시내버스 운행차 공회전 제한장치 적용을 위한 제어기 개발

2.1 연료 차단을 위한 회로 구성

일반적으로 차량에서 엔진의 시동을 끄는 방법은 Key-off를 하는 방법이다. 하지만 Key-off로 엔진의 시동을 끌 경우 차량의 편의 장비가 모두 꺼지게 되어 승객의 불편함을 초래할 수 있다. 따라서 본 연구에선 Idle Stop 동작을 위해 엔진의 시동을 끄는 방법으로 인젝터를 제어하여 엔진에 분사되는 연료공급을 차단한다.

Fig. 1은 ISG System을 적용한 인젝터 회로를 도식화한 그림이며 기존 시내버스 인젝터 회로에 ISG 제어기와 차량용 5핀 릴레이, 더미 인젝터로 사용할 저항이 추가되었다.

Fig. 1

Schematic of ISG system for injector control

먼저, 주행 상황에서 ISG 제어기의 신호가 나오지 않으면 5핀 릴레이 내에서 인젝터와 컨트롤 릴레이가 차단되지 않은 채 ECU (Engine Control Unit)의 제어로 연료분사를 한다.

이후 Idle Stop을 위해 ISG 제어기에서 신호가 나오면 5핀 릴레이가 동작하여 컨트롤 릴레이와 더미 인젝터가 연결되게 됨으로써 인젝터 동작이 차단되고 연료분사가 멈추면서 엔진이 정지한다. Idle Stop 시 연결된 더미 인젝터의 역할은 차량의 고장진단 기능으로 인해 인젝터 불량 신호를 내보내지 않도록 한다. 따라서 더미 인젝터는 인젝터 만큼의 부하를 줄 수 있는 저항으로 구성했다. Idle Stop이 동작한 후에는 ISG 제어기의 신호를 차단하고 다시 인젝터를 컨트롤 릴레이와 연결시켜 재시동 준비를 한다.

Idle Stop 후 운전자가 재출발 의지를 보이면 다시 엔진에 시동을 걸어야 하는데 이를 위해선 스타팅 모터를 동작시켜야 한다. 본 연구에선 재시동 시 스타팅 모터 동작을 위해 Keybox에서 스타팅 모터로 이어지는 회로에 ISG 제어기와 릴레이로 구성된 바이패스 회로를 추가했으며 Fig. 2에 나타내었다.

Fig. 2

Schematic of ISG system for starting motor control

Idle Stop 동작 중의 Keybox는 Key on 상태로 되어 있기 때문에 Keybox 내 스위치 회로를 수동으로 돌리지 않는 한 스타팅 모터를 동작시킬 수 없다. 따라서 바이패스 회로를 통해 ISG 제어기에서 재시동 신호를 보내면 배터리와 스타팅 모터를 연결하여 재시동을 하도록 시스템을 구성했다.

2.2 제어기 구성

시내버스에 ISG 시스템을 적용하기 위해 Fig. 3과 같이 하드웨어를 구성했다. ISG 컨트롤러의 경우 CAN (Controller Area Network)이가능한 MCU (Micro Control Unit)와 릴레이 동작신호를 보낼 모터 드라이버가 함께 구성되어 있으며 컨트롤러의 신호를 받아 인젝터와 스타팅 모터를 제어할 릴레이, 배터리 전류 및 전압을 측정하여 컨트롤러로 배터리 정보를 보낼 수 있는 배터리 센서로 구성되어 있다.

Fig. 3

ISG controller hardware setting

3.1 엔진 웜업 조건

냉간 시동 시 엔진의 연소실은 초기에 분사된 연료를 완전히 태울 수 있는 충분한 온도와 압력이 형성되어있지 않다. 따라서 시동이 걸리는데 열간 시동보다 더 오랜 시간이 걸리게 된다. 시동 시간이 오래 걸릴 경우 Idle stop 후 재시동 시간이 길어져 교통흐름을 방해할 수 있다. Fig. 4는 실제 버스의 냉간, 열간 시동 실험결과이다. 냉간 시동의 경우 시동이 걸리기까지 약 4초 이상이 걸렸으며 열간 시동의 경우 1초 이내로 시동이 걸렸음을 확인할 수 있다. 따라서 ISG가 동작하기 위한 조건으로 CAN을 통해 받은 엔진 냉각수 온도가 80°C 이상에서 동작하도록 ISG 제어로직에 적용했다.

