전기 자동차용 배터리 팩 냉각시스템 설계 기술에 관한 연구

박상빈 국민대학교 자동차공학전문대학원 2021 국내석사

최근 세계적으로 탄소 배출 규제가 강화됨에 따라 친환경 에너지 활용 기술의 연구가 급속도로 진행되고 있다. 이에 따라 각 국가의 자동차 분야에서도 환경문제 심화 및 고객의 니즈를 고려하여 고효율·고출력 친환경 차량을 연구 개발하고 생산하게 되면서 세계적으로 전기 자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그인 하이브리드 자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV), 수소 연료전지 자동차(Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV) 시장이 빠르게 성장하고 있다. 전기 자동차의 배터리는 대용량 구동 모터를 담당하며 1회 충전 주행거리를 증대시키기 위해 수백개의 셀이 모듈화가 된 상태에서 직렬 혹은 병렬로 연결되어 팩의 형태로 장착된다. 배터리 팩 내부의 셀 온도를 적절하게 유지하고 셀 간의 온도 편차를 줄이는 것은 매우 중요하다. 배터리 작동 시, 배터리 팩 내부의 셀들이 적절한 온도로 유지되지 못할 경우 높은 온도로 인한 화재와 폭발 가능성을 유발할 수 있다. 따라서 배터리 팩 내부에서 모듈 내부의 셀 온도가 적절하게 유지되어야 하며 배터리 모듈 간 온도 편차를 감소시킬 수 있는 배터리 냉각 시스템 설계가 필수적이다. 배터리 팩 내부의 각 셀에 적절한 냉각 및 에너지 효율에 대해 자세한 성능 향상 피드백을 진행하기 위해서는 냉각 특성과 열전달 특성에 대해 명확한 규명이 필요하다. 냉각 유로 설계와 냉각수 유량 및 온도 특성을 파악하기 위해 크게 2가지 관점에서 연구를 진행하였다. 첫 번째는 배터리 팩의 각 셀에 적절한 온도가 유지될 수 있도록 유량이 분배되는 것이 핵심이기 때문에 냉각 유로에 대해 먼저 파악을 하였다. 특정 부분에서 셀 간의 온도 편차로 인해 셀 간의 내부저항(Internal Resistance) 불균형이 생길 경우 사용 가능한 배터리 셀이 존재함에도 불구하고 배터리 모듈을 교체해야 하는 상황이 발생한다. 따라서 모든 셀에서 적절한 온도 분포 형성을 위해 다양한 유로 설계는 필수적이다. 냉각 유로 설계는 전기 자동차 플랫폼 설정 및 모듈 배치 시 냉각 유로 선정에 유용하게 사용될 수 있다. 두 번째는 배터리 팩의 각 셀에 적절한 온도 분포가 형성되기 위한 냉각수 유량과 온도에 대해 파악하였다. 냉각수의 유량과 온도는 배터리 팩과 냉각 유로 사이의 열전달에 영향을 미치게 되어 최적화된 운전 조건을 찾기 위해 필수적으로 확인되어야하는 과정이다. 적절한 유량 설계를 통해 불필요한 손실을 줄일 수 있고 효과적인 공급을 통해 배터리의 성능을 향상시킬 수 있다. 본 연구에서는 SOLIDWORKS를 사용하여 전기 자동차의 플랫폼을 기반으로 3D 모델링을 진행하였으며 CFD 상용 프로그램인 ANSYS FLUENT를 사용하여 해석을 진행하였다. 최적의 배터리 온도 분포를 위해 냉각 유로와 냉각수의 유량 및 온도에 대해 비교 분석하였다. Recently, research and development of eco-friendly energy utilization technologies have been rapidly underway due to stricter carbon emission regulations worldwide. As a result, the global market for electric vehicles (EV), hybrid vehicles (HEV), plug-in hybrid vehicles (PHEV), and Fuel Cell Electric Vehicles (FCEV) is rapidly researching and developing eco-friendly vehicles in consideration of environmental problems and customer needs. High-voltage batteries in electric vehicles are responsible for large-capacity driving motors and are connected in series or parallel with hundreds of cells modularized to increase the mileage of a single charge. Maintaining proper cell temperature inside the battery pack and reducing temperature deviation between cells is very important. During battery operation, cells inside the battery pack may cause fire and explosion due to high temperatures if they are not maintained at safety temperatures. Therefore, the cell temperature inside the module should be maintained properly inside the battery pack, and the design of a battery cooling system that can reduce the temperature deviation between the battery modules is essential. Detailed performance-enhancing feedback on cooling and energy efficiency appropriate for each cell inside the battery pack requires clarification of cooling properties and heat transfer properties. Two major studies are conducted to identify cooling flow path design and cooling water flow rate and temperature characteristics. Firstly, the cooling flow rate is distributed so that the proper temperature can be maintained in each cell of the battery pack, so the cooling flow rate is first identified. If there is an imbalance in internal resistance between cells due to temperature deviation between cells in certain parts, the battery module needs to be replaced despite the presence of available battery cells. Therefore, various flow paths designs are essential for proper temperature distribution formation in all cells. The cooling flow path design can be useful in setting up electric vehicle platforms and in selecting cooling flow paths when deploying modules. Secondly, identify the coolant flow rate and temperature for the proper temperature distribution to form in each cell of the battery pack. Coolant flow and temperature affect heat transfer between the battery pack and the cooling flow path, which must be identified to find optimal operating conditions. Efficient Coolant flow design can reduce unnecessary loss and improve battery performance through moderate flow supply. In this work, 3D modeling is conducted based on the platform of electric vehicles using SOLIDWORKS. The interpretation was carried out using the CFD program ANSYS FLUENT. For optimal battery temperature distribution, we compare the flow rate and temperature of cooling flow and cooling water.

