Enhanced Linux Packet Scheduling for Secure In-Vehicle Ethernet Network

Ho Kang 국민대학교 자동차모빌리티대학원 2023 국내석사

To satisfy the growing network bandwidth requirement of data-intensive automotive applications (e.g., autonomous driving), Ethernet is recently employed as the backbone of in-vehicle networks. Besides its high bandwidth, Ethernet-based systems require a much more complex software architecture than conventional networks (e.g., controller area network), leading to a system prone to unknown security vulnerabilities. This study reveals one of such attacks that obstruct safety-critical data flows between networked computers. In this attack, malicious applications generate garbage packets that are crammed into Linux transmit queues, blocking other important outgoing network packets. As a solution to this cram attack, we reserve a hidden transmit queue that can be used only by authorized applications through the trusted execution environment (TEE) of recent automotive application processors. For the evaluation, SOME/IP-based systems are implemented based on OP-TEE (an open source TEE), which successfully demonstrates our solution. 데이터 집약적인 자동차 애플리케이션(예: 자율 주행)이 요구하는 네트워크 대역폭을 충족시키기 위해, 최근 이더넷이 차량 내부 네트워크의 통신으로 사용되고 있다. 이더넷은 높은 대역폭을 제공하지만, 기존 네트워크(예: CAN 통신)에 비해 훨씬 더 복잡한 소프트웨어 아키텍처가 필요하므로, 예기치 않은 보안 취약점이 발생할 가능성이 있다. 본 연구에서는 네트워크에 연결된 컴퓨터 간의 중요한 데이터 흐름을 방해할 수 있는 공격 유형 중 하나를 발견하였다. 이 공격에서는 악성 애플리케이션이 리눅스 전송 큐에 쓰레기 패킷을 생성하여 다른 중요한 네트워크 패킷의 송출을 방해한다. 본 논문은 이 공격에 대한 해결책으로, 최근 자동차 애플리케이션 프로세서에서 신뢰할 수 있는 실행 환경인 TEE를 통해 인증된 애플리케이션만 사용할 수 있는 숨겨진 전송 큐를 제시한다. 평가를 위해 OP-TEE(오픈 소스 TEE) 기반의 SOME/IP 시스템을 구현하여 효율성을 입증하였다.

Lightweight Container Orchestration Architecture for Fail-operational Software-Defined Vehicles

Cho Changjo 국민대학교 자동차모빌리티대학원 2024 국내석사

Future automotive electrical and electronic (E/E) architectures are expected to adopt a zonal architecture with microservices using docker container technology. We chose K3s, a lightweight Kubernetes distribution, as the orchestration tool to manage multiple containerized applications. We assigned each containerized application an Automotive Safety Integrity Level (ASIL) and ran them on a distributed cluster. Although K3s’s built-in failover can move containers when a node fails, its response time is not sufficient for vehicle systems. We therefore propose a failover mechanism that combines a Sensor Triggered Watchdog with system redundancy. In experiments under various failure scenarios, our system reduced failover delay from about tens of seconds (K3s’s limit) to under 1 second, achieving performance suitable for FTTI and demonstrating that container technology can be applied to vehicle safety-critical systems. We expect the proposed system and testbed to make a significant contribution to future automotive E/E architecture design. 미래의 자동차 전기전자 아키텍처는 컨테이너 기술을 활용한 마이크로서비스 기반의 조날 아키텍처를 채택할 것으로 예상된다. 본 논문은 다수의 컨테이너화된 애플리케이션을 관리하기 위해 경량화된 쿠버네티스 배포판인 K3s를 오케스트레이션 도구로 선택했다. 각 컨테이너화 된 애플리케이션에는 자동차 안전 무결성 등급을 할당하고 조날 아키텍처를 구성하는 분산 클러스터에서 실행하였다. 비록 K3s의 기본 내장 장애전환 기능이 노드 장애 시 컨테이너를 이동시킬 수 있지만, 해당 응답 시간은 차량 시스템에 충분하지 않다. 따라서 우리는 센서 구동형 워치독과 시스템 중복성 시스템을 결합한 장애전환 메커니즘을 제안한다. 다양한 장애 시나리오를 대상으로 한 실험에서, 본 시스템은 약 300초 이상 소요되는 기존 K3s 장애전환 지연을 1초 미만으로 단축하여 컨테이너 기반 차량 시스템이 고장 안전 시간 간격 요건을 만족할 수 있음을 보이며, 컨테이너 기술이 차량 안전 중요 시스템에 적용될 수 있음을 입증하였다. 제안된 시스템은 향후 자동차 전기전자 아키텍처 설계에 중요한 기여를 할 것으로 기대된다.

