KR102669981B1 - 하이브리드 엔진 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 발전기 부하의 급감 시 엔진의 회전 수 과속을 방지하여 엔진을 보호할 수 있는 하이브리드 엔진 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 엔진 시스템은, 엔진; 상기 엔진에 의해 구동되어 전기에너지를 출력하는 발전기; 상기 발전기로부터 생산된 전기에너지를 저장하거나, 상기 발전기와 함께 전기에너지를 공급하는 배터리; 및 상기 엔진을 제어하는 제어부; 를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 엔진의 출력축의 토크를 측정하는 토크계측기 및 상기 발전기의 출력 전류를 측정하는 전류계측기를 포함하고, 상기 엔진이 비행 모드로 운전 중 상기 토크 및 상기 전류 발 적어도 하나의 감소율이 설정값보다 큰 경우, 상기 엔진의 운전 모드를 변경한다.

Description

하이브리드 엔진 시스템 및 그 제어 방법 {Hybrid engine system and control method thereof}
본 발명은 배터리를 추가 전원으로 사용하는 하이브리드 엔진 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
배터리만으로 운전되는 드론의 경우 최대 항속 시간이 수십 분 정도로 제한적이다. 이로 인하여 하이브리드 드론이 사용되는데 UAM(Urban Air Mobility)과 같이 기체 중량과 페이 로드(Pay Load)가 큰 경우 터보샤프트 엔진을 활용한 하이브리드 엔진이 주로 활용된다.
터보샤프트 엔진은 주로 헬리콥터용 엔진으로 사용되는데 터보샤프트 엔진의 축은 헬리콥터와 로터와 연결되어 있으므로 관성모멘트가 커서 엔진의 회전수 변화가 크지 않으며, 급격한 회전수 변화가 발생되지 않는다. 이에 반하여 터보샤프트 하이브리드 엔진은 터보샤프트에 발전기가 연결되어 있는데, 발전기는 헬리콥터의 로터에 비하여 관성 모멘트가 훨씬 작아서 발전기 부하의 급격한 변동시 회전수의 변화가 크게 발생한다. 특히 발전기가 고장나거나 프로펠러, 모터 등이 고장나는 경우 등 발전기 부하가 급감할 경우 터보샤프트 엔진의 축은 회전수 과속이 발생하며 심한 경우에는 엔진이 파손될 우려가 있다. 이 경우 엔진 제어기의 제어 한계를 넘어서는 경우에 해당된다.
전술한 배경 기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지 기술이라 할 수는 없다.
한국공개특허공보 KR 10-2017-0018671 A1
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 구체적으로는 발전기 부하의 급감 시 엔진의 회전 수 과속을 방지하여 엔진을 보호할 수 있는 하이브리드 엔진 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
다만 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 실시예는 상기와 같은 과제를 해결하고자, 다음과 같은 하이브리드 엔진 시스템 및 그 제어 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 엔진 시스템은, 엔진; 상기 엔진에 의해 구동되어 전기에너지를 출력하는 발전기; 상기 발전기로부터 생산된 전기에너지를 저장하거나, 상기 발전기와 함께 전기에너지를 공급하는 배터리; 및 상기 엔진을 제어하는 제어부; 를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 엔진의 출력축의 토크를 측정하는 토크계측기 및 상기 발전기의 출력 전류를 측정하는 전류계측기를 포함하고, 상기 엔진이 비행 모드로 운전 중 상기 토크 및 상기 전류 중 적어도 하나의 감소율이 설정값보다 큰 경우, 상기 엔진의 운전 모드를 변경한다.
또한 상기 제어부는, 상기 토크의 감소율이 제1토크감소율(A+A')보다 크거나 상기 전류의 감소율이 제1전류감소율(B+B')보다 큰 경우, 상기 엔진을 설정된 시간동안 정지시키는 정지 모드로 구동할 수 있다.
또한 상기 제어부는, 상기 정지 모드에서, 상기 설정된 시간이 경과된 후 상기 엔진을 공회전시킨 후 상기 비행 모드로 구동할 수 있다.
또한 상기 제어부는, 상기 토크의 감소율이 제2토크감소율(A)보다 크거나 상기 전류의 감소율이 제2전류감소율(B)보다 큰 경우, 상기 엔진을 설정된 시간동안 공회전시키는 아이들 모드로 구동할 수 있다.
또한 상기 제어부는, 상기 토크의 감소율이 제2토크감소율(A)보다 크거나 상기 전류의 감소율이 제2전류감소율(B)보다 큰 경우, 상기 엔진의 최대 감속률의 설정치를 증가시키는 감속률 제어 모드로 상기 엔진을 구동할수 있다.
더불어 본 발명 하이브리드 엔진 시스템 제어 방법은, 엔진을 비행 모드로 구동하는 비행 모드 구동 단계; 상기 엔진의 출력축 토크 및 상기 엔진의 출력축에 연결된 발전기의 출력 전류를 측정하고, 상기 토크의 감소율 및 상기 전류의 감소율을 설정값과 비교하는 단계 감소율 판단 단계; 및 상기 감소율 판단 단계에 따라 상기 엔진의 제어 모드를 변경하는 모드 변경 단계; 를 포함한다.
