New Challenges for Engine Sensors in Hybrid Powertrains
하이브리드에서 엔진센서의 당면 과제
2020년 11월호 지면기사  /  글|Klaus Grambichler, Senior Application Engineer, 인피니언 테크놀로지스

하이브리드 카 내 내연엔진센서가 새로운 과제들에 직면하고 있다. 최신 크랭크샤프트 센서는 엔진이 작동될 때의 의도적인 회전과 순수 전기구동일 때 진동으로 인해서 발생되는 임의적인 크랭크샤프트 움직임을 구분해야 한다. 그래야 내연엔진과 전기모터 사이에 전환하는 것을 매끄럽게 할 수 있다. 또 스타터나 배터리 같은 장치 크기를 줄이고 비용을 낮출 수 있다. 이 글에서는 인피니언의 최신 XENSIV™ 크랭크샤프트 센서가 구현하고 있는 알고리즘들에 대해서 설명한다.

글|Klaus Grambichler, Senior Application Engineer, 인피니언 테크놀로지스

     


세계 주요 자동차 회사들이 갈수록 다양한 구동 시스템을 도입하고 있다. 미래의 연료전지와 합성연료 외에도, 내연엔진과 전기모터 사이의 간극을 메우기 위해 다양한 하이브리드 옵션을 사용할 수 있다. 
적색 신호등에 걸려서 몇 초 동안 모터를 정지시켰다가 콜드스타트하는 스톱-스타트 내연엔진에서부터 배터리가 줄어들거나 혹은 고속도로에서 높은 속도로 주행하고자 내연엔진으로 전환하기 전까지 50킬로미터를 수월하게 완전 전기모드로 운행할 수 있는 플러그인 하이브리드에 이르기까지 다양한 옵션이 가능하다. 

최신 스톱-스타트 시스템은 다시 두 가지 다른 구현이 등장하고 있다. 한 가지 구현은, 마치 한 시간 동안 운전하지 않았던 것처럼 내연엔진을 다시 켜는 것이다. 또 한 가지 구현은, 신호등에 걸렸을 때 엔진 움직임을 모니터링하는 것이다. 이에 따라 엔진을 다시 켤 때 차가 크랭크샤프트 위치와 구동할 다음 실린더를 알고 있다. 뿐만 아니라 스타터 제너레이터를 드라이브 샤프트에다 부착할 때 여러 부위에다 부착할 수 있고 클러치가 드라이브 액슬로 각기 다른 모터를 다양한 지점에 연결할 수 있다는 점을 감안했을 때, 내연엔진 크랭크샤프트 어셈블리 옵션은 거의 무한정하다고 할 수 있다.


운전자 경험 향상

새로운 전기구동 시스템이 널리 수용되기 위해서는 작동 편의성이나 예측 가능하고 매끄러운 운전경험 측면에서 기존 내연엔진 애호가들을 잡아끌 수 있어야 한다. 내연엔진은 매끄럽게 시동이 켜진다. 이것은 신호등에 걸리거나 교통정체 시에 스톱-스타트 모드로 이미 체험하고 있는 것이다. 이렇게 하기 위해서는 차가 모든 시간에 크랭크샤프트 각도를 알아야 한다. 또한 차가 교통정체 때문에 3분 동안 멈춰서 있는 경우에, 크랭크샤프트 센서가 약간의 온도 변화를 무시할 수 있어야 하고, 더 나아가서 이러한 변화에 대해 보정을 할 수 있다면 이상적일 것이다.

차가 30분 동안 거친 도로 위를 달리면서 크랭크샤프트가 트랙션 휠에서 분리되어서 자유롭게 움직일 수 있다. 이때 센서는 톱니가 약간 흔들리거나 진동하는 것을 잘못 카운트하거나 혹은 심한 경우에 이러한 움직임을 새로운 유효한 신호로 해석할 수 있다. 내연엔진이 매끄럽게 켜지기 위해서는, 센서가 자신을 지나쳐서 움직이는 톱니를 부정확하게 카운트하지 않아야 한다. 이 센서는 어떠한 톱니를 놓치지 말고, 톱니를 잘못 카운트하지도 말고, 회전 방향을 잘못 포착하지도 말아야 한다. 