ISO 26262 기반 자율주행 차량의 Degradation Safety Mechanism 연구

조호현 국민대학교 자동차모빌리티대학원 2024 국내석사

As the future automobile market begins to transition to software-defined vehicles, autonomous driving systems are becoming a key element. Therefore, in order to continue to increase the complexity of electric/electronic systems in vehicles and prevent accidents due to system defects, research on ISO 26262-based safety mechanisms is becoming more prominent. Currently, most vehicles use Fail-Safe in the event of a system defect. Fail-Safe is a method of immediately deactivating the system or handing over control to the driver when a defect occurs. However, for advanced autonomous driving technology, fail-operational research that allows the system to continue operating even in case of a defect is active. In order to implement fail-operational, hardware and software redundancy strategies are essential, and through this, even if a single defect occurs, the function of the system is maintained using hardware and software that operates normally. However, if the Redundancy strategy is not possible due to multiple defects, the system can perform functions, but there is no means to determine the defects. As a result, a situation where hardware and software are not trusted can occur and a dangerous state can be reached. Therefore, in situations where the Redundancy strategy is impossible, a strategy is needed to secure safety through a safety mechanism. Degradation Mode is an important strategy for satisfying this situation and autonomous driving above SAE Level 3, but the applied research is insufficient. In addition, studies considering the driving situation of the lateral vehicle when performing the Minimal Risk Maneuver, which is referred to in Degradation Mode, are insufficient. In this paper, the autonomous driving system was simulated with Adaptive Cruise Control and Lane Following Assistant using sensors, and the risk of longitudinal autonomous driving systems was analyzed and evaluated based on ISO 26262 Part 3 and 4. In addition, a degradation safety mechanism was developed to improve the reliability of the developed autonomous driving system. Item Definition, Hazard Analysis and Risk Assessment, Functional Safety Requirement, and Technical Safety Requirement were conducted according to ISO 26262 Part 3 and 4 before developing the safety mechanism of the autonomous driving system. Based on the requirements, a Degradation safety mechanism was developed, such as speed deceleration, MRM performance after a certain period of time, and shoulder stop in situations where the Redundancy strategy was not possible. MRM