또한 상기 감소율 판단 단계는, 상기 토크의 감소율과 제1토크감소율(A+A')을 비교하고, 상기 전류의 감소율과 제1전류감소율(B+B')을 비교하는 제1감소율 판단 단계를 포함하고, 상기 토크의 감소율이 제1토크감소율(A+A')보다 크거나 상기 전류의 감소율이 제1전류감소율(B+B')보다 큰 경우, 상기 모드 변경 단계에서 상기 엔진을 설정된 시간동안 정지시키는 정지 모드로 상기 제어 모드를 변경할 수 있다.
또한 상기 정지 모드는, 상기 설정된 시간이 경과된 후 상기 엔진을 공회전시킨 후 상기 비행 모드로 구동할 수 있다.
또한 상기 감소율 판단 단계는, 상기 토크의 감소율과 제2토크감소율(A)을 비교하고, 상기 전류의 감소율과 제2전류감소율(B)을 비교하는 제2감소율 판단 단계를 포함하고, 상기 토크의 감소율이 제2토크감소율(A)보다 크거나 상기 전류의 감소율이 제2전류감소율(B)보다 큰 경우, 상기 모드 변경 단계에서 상기 엔진을 설정된 시간동안 공회전시키는 아이들 모드로 상기 제어 모드를 변경할 수 있다.
또한 상기 감소율 판단 단계는, 상기 토크의 감소율과 제2토크감소율(A)을 비교하고, 상기 전류의 감소율과 제2전류감소율(B)을 비교하는 제2감소율 판단 단계를 포함하고,
상기 토크의 감소율이 제2토크감소율(A)보다 크거나 상기 전류의 감소율이 제2전류감소율(B)보다 큰 경우, 상기 엔진의 최대 감속률의 설정치를 증가시키는 감속률 제어 모드로 상기 제어 모드를 변경할 수 있다.
또한, 상기 감소율 판단 단계는, 상기 제1감소율 판단 단계에서 상기 토크의 감소율이 제2토크감소율(A)보다 크지 않고 상기 전류의 감소율이 제2전류감소율(B)보다 크지 않은 경우, 상기 토크의 감소율과 제2토크감소율(A)을 비교하고, 상기 전류의 감소율과 제2전류감소율(B)을 비교하는 제2감소율 판단 단계를 포함하고, 상기 토크의 감소율이 제2토크감소율(A)보다 크거나 상기 전류의 감소율이 제2전류감소율(B)보다 큰 경우, 상기 모드 변경 단계에서 상기 아이들 모드 또는 상기 감속률 제어 모드로 상기 제어 모드를 변경할 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점은 이하의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용, 청구범위 및 도면으로부터 명확해질 것이다.
이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명의 과제해결 수단에 의하면 다음과 같은 사항을 포함하는 다양한 효과를 기대할 수 있다. 다만, 본 발명이 하기와 같은 효과를 모두 발휘해야 성립되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 엔진 시스템 및 그 제어 방법은, 토크 감소율 및 전류 감소율을 측정하여 엔진 제어에 이용한다. 따라서 종래 엔진의 회전수 만으로 엔진을 피드백제어 했던 것과 비교할 때, 엔진의 과회전 상황을 미리 예측하여 피드 포워드 제어할 수 있으므로, 엔진의 과회전을 사전에 방지할 수 있으며, 따라서 엔진의 파손을 예방하고 수명을 늘리는 효과가 있다.
또한 본 발명은 토크 감소율 및 전류 감소율에 따라 토크 감소율 및 전류 감소율이 매우 큰 경우 엔진을 정지시킨 후 재시동하는 정지 모드로 엔진을 제어하고, 토크 감소율 및 전류 감소율이 큰 경우 엔진을 공회전시키는 아이들 모드 또는 최대 감속률을 증가시키는 감속률 제어 모드로 엔진을 제어한다. 즉 토크 감소율 및 전류 감소율의 크기에 따라 엔진 또는 엔진 제어부를 제어함으로써 상황에 맞는 효과적인 대처가 가능하다.
도 1은 본 발명 하이브리드 엔진 시스템의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 도면,
도 2는 본 발명 하이브리드 엔진 시스템 제어 방법의 순서도,
도 3은 도 2에서 정지 모드 구동 단계의 상세도,
도 4는 도 2에서 아이들 모드 구동 단계의 상세도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 발명의 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시예로 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 다른 실시예에 도시되어 있다 하더라도, 동일한 구성요소에 대하여서는 동일한 식별부호를 사용한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다.
이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
이하의 실시예에서, x축, y축 및 z축은 직교 좌표계 상의 세 축으로 한정되지 않고, 이를 포함하는 넓은 의미로 해석될 수 있다. 예를 들어, x축, y축 및 z축은 서로 직교할 수도 있지만, 서로 직교하지 않는 서로 다른 방향을 지칭할 수도 있다.
어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 공정 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 공정이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 진행될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명 하이브리드 엔진(10) 시스템의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명 하이브리드 엔진(10) 시스템의 일 실시예는, 엔진(10), 엔진(10)에 의해 구동되어 전기에너지를 출력하는 발전기(21), 발전기(21)로부터 생산된 전기에너지를 저장하거나 발전기(21)와 함께 전기에너지를 공급하는 배터리(23), 및 엔진(10)을 제어하는 제어부(40)를 포함할 수 있다.