800 kPa급 고압 CNG 인젝터 분무 거동 분석 및 엔진 적용성에 관한 실험적 연구

유준상 국민대학교 자동차공학전문대학원 2021 국내박사

전 세계 자동차 배출가스규제 및 연비규제가 강화되고 있으며, 이를 대응하기 위한 기술에 대한 연구가 많이 진행되고 있으며, 그 중 대체연료 자동차에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 향후 배기규제 및 연비규제에 대응할 수 있는 방안 중 하나다. 천연가스는 가장 대표되는 대체연료이다. 천연가스는 CH4를 주성분의 기상 연료이며, 전 세계적으로 매장량의 풍부하기 때문에 안정적으로 장기 공급이 가능하여, 화석연료의 의존도를 줄일 수 있으며, 기존의 내연기관에서 사용이 가능하다. 그리고 옥탄가가 높으며, 가연한계가 넓은 장점을 갖고 있다. 이런 장점으로 볼 때 천연가스는 향후 전동화 및 수소 사회로의 전환 과정에서 내연기관의 한계를 극복하고 기술적 패러다임의 변화에 대한 가교 역할 수행할 수 있다고 예상한다. 국내의 천연가스 차량의 보급은 2002년을 기점으로 본격적으로 시작되었고 매년 조금씩 증가하는 추세이다. 하지만, 천연가스 자동차 인프라구축과 관련 부품 기술 개발이 미흡한 관계로 버스 및 트럭과 같은 상용차만 주로 사용하고 있으며, 상용차와 상반되게 천연가스 승용차는 많이 보급되지 않는 추세이다. 현재 국내의 천연가스 차량은 단일연료분사(SPI: Single point injection) 방식과 다중연료분사(MPI: Multi point injection) 방식을 사용하고 있으며 사용되는 인젝터의 작동압력이 100 ~ 400 kPa 수준이다. 현재 사용하는 인젝터는 상대적으로 작동압력이 낮기 때문에 고유량 확보 및 고정밀 제어가 어렵다. 특히 터보 과급 엔진에서는 작동압력이 낮아 유량 확보가 매우 어렵기 때문에 사실상 저압 인젝터의 사용은 불가능하다. 가솔린과 동등한 성능을 내기 위해서는 터보과급엔진에도 적용이 가능한 CNG 연료공급장치의 기술개발이 필요하다. 본 논문에서는 고압 CNG 인젝터를 개발하여, 다운사이징 터보 과급 엔진에서 적용성을 평가하였고, 실험적으로 가솔린 엔진과 출력을 비교 검증하였다. 해석적 기법을 통하여 CNG 고압 인젝터의 연료 분사 시 발생되는 압축성 유동의 경향성을 파악하였다. 해석을 통하여 유동이 안정화되어 유량이 확보될 수 있는 형상을 도출하여, 인젝터를 설계하였다. 인젝터의 유량 확보를 위한 적절한 가이드 길이와 직경 등의 형상 적용 필요한 것을 확인하였다. 제작된 인젝터 시제품은 분무 가시화 실험을 통하여 유동이 안정화 되는 시간 및 유량 평가를 진행하였다. CNG 인젝터 가이드 길이에 변화에 따른 분사 가시화 실험 결과 인젝터 가이드 길이가 15mm 일 때 유동이 안정화되는 시간이 빠르며, 유량이 증가하는 것을 확인하였고 엔진 실험을 평가 진행할 인젝터로 선정하였다. 분무 거동에 대한 해석적, 실험적 분석 결과 정성적으로 동일한 결과를 보였다. 선정된 800kPa급 고압 CNG 인젝터를 1.4L T-GDI 엔진에 Bi-fuel 시스템을 구축하여 다운사이징 터보 과급 엔진에서 적용 가능성을 확인하였다. 양산형 엔진에 Bi- fuel 시스템을 구축하여 기본적인 제어로직은 가솔린 연료를 기반으로 작동하게 된다. 따라서 엔진에서 가장 많이 사용하는 실사용 구간 9 포인트를 선정하여 가솔린 점화시기에서 CNG 연료 최적 점화시기로 변경하는 실험을 진행하였다. 이를 통하여 토크 및 열효율을 개선하는 결과를 얻었다. 그리고 전부하 실험에서 CNG 연료 최적 점화시기 변경을 통하여, 기존 CNG 엔진 대비 최대 토크와 최대 출력을 개선하였다. 이 연구 결과를 활용하면 승용 CNG 엔진 개발단계에서 연료공급장치 및 엔진제어에서 고려할 사항들을 확인할 수 있으며, 특히 기상 인젝터 개발 시 유용한 연구자료가 될 수 있을 것으로 기대한다. Global automobile emission and fuel economy regulations are being strengthened. There are a lot of studies on alternative fuel vehicles to cope with these restrictions. It is one of the ways to cope with emission and fuel economy regulations in the future. Natural gas is the most representative alternative fuel. Natural gas is a gaseous fuel with CH4 as the main component, and because of its abundant reserves around the world, it can provide a stable long-term supply, reduce dependence on traditional fossil fuels, and can be used in internal combustion engines. And because of its high octane number, the wide flammable limit is a large advantage. Because of these advantages, natural gas is expected to overcome the limitations of internal combustion engines and change the technological paradigm in the process of electrification and conversion to a hydrogen society in the future. The spread of natural gas vehicles in Korea began in earnest in 2002, and it is gradually increasing every year. However, natural gas vehicle infrastructure and component technology development are insufficient. Therefore, only commercial vehicles such as buses and trucks are mainly used. On the contrary to commercial vehicles, natural gas systems for passenger vehicles are not widely distributed. Currently, domestic natural gas vehicles use the single point injection(SPI) method and the multi-point injection(MPI) method. The operating pressure of the natural gas injector is 100 ~ 400 kPa. Because of the low operating pressure of the natural gas injector, it is difficult to secure high flow rate and precision control. In particular, in turbocharged engines, it is impossible to secure the flow rate because the operating pressure of the injector is low. To achieve the same performance with a gasoline vehicle, it is necessary to develop a CNG(Compressed Natual Gas) fuel supply system technology that can be applied to a turbocharged engine. In this paper, a high-pressure CNG injector was developed and its applicability was evaluated in a downsized turbocharged engine. Also, the performances were compared with a gasoline engine. Through numerical flow analysis, the tendency of the compressible flow of the high pressure CNG injector was identified. It was confirmed that it is necessary to apply an appropriate guide length and diameter to secure the flow rate of the injector. The prototype of the injector was evaluated through a spray visualization experiment. As a result of the spray visualization experiment according to the length of the CNG injector guide, it was confirmed that the injector with a 15 mm length of its guide has the shortest period for flow stabilization and highest fuel flow rate. These results of the spray visualization experiment were similar to the results of numerical flow analysis. In the engine applicable experiment, injectors with a 15 mm guide were evaluated. The injectors were applied to a Bi-fuel system for a 1.4L T-GDI engine. The CNG injection system is built on the gasoline engine. Therefore, a basis control logic is optimized for gasoline. Therefore, an optimization of spark timing for the CNG injection system was conducted. Operation points were selected which is most used in the engine. As a result, torque and brake thermal efficiency improvements were achieved. Also, the maximum torque and power compared to the conventional CNG engine were improved. In this study, the main factors for the development of CNG injection system and engine control for passenger vehicles were identified. The results of this study are expected to be used as useful research data for the development of natural gas passenger vehicles.

