[논문]차량 주행 상태에 따른 연료량 유동의 안정 지침에 대한 연구

허진; 박종명; 이선봉

doi:10.7467/ksae.2012.20.3.037

문제 정의

따라서 본 연구는 자동차 부품군 중의 하나인 차량의 연료시스템에서 연료잔량을 계측하는 연료 지침 시스템의 차량 주행환경 변화 강인성에 관하여 연구하였다. 연료에 관련된 연구는 많이 있으나 차량 주행환경에 강인성을 가진 연료잔량을 측정하는 방법에 관한 연구는 국내외에서 활발히 이루어지지 않는 상황이다.
본 연구에서는 기존 연료 지침계에 발생하는 여러 가지 외부 환경 요인에 의한 지시 정밀도 저하, 운전자에게의 잘못된 정보 전달 등을 최소화하고 신뢰성을 높인 제어 로직을 개발하였고, 이러한 강인 연료 시스템을 개발 검증할 수 있는 시뮬레이션 모델을 개발하였다. 또한 이를 통해 연료지침계의 강인성을 높이는 방법을 제시하였다.

가설 설정

IF의 개념은 차량이 경사로를 일정 시간 이상 주행하여 발생할 수 있는 지속적 기울임의 지시 오차를 보정하기 위해 지시 기준 이전의 연료 센서 저항 값과 현재 샘플링된 저항값과의 차이를 비교하였다. 또한 연료량에 대한 세그먼트는 차량주행 시 연료의 소비에 의해 한 개의 세그먼트 차이를 나타날 것이라 가정하였다. 그리하여 아래 식 (2)와 같이 비교된 결과값이 Table 2에 나타낸 정상 상태에서의 연료탱크의 체적에 대한 센서 측정 저항값은 두 개이상 세그먼트(segment) 차이를 가지면 경사로로 판단하도록 하였다.