엔진(10)은 터빈을 포함하여 연료의 에너지를 터빈의 회전에너지로 출력하며, 대표적으로 주로 헬리콥터에 사용되는 터보샤프트 엔진(10)을 예로 들 수 있다. 이외에도 터보제트 엔진(10), 터보팬 엔진(10), 터보프롭 엔진(10), 펄스 제트 엔진(10), 램제트 엔진(10), 로켓 엔진(10) 등 터빈이 회전하는 구조의 엔진(10)이라면 모두 적용될 수 있다.
엔진(10)의 회전에너지는 발전기(21) 등을 포함하는 송전부(20)를 통해 전력을 소비하는 부하부(30)로 전달될 수 있다. 발전기(21)는 엔진(10)의 출력축에 연결되어 토크를 전달받을 수 있다. 발전기(21)는 엔진(10)으로부터 전달받는 회전에너지를 전자기 유도에 의해 교류 전압 및 교류 전류로 생성되는 전기에너지로 변환하여 출력할 수 있다. 일반적으로 전력변환장치를 사용하여 변환되는 발전 전류는 고조파를 많이 포함하고 있으므로 하드웨어적인 필터를 사용하여 전류의 고조파를 제거할 수 있다.
또한 송전부(20)는 발전기(21)의 출력단에 연결되는 제1컨버터(22)를 포함할 수 있다. 제1컨버터(22)는 교류/직류 컨버터로 발전기(21)에서 출력되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 역할을 한다. 이는 하나의 시스템 내에서 배터리(23)의 직류 전원과 통합되도록 하기 위함이며, 나아가 시스템에 적합한 수준으로 전압을 승압 또는 강압시키기 위해 사용될 수 있다.
또한 송전부(20)는 배터리(23) 및 배터리(23)의 전압을 승압 또는 강압시키는 직류/직류컨버터인 제2컨버터(24)를 포함할 수 있다. 배터리(23)는 엔진(10) 및 발전기(21)와 함께 전원을 공급하는 구성이며, 특히 엔진(10)에서 공급하는 에너지가 부족한 경우 배터리(23) 전력을 사용할 수 있다. 또한 발전기(21)에서 출력되는 전기에너지가 필요량보다 큰 경우 배터리(23)에 저장될 수도 있다. 배터리(23)는 이차전지로 구성될 수 있다. 배터리(23)의 예로서 리튬폴리머배터리(23)를 들 수 있다. 하이브리드 엔진(10) 시스템에서는 발전기(21)에서 생산된 전기에너지와 배터리(23)에 저장된 전기에너지를 전원으로 사용하여 프롭로터(34) 또는 항전시스템(35) 등이 구동될 수 있다.
송전부(20)의 전력은 부하부(30)로 전송될 수 있다. 송전부(20)와 부하부(30)의 사이에 형성되는 노드를 수전노드(31)라 할 때, 수전노드(31) 상에 복수의 부하가 연결될 수 있다. 부하의 전단에는 제3컨버터(32)가 설치될 수 있고, 부하의 종류에 따라 제3컨버터(32)는 직류/교류 컨버터로 구성될 수 있으며 이 경우 직류 전원을 변환할 수 있다. 또는 제3컨버터(32)는 직류/직류 컨버터로 구성될 수 있으며 이 경우 직류 전압을 승압 또는 강압시킬 수 있다.
예를 들어 드론의 경우, 부하부(30)는 모터(33) 및 프롭모터(33)를 포함할 수 있고 이 경우 제3컨버터(32)는 직류/교류 컨버터가 사용될 수 있다. 또한 제어기, 램프 등 기타 항전시스템(35)의 전단에는 제3컨버터(32)가 해당 부하의 정격 전압에 맞추어 조정되도록 직류/직류 컨버터가 사용될 수 있다. 물론 복수의 컨버터가 직렬로 연결되는 것도 가능하다.
본 발명의 제어부(40)는 엔진(10)을 제어하기 위한 구성이다. 제어를 위해, 제어부(40)는 엔진(10)의 출력축의 토크(T)를 측정하는 토크계측기(41) 및 발전기(21)의 출력 전류(I)를 측정하는 전류계측기(42)를 포함할 수 있다. 이는 발전기(21) 부하가 급격히 감소하는 경우 토크 또는 전류가 급감하게 되고, 엔진(10)의 파워는 일시적으로 일정하므로 이를 통해 엔진(10) 과회전을 예상할 수 있는 점을 이용하기 위함이다. 나아가 측정된 토크값 및 전류값의 시간(t)당 변화율을 연산하고, 토크 감소율(-△T/△t) 및 전류 감소율(-△I/△t)을 설정값과 비교하여, 엔진(10)이 비행 모드로 운전 중 상기 토크 및 상기 전류 중 적어도 하나의 감소율이 설정값보다 큰 경우, 엔진(10)의 운전 모드를 변경시킬 수 있다. 여기서 감소율에 포함된 (-)는 감소되는 것을 양의 수로 나타내기 위한 것이다. 제어의 정확성을 위하여 토크와 전류 감소율을 모두 사용할 수도 있고, 무인 드론과 같이 높은 신뢰도가 상대적으로 덜 요구되는 경우에는 두가지 신호 중 하나만 사용할 수도 있다.