친환경 디젤엔진을 위한 Urea-SCR 시스템용 NOx 센서기반 칼만 필터 설계 및 제어 기법 연구

최대현 국민대학교 자동차공학전문대학원 2015 국내석사

디젤엔진은 에너지 밀도가 높고 효율이 좋아 연료소비율 적다. 그 결과 일산화탄소(CO, Carbon monoxide)와 이산화탄소(CO_(2) carbon dioxide)가 적게 배출되는 장점이 있고 이로서 친환경적이라고 설명할 수 있다. 하지만 디젤엔진은 연료를 적게 소비하는 희박 연소가 일어나고 산소가 과잉 상태가 되어 질소 산화물(NOx, Nitric acids)를 제대로 분리해내기 쉽지가 않다. 현재 자동차 업계의 가장 중요한 이슈는 친환경자동차로서 기존 배기규제인 EURO-5에 비해 EURO-6는 질소산화물을 1/5까지 줄일 것을 요구하고 있는 상황이다. 규제를 만족 시키기 위해서 가솔린 엔진은 삼원촉매로 쉽게 가능하지만 디젤엔진은 후처리 장치 중에서 가장 높은 NOx저감효율과 광범위한 효용온도 범위를 갖춘 Urea-SCR 시스템의 적용이 이루어져야만 규제치를 만족시킬 수 있을 것으로 보고 있다. Urea-SCR 시스템은 높은 NOx저감률을 보이고 있으나 NOx센서를 이용하여 제어를 하고 있는 상황에서NOx센서의 고질적인 문제인 암모니아(NH_(3), Ammonia)를 NOx로 인식하는 교차감도에러가 발생하는 문제가 있다. NH_(3) 슬립이 발생할 경우 NH_(3)를 NOx로 인식하여 잘못된 NOx값을 입력하게 되어 시스템이 발산하거나 더 많은 NOx를 감소시키기 위해 필요이상의 NH_(3)를 분사하게 된다. 결국 교차감도에러는 SCR시스템을 불안정하게 만들며 센서기반 SCR시스템 제어를 하기 위해 해결해야 하는 문제로 남아있다. 본 논문에서는 NOx 저감 성능이 높은Urea-SCR 시스템을 설계하였고 엔진벤치테스트 실험 결과와 이 실혐 결과를 바탕으로 Matlab simulink를 이용하여 시뮬레이션을 통해 시스템 모델을 검증하였다. 촉매는 zeolite 계열를 사용했으며 촉매 흡장량 파라미터를 얻기 위해 Rig test를 통해 실험적인 방법과 수치해석적 방법을 통해 신뢰성있는 SCR시스템 모델의 변수를 얻을 수 있었다. 마지막으로 NOx 센서의 NH_(3)교차감도 에러를 극복하기 위해 NOx값 추정을 위한 칼만필터를 설계하였다. 그리고 Matlab simulink를 이용한 시뮬레이션 검증을 하였다. 본 논문에서 설계한 SCR 시스템 모델은 향후 엔진 NEDC모드에서 NOx를 효율적으로 저감 시킬 뿐만 아니라 실제 차량에서도 효과적인 알고리즘이 될 것이라 예상한다.

하이브리드 방법을 이용한 자동차 루프의 진동제어에 관한 연구

나정기 國民大學校 自動車工學專門大學院 2005 국내석사

구조물의 진동을 제어하는 방법에는 크게 수동제어와 능동제어로 나눌 수 있다. 능동제어는 제어대상을 설정 할 수 있으며 비 제어대상에는 영향을 주지 않는 장점이 있다. 수동제어는 저렴한 가격과 복잡한 장치가 필요하지 않는 장점과 중·고주파에 대한 구조진동감쇠 효과가 좋다. 본 논문에서 사용하는 하이브리드방법은 수동제어와 능동제어의 각 장점을 이용하여 자동차 루프의 진동제어를 수행하고자 한다. 압전체를 이용하여 자동차 루프의 저주파수 대역을 제어 대상을 설정하였으며, 제진재는 중·고주파 대역을 설정하였다. 우선, 플레이트에 대해서 하이브리드 방법을 이용한 실험을 수행한 후 자동차 루프에 대하여 압전체와 제진재를 혼합 사용한 하이브리드 방법을 이용하여 실험을 수행하였다. 압전체와 제진재의 위치 선정방법은 모드형상과 변위에너지 분포를 분석하여 부착하였다. 주파수응답분석을 통하여 하이브리드방법은 수동제어와 능동제어가 동시에 발생 되는 것을 실험을 통해서 확인하였다. Hybrid method is used to suppress vibration of an automotive roof surface. The hybrid method proposed in this paper is implemented experimentally using both viscoelastic and piezoelectric material. The piezoelectric material is used to control the vibration of automotive structure for lower range of frequencies and the experiment of vibration control using viscoelastic material has been carried out suppress vibrations of high frequency range mark. At first the plate controlled by using hybrid method has been implemented to verify the performance for suppressing vibration. Then the experiment has been applied to the automotive roof structure.

