제1 엔진 크랭킹 모드(또는 Cold Cranking Mode)에서는 냉각수 온도가 차량의 외기 온도와 큰 차이가 없는 온도가 된다.
또한 상기 엔진 크랭킹 모드를 판단(S401)한 결과에 따라, 상기 엔진 크랭킹 모드가 제2 엔진 크랭킹 모드(또는 Normal Cranking Mode)이면(S402의 1), 상기 RTS(130)는 상기 모터(160)의 속도 제어와 병행하여 토크 제어를 수행하되, 미리 설정된 제2 토크(T2)(도 10 참조)에 기초하여 토크 제어를 수행한다(S404).
여기서 상기 제2 엔진 크랭킹 모드(또는 Normal Cranking Mode)는, 첫 시동이 걸린 후 주행 중 아이들 스탑(Idle Stop)된 상태로서, 냉각수 온도가 최대 온도에 도달하기 이전의 상태이다.
또한 상기 엔진 크랭킹 모드를 판단(S401)한 결과에 따라, 상기 엔진 크랭킹 모드가 제3 엔진 크랭킹 모드(또는 Hot Cranking Mode)이면(S402의 2), 상기 RTS(130)는 상기 모터(160)의 속도 제어와 병행하여 토크 제어를 수행하되, 미리 설정된 제3 토크(T3)(도 10 참조)에 기초하여 토크 제어를 수행한다(S405).
여기서 상기 제3 엔진 크랭킹 모드(또는 Hot Cranking Mode)는 첫 시동 또는 아이들 스탑(Idle Stop) 이후, 냉각수 온도가 최대 온도에 도달한 상태이다.
한편 본 실시예에서는 편의상 상기 엔진 크랭킹 모드를 3가지 엔진 크랭킹 모드로 구분하여 설명하였으나, 엔진시동 시 영향을 미치는 상황을 고려하여 엔진 크랭킹 모드를 더 세분하여 구분할 수도 있음에 유의한다.
상기와 같이 판단된 해당 엔진 크랭킹 모드에 따라 상기 RTS(130)가 상기 모터(160)를 제어하여 시동이 걸리면(즉, 크랭킹이 완료되면)(S406의 예), 상기 RTS(130)는 운전모드를 차량 주행 상태(즉, 운전모드2, Engine Run, 또는 Drive Mode)로 전환하여(S407), 상기 모터(160)의 속도 제어를 수행한다.
도 10은 상기 도 9에서 판단한 엔진 크랭킹 모드에 따라 제어하는 모터의 토크와 속도 간의 관계를 나타내는 그래프를 개략적으로 보인 예시도이다.
통상적으로 실차의 냉각수 온도에 따라(즉, 시동을 걸기 전의 차량 주행 상태에 따라) 엔진 시동 시 최대 전력이 다르게 나타난다.
이에 따라 본 실시예에 따른 차량의 엔진시동 전력 시뮬레이션 장치에서는 상기 모터(160)의 토크 제어 최대값을 다르게 제어한다.
즉, 본 실시예에서 상기 RTS(130)는 스타터(200)가 동작되고 엔진이 회전하기 전까지에 대응하는 구간(토크 제어 구간)에서는 상기 모터(160)의 토크 제어(또는 0 속도 제어)만 수행하고, 엔진이 회전(또는 설정된 제1 회전속도(rpm) 이상부터)하기 시작한 후에 대응하는 구간(토크 + 속도 제어 구간)에서는 상기 모터(160)의 토크를 기 설정된 시간에 대응하는 제한치에 의해 제어하고 이와 병행하여 속도 제어를 수행한다. 이후 엔진이 설정된 제2 회전속도(rpm) 이상에 대응하는 구간(속도 제어 구간)에서는 상기 모터(160)를 속도 제어만 수행한다.
도 11은 상기 도 7에서 판단된 운전모드나 상태가 차량 주행 상태인 경우, 본 실시예에 따른 차량의 엔진시동 전력 시뮬레이션 장치의 세부적인 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 11을 참조하면, 상기 도 7에서 판단된 운전모드나 상태가 차량 주행 상태(즉, 운전모드2, Engine Run, 또는 Drive Mode)인 경우, 상기 RTS(130)는 상기 모터(160)의 속도 제어를 수행하여 원하는 속도로 회전시키고(S501), 이후로는 상기 엔진의 회전속도(실제로는 모터의 회전속도)에 대응하는 발전제어 시뮬레이션을 수행할 수 있다. 즉, 알터네이터(180)의 듀티(Duty) 제어를 수행할 수 있다(S502).