제어부(40)의 엔진(10) 제어 구성을 상세히 설명하기에 앞서 본 발명의 엔진(10)의 제어 모드에 관하여 설명한다. 본 발명의 일 실시예에서 엔진(10)의 제어 모드는 비행(Fly) 모드, 정지(Stop) 모드, 아이들(Idle) 모드, 감속률 제어 모드를 들 수 있다. 여기서 비행 모드 및 아이들 모드는 엔진(10) 자체의 구동을 제어하는 것이고, 감속률 제어 모드는 엔진(10)을 제어하기 위한 제어기 내에서 설정되는 값을 제어하는 것으로 이해할 수 있다.
먼저 비행 모드는, 정상 비행 상태에서 엔진(10)이 구동되는 것을 의미한다. 이에는 발전기(21) 부하가 급변하는 경우는 정상 비행 상태가 아닌 것으로 보아 제외한다. 비행 모드에서 엔진(10) 구동으로 발전기(21)로부터 전력이 생산되며, 필요에 따라 발전기(21) 전력에 더하여 배터리(23) 전력이 사용될 수 있다. 또한 비행 모드에서 엔진(10)의 최대 감속률이 제어부(40)에 설정값으로 저장될 수 있다. 상기 엔진(10)의 최대 감속률은 변경되지 않는 한 모드가 바뀌어도 그 값이 바뀌지 않도록 설정될 수 있다. 엔진(10)의 최대 감속률()은 다음과 같이 N(normal)으로 정의될 수 있다. N은 양의 수, 또는 다른 파라미터를 매개로 하는 함수로 형성될 수 있다. 최대 감속률에 포함된 (-)는 감소되는 것을 양의 수로 나타내기 위한 것이다.
여기서 t는 시간을 의미하며, 는 엔진(10)을 감속시키는 요인으로 이해될 수 있다. 그 요인의 예로써, 는 엔진(10)에 공급되는 연료유량이 될 수 있고 이 경우 는 연료유량의 감소량이 될 수 있다.
정지 모드는, 발전기(21) 부하가 급감하는 경우의 엔진(10) 제어 모드이다. 정지 모드에서 엔진(10)은 정지(Stop)하며, 설정된 시간동안 정지 상태로 대기할 수 있다. 즉 엔진(10)은 설정된 시간동안 정지될 수 있다. 나아가 정지 모드는 상기 설정된 시간이 경과된 후 엔진(10)을 아이들(Idle) 상태로 구동시키고, 비행 모드로 전환되는 모드이다.
한편, 아이들(ldle) 상태란 엔진(10) 공회전 상태를 뜻하며, 엔진(10) 운전 시 엔진(10)의 회전이 그대로 출력되지 않는 상태를 의미한다. 이론적으로는 출력이 0인 것을 의미하지만, 유효 엔진(10) 출력이 되지 않는 것으로 이해할 수 있으며, 유효 엔진(10) 출력이란 운행에 필요한 출력으로 이해될 수 있다. 본 발명에서는 발전기(21)를 구동하는 출력을 유효 엔진(10) 출력으로 볼 수 있다. 더불어, 아이들 모드로 엔진(10)을 구동하더라도, 배터리(23)에서 동력을 제공하기 때문에 본 발명이 적용되는 모빌리티의 안정성이 유지될 수 있다. 예를 들어 드론 비행 중 아이들 모드로 엔진(10)을 구동하더라도 프롭로터(34)는 배터리(23) 전력으로 구동 가능하여 안전성에 문제가 없다.
다음으로 아이들 모드는, 발전기(21) 부하가 급감하는 경우의 엔진(10) 제어 모드이다. 구체적으로는, 발전기(21) 부하가 정지 모드의 경우보다 발전기(21) 부하가 급감하지는 않으나 정상범위보다 빠르게 감소하는 경우로 볼 수 있다. 아이들 모드에서 제어부(40)는 엔진(10)을 설정된 시간동안 아이들 상태로 구동한 후 비행 모드로 전환할 수 있다. 즉 엔진(10)은 아이들 상태로 설정된 시간동안 대기한 후 비행모드로 전환될 수 있다.
마지막으로 감속률 제어 모드는, 발전기(21) 부하가 급감하는 경우의 엔진(10) 제어 모드이다. 구체적으로는, 발전기(21) 부하가 정지 모드의 경우보다 발전기(21) 부하가 급감하지는 않으나 정상범위보다 빠르게 감소하는 경우로 볼 수 있다. 감속률 제어 모드에서 제어부(40)는 저장된 엔진(10)의 최대 감속률()을 N(Normal)에서 다음과 같이 증가시킬 수 있다.
여기서 α는 양의 수이고, 따라서 감속률 제어 모드에서 엔진(10)의 최대 감속률은 다른 모드에서보다 큰 값을 갖는다. 일 예로, 는 엔진(10)에 공급되는 연료유량이 될 수 있고 이 경우 는 연료유량의 감소량이 될 수 있다.
한편, 기존의 엔진(10)의 경우에는 제어기가 엔진(10)의 회전수만을 피드백 받아서 제어를 수행하므로 피드백 제어의 특성에 따라 이미 엔진(10)에 과회전이 발생한 후에야 대응을 할 수밖에 없었다. 즉 엔진(10) 과회전을 방지할 수 없는 문제가 있었다. 이와 달리 본 발명은 피드 포워드(Feed Forward) 제어를 하는 것으로 엔진(10) 과회전을 예측하고 대응할 수 있다는 점에 효과가 있다.