定績燃燒機內 HLPG 燃料의 燃燒 및 排出가스 特性에 관한 實驗的 硏究

고동균 國民大學敎 自動車工學專門大學院 2012 국내석사

최근 화석연료의 고갈로 인하여 고유가 시대가 초래되었고 내연기관에서 배출되는 유해 물질로 인한 지구 환경문제가 국제 사회의 주요 이슈로 부각되면서 이러한 문제를 해결하기 위하여 다양한 대체연료연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 가운데 LPG 자동차는 유럽을 중심으로 친환경적인 저공해 자동차로 전 세계적으로 가장 많이 보급되어 있다. 현재 LPG 자동차는 기관의 운전성 및 연료소비율을 향상시키고 배출가스 저감을 위해 LPLi(Liquid Phase LPG Injection) 연료시스템을 사용하고 있다. 그러나 LPLi 연료 시스템 역시 석유계 연료인 LPG를 사용하기 때문에 CO2, CO, THC의 배출이 불가피하다. 수소는 연료 성분에 탄소를 포함하고 있지 않아 유해 배출가스인 CO, HC 등의 배출가스를 배출하지 않는다. 또한 수소는 연소속도가 빠르고 작은 점화에너지로도 점화가 가능하며 희박가연한계가 넓다는 장점이 있다. 이런 장점이 있는 수소를 LPG 연료에 첨가한다면 유해 배출가스를 저감할 수 있으며 연료의 C/H 비율 감소로 온실가스인 CO2 저감에도 효과적일 것이다. 본 연구는 정적연소기내에서 예 혼합된 HLPG 연료의 수소와 LPG의 혼합비율 및 당량비에 따른 연료의 연소 및 배출가스 특성을 파악하였다. HLPG 연료의 혼합비율에 따른 연소 압력을 측정하여 열 발생률을 계산하고 배출가스 데이터를 분석하였다. 또한 고속카메라를 이용하여 연소 가시화를 통해 연소 광도 및 화염전파 거리를 비교하여 향후 HLPG 기관 개발에 있어 기초 자료를 제공하고자 한다. 본 연구를 통해 내연기관에서 대체연료인 HLPG 연료의 적용 가능성과 HLPG 연료 사용으로 점차적으로 강화되는 자동차 배출가스 규제치를 만족시킬 수 있을 것이다. Finding an alternative fuel and solving the environmental pollution are the main targets for the future internal combustion engines. HLPG as a fuel is now considered as one of the alternative fuels due to its low pollutant emissions and high burning rate. An experimental study was carried out to obtain the fundamental data about the combustion and emission characteristics of pre-mixed hydrogen and methane in a CVC (Constant Volume Chamber) with various fractions of hydrogen–LPG blends. Exhaust emissions were measured using Horiba exhaust gas analyzer, for various fractions of hydrogen–methane blends. The results showed that the rapid combustion duration was shortened and rate of heat release increases as hydrogen fraction in fuel blends ratio was increased. Moreover, the maximum mean gas temperature and the maximum rate of pressure rises also increases. These phenomena were attributed to the burning velocity which increases exponentially with the increase of hydrogen fraction in fuel blends. Exhaust HC and CO2 concentration decreased while NOX emission increased with the increase of the hydrogen fraction in fuel blends. The knowledge from this experiment will facilitate the application of hydrogen along with LPG a fuel to the current fossil hydrocarbon based economy and for the strict emission regulations than conventional in internal combustion engines.

고성능 자속 기반 토크제어를 이용한 8kW급 계자 권선형 동기 전동기의 차량용 BSG 시스템 개발

손두일 국민대학교 자동차공학전문대학원 친환경고안전자동차전공 2018 국내석사

현재 자동차 산업은 환경오염 및 에너지 자원 고갈로 연비 개선 및 CO2 배출량을 감축시키기 위해 자동차 부품으로 전동기가 많이 사용되고 있다. 그중 매입형 영구자석 동기 전동기가 큰 비중을 차지해왔다. 그러나 매입형 영구자석 동기 전동기의 회전자인 자석의 주재료인 희토류의 가격 상승으로 경제적 측면에서 경쟁력이 낮아지고, 영구자석의 역기전력으로 고속 운전 영역이 제한되는 단점을 갖고 있다. 이러한 이유로 회전자의 자속을 전류 제어를 통해 유동적으로 변경할 수 있는 계자 권선형 동기 전동기(WRSM : Wound Rotor Synchronous Motor)가 주목받고 있다. 본 논문은 8kw 급 계자 권선형 동기 전동기를 자속 기반 토크 제어를 이용해 BSG( Bent Driven Starter and Generator) system에 접목시켰다. 자속 기반 토크 제어 기술은 자동차의 배터리 변화에도 유동적으로 대응하며 고속 영역 운전이 가능토록 하는 기술이다. 본 연구는 이를 MATLAB을 통해 구현하는 방법과 검증하기 위해 필요한 전류 제어 알고리즘을 제안한다. 최종적으로 8kw 급 BSG 용 계자 권선형 동기 전동기를 차량 엔진과 다이나모 시스템에 접목하여 자속 기반 토크 제어 전류 맵과 알고리즘을 검증하였다. In the automotive industry, electric motors are widely used as automobile parts in order to improve fuel efficiency and reduce CO2 emissions. Of these, permanent magnet synchronous motors have occupied a large proportion. However, economical competitiveness is lowered due to an increase in the price of rare earths, which is the main material of the permanent magnet of the permanent magnet synchronous motor and the high speed operation region is limited due to the counter electromotive force of the permanent magnet. For this reason, Wound Rotor Synchronous Motor(WRSM) capable of flexibly changing the flux of a rotor through current control has been attracting attention. In this paper, an 8kw WRSM is combined with an BSG system using flux-based torque control. The magnetic flux-based torque control technology is a technology that enables the high-speed range operation to be flexibly responded to the battery change of an automobile. This study proposes a method to implement through the MATLAB and a current control algorithm to verify it. Finally, flux-based torque control current maps and algorithms were verified by applying 8kw BSG field synchronous motors to vehicle engine and dynamo system