크랭크샤프트 센서는 센서 하우징으로 마그넷이 탑재되어 있고, 크랭크샤프트 톱니가 회전하는 것에 따라서 이 마그넷의 자기장을 포착한다. 그러므로 자기장 강도가 변화되는 것이 센서 성능에 크게 영향을 미친다. 이러한 변동성은 센서와 트리거 휠 사이의 에어갭과 온도를 비롯한 다양한 요인들에 의해서 발생된다. 이 중에서 이 글에서는 센서 성능에 영향을 미칠 수 있는 기계적 요인들에 대해서 살펴보도록 하겠다.



그림 1|센서 모듈 다이어그램


인피니언의 XENSIV™ TLE4929C 크랭크샤프트 센서 시리즈는 바로 이러한 요구를 충족하는 다수의 기능들을 포함한다. 또한 인피니언은 조만간 3세대 센서 제품을 출시할 예정이다. 이 센서 시리즈는 기존의 스톱-스타트 알고리즘 및 정차 시에 진동을 보정하기 위한 알고리즘과 함께 새로운 하이브리드 알고리즘을 포함한다.


기존의 스톱-스타트 알고리즘

연료 소모를 낮추기 위해서 가장 간단한 방법은 엔진을 끄는 것이다. 이 방법은 기존의 스톱-스타트 알고리즘에 이미 널리 사용되고 있다. 이 방법은 교통정체나 신호등에 걸려서 잠깐 정차하는 것을 정확하게 해석하고 약간의 온도 변화를 보정할 수 있다.
마그넷은 극심한 온도 변화를 겪을 수 있다. 이 때문에 주어진 온도 범위에 따라 최대 40퍼센트까지 자기장을 변화시킬 수 있다. 베어링이 잘 맞춰진 크랭크샤프트의 경우에, 센서 동작 다음으로 중요하게 영향을 미치는 요인은 전기적 요인이다. 세 번째로 중요한 요인은, 크랭크샤프트 트리거 휠과 센서 모듈 사이의 에어갭이다.

이상적으로 센서가 계속해서 완벽하게 캘리브레이션되어 있어야 하고, 내연엔진이 다시 켜졌을 때 트리거 휠의 첫 번째 톱니가 지나가자마자 바로 크랭크샤프트의 위치와 회전 방향을 정확하게 출력해야 한다. 이 기능을 내연엔진 아키텍처를 전혀 변경하지 않고서 구현할 수 있다. 약간 더 큰 스타터 배터리와 스타터 모터를 사용하고 컨트롤러 소프트웨어를 변경하기만 하면 된다.



그림 2| 시동이 꺼지고 크랭크샤프트가 쉬는 상태일 때

그림 3| 직접 시동 시에 크랭크샤프트의 회전 동작


그림 2와 그림 3은 시동이 꺼졌을 때 할 일이 없어진 크랭크샤프트가 어떻게 정지하고 실린더로 여전히 압축공기가 있을 때 오토(Otto) 엔진이 어떻게 빠르게 시작할 수 있는지 보여준다(이것을 직접 시동이라고 한다).


정차해 있을 때의 진동

최신 자동차는 운전석 문이 열리자마자 일련의 자체 진단검사를 실시한다. 그럼으로써 경고등을 켜기 위해서 소요되는 시간을 단축한다. 차에서는 차문을 여는 순간부터 차가 멈추는 순간까지 많은 일들이 일어날 수 있다. 예를 들어서 짐을 싣거나, 아이를 아동용 시트에 앉힐 수 있다. 그러므로 차가 정차해 있는 동안에도 차가 약간씩 흔들릴 수 있다. 이러한 약간의 움직임이 드라이브 휠로 전달되고, 트랜스미션과 클러치로 전달되고, 크랭크샤프트 트리거 휠을 회전하게 만들 수 있다. 경우에 따라서는 이러한 움직임을 크랭크샤프트 센서가 유효한 자기 신호로 포착할 수도 있다.