was performed by calculating the safety area based on Time to Collision and Relative Speed using front/back sensors before and after MRM was performed. In addition, MRM was performed using desired yawrate-based Rear Wheel Steering for path followability. To verify the Degradation safety mechanism, this study used Mathworks' MATLAB/Simulink and IPG's CarMaker to perform Model-in-the-Loop Simulation verification. To determine the effectiveness of the Degradation safety mechanism, it was verified in scenarios such as front vehicle stop, front/rear vehicle reduction/acceleration in single sensor fault situations and no Redundancy strategy, and a safety mechanism for expanding the response area of the autonomous driving system is proposed. 미래 자동차 시장은 Software-Defined Vehicle로 전환을 시작하면서 자율주행 시스템이 핵심 요소로 자리 잡고 있다. 따라서 차량 내 전기/전자 시스템의 복잡성이 계속 증가하고 시스템의 결함으로 인한 사고방지를 위해 ISO 26262(자동차 기능 안전) 기반 안전 메커니즘 연구가 더욱 부각되고 있다. 현재 대부분의 차량은 시스템 결함 발생 시 Fail-Safe를 사용하고 있다. Fail-Safe는 결함이 발생하면 즉시 시스템을 비활성화하거나 운전자에게 제어권을 넘기는 방식이다. 그러나, 고도화된 자율주행 기술을 위해 결함 상황에서도 시스템이 계속 작동할 수 있는 Fail-Operational 연구가 활발하다. Fail-Operational을 구현하기 위해 하드웨어 및 소프트웨어 Redundancy 전략이 필수적이고, 이를 통해 단일 결함이 발생하더라도 정상 작동하는 하드웨어 및 소프트웨어를 사용하여 시스템의 기능을 유지한다. 하지만, 다중 결함으로 인해 Redundancy 전략이 불가능한 경우 시스템은 기능을 수행할 순 있지만 결함을 판단할 수단이 없다. 이로 인해, 하드웨어 및 소프트웨어를 신뢰할 수 없는 상황이 발생해 위험 상태에 도달할 수 있다. 따라서, Redundancy 전략이 불가능한 상황에서 안전 메커니즘을 통해 안전성 확보를 위한 전략이 필요하다. 이러한 상황을 만족하고 SAE Level 3 이상의 자율주행을 위해 기능 저하 모드(Degradation Mode)는 중요한 전략이지만 적용된 연구가 부족하다. 또한 Degradation Mode에 언급되는 MRM(Minimal Risk Maneuver) 수행 시 측방 차량의 주행 상황을 고려한 연구가 부족하다. 본 논문에서는 센서를 활용하여 적응형 크루즈 컨트롤(Adaptive Cruise Control, ACC) 및 차로 유지 보조(Lane Following Assist, LFA)로 자율주행 시스템을 모사하였고 ISO 26262 Part 3, 4를 기반으로 종 방향 자율주행 시스템의 위험 분석 및 평가하였다. 또한, 개발한 자율주행 시스템의 신뢰성 향상을 위해 Degradation 안전 메커니즘을 개발하였다. 자율주행 시스템의 안전 메커니즘을 개발하기 전 ISO 26262 Part 3, 4에 따라 아이템 정의(Item Definition), 위험원 분석 및 위험 평가(Hazard Analysis and Risk Assessment, HARA), 기능 안전 요구사항(Functional Safety Requirement, FSR), 기술 안전 요구사항(Technical Safety Requirement, TSR) 등을 진행하였다. 요구사항을 기반으로 Redundancy 전략 가능 상황에서 기능을 유지하고 Redundancy 전략이 불가능한 상황에서 속도 감속, 일정 시간 이후 MRM 수행, 갓길 정차 등 Degradation 안전 메커니즘을 개발하였다. MRM 수행 전 전/후측방 센서를 활용하여 충돌 시간(Time to Collision, TTC) 및 상대 속도 기반의 안전 영역을 계산하여 MRM 수행하였다. 또한, 경로 추종성을 위해 목표 요 레이트(ψ ̇_des) 기반 후륜 조향(Rear Wheel Steering, RWS)을 사용하여 MRM을 수행하였다. 본 연구는 Degradation 안전 메커니즘을 검증하기 위해 Mathworks 사의 MATLAB/Simulink와 IPG 사의 CarMaker를 활용하여 MILS (Model-in-the-Loop Simulation) 검증을 수행하였다. Degradation 안전 메커니즘의 유효성 판단을 위해 센서 단일 결함 상황 및 Redundancy 전략 불가 상황에서 전방 차량 정지, 전/후측방 차량 감/가속 등의 시나리오에서 검증했으며 자율주행 시스템의 대응 영역 확장을 위한 안전 메커니즘을 제안한다.