수동 구속 감쇠층을 갖는 자동차 루프의 진동제어를 위한 제진재의 위치 및 두께 설정에 대한 실험적 연구

이정균 國民大學校 自動車工學專門大學院 2005 국내석사

차량 구조물의 설계에 있어서 반드시 고려되어야 하는 것은 안전한 구조물을 제작하는 것이다. 반면에 제작비나 유지비의 절감을 위해서 경량화를 이룰 필요가 있다. 경량화로 인한 유연성의 증가는 구조물의 불안정성을 유발한다. 또한 구조물이 작동할 때 발생하는 진동 및 소음에 의한 불안정성은 안전에 심각한 결과를 유발할 수 있으며, 승객의 승차감 등에 지대한 영향을 준다. 이러한 구조물의 과도한 변형 및 진동/소음을 억제하는 것이 구조물의 동적제어이며, 점탄성 재료(viscoelastic material)를 이용하여 자동차의 설계 시에 예상되는 외부교란에 대처하고 다양한 기능을 갖춘 차세대 차량구조의 출현을 가능하게 할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 차량 구조물, 즉 자동차 Steel Roof의 진동제어를 위한 점탄성 제진재를 이용하여 진동을 억제하고자 한다. 단순 구조물인 알루미늄 평판을 이용하여 유한 요소법을 통한 변형에너지와 각 모달 파라미터를 변수로 하여 각 위치에 제진재를 붙여 부착위치의 타당성을 검증하고 검증된 위치 선정 방법으로 2종류(Steel roof 단품, Trim model)의 자동차의 루프에 적용하여 비구속 제진재와 구속 제진재의 비교, 구속재의 두께를 비교하였고, 고비중 제품(HSTM203H)과 저비중 제품(HSTM203)을 각각 제품성능 비교를 하였다. 끝으로 제진재 두께에 따른 제진 성능비교를 하여 제진재의 위치 및 제진구조, 구속재의 두께, 제진재 종류, 두께에 따른 영향을 실험적으로 검증 하였다. This paper presents an experimental study on vibration characteristics of an automotive roof with damping material. The goal of the study is to extract modal parameters (natural frequency, loss factor, and mode shape) of automotive roof with damping materials treatment. To determine the effective positions and thickness of the damping material on a roof, vibration tests have been carried out for six cases; Aluminum plate with damping material on maximum strain energy, and aluminum plate with damping material on nodal line. From the results of aluminum plate, it is found that the damping material should be attached on the place with maximum strain energy part. For the automotive roof, patches of constrained damping material have been attached on the position of maximum strain energy and also implemented at the best position of applied damping treatment along each thickness of damping material. This paper addresses that the proper position of damping material is very important and the concept of maximum strain energy may be a good criterion for the placement of damping material