Fig. 4

Comparison of engine cold start and hot start

3.2 시내버스의 배터리 SOC 예측 필요성

ISG 시스템이 적용된 차량의 경우 Idle Stop 후 재시동 시 스타팅 모터를 구동하게 되는데 이 때 배터리의 용량이 충분히 확보되지 않으면 재시동이 어려워질 수 있다^[4]. 따라서 ISG 시스템을 적용하기 위해선 배터리 SOC 예측이 필요하다.

배터리 SOC를 예측하는 방법 중 가장 정확한 방법으로 OCV (Open-Circuit Voltage) 측정법이 있다. 이는 개방회로 상태의 배터리 전압을 측정하여 그에 따른 SOC를 측정하는 방법으로 12 V 납산 배터리 기준으로 Fig. 5와 같은 결과를 나타낸다^[5]. 이러한 OCV 측정법은 정확하지만 배터리 개방회로 상태의 전압을 측정해야 하므로 충, 방전 상황에선 배터리 SOC를 예측하기 어렵다. 특히, 주행중 시내버스의 배터리는 정전압 상시발전을 하며 Fig. 6과 같은 거동을 보인다. 이때의 배터리 전압은 충전전압으로 측정되기 때문에 OCV 측정법으로 배터리 SOC를 예측할 수 없다. 따라서 시내버스의 배터리 충전거동에 맞는 SOC 예측 방법이 필요하다. Fig. 5를 살펴보면 배터리 SOC가 증가함에 따라 충전전류가 점점 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 본 연구에서는 이러한 배터리 SOC와 충전전류와의 관계를 이용하여 배터리 SOC를 예측한다.

Fig. 5

Battery open-circuit voltage estimation

Fig. 6

Behavior of battery for charging on a vehicle

3.3 배터리 단품실험 및 주행 시 배터리 SOC 예측

앞서 설명한 Fig. 6의 충전거동에 맞는 충전전류에 따른 배터리 SOC 예측방법을 도출하기 위해 배터리 단품 실험을 진행하였으며 Fig. 7의 왼쪽 그림은 배터리 단품실험을 간략하게 도식화 한 그림이다. 배터리 단품실험은 차량의 발전기 역할을 수행할 수 있는 DC Power Supply, 방전 시 차량의 전장부하대신 사용될 1 kW 열저항, 200 Ah 용량의 12 V 납산 배터리로 구성되어 있다.

실험 방법으로 방전된 배터리를 13.75 V의 정전압으로 충전하면서 측정하고자 하는 충전전류에 도달했을 경우 충전전류를 기록하고 충전을 멈춘 뒤 배터리가 안정화 상태에 도달 할 때까지 휴지시켜 그때의 OCV를 통해 배터리 SOC를 도출한다. 실험결과 배터리충전전류와 배터리 SOC와의 관계는 Fig. 7의 오른쪽 그래프와 같으며 이를 이용하여 시내버스 주행 상황에서 충전전류를 통해 배터리 SOC를 예측할 수 있다.

3.4 배터리 단품실험 및 Idle Stop 시 배터리 SOC 예측

Idle Stop 상황에서 ISG가 동작하여 엔진의 시동이 꺼졌을 경우 발전기도 함께 동작하지 않기 때문에 배터리는 차량의 전장부하에 의한 방전상태가 된다. 따라서 방전상황에서의 배터리 SOC를 예측하는 방법 또한 필요하다.

방전 상태의 배터리는 방전 부하에 의해 전압강하를 하는데 이때의 배터리 전압은 방전 부하의 크기 및 배터리 SOC에 따라 달라지므로 방전 부하의 크기에 따른 배터리 전압과의 관계를 통해 SOC를 예측할 수 있다.

배터리 단품 실험은 Fig. 7의 왼쪽 그림과 같이 구성하여 진행했다. 실험 방법으로 충전된 배터리에 일정한 부하로 방전을 하는 동안 측정하고자 하는 전압에 도달하면 방전을 멈춘다. 그 후 즉시 13.75 V의 정전압으로 충전했을 때의 충전전류를 기록하여 그때의 SOC를 도출했다. 이를 방전 부하의 크기를 바꿔가면서 실험했다.