제어부(40)는 토크 감소율(-△T/△t) 및 전류 감소율(-△I/△t)을 설정값과 비교하여 엔진(10)이 비행 모드로 운전 중 상기 토크 및 상기 전류 중 적어도 하나의 감소율이 설정값보다 큰 경우, 엔진(10)의 제어 모드를 변경할 수 있다.
제어부(40)는 토크 감소율(-△T/△t)과 제1토크감소율(A+A')을 비교할 수 있다. 여기서 A는 설정된 토크의 임계감소율이고, A'는 엔진(10)이 파손되지 않는 범위에서 정하여진 것으로 추가로 부가될 수 있는 감소율이다. 즉 제1토크감소율 A+A'는 임계감소율 A보다 급감할 수 있는 감소율이다. 또한 제어부(40)는 전류 감소율(-△I/△t)과 제1전류감소율(B+B')을 비교할 수 있다. 여기서 B는 설정된 전류의 임계감소율이고 B'는 엔진(10)이 파손되지 않는 범위에서 정하여진 것으로 추가될 수 있는 부가 감소율이다. 즉 제1전류감소율 B+B'는 임계감소율 B보다 급감할 수 있는 감소율이다. 이어서 제어부(40)는 토크의 감소율(-△T/△t)이 제1토크감소율(A+A')보다 크거나 전류의 감소율(-△I/△t)이 제1전류감소율(B+B')보다 큰 경우 엔진(10)을 설정된 시간동안 정지시키는 정지 모드로 구동할 수 있다. 더불어 상술한 바와 같이 제어부(40)는 정지 모드에서 상기 설정된 대기 시간이 경과된 후 엔진(10)을 공회전시킨 후 비행 모드로 구동할 수 있다.
나아가 제어부(40)는 토크 감소율(-△T/△t)과 제2토크감소율(A)을 비교할 수 있다. 여기서 제2토크감소율은 상술한 임계감소율 A로 이해될 수 있다. 또한 제어부(40)는 전류 감소율(-△I/△t)과 제2전류감소율(B)을 비교할 수 있다. 여기서 제2전류감소율은 상술한 임계감소율 B로 이해될 수 있다. 이어서 제어부(40)는 토크의 감소율(-△T/△t)이 제2토크감소율(A)보다 크거나 전류의 감소율(-△I/△t)이 제2전류감소율(B)보다 큰 경우 엔진(10)을 설정된 시간동안 공회전시키는 아이들 모드로 구동할 수 있다.
한편 제어부(40)는, 토크의 감소율(-△T/△t)이 제2토크감소율(A)보다 크거나 전류의 감소율(-△I/△t)이 제2전류감소율(B)보다 큰 경우 엔진(10)의 최대 감속률의 설정치를 증가시키는 감속률 제어 모드로 엔진(10)을 구동할 수 있다.
제어부(40)는 아이들 모드 또는 감속률 제어 모드를 선택적으로 적용할 수 있으며, 이는 자동 또는 수동으로 이루어질 수 있다. 나아가 아이들 모드 및 감속률 제어 모드는 동시에 적용될 수 도 있다. 다만 동시에 적용되는 경우 감속률 제어 모드는 엔진(10) 자체가 아닌 엔진(10)을 제어하는 제어 설정값에 관한 것이므로, 감속률 제어 모드가 적용되어 효과를 내기 전 아이들 모드의 효과로 엔진(10)의 과회전이 방지될 수 있다.
이하, 본 발명 하이브리드 엔진(10) 시스템 제어 방법의 일 실시예를 상세히 설명한다. 이하에서 기재하는 구성 중 상술한 하이브리드 엔진(10) 시스템의 설명에서 기재한 구성과 명칭, 기호, 또는 도면부호가 일치하는 것은 동일한 구성 및 동일한 의미로 이해될 수 있다.
도 2는 본 발명 하이브리드 엔진(10) 시스템 제어 방법의 순서도, 도 3은 도 2에서 정지 모드 구동 단계의 상세도, 도 4는 도 2에서 아이들 모드 구동 단계의 상세도이다. 이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명 하이브리드 엔진(10) 시스템 제어 방법은, 엔진(10)을 비행 모드로 구동하는 비행 모드 구동 단계(S1)와, 엔진(10)의 출력축 토크 및 엔진(10)의 출력축에 연결된 발전기(21)의 출력 전류를 측정하고, 상기 토크의 감소율 및 상기 전류의 감소율을 설정값과 비교하는 단계 감소율 판단 단계(S2, S4), 및 상기 감소율 판단 단계에 따라 상기 엔진(10)의 제어 모드를 변경하는 모드 변경 단계(S3, S5, S6)를 포함할 수 있다.
비행 모드 구동 단계(S1)는 상술한 비행 모드로 엔진(10)이 제어된다. 도 2를 참고하면, 본 단계는 정상 비행 상태에서 엔진(10)이 구동되는 것을 의미한다. 발전기(21) 부하가 급변하는 경우는 정상 비행 상태가 아닌 것으로 보아 정상 비행 상태에서 제외한다. 비행 모드에서 엔진(10) 구동으로 발전기(21)로부터 전력이 생산되며, 필요에 따라 발전기(21) 전력에 더하여 배터리(23) 전력이 사용될 수 있다. 또한 비행 모드에서엔진(10)의 최대 감속률이 제어부(40)에 설정값으로 저장될 수 있다. 상기 엔진(10)의 최대 감속률은 변경되지 않는 한 모드가 바뀌어도 그 값이 바뀌지 않도록 설정될 수 있다. 엔진(10)의 최대 감속률()은 다음과 같이 N(normal)으로 정의될 수 있다.