이 문제를 극복하기 위해 인피니언의 센서는 엔진을 켜기 전에 생성된 캘리브레이션 데이터를 삭제하는 알고리즘을 구현하고 있다. 그러므로 이 기능을 사용해서 어떠한 부적절한 캘리브레이션 데이터를 무시할 수 있다.



그림 4|짐을 실을 때 크랭크샤프트 센서의 신호 출력


그림 4에서는 시간에 따른 센서 출력신호로부터 몇 가지 사실을 알 수 있다. 첫째, 센서가 활성화되었을 때 공칭 회전속도에 도달하지 않았다는 것을 알 수 있다. 그러므로 공칭 회전속도에 도달하는 시점까지 수집된 캘리브레이션 데이터를 어렵지 않게 리셋할 수 있다. 둘째, 센서가 특정시간 동안 톱니를 감지하지 못하면 이 절차를 여러 번 반복할 수 있다는 것을 알 수 있다.


하이브리드 알고리즘

플러그인 하이브리드 솔루션을 위해서는 새로운 솔루션이 필요하다. 크랭크샤프트 트리거 휠의 위치를 정확하게 식별하기 위해서, 이 센서는 공칭에 이르지 못한 느린 크랭크샤프트 회전을 감지하고 다른 모니터링 기능들과 함께 부정확한 캘리브레이션을 방지할 수 있는 알고리즘을 구현하고 있다. 시스템이 정상적으로 작동할 때만 새로운 캘리브레이션 데이터를 수용한다.



그림 5|전기 모드로 주행할 때 크랭크샤프트 센서의 신호 출력


이 기능은 순방향 및 역방향 움직임으로 모든 크랭크샤프트 진동을 상응하는 신호로 포착하면서도, 에어갭 변화나 여타의 정렬불량 같은 기계적 오차 요인들로 인해서 크랭크샤프트 센서가 부정확하게 반응하는 것을 방지한다.
위에서 열거한 이러한 알고리즘들이 결합해서 크랭크샤프트 트리거 휠의 움직임을 정확하게 감지하고 추적할 수 있다. 엔진제어 유닛이 어느 시간에나 어느 피스톤이 스트로크의 어느 지점에 있고 다음 점화까지 얼마나 시간이 남았는지 안다(크랭크샤프트 각도에 근거해서). 알고리즘들이 정확하게 일치하면 시스템이 정확하게 작동하고 엔진 경고등이 꺼져 있을 것이다.


향상된 크랭크샤프트 센서를 사용
른 부품들의 수명 연장


크랭크샤프트 센서가 항상 신뢰할 수 있는 정보를 제공하므로, 내연엔진을 다시 켜기 위해서 필요한 부품들의 크기를 줄일 수 있다. 스타터 제너레이터는 통상적으로 크랭크샤프트의 홈(home) 위치를 감지하고, 수백 회전이 넘는 최소 회전속도에 도달할 때까지 크랭크샤프트를 여러 번 회전시킨다.

향상된 크랭크샤프트 센서를 사용해 절반의 회전으로 연료를 주입하고 점화할 수 있다. 이런 식으로 엔진을 켜면 콜드스타트에 필요한 배터리 에너지의 수분의 일만을 필요로 한다.
그러므로 제조업체들이 스타터와 배터리의 수명을 연장하거나, 또 아니면 크기를 줄이고 비용과 무게를 낮출 수 있다. 이것은 다시 연료 소모를 약간이라도 줄이는 것으로 이어진다. 또 이렇게 하면 내연엔진이 매끄럽게 켜지므로 운전 경험을 향상시킬 수 있다.


더 정밀한 스위칭점

XENSIV™ TLE4929C는 스위칭 임계값을 프로그램 할 수 있어 자동차 협력사나 제조사가 제조 시의 어셈블리 오차를 보정할 수 있다. 그러므로 이 위치 센서는 캠샤프트나 크랭크샤프트로 각도 정확도를 향상시킨다.
차동 홀 센서는 물리적 특성상, 톱니의 중심선이 센서 앞으로 왔을 때만 스위칭한다. 톱니 중심선에서 시작해서 움직일 때는 다음과 같은 오차 요인들을 고려해야 한다.