6.7L CNG-디젤 混燒 엔진의 燃燒 및 排氣 가스 排出에 關한 解析的 硏究

정재영 국민대학교 자동차공학전문대학원 친환경고안전자동차전공 2018 국내석사

전 세계적으로 강화되고 있는 배기가스 규제에 대응하기 위한 친환경자동차의 대안인 EV 및 FCEV에 대한 상용화 시점이 장기화될 전망이다. 이에 따라, 내연기관자동차가 직면한 환경규제와 기후변화에 대한 대응을 위해 고효율 내연기관기술 및 저탄소 대체연료차량기술 등에 대한 투자 및 개발이 진행되고 있다. 특히, 저탄소 대체연료기반의 친환경자동차기술로 석유자원을 대체하고, 미세먼지 배출이 거의 없으며, CO2 배출특성이 우수한 CNG-디젤 혼소 기술이 새로운 패러다임으로 부상하고 있다. 석유대체 연료로서 CNG는 풍부한 매장량 및 청정성으로 경제성과 저공해성을 모두 갖춘 연료이며, 특히 안정성이 뛰어나고, 고옥탄가와 넓은 연소한계 등으로 연소특성이 매우 우수한 연료로 평가 되고 있다. 그러나 CNG와 디젤 혼소 기술은 주 연료인 디젤의 분사 시기 및 분사 압력 그리고 CNG의 혼합 비율이 엔진의 성능 및 배기 특성에 많은 영향을 끼친다고 보고되어있다[1]. 이에 따라 CNG-디젤 혼소 엔진의 안정적인 출력 및 배기 배출물 저감을 위해서는 많은 후속 연구가 필요한 실정이다. 본 연구에서는 6.7L 디젤 엔진에서 CNG 혼합 비율에 따른 연소 및 배기 배출물 특성을 파악하였다. 엔진 실험 데이터를 바탕으로 1-D 연소 해석 모델 구축을 하였고, 그 후 해석을 통해 디젤 분사시기 변경에 따른 연소 특성 및 배기 특성을 예측하였다. 본 연구 결과를 CNG-디젤 혼소 기술 개발을 위한 기초 자료로 활용하고자 한다. It is expected that commercial time points for alternative EV and FCEV for environmentally friendly vehicles to respond to exhaust gas regulations that are being strengthened globally will be delayed. As a result, investment and development of high efficiency internal combustion engine technology and low carbon alternative fuel vehicle technology are underway to cope with environmental regulation and climate change facing the internal combustion engine. In particular, CNG-diesel duel fuel combustion technology, which is replacing petroleum resources with environmentally-friendly automobile technology based on low-carbon alternative fuels, has little emissions of fine dust, and has excellent CO2 emission characteristics, is emerging as a new paradigm.  As an alternative to petroleum, CNG is a fuel with both economical efficiency and low pollution due to its abundant reserves and cleanliness. Especially, CNG has excellent stability, high octane number and wide combustion limit. However, CNG and diesel combinatorial technology have been reported to affect the performance and exhaust characteristics of the engine [1]. Therefore, a lot of follow-up studies are needed for stable output of the CNG-diesel hybrid engine and reduction of exhaust emissions. In this study, the characteristics of combustion and exhaust emission according to the CNG mixing ratio in the 6.7L diesel engine were investigated. The 1-D combustion model was constructed based on the experimental data of the engine, and then the combustion characteristics and the exhaust characteristics were predicted by the diesel injection timing change through analysis. The results of this study will be used as basic data for the development of CNG-diesel duel fuel combustion technology.

리튬이온 배터리 전기화학적 임피던스 모델 기반 상태 추정 연구

주돈규 국민대학교 자동차공학전문대학원 2022 국내석사