여기서 Normal은 양의 수, 또는 다른 파라미터를 매개로 하는 함수로 형성될 수 있다. 최대 감속률에 포함된 (-)는 감소되는 것을 양의 수로 나타내기 위한 것이다. t는 시간을 의미하며, 는 엔진(10)을 감속시키는 요인으로 이해될 수 있다. 그 요인의 예로써, 는 엔진(10)에 공급되는 연료유량이 될 수 있고 이 경우 는 연료유량의 감소량이 될 수 있다.
감소율 판단 단계(S2, S4)는 제1감소율 판단 단계(S2) 및 제2감소율 판단 단계(S4)를 포함할 수 있다. 감소율 판단 단계(S2, S4)에서 토크 감소율(-△T/△t) 및 전류 감소율(-△I/△t)을 설정값과 비교할 수 있다. 발전기(21) 부하가 급격히 감소하는 경우 토크 또는 전류가 급감하게 되고, 엔진(10)의 파워는 순간적으로 일정하므로 이를 통해 엔진(10) 과회전을 예상할 수 있는 점을 이용한 것이다. 엔진(10)이 비행 모드로 운전 중 상기 토크 및 상기 전류 중 적어도 하나의 감소율이 설정값보다 큰 경우, 엔진(10)의 제어 모드를 변경할 수 있다.
제1감소율 판단 단계(S2)는 토크 감소율(-△T/△t)과 제1토크감소율(A+A')을 비교하는 단계이다. 여기서 A는 설정된 토크의 임계감소율이고, A'는 엔진(10)이 파손되지 않는 범위에서 정하여진 것으로 추가로 부가될 수 있는 감소율이다. 즉 제1토크감소율 A+A'는 임계감소율 A보다 급감할 수 있는 감소율이다. 또한 본 단계에서 전류 감소율(-△I/△t)과 제1전류감소율(B+B')을 비교할 수 있다. 여기서 B는 설정된 전류의 임계감소율이고 B'는 엔진(10)이 파손되지 않는 범위에서 정하여진 것으로 추가될 수 있는 부가 감소율이다. 즉 제1전류감소율 B+B'는 임계감소율 B보다 급감할 수 있는 감소율이다. 이어서 본 단계에서 토크의 감소율(-△T/△t)이 제1토크감소율(A+A')보다 크거나 전류의 감소율(-△I/△t)이 제1전류감소율(B+B')보다 큰 지 판단할 수 있다.
토크의 감소율(-△T/△t)이 제1토크감소율(A+A')보다 크거나 전류의 감소율(-△I/△t)이 제1전류감소율(B+B')보다 크다고 판단되는 경우, 모드 변경 단계 중 하나인 정지 모드 구동 단계(S3)로 엔진(10) 제어 모드가 변경될 수 있다.
정지 모드 구동 단계(S3)는, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 발전기(21) 부하가 급감하는 경우의 엔진(10) 제어 모드이다. 정지 모드에서 엔진(10)은 정지(Stop)하며(S31), 설정된 시간동안 정지 상태로 대기할 수 있다(S32). 즉 엔진(10)은 설정된 시간동안 정지될 수 있다. 나아가 정지 모드는 상기 설정된 시간이 경과된 후 엔진(10)을 아이들(Idle) 상태로 구동시키고(S33), 비행 모드로 전환할 수 있을만큼 엔진(10) 출력이 증가한 후에 엔진(10)의 제어 모드를 비행 모드로 전환(S34)할 수 있다. 이후 연속적으로 토크 감소율과 전류 감소율을 판단하여 엔진(10) 과회전을 방지할 수 있다.
제1감소율 판단 단계(S4)에서 토크의 감소율(-△T/△t)이 제1토크감소율(A+A')보다 크거나 전류의 감소율(-△I/△t)이 제1전류감소율(B+B')보다 크다고 판단되는 경우, 제2감소율 판단 단계(S3)에서 토크 감소율(-△T/△t)과 제2토크감소율(A)을 비교할 수 있다. 여기서 제2토크감소율은 상술한 임계감소율 A로 이해될 수 있다. 또한 제2감소율 판단 단계(S4)에서 전류 감소율(-△I/△t)과 제2전류감소율(B)을 비교할 수 있다. 여기서 제2전류감소율은 상술한 임계감소율 B로 이해될 수 있다. 이어서 제어부(40)는 토크의 감소율(-△T/△t)이 제2토크감소율(A)보다 크거나 전류의 감소율(-△I/△t)이 제2전류감소율(B)보다 큰 경우 엔진(10)을 설정된 시간동안 공회전시키는 아이들 모드로 구동할 수 있다.
제2감소율 판단 단계(S4)에서, 토크의 감소율(-△T/△t)이 제2토크감소율(A)보다 크거나 전류의 감소율(-△I/△t)이 제2전류감소율(B)보다 크다고 판단되는 경우 모드 변경 단계 중 하나인 아이들 모드 구동 단계(S5)로 엔진(10) 제어 모드가 변경될 수 있다.