Fig. 7

Battery test bench schematic and test result

실험결과 Fig. 8의 왼쪽 그래프에서 방전 부하별로 배터리 전압대비 배터리 SOC의 관계가 동일한 경향을 보이는 것을 확인할 수 있다. 하지만 동일한 배터리 SOC 상황에서 방전 부하별로 배터리 전압의 크기가 다르기 때문에 배터리 전압과 배터리 SOC의 관계를 직관적으로 확인하기 어렵다. OCV대비 SOC 값을 기준으로 Normalization처리를 하여 방전 전류의 크기에 따른 Coefficient를 Fig. 8의 오른쪽 그래프에 나타냈으며 이를 적용하여 방전상황에서의 배터리 전압대비 배터리 SOC의 관계를 Fig. 9의 그래프와 같이 도출했다.

Fig. 8

Battery SOC vs. battery voltage and normalization

Fig. 9

Battery SOC vs. battery voltage after normalization

3.5 도로 경사도 판단 방법

차량이 오르막 혹은 내리막 도로에서 정차하여 ISG가 동작할 경우 차량 밀림에 의한 사고위험이 있을 수 있으므로 차량이 밀리지 않는 경사각 내에서만 ISG가 동작해야 한다^[6].

도로 경사도 측정은 아반떼 하이브리드 차량에 양산, 적용되는 경사각 센서를 이용했다. Fig. 10은 경사노면 에서의 주행 중 정차상황에서의 경사각 센서의 거동을 나타내는 그래프이다. 차량 속도가 0이 되는 시점에서 관성에 의해 차량이 진행방향으로 쏠리게 되고 이로 인해 경사각 센서가 노면의 경사도 참값을 나타내지 않고 있음을 확인할 수 있다. 이러한 센서 거동은 변위센서를 차량에 추가 부착하여 경사각을 보정할 수 있으나^[7] 이 방법은 시내버스 ISG 시스템에선 양산적용에 어려움이 있다.

Fig. 10

Behavior of road gradient sensor

정차 직후 관성에 의한 쏠림현상에 의한 센서 거동은 0.2초 간격으로 받은 3개 이상의 데이터가 오차범위 내에서 일정하지 않음을 확인 할 수 있었다. 따라서 정차 후 0.2초 간격으로 3개의 데이터를 받아 모두 오차범위 내에서 일정한 값을 유지할 경우 차량의 거동이 안정화 되었다고 판단하고 그 때의 센서값을 도로 경사도의 참값으로 판단하여 ISG 제어 로직에 적용했다.

3.6 ISG 제어로직 구성

ISG 제어로직의 순서도는 Fig. 11의 그림과 같다. ISG 제어 로직의 입력 변수는 엔진 회전속도, 차량 주행속도, APS (Accelerator Position Sensor), 브레이크, 냉각수 온도, 클러치, 배터리 SOC, 도로 경사도로 되어 있다.

Fig. 11

ISG control logic

경사도 조건의 경우 겨울철 가장 위험한 도로상황인 블랙아이스 조건에서의 버스의 최대마찰계수 값인 0.137(8)과 버스하중을 이용하여 버스가 밀리지 않는 경사각인 ±7°이내에서 Idle Stop을 동작하도록 설정했으며 정지상태에서 경사도와 하중에 의해 버스가 밀리지 않을 조건은 식 (1)과 같다.

식 (1)의 Wbus는 버스의 하중이며 g는 중력가속도, θ_road는 도로의 경사도, μ_max는 블랙아이스 노면에서의 최대정지마찰계수이다.

정체가 극심하여 ISG 동작이 짧은 시간 내에 반복해서 동작 할 경우 운전자와 승객이 불편함을 느낄 수 있으므로 도심구간 정체속도 기준인 20 km/h를 넘었을 경우에 Idle Stop이 동작하도록 기준 속도를 넘었는지 판단하는 VSPD Stat이라는 변수를 ISG 제어로직의 동작조건으로 설정했다. 배터리 SOC의 경우 80% 이상에서만 ISG가 동작하도록 설정했다.

위의 조건과 함께 엔진이 웜업 되었고 차량이 정지한 상황에서 클러치를 떼고 브레이크 페달을 밟은 상태 모두가 만족될 경우 Idle Stop이 동작하도록 하고 Idle Stop 후 운전자가 재출발을 위해 클러치 페달을 밟았을 경우 혹은 Idle Stop 중 전장부하에 의해 배터리 SOC가 80% 미만으로 떨어졌을 경우 엔진의 시동을 걸도록 제어로직을 구성했다.