확장 칼만 필터를 이용한 모듈 단위 리튬이온 배터리의 노화 반영 SOC 추정 연구

권지원 국민대학교 자동차모빌리티대학원 2025 국내석사

This study proposes an Extended Kalman Filter (EKF)-based estimation technique that considers battery aging characteristics to more accurately estimate the State of Charge (SOC) of lithium-ion batteries. With the increasing adoption of electric vehicles and the increasing research on the management, reuse, and recycling of used batteries, the importance of technologies for accurately assessing and utilizing the state of used batteries is growing. To determine the recyclability and reuse of these batteries, research is being conducted on reliable SOC estimation techniques that can accurately diagnose the current state of used batteries. However, existing SOC estimation techniques fail to adequately account for aging characteristics, such as increased internal resistance, decreased effective capacity, and voltage response changes, resulting in limitations in their applicability in reuse environments. In this study, experiments were conducted on Samsung SDI's INR21700-40T cylindrical lithium-ion batteries. This study developed an ECM that reflects aging characteristics and validated an Extended Kalman Filter (EKF)-based SOC estimation technique based on this ECM. First, battery voltage and current data were collected through charge and discharge experiments, and based on this data, ECM parameters for each aging stage were identified. Furthermore, aging indicators such as capacity loss and internal resistance increase were quantitatively evaluated according to the KS C IEC 62660-3 standard, and changes in battery characteristics due to battery deterioration were reflected in the model. Next, an EKF-based SOC estimation algorithm was developed based on the developed aging-incorporated ECM. The SOC estimation performance under dynamic driving conditions was verified using the Urban Dynamometer Driving Schedule (UDDS) driving cycle in a MATLAB/Simulink environment. This demonstrated that the proposed EKF-based SOC estimation technique maintained stable estimation performance even under aging battery conditions. A comparison of EKF-based SOC estimation performance before and after aging was performed revealed that the proposed aging-incorporated EKF outperformed the conventional EKF even under conditions of battery deterioration, maintaining a stable SOC estimation error (RMSE) of approximately 1%. In particular, by updating the RC parameters and the SOC–OCV relationship according to the aging status, we were able to effectively ensure convergence and consistency of SOC estimation despite changes in voltage response over time. Furthermore, through module-level experiments, we measured the voltage of each cell based on real-time current input and applied the EKF. This demonstrates that the proposed EKF-based estimation technique can perform stable real-time SOC estimation even in environments similar to actual vehicles. In summary, this study experimentally demonstrates the effectiveness of an EKF-based SOC estimation technique that systematically reflects characteristic changes due to battery aging. Furthermore, it provides a technological foundation for its expansion into SOC diagnosis algorithms for reused batteries. 본 연구에서는 리튬이온 전지의 충전상태(State of Charge, SOC)를 보다 정확하게 추정하기 위하여, 배터리 노화 특성을 고려한 확장 칼만 필터(Extended Kalman Filter, EKF) 기반의 추정 기법을 제안한다. 전기자동차의 보급 확대와 함께 사용 종료된 사용 후 배터리의 관리 및 재사용(Reuse), 재활용(Recycle)에 대한 연구가 증가함에 따라, 사용 후 배터리의 상태를 정확하게 평가하고 활용하는 기술의 중요성이 더욱 부각되고 있다. 이러한 사용 후 배터리의 재활용 및 재사용 가능성을 판단하기 위해서 사용 후 배터리의 현재 상태를 정밀하게 진단할 수 있는 신뢰도 높은 SOC 추정 기술이 연구되고 있다. 그러나 기존의 SOC 추정 기법은 배터리 사용 이력에 따른 내부저항 증가, 유효 용량 감소, 전압 응답 변화와 같은 노화 특성을 충분히 반영하지 못하여, 재사용 환경에서의 적용에 한계를 가진다. 본 연구에서는 삼성 SDI의 INR21700-40T 원통형 리튬이온 배터리를 대상으로 실험을 수행하여, 노화 특성을 반영한 ECM을 구축하고 이를 기반으로 확장 칼만 필터(EKF) 기반 SOC 추정 기법을 검증하였다. 먼저, 충·방전 실험을 통해 배터리의 전압 및 전류 데이터를 수집하고, 이를 바탕으로 각 노화 단계별 ECM 파라미터를 식별하였다. 또한 KS C IEC 62660-3 표준에 따라 용량 감소 및 내부저항 증가와 같은 노화 지표를 정량적으로 평가하여, 배터리 열화에 따른 특성 변화를 모델에 반영하였다. 이후, 구축된 노화 반영 ECM을 기반으로 EKF 기반 SOC 추정 알고리즘을 구성하고, MATLAB/Simulink 환경에서 UDDS(Urban Dynamometer Driving Schedule) 주행 사이클을 적용하여 동적 운전 조건에서의 SOC 추정 성능을 검증하였다. 이를 통해 노화가 진행된 배터리 환경에서도 제안한 EKF 기반 SOC 추정 기법이 안정적인 추정 성능을 유지함을 확인하였다. 노화 반영 전·후의 EKF 기반 SOC 추정 성능을 비교한 결과, 제안된 노화 반영 EKF는 배터리 열화가 진행된 조건에서도 기존 EKF 대비 우수한 성능을 보였으며, SOC 추정 오차(RMSE)를 약 1%로 안정적으로 유지하였다. 특히 RC 파라미터와 SOC–OCV 관계를 노화 상태별로 갱신함으로써, 시간 경과에 따른 전압 응답 변화에도 불구하고 SOC 추정의 수렴성과 일관성을 효과적으로 확보할 수 있었다. 또한 모듈 단위 실험을 통해 실시간 전류 입력을 기반으로 각 셀의 전압을 측정하고 EKF를 적용한 결과, 제안된 EKF 기반 추정 기법이 실제 차량과 유사한 환경에서도 안정적인 실시간 SOC 추정을 수행할 수 있음을 검증한다. 종합적으로 본 연구는 배터리 노화에 따른 특성 변화를 체계적으로 반영한 EKF 기반 SOC 추정 기법의 유효성을 실험적으로 입증하였으며, 향후 재사용 배터리에서도 SOC 진단 알고리즘으로 확장 적용될 수 있는 기술적 기반을 제시한다.