아이들 모드 구동 단계(S5)는, 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이 발전기(21) 부하가 급감하는 경우의 엔진(10) 제어 모드이다. 구체적으로는, 발전기(21) 부하가 정지 모드의 경우보다 발전기(21) 부하가 급감하지는 않으나 정상범위보다 빠르게 감소하는 경우로 볼 수 있다. 아이들 모드에서 엔진(10)을 아이들 상태로 전환하고(S51), 설정된 시간동안 대기시킨 후(S52) 엔진(10) 제어 모드를 비행 모드로 전환(S53)할 수 있다. 이후 연속적으로 토크 감소율과 전류 감소율을 판단하여 엔진(10) 과회전을 방지할 수 있다.
또한 제2감소율 판단 단계(S4)에서, 토크의 감소율(-△T/△t)이 제2토크감소율(A)보다 크거나 전류의 감소율(-△I/△t)이 제2전류감소율(B)보다 크다고 판단되는 경우 모드 변경 단계 중 하나인 감속률 제어 모드 구동 단계(S6)로 엔진(10) 제어 모드가 변경될 수 있다.
감속률 제어 모드 구동 단계(S6)는 도 2에 도시된 바와 같이, 발전기(21) 부하가 급감하는 경우의 엔진(10) 제어 모드이다. 구체적으로는, 발전기(21) 부하가 정지 모드의 경우보다 발전기(21) 부하가 급감하지는 않으나 정상범위보다 빠르게 감소하는 경우로 볼 수 있다. 감속률 제어 모드에서 제어부(40)는 저장된 엔진(10)의 최대 감속률()을 N(Normal)에서 다음과 같이 증가시킬 수 있다.
여기서 α는 양의 수이고, 따라서 감속률 제어 모드에서 엔진(10)의 최대 감속률은 다른 모드에서보다 큰 값을 갖는다. 일 예로, 는 엔진(10)에 공급되는 연료유량이 될 수 있고 이 경우 는 연료유량의 감소량이 될 수 있다. 이후 연속적으로 토크 감소율과 전류 감소율을 판단하여 엔진(10) 과회전을 방지할 수 있다.
한편 아이들 모드 구동 단계(S5) 또는 감속률 제어 모드 구동 단계(S6)를 선택적으로 적용할 수 있으며, 이는 자동 또는 수동으로 이루어질 수 있다. 나아가 아이들 모드 구동 단계(S5) 및 감속률 제어 모드 구동 단계(S6)는 동시에 적용될 수도 있다. 다만 동시에 적용되는 경우 감속률 제어 모드는 엔진(10) 자체가 아닌 엔진(10)을 제어하는 제어 설정값에 관한 것이므로, 감속률 제어 모드가 적용되어 효과를 내기 전 아이들 모드의 효과로 엔진(10)의 과회전이 방지될 수 있다.
이와 같이 도면에 도시된 실시예를 참고로 본 발명을 설명하였으나, 이는 예시에 불과하다. 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 실시예로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 충분히 이해할 수 있다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위에 기초하여 정해져야 한다.
실시예에서 설명하는 특정 기술 내용은 일 실시예들로서, 실시예의 기술 범위를 한정하는 것은 아니다. 발명의 설명을 간결하고 명확하게 기재하기 위해, 종래의 일반적인 기술과 구성에 대한 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재는 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로 표현될 수 있다. 또한, "필수적인", "중요하게" 등과 같이 구체적인 언급이 없다면 본 발명의 적용을 위하여 반드시 필요한 구성 요소가 아닐 수 있다.
발명의 설명 및 청구범위에 기재된 "상기" 또는 이와 유사한 지시어는 특별히 한정하지 않는 한, 단수 및 복수 모두를 지칭할 수 있다. 또한, 실시 예에서 범위(range)를 기재한 경우 상기 범위에 속하는 개별적인 값을 적용한 발명을 포함하는 것으로서(이에 반하는 기재가 없다면), 발명의 설명에 상기 범위를 구성하는 각 개별적인 값을 기재한 것과 같다. 또한, 실시예에 따른 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 따라 실시예들이 한정되는 것은 아니다. 실시예에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예들 들어, 등등)의 사용은 단순히 실시예를 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구범위에 의해 한정되지 않는 이상, 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 실시예의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 통상의 기술자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 팩터에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.
10 엔진 20 송전부
21 발전기 22 제1컨버터
23 배터리 24 제2컨버터
30 부하부 31 수전노드
32 제3컨버터 33 모터
34 프롭로터 35 항전시스템
40 제어부 41 토크계측기
42 전류계측기
S1 비행 모드 구동 단계 S2 제1감소율 판단 단계
S3 정지 모드 구동 단계 S4 제2감소율 판단 단계
S5 아이들 모드 구동 단계 S6 감속률 제어 모드 구동 단계

Claims (12)

  1. 엔진;
    상기 엔진에 의해 구동되어 전기에너지를 출력하는 발전기;
    상기 발전기로부터 생산된 전기에너지를 저장하거나, 상기 발전기와 함께 전기에너지를 공급하는 배터리; 및
    상기 엔진을 제어하는 제어부; 를 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 엔진의 출력축의 토크를 측정하는 토크계측기 및 상기 발전기의 출력 전류를 측정하는 전류계측기를 포함하고, 상기 엔진이 비행 모드로 운전 중 상기 토크 및 상기 전류 중 적어도 하나의 감소율이 설정값보다 큰 경우, 상기 엔진의 운전 모드를 변경하고,
    상기 제어부는, 상기 토크의 감소율이 제1토크감소율(A+A')보다 크거나 상기 전류의 감소율이 제1전류감소율(B+B')보다 큰 경우, 상기 엔진을 설정된 시간 동안 정지시키는 정지 모드로 구동하고,
    상기 제어부는, 상기 정지 모드에서, 상기 설정된 시간이 경과된 후 상기 엔진을 공회전시킨 후, 비행 모드로 전환할 수 있을 정도로 상기 엔진의 출력이 증가하면 상기 엔진을 상기 비행 모드로 구동하는, 하이브리드 엔진 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 토크의 감소율이 제2토크감소율(A)보다 크거나 상기 전류의 감소율이 제2전류감소율(B)보다 큰 경우, 상기 엔진을 설정된 시간동안 공회전시키는 아이들 모드로 구동하는 하이브리드 엔진 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 토크의 감소율이 제2토크감소율(A)보다 크거나 상기 전류의 감소율이 제2전류감소율(B)보다 큰 경우, 상기 엔진의 최대 감속률의 설정치를 증가시키는 감속률 제어 모드로 상기 엔진을 구동하는 하이브리드 엔진 시스템.