참고로, 상기 차량 주행 상태(즉, 운전모드2, Engine Run, 또는 Drive Mode)에서는 알터네이터(180)의 회전속도를 서보모터와 가속기(170)(기어비)를 고려하여 속도 제어를 수행하며, 상기 RTS(130)에 미리 설정된 발전제어 알고리즘에 의한 알터네이터(180)의 듀티(Duty)제어를 수행할 수 있다. 다만 본 실시예에서 알터네이터(180)의 듀티(Duty) 제어(즉, 발전제어 시뮬레이션)는 요지를 벗어나므로 그에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 특정 주행 구간에서의 ISG 기능이 적용된 차량의 실차 시험 데이터를 반영하여 시뮬레이션 한 차량 속도와 배터리의 전력 파형을 보인 예시도이다.
도 12에 도시된 바와 같이, ISG 기능이 적용된 차량의 약 40분 주행 구간의 실차 시험 데이터를 기초로 실차와 동일한 조건(즉, 엔진시동 구간과 주행 구간)에서 시뮬레이션을 수행할 수 있으며, 이 시뮬레이션을 반복적으로 수행하여 전력을 평가할 수 있도록 한다. 도 12를 참조하면, 3번의 엔진시동(또는 재시동)을 정확하게 반영하여 시뮬레이션이 수행되었음을 알 수 있다.
상기와 같이 본 실시예는 ISG 기능이 적용된 차량에서 사용하고 있는 스타터 모터, 알터네이터, 배터리 등을 시뮬레이션 장치에 적용하고, 모터(또는 서보모터)의 토크 제어 및 속도 제어를 통해 엔진시동을 모사하고, 엔진 시동을 모사한 이후에는 모터의 속도 제어를 통해 엔진 런(RUN)을 모사함으로써, ISG 기능이 적용된 차량의 모든 동작 구간(즉, 차량의 시동과 주행과 관련된 다양한 조건)에서 전력의 시뮬레이션 및 전력 평가를 반복적으로 수행할 수 있도록 한다.
또한 본 실시예는 ISG 기능이 적용된 차량의 엔진 시동 시 문제가 발생되는 제어기 리셋의 원인 파악 및 문제점 개선에 활용할 경우, ISG 기능이 적용된 차량의 제어기 또는 제어기 부하를 모사하는 전자 부하와 실제 사용하는 와이어하네스를 배터리 또는 졍션 박스로부터 연결하여, 엔진시동 시뮬레이션 시, 배터리 전압과 제어기 전단의 전압을 확인하고, 와이어하네스에 의한 전압 강하의 정도를 정량적으로 확인할 수 있도록 함으로써, 최악의 상황에서 엔진시동이 된다 하더라도, 제어기의 리셋이 발생하지 않는 최적의 와이어하네스 설계에 반영할 수 있는 근거 데이터를 얻을 수 있도록 하는 효과가 있다.
이상으로 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
CHAM : 환경 챔버 BAT : 배터리
120 : DAQ(Data Acquisition) 130 : RTS(Real Time System)
140 : 충/방전기 150 : 구동부
160 : 모터 170 : 가속기
180 : 알터네이터 190 : 토크센서
200 : 스타터 210 : 플라이휠

Claims (10)

  1. 차량 엔진의 회전력을 모사하는 모터;
    엔진시동을 모사하기 위한 스타터;
    엔진시동 모사 시 상기 스타터에 연결되는 플라이휠;
    엔진시동 모사 시 상기 모터의 토크를 검출하는 토크 센서;
    배터리의 전압 및 전류 상태 데이터를 수집하는 데이터 수집장치; 및
    내부 메모리에 미리 저장된 실차 시험 데이터에 기초하여, 상기 엔진시동 모사를 위해 운전모드에 따라 상기 모터의 속도 제어와 토크 제어를 수행하고, 상기 엔진시동 모사 시 상기 데이터 수집장치를 통해 수집된 배터리의 전압 및 전류 상태 데이터를 바탕으로 엔진시동 전력을 모니터링 하는 제어부;를 포함하되,
    상기 운전모드를 판단하기 위하여,
    상기 제어부는,
    상기 차량의 속도가 기 지정된 속도 이하인 경우, 시동 상태인지 체크하여, 시동 상태가 아니면 아이들 스탑 모드(Idle Stop)인 것으로 판단하고,
    상기 운전모드가 아이들 스탑 모드인 경우, 상기 제어부는, 엔진을 모사하는 모터를 정지시키고, 실차 시험 데이터 중 부하 데이터에 기초하여 부하를 모사하는 충/방전기를 제어하는 것을 특징으로 하는 차량의 엔진시동 전력 시뮬레이션 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제어부는,
    엔진시동 모사 시 적어도 하나 이상의 엔진 제어 구간에 대응하는 운전모드에서의 파워를 시뮬레이션 하는 것으로서,