탄소 배출량 규제에 따라 전기자동차의 판매량이 매년 증가하고 있다. 전기자동차의 중요한 요소 중 하나인 배터리는 주로 고에너지, 고용량의 리튬이온 배터리를 사용하며, 배터리의 안정적인 운용을 위해 배터리 상태를 정확하게 추정하는 기능이 요구된다. 배터리 상태를 추정하기 위한 모델 기반의 방법으로는 등가회로모델 (Equivalent Circuit Model, ECM)과 전기화학적 임피던스 모델 (Electrochemical Impedance Model) 등 다양한 형태의 모델을 기반으로 배터리의 상태를 추정한다. 일반적으로 등가회로모델은 DCIR(Direct Current Internal Resistance)을 기초하여 배터리의 상태를 추정한다. 이처럼 배터리의 상태 추정을 하는 경우 배터리에 나타나는 전해질 저항과 충방전 과정에서 발생하는 반응 저항, 전극 내에서 발생하는 리튬이온 확산 저항을 설명하기에 어렵다. 따라서, 배터리의 내부 상태를 분석 가능한 전기화학적 임피던스 분광법을 기반으로 전기화학적 모델을 구성하고 배터리의 상태 추정을 진행한다. 또한 대부분의 전기화학적 모델에 관한 논문에서 한 가지 종류의 리튬이온 배터리를 시료로 전기화학적 모델 구성하고 배터리 상태 추정을 진행했다. 이러한 논문은 현재 전기자동차에서 사용하고 있는 다양한 종류(파우치형 배터리와 각형 배터리 등)의 배터리에 대한 상태 추정 결과를 비교하는 과정에서 어려움이 발생하며, 이에 따라 배터리 종류에 적합한 모델과 상태 추정 알고리즘을 적용하기 위한 많은 시간을 할애해야 한다. 따라서, 본 논문에서는 두 가지 타입(파우치형 배터리와 각형 배터리)의 리튬이온 배터리에 전기화학적 임피던스 분광법 측정을 진행하고 산출된 배터리 파라미터를 기반으로 한 전기화학적 모델을 구성하고자 하며, 구성한 전기화학적 모델에 상태 추정 알고리즘 중 하나인 확장 칼만 필터 (Extended Kalman Filter, EKF) 기법을 사용하여 배터리의 충전 상태 (State Of Charge, SOC)를 추정한다. Sales of electric vehicles are increasing every year under carbon emission regulations. A battery, which is one of the important elements of an electric vehicle, mainly uses high-energy and high-capacity lithium-ion batteries, and a function of accurately estimating a battery state for stable operation of the battery is required. As a model-based method for estimating a battery state, the state of a battery is estimated based on various types of models, such as an equivalent circuit model (ECM), an electrochemical impedance model, etc. In general, an equivalent circuit model estimates a battery state based on direct current internal resistance (DCIR). When estimating the state of the battery as described above, it is difficult to explain the electrolyte resistance of the battery, the reaction resistance of charging/discharging, and the diffusion resistance of lithium ions in the electrode. Therefore, an electrochemical model is constructed based on the electrochemical impedance spectroscopy capable of analyzing the internal state of the battery, and the battery state is estimated. In addition, in most papers on electrochemical models, an electrochemical model was constructed with samples of one type of lithium-ion battery, and a battery state was estimated. This paper makes it difficult to compare the state estimation results of various types of batteries (pouch-type battery, prismatic battery, etc.) currently used in an electric vehicle, and accordingly, it is required to devote a lot of time to apply the model and state estimation algorithm suitable for the battery type. Therefore, in this paper, we measure electrochemical impedance spectroscopy in two types of lithium-ion batteries (pouch-type batteries and prismatic batteries), construct an electrochemical model based on the calculated battery parameters, and estimate the state of charge (State Of Charge, EKF) of the battery using one of the state estimation algorithms.