  6. 엔진을 비행 모드로 구동하는 비행 모드 구동 단계;
    상기 엔진의 출력축 토크 및 상기 엔진의 출력축에 연결된 발전기의 출력 전류를 측정하고, 상기 토크의 감소율 및 상기 전류의 감소율을 설정값과 비교하는 단계 감소율 판단 단계; 및
    상기 감소율 판단 단계에 따라 상기 엔진의 제어 모드를 변경하는 모드 변경 단계;
    를 포함하고,
    상기 감소율 판단 단계는, 상기 토크의 감소율과 제1토크감소율(A+A')을 비교하고, 상기 전류의 감소율과 제1전류감소율(B+B')을 비교하는 제1감소율 판단 단계를 포함하고,
    상기 토크의 감소율이 제1토크감소율(A+A')보다 크거나 상기 전류의 감소율이 제1전류감소율(B+B')보다 큰 경우, 상기 모드 변경 단계에서 상기 엔진을 설정된 시간동안 정지시키는 정지 모드로 상기 제어 모드를 변경하고,
    상기 정지 모드는, 상기 설정된 시간이 경과된 후 상기 엔진을 공회전시킨 후, 비행 모드로 전환할 수 있을 정도로 상기 엔진의 출력이 증가하면 상기 엔진을 상기 비행 모드로 구동하는, 하이브리드 엔진 시스템 제어 방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제6항에 있어서,
    상기 감소율 판단 단계는, 상기 토크의 감소율과 제2토크감소율(A)을 비교하고, 상기 전류의 감소율과 제2전류감소율(B)을 비교하는 제2감소율 판단 단계를 포함하고,
    상기 토크의 감소율이 제2토크감소율(A)보다 크거나 상기 전류의 감소율이 제2전류감소율(B)보다 큰 경우, 상기 모드 변경 단계에서 상기 엔진을 설정된 시간동안 공회전시키는 아이들 모드로 상기 제어 모드를 변경하는 하이브리드 엔진 시스템 제어 방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 감소율 판단 단계는, 상기 제1감소율 판단 단계에서 상기 토크의 감소율이 제2토크감소율(A)보다 크지 않고 상기 전류의 감소율이 제2전류감소율(B)보다 크지 않은 경우, 상기 토크의 감소율과 제2토크감소율(A)을 비교하고, 상기 전류의 감소율과 제2전류감소율(B)을 비교하는 제2감소율 판단 단계를 포함하고,
    상기 토크의 감소율이 제2토크감소율(A)보다 크거나 상기 전류의 감소율이 제2전류감소율(B)보다 큰 경우, 상기 모드 변경 단계에서 상기 엔진을 설정된 시간동안 공회전시키는 아이들 모드로 상기 제어 모드를 변경하는 하이브리드 엔진 시스템 제어 방법.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 감소율 판단 단계는, 상기 토크의 감소율과 제2토크감소율(A)을 비교하고, 상기 전류의 감소율과 제2전류감소율(B)을 비교하는 제2감소율 판단 단계를 포함하고,
    상기 토크의 감소율이 제2토크감소율(A)보다 크거나 상기 전류의 감소율이 제2전류감소율(B)보다 큰 경우, 상기 엔진의 최대 감속률의 설정치를 증가시키는 감속률 제어 모드로 상기 제어 모드를 변경하는 하이브리드 엔진 시스템 제어 방법.
  12. 제6항에 있어서,
    상기 감소율 판단 단계는, 상기 제1감소율 판단 단계에서 상기 토크의 감소율이 제2토크감소율(A)보다 크지 않고 상기 전류의 감소율이 제2전류감소율(B)보다 크지 않은 경우, 상기 토크의 감소율과 제2토크감소율(A)을 비교하고, 상기 전류의 감소율과 제2전류감소율(B)을 비교하는 제2감소율 판단 단계를 포함하고,
    상기 토크의 감소율이 제2토크감소율(A)보다 크거나 상기 전류의 감소율이 제2전류감소율(B)보다 큰 경우, 상기 엔진의 최대 감속률의 설정치를 증가시키는 감속률 제어 모드로 상기 제어 모드를 변경하는 하이브리드 엔진 시스템 제어 방법.
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