Funnel 제어 기반 매개변수 오차 보상을 이용한 적응형 센서리스 제어 성능 향상에 관한 연구

한준서 국민대학교 자동차모빌리티대학원 2024 국내박사

전기에너지를 기계에너지로 변환하는 전동기는 자동차, 가전, 로봇, 항 공 등 다양한 분야에서 광범위하게 활용되며, 고효율·소형화를 위한 연구 가 지속되고 있다. 특히 벡터 제어 기반의 고성능 구동을 위해서는 전류 크기와 회전자 위치 정보가 필요하며, 이를 위해 위치 센서가 일반적으로 사용된다. 그러나 센서 부착은 비용 상승, 구조적 제약, 신뢰성 문제를 유발하며, 이를 대체하기 위한 센서리스 제어 기술이 활발히 연구되고 있 다. 센서리스 방식은 모터의 수학적 모델을 기반으로 전기적 신호로부터 속도 및 위치를 추정하므로, 저비용 및 구조 간소화의 이점이 있다. 하지 만 파라미터 오차나 인버터의 비선형성에 의해 모델 정확도가 저하되면 추정 성능 및 제어 안정성이 크게 떨어지는 문제가 발생한다. 이를 해결 하기 위해 파라미터 추정 알고리즘 또는 운전영역에 따라 변동되는 파라 미터와 이득값을 참조표를 이용하여 조절하는 기법이 제안되었지만, 파라 미터를 실시간으로 추정하는 알고리즘 기반 방식은 계산량이 많고 구조 가 복잡하여, 구동 중 모든 파라미터를 정확하게 추정하고 이를 제어에 반영하는 데 실용적 한계가 존재한다. 반면, 실험 데이터를 기반으로 참 조표를 사용하는 방식은 많은 시간과 반복적인 작업이 요구되어 적용 효 율이 낮다. 본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위해, 별도의 파라미터 식별 과 정 없이 모델 오차를 실시간으로 보상하는 센서리스 제어 기법을 제안한 다. 제안된 방식은 모델 참조 기반 적응형 구조(MRAS)를 기반으로 하 며, 역기전력 계산 과정에서 발생하는 오차 항에 funnel 제어 알고리즘을 적용하여, 오차가 지정된 성능 함수 내에서 수렴하도록 보상값을 산출하 고 이를 추정 전류에 반영한다. 또한, 초안정성(Hyperstability) 이론을 적용하여 제어 안정성을 수학적으로 분석하고, 이를 통해 위치 및 속도의 정확한 추정을 가능하게 한다. 제안한 알고리즘은 MATLAB/Simulink 기반 시뮬레이션 및 실험을 통 해 다양한 성능을 검증하였다. 시뮬레이션 결과, 인덕턴스 및 저항, 역기 전력 상수 등 다양한 파라미터 오차 조건에서도 기존 MRAS 기반 방식 대비 정상 상태 위치 추정 오차가 최대 82.75% 감소하였으며, 부하 속 도 및 전류 지령 변화 조건에서도 최대 64.69%의 성능 개선이 확인되었 다. 실험 결과에서도 유사한 경향이 나타났으며, 정상 상태 위치 오차가 최대 80% 감소하고, 운전 조건 변화에 따라 26.6%에서 49% 수준의 향 상된 추정 성능을 보였다. 이를 통해 제안된 Funnel 제어 기반 센서리스 제어 기법이 파라미터 불확실성이 존재하는 환경에서도 우수한 강인성과 실시간 적용 가능성을 가지는 유효한 대안임을 정량적으로 입증하였다. Electric motors, which convert electrical energy into mechanical energy, are widely used in various fields such as automobiles, home appliances, robotics, and aerospace. To achieve high efficiency and miniaturization, vector control techniques requiring accurate current and rotor position information are commonly employed. Although position sensors are typically used for this purpose, they increase system cost, impose structural constraints, and may reduce reliability. As an alternative, sensorless control methods, which estimate speed and position based on motor mathematical models and electrical signals, have been actively studied. These methods offer advantages in terms of cost reduction and simplified system structure. However, their performance and stability degrade significantly when parameter mismatches or nonlinearities in the inverter reduce model accuracy. To address this issue, parameter estimation algorithms and lookup-table-based compensation methods have been proposed. Yet, real-time parameter estimation algorithms are computationally intensive and structurally complex, making it impractical to estimate all parameters accurately during operation. On the other hand, lookup-table-based methods require extensive data collection and repetitive calibration, resulting in low applicability. In this study, a novel sensorless control algorithm is proposed to compensate for model uncertainties in real time without requiring separate parameter identification. The proposed method is based on a model reference adaptive system (MRAS) structure, and applies a funnel control algorithm to the error term in the back-EMF calculation process. This ensures that the estimation error remains within a predefined performance boundary. The funnel-based compensation is reflected in the estimated current, and hyperstability theory is used to mathematically analyze the stability of the system, enabling accurate estimation of rotor position and speed. The proposed algorithm is validated through MATLAB/Simulink-based simulations and experimental results. In simulation, the algorithm achieved up to 82.75% reduction in steady-state position estimation error under various parameter mismatch conditions, including inductance, resistance, and back-EMF constant variations. It also showed up to 64.69% improvement under varying load speeds and current commands. The experimental results demonstrated similar trends, with up to 80% reduction in steady-state position error and 26.6% to 49% improvement in performance under different operating conditions. These results confirm that the proposed funnel control-based sensorless control method is a robust and practical solution with strong real-time applicability, even in environments with significant parameter uncertainty.