자율주행 차량에서 혼합현실 장비 사용에 따른 운전자의 제어권 인수 반응시간 및 작업부하에 관한 연구

좌호정 국민대학교 자동차공학전문대학원 2022 국내석사

최근 메타버스가 다양한 분야에 활용되고 있다. 그러나, 자동차 분야에서의 연구는 상대적으로 부족한 실정이다. 본 연구의 목적은 자율주행 환경에서 혼합 현실(MR) 장비가 운전자에게 미치는 영향을 분석하는 것이다. 자율주행 환경에서 운전자의 제어권 인수 시간, 작업 부하, 그리고 혼합현실 장비 사용에 대한 선호도를 측정하고 분석하여, 이러한 변수들이 운전자의 경험과 안전에 어떠한 영향을 미치는지 연구하였다. 약 6~10분 가량의 주행 시나리오를 총 4건 설계하였고, 30명의 실험대상자가 실험에 참여하였다. 실험 중 운전자는 자율주행 모드로 주행하며, 동영상을 시청하다가, 사고 발생 7초 전 제어권 인수 요청을 받았다. 혼합 현실 장비 사용 시, 운전자는 홀로그램을 통해 차량 관련 정보(속도, 엔진 회전수, 기어 위치 등), 동영상 제공 받았다. 혼합 현실 장비 미사용 시에는, 클러스터를 통해 차량 관련 정보를 받으며, 태블릿 PC를 통해 동영상을 제공 받았다. 분석 결과, 혼합 현실 장비 사용 여부에 관계 없이, 제어권 인수 시간, 작업 부하 수준에 유의한 차이가 없었다. 본 연구 결과는 자율주행 자동차에 메타버스 기술을 적용하기 위한 이론적 근거를 제공하여, 자율주행 자동차의 경쟁력 및 안전성을 향상 시킬 것으로 기대된다. 본 연구 결과를 바탕으로, 혼합 현실 장비와 메타버스 기술을 결합한 자율주행 자동차 인터페이스의 개선 방안에 대한 연구를 향후 진행할 예정이다. Despite the widespread application of metaverse in various domains, research in the automotive field remains relatively scarce. In this regard, the present study aims to analyze the impact of using Mixed Reality (MR) devices on drivers in an autonomous driving environment. More specifically, the current research focused on understanding the influence of various variables such as the driver's take-over time, workload, and preference for using MR devices in an autonomous driving context, on the driver’s experience and safety. Four driving scenarios each lasting for approximately 6 to 10 minutes were developed, and thirty participants were recruited. In the experiment, the drivers were engaged in autonomous mode while watching a video, with a take-over request made seven seconds prior to a potential collision. While using the MR devices, the drivers received vehicle information (speed, engine RPM, and gear position) and videos via holograms, and when the MR devices were not employed, the received vehicle information were received through clusters and videos via a tablet PC. The analysis revealed no significant difference in take-over times or workload levels between participants using the MR devices and those who did not. This study contributes to the theoretical basis for applying metaverse technology in autonomous vehicles, which is anticipated to enhance the competitiveness and safety of the autonomous vehicles. Based on the findings of the current study, future research would be carried out to improvise the autonomous vehicle interfaces that integrate MR devices and metaverse technology.