    상기 운전모드는, 시동 명령 전 엔진이 정지되어 있는 제1 구간에 대응하는 운전모드(Stop Mode), 실차에서 엔진의 회전 속도가 0 rpm인 상태에서 스타터가 엔진을 회전시키려고 하는 제2 구간과 엔진이 서서히 회전을 시작하는 제3 구간에 대응하는 운전모드(Engine Cranking Mode), 및 엔진 회전 속도가 미리 설정된 특정 RPM 이상이 되어 엔진이 시동되었다고 판단할 수 있는 제4 구간에 대응하는 운전모드(Drive Mode)를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 엔진시동 전력 시뮬레이션 장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 제어부는,
    제1 구간에 대응하는 운전모드에서는 모터를 정지 상태로 제어하고,
    제2 구간에 대응하는 운전모드에서는 스타터가 상기 모터를 회전시키려고 할 때 상기 모터에 설정되는 토크에 의해 회전을 방해하여 회전 속도가 0rpm이 되게 하고, 배터리 소비전력이 지정된 피크 지점까지 떨어졌다가 다시 서서히 상승하는 형태가 되게 상기 모터의 토크를 제어하며,
    제3 구간에 대응하는 운전모드에서는 시간에 대응하여 지정된 속도로 상기 모터의 속도를 제어하는 것과 병행하여 시간에 대응하여 지정된 토크 제어를 수행하고,
    제4 구간에 대응하는 운전모드에서는 시간에 대응하여 지정된 속도로 모터의 속도 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 차량의 엔진시동 전력 시뮬레이션 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 실차 시험 데이터는,
    엔진시동 전의 차량 상태 정보로서 엔진 냉각수 온도, 배터리의 상태 정보로서 배터리 SOC(State of Charge), 엔진시동 시의 전력, 및 엔진 RPM 정보 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 엔진시동 전력 시뮬레이션 장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 운전모드를 판단하기 위하여,
    상기 제어부는, 차량 속도가 기 지정된 속도 이하이면 정지 모드(Stop Mode)인 것으로 판단하고, 차량 속도가 기 지정된 속도 이하가 아니면 주행 모드(Drive Mode)인 것으로 판단하고,
    상기 차량 속도가 기 지정된 속도 이하인 경우, 시동 상태인지 체크하여, 시동 상태이면 엔진 크랭킹 모드(Engine Cranking)로 판단하는 것을 특징으로 하는 차량의 엔진시동 전력 시뮬레이션 장치.
  6. 삭제
  7. 제 5항에 있어서, 상기 운전모드가 엔진 크랭킹 모드인 경우,
    상기 제어부는, 실차 시험 데이터의 차량 상태에 기초하여 미리 구분된 개수의 엔진 크랭킹 모드 중 해당하는 엔진 크랭킹 모드를 판단하며,
    상기 엔진 크랭킹 모드가 제1 엔진 크랭킹 모드이면, 엔진을 모사하는 모터의 속도 제어와 병행하여 토크 제어를 수행하되, 미리 설정된 제1 토크(T1)에 기초하여 토크 제어를 수행하고,
    상기 엔진 크랭킹 모드가 제2 엔진 크랭킹 모드이면, 상기 모터의 속도 제어와 병행하여 토크 제어를 수행하되, 미리 설정된 제2 토크(T2)에 기초하여 토크 제어를 수행하고,
    상기 엔진 크랭킹 모드가 제3 엔진 크랭킹 모드이면, 상기 모터의 속도 제어와 병행하여 토크 제어를 수행하되, 미리 설정된 제3 토크(T3)에 기초하여 토크 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 차량의 엔진시동 전력 시뮬레이션 장치.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 제1 엔진 크랭킹 모드는,
    차량이 정차한 후 기 설정된 시간이 경과된 이후 첫 시동이 걸리는 모드로서, 상기 제1 엔진 크랭킹 모드에서는 냉각수 온도가 차량의 외기 온도와 지정된 범위 내에서 차이가 없는 온도인 것을 특징으로 하는 차량의 엔진시동 전력 시뮬레이션 장치.
  9. 제 7항에 있어서, 상기 제2 엔진 크랭킹 모드는,
    첫 시동이 걸린 후 주행 중 아이들 스탑(Idle Stop)된 상태로서, 냉각수 온도가 설정된 최대 온도에 도달하기 이전의 상태인 것을 특징으로 하는 차량의 엔진시동 전력 시뮬레이션 장치.
  10. 제 7항에 있어서, 상기 제3 엔진 크랭킹 모드는,
    첫 시동 또는 아이들 스탑(Idle Stop) 이후, 냉각수 온도가 설정된 최대 온도에 도달한 상태인 것을 특징으로 하는 차량의 엔진시동 전력 시뮬레이션 장치.
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