제안 방법

2) 강인 연료 시스템의 검증을 위해 실제 차량에 장착되어지는 연료 탱크와 연료 센서로 동일한 환경(HILS)을 구성하여 실 주행 시와 같이 외란을 가하여 오차와 보정 제어한 값으로 나타내어 검증하였다.
IF의 개념은 차량이 경사로를 일정 시간 이상 주행하여 발생할 수 있는 지속적 기울임의 지시 오차를 보정하기 위해 지시 기준 이전의 연료 센서 저항 값과 현재 샘플링된 저항값과의 차이를 비교하였다. 또한 연료량에 대한 세그먼트는 차량주행 시 연료의 소비에 의해 한 개의 세그먼트 차이를 나타날 것이라 가정하였다.
데이터 계측 및 제어를 위해 NI에서 제공하는 NI USB-6210을 이용하여 센서의 아날로그 신호를 디지털 형태의 데이터로 변환시켰다. SILS로 검증된 로직의 가상 노이즈 생성은 연료 탱크에 인위적인 힘을 가하여 연료 센서에서의 실측 저항값을 측정 하여 구하였다.Table 2의 데이터 값을 이용하여 연료 지침계가 Full, 3/4, 1/2, 1/4 등 4 지점에서 외란으로 인한 출렁임과 경사도를 등판 시의 기울어짐에 대하여 실측, 검증하였고 결과는 다음과 같다.
데이터 계측 및 제어를 위해 NI에서 제공하는 NI USB-6210을 이용하여 센서의 아날로그 신호를 디지털 형태의 데이터로 변환시켰다. SILS로 검증된 로직의 가상 노이즈 생성은 연료 탱크에 인위적인 힘을 가하여 연료 센서에서의 실측 저항값을 측정 하여 구하였다.
또한 본 연구에서는 하드웨어 검증 장치를 실제 차량에 설치하여 실차환경과 동일하게 하도록 하였다. 이 실험을 위해 계명대학교 캠퍼스에 위치한 경사도 10%, 12.
본 연구에서는 기존 연료 지침계에 발생하는 여러 가지 외부 환경 요인에 의한 지시 정밀도 저하, 운전자에게의 잘못된 정보 전달 등을 최소화하고 신뢰성을 높인 제어 로직을 개발하였고, 이러한 강인 연료 시스템을 개발 검증할 수 있는 시뮬레이션 모델을 개발하였다. 또한 이를 통해 연료지침계의 강인성을 높이는 방법을 제시하였다. 연구 결과를 정리하면 다음과 같다.
또한, 제어 로직을 통과한 저항값이 Table 2의 실측값과 비교하여 이상 상태가 확인되면 이전 연료 소비율로 보정하도록 함으로써 실제 차량 상태를 지시하도록 하였다. 경사도를 벗어났다는 판단은 경사도 상태의 저항값과 이전의 샘플링된 저항값에 연료 소비율을 고려한 값이 일치하게 되면 정상 상태로 복귀하였다고 판단하였다.
본 연구에서 제안된 연료 지침 제어 알고리즘은 Moving Average Filter (MAF)와 Inclination Filter (IF)의 두 가지의 모듈로 구성된다. MAF 모듈은 차량속도, 커브도로와 급 가감속 주행 시 또는 불규칙적인 노면 상에서의 주행에 따른 연료의 출렁거림을 보상해주는 모듈이다.
본 연구에서는 MAF는 센서에서 출력되는 지시 기준 시점의 연료 센서 저항값을 샘플링한 후 그 값을 평균하여 입력값으로 선정하였고, 개념은 식 (1)과 같다.
MAF 모듈은 차량속도, 커브도로와 급 가감속 주행 시 또는 불규칙적인 노면 상에서의 주행에 따른 연료의 출렁거림을 보상해주는 모듈이다. 속도에 따른 출렁임은 주기와 최대 최소값이 비교적 규칙적으로 제어가 용이하여 불규칙하고 예측이 어려운 커브도로, 급가감속 및 조향의 출렁임에 초점을 맞추어 MAF모듈 적용하였다. IF 모듈은 차량의 경사로 주행에 따른 연료의 쏠림을 보상해주기 위하여 설계되어진다.
5%의 경사로와 6개의 과속방지턱 및 커브도로로 이루어진 테스트 도로를 선정하였다. 실차주행 시 반응하는 연료센서의 저항값을 측정한 다음, MAF 모듈과 IF모듈을 사용하여 운전자에게 보다 정확한 연료량의 정보를 제시하기 위하여 테스트 경로에서 검증을 하였다(Fig. 17).
연료 센서의 저항값은 차량의 흔들림이나 기울기로 인하여 변화하므로 연료센서의 저항값을 보정하기 위하여 연속적으로 샘플링한 후 그 값들의 평균 값을 이용하여 제어 로직 연료 시스템의 입력 기준 값으로 적용하였으며, 샘플링 된 값의 평균값을 얻기 위한 MAF의 개념은 Fig. 6과 같다.
연료에 관련된 연구는 많이 있으나 차량 주행환경에 강인성을 가진 연료잔량을 측정하는 방법에 관한 연구는 국내외에서 활발히 이루어지지 않는 상황이다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 외부 환경 변화에 강인한 연료 지침 시스템의 알고리즘을 개발하고, 개발된 알고리즘을 이용하여 설계 모델을 개발하고 실제 연료시스템 모듈을 이용한 주행시험을 통해 검증하여, 외부 환경에 강인한 연료 지침 시스템을 설계할 수 있는 방법을 제안한다.
실측 결과에서 알 수 있듯이 최대 11L에서 27L까지 오차가 발생된다. 제안된 강인 연료시스템은 차량의 주행 상태에 따라 변화하는 연료 센서의 오차를 제어하여 차량의 주행 상태에 영향을 받지 않고 정확한 정보를 제공하고 있다. 이러한 결과에서 제안된 연료시스템은 정확한 연료 잔량을 확인할 수있고 지시정확도의 강인성을 확인할 수 있다.
MAF 의해 차량 주행 시 발생하는 크고 작은 출렁임을 제어하게 된다. 출렁임 제어 보정값으로 경사로 주행인지 아닌지를 판단 후, 경사로 주행일 시 IF모듈에 의한 보정값이 최종 결과값이 되어 연료 지침을 한다.
제안한 강인 연료시스템을 하드웨어 검증을 통해 검증하였다. 하드웨어 검증장치는 Fig. 12와 같이 차량에 장착되어지는 연료 탱크와 연료 센서를 이용 하여 동일한 환경이 되도록 하였다.

대상 데이터

16Ω을 기준으로 하여 Fig. 7(a)와 같이 실차환경인 일반도로에서 출렁임에 대한 데이터를 수집하였다. 그리고 Fig.
본 연구에서는 MCU에 대한 부하와 메모리에 대한 제약을 고려하여 오차율 1%내의 샘플링 수 150개를 선정하였다. 그러나 실제 차량 제품 설계나 제품을 양산 할 시에는 추가적인 실험으로 보다 정확한 샘플링 수를 구할 필요성이 있다.
또한 본 연구에서는 하드웨어 검증 장치를 실제 차량에 설치하여 실차환경과 동일하게 하도록 하였다. 이 실험을 위해 계명대학교 캠퍼스에 위치한 경사도 10%, 12.5%의 경사로와 6개의 과속방지턱 및 커브도로로 이루어진 테스트 도로를 선정하였다. 실차주행 시 반응하는 연료센서의 저항값을 측정한 다음, MAF 모듈과 IF모듈을 사용하여 운전자에게 보다 정확한 연료량의 정보를 제시하기 위하여 테스트 경로에서 검증을 하였다(Fig.

데이터처리

제안한 강인 연료시스템을 하드웨어 검증을 통해 검증하였다. 하드웨어 검증장치는 Fig.