- 톱니 자체의 기계적 공차로 인해서 자기적 중심이 기계적 중심과 차이가 있을 수 있다.
- 엔진 블록에서 이 모듈의 기계적 어셈블리 공차가 오차에 있어서 가장 큰 비중을 차지한다.
- 이 모듈로 마그넷과 센서의 기계적 설치 공차 또한 고려해야 한다.
- 설치된 마그넷이 100% 완벽하게 균일하지는 않을 것이다. 또한 완벽하게 90° 각도로 자화하지 않을 것이다.
- 센서 제조업체에서 제조할 때 어느 정도의 전기적 오차가 발생될 수 있다.




그림 6|위치 오차 구분


시스템 차원의 오차는 엔진 제어 유닛이 보정하므로 위의 목록에 포함되지 않는다. 이러한 것으로서 신호 전달 지연을 들 수 있는데, 이것은 제어 유닛의 타이머로 반영된다.

열거한 이러한 모든 요인들이 임의적인 오차를 발생시킬 수 있다. 운이 좋으면 이러한 오차들이 저절로 해소될 수도 있으나, 심각한 경우에는 중대한 결함을 일으킬 수 있다. 최신 센서들은 시스템의 정확도 요구를 충족하도록 스위칭 임계값을 개별적으로 설정할 수 있다. 모듈 제조업체가 생산 공정을 마치는 단계에서 모듈의 스위칭점을 개별적으로 캘리브레이션할 수 있다. 드라이 엔진으로도 이렇게 할 수 있는데, 다만 그러면 비용이 다소 증가한다.

자동차 제조사들에게 이점은, 캘리브레이션을 해서 자신들의 제조 오차를 보정할 수 있다는 것이다. 반면에 일차 협력사는 모듈 자체에 대해서만 보정할 수 있고, OEM의 설치 오차는 완화할 수 없다.


손쉬운 캘리브레이션

스위칭 임계값의 중간점에서, 적합한 시스템을 사용해서 톱니의 기계적 중심과 실제 전기적 에지 사이의 정렬불량을 측정할 수 있다. 그런 다음 시스템 차원의 오차를 제하고 나머지 오프셋을 프로그램하고 센서로 프로그래머블 스위칭 임계값으로서 영구적으로 저장한다. 그림 6에서 보듯이, 이 방법을 사용해서 거의 모든 오차 요인을 제거하고 전반적인 정확도를 +/-0.6° 캠샤프트에서 +/-0.1° 캠샤프트로 향상시킬 수 있다.


맺음말

내연엔진의 시대가 저물고 있다. 2020년에서 2025년 사이에 세계의 모든 주요 자동차 제조사들이 마지막 하이브리드 플랫폼을 개발하고 출시할 것으로 예상된다. 이때가 되면 끝까지 남아 있던 내연엔진 및 트랜스미션 개발 엔지니어들이 연료전지, 배터리, 전기구동 기술 같은 새로운 분야로 전환해야 할 것이다.
오늘날 나오는 내연엔진은 앞으로 수십 년 동안 사용될 것이다. 그러므로 이들 차종에 사용되는 기술은 신뢰할 수 있고 수명이 오래 가고 계속해서 지원되어야 한다. 다행히 인피니언과 같은 회사들이 하이브리드 엔진과 특히, 크랭크샤프트 및 캠샤프트 센서로 당면하고 있는 이러한 과제들을 잘 인식하고 그에 필요로 하는 솔루션을 제공한다.


인피니언의 XENSIV™ 크랭크샤프트 센서 제품 요약

- TLE4929C-XAx: 1세대 저-지터 홀 기반 크랭크샤프트 센서
- TLE4929C-XVA: 2세대 제품으로서, 다수의 추가적인 크랭크샤프트 프로토콜(14개)과 스타트업 진동을 극복하기 위한 시간 워치도그를 포함한다. 또한 이 제품은 처음으로 니켈 도금을 적용하고 있다.
- TLE4929C-XHA: 3세대 제품으로서, 갈수록 높아지는 절대 위상 정확도 요구를 충족하도록 추가적인 전용적 하이브리드 워치도그와 새로운 캘리브레이션 기능을 포함한다.

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