이론/모형

본 연구에서는 강인 연료 지침 시스템의 제어 로직 개발과 검증을 위해 내셔날 인스트루먼트(National Instruments)의 랩뷰(LabVIEW) 8.6을 사용하였다.

성능/효과

1) 차량의 주행상태에 따라 연료의 기울어짐과 출렁임에 대하여 보정 제어로직을 개발하였고, SILS 상태에서 제어 로직 미적용 시와 비교하여 연료지침의 강인성을 검증하였다.
3) HILS장비를 실제로 실차에 설치하여 경사로, 커브구간 등 같은 주행 상태에 따라 변화하는 연료 센서의 오차를 제어하여 차량의 주행 상태에 영향을 받지 않는 지시정확도의 강인성을 검증하였다.
14에서 알 수 있듯이 크게 발생하였다. 개발한 강인 연료시스템이 적용된 그래프에서는 기울어짐이 발생 하였으나 노이즈를 인식하고 공인 연비 기준으로 기존 연료 잔량에서 감소됨을 알 수 있다.
제안된 강인 연료시스템은 차량의 주행 상태에 따라 변화하는 연료 센서의 오차를 제어하여 차량의 주행 상태에 영향을 받지 않고 정확한 정보를 제공하고 있다. 이러한 결과에서 제안된 연료시스템은 정확한 연료 잔량을 확인할 수있고 지시정확도의 강인성을 확인할 수 있다.

후속연구

4) 또한, 본 연구에서 제시한 모델 베이스 개발 방법의 강인 연료 지침 시스템은 신규 차량의 개발이나 연료 시스템 변경 시 외부 요인에 의해 지시 오차가 발생할 경우 제어 로직으로 모델링된 시스템의 설계 변수만을 제어함으로써 대응 가능하기 때문에 설계 자유도가 높아 새로운 연료 지침 시스템의 개발 시 기존 부품의 공용화가 가능해져 설계 및 부품 개발 기간 단축 등을 통한 원가 절감 및 품질 향상이 기대된다.
본 연구에서는 MCU에 대한 부하와 메모리에 대한 제약을 고려하여 오차율 1%내의 샘플링 수 150개를 선정하였다. 그러나 실제 차량 제품 설계나 제품을 양산 할 시에는 추가적인 실험으로 보다 정확한 샘플링 수를 구할 필요성이 있다.
그러나 제안한 연료시스템을 양산 제품으로 생산하기 위해서는 추가적으로 다양한 테스트 도로에서의 실험이 필요하다. 즉 예를 들어 장시간 동안 다양한 경사도의 경사로와 커브도로 및 비포장도로에서 고속, 저속주행실험의 필요성이 있다.
이렇게 제안된 제어 로직과 현재 양산에 적용하고 있는 시간 지연 회로를 함께 적용하게 되면 기존 간접 제어 시스템에서 발생하였던 연료량의 지시 정보의 오차를 거의 발생시키지 않는 강인한 연료 지침 시스템의 개발이 가능해진다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	차량의 전체 연료량은 무엇으로 결정되는가?	그 연료량에 따라 차량의 주행 거리가 정하여지므로 연료량의 정보를 인지하는 것은 운전자에게는 안전과 관련된 정보이다. 차량의 연료량은 설계 시 차량마다 연료 탱크의 형상을 어떻게 할 것인가에 따라 전체 연료량이 결정된다. Fig.
	연료량의 정보를 운전자가 인지하는 것이 중요한 이유는 무엇인가?	자동차에 있어서 연료는 주행을 가능하도록 하는 기본적인 에너지원이다. 그 연료량에 따라 차량의 주행 거리가 정하여지므로 연료량의 정보를 인지하는 것은 운전자에게는 안전과 관련된 정보이다. 차량의 연료량은 설계 시 차량마다 연료 탱크의 형상을 어떻게 할 것인가에 따라 전체 연료량이 결정된다.
	연료탱크의 센서 저항값을 설계한 후 교차코일의 감김수를 결정하여 실제 변화량을 측정하는 일반적인 교차 코일 무브먼트 설계 방식이 내포하고 있는 문제점은 무엇인가?	일반적으로 교차 코일 무브먼트의 설계는 연료 탱크의 센서 저항값을 설계한 후, 연료 지침계인 교차 코일의 감김 수를 결정하여 실제 변화량을 측정하는 방법을 사용하고 있다. 이러한 방법은 차량이 정상 주행이 아닌 다른 외부 환경의 요인을 받는 주행 상태일 경우 또는 신차 개발 등의 연료 시스템 부품이 바뀌는 경우마다 무브먼트를 새로 개발하거나 실제 제품과 맞춤을 행해야 하는 등의 시스템 적용에 따른 개발의 손실 등에 많은 문제점을 가지고 있다.2,3)

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