테일로터 구동용 모터의 CFD를 활용한 열유동해석 연구

이희찬 국민대학교 자동차모빌리티대학원 2024 국내석사

모빌리티 추진 시스템의 전동화 및 친환경 트렌드에 따라 다양한 모빌리티에 전기추진시스템을 적용한 전동화 기술 개발이 진행 중이다. UAM뿐만 아니라 헬리콥터의 테일로터 또한 전동화를 위해 개발 중이 고 해당 전기추진시스템은 구동 안전성을 위해 Quad 타입이 일반적이다. 이러한 전기추진 시스템은 기존 의 기계식과 비교하여 소음, 연료소비효율 측면에서 이점을 가진다. 하지만 이러한 시스템에 사용되는 모터 는 소형화와 경량화가 요구되어 열관리에 매우 취약하다는 단점이 있다. 냉각 성능향상을 도모하며 기존의 요구 추력을 보장하기 위해서는 기존 모터 및 Housing의 재설계를 통해 모터 핵심부품에 대한 냉각 성능향 상이 필수적이다. 이를 만족하기 위해서는 테일 로터 흡기 유동을 모터 내부로 적절히 유도하여 냉각 성능 을 향상하여 핵심 부품의 내구성과 성능 유지를 보장하고, 추력 성능은 유지할 수 있는 최적 설계가 요구된 다. 이에 본 연구는 설계안 도출 소요 시간과 비용을 최소화하기 위해 CFD(Computational Fluid Dynamics)를 활용하여 공랭식 전기추진시스템 설계 변경에 따른 모터 열유동해석을 수행하였다. 본 연구에 서는 프로펠러를 통해 유입되는 냉각 공기를 모터 중앙부로 유도하는 가이드 형상을 중앙 Shaft에 설계하 여 Magnet, Stator core, Winding 등의 온도 변화를 분석하였고, Housing 형상의 설계 변경으로 냉각 공기 가 모터 내부로 유입될 수 있도록 형상을 변경함으로써 내부 냉각 공기의 유동량을 증가시키는 설계를 수 행하였다. 이 과정에서 냉각 통로의 면적과 각도에 따라 Magnet, Stator core, Winding 등의 온도 변화를 분석하였다. 해석 결과, Housing 측벽에 냉각 공기가 유입될 수 있는 각도를 설정하는 설계 변경은 크게 유 효하지 않은 인자로 확인 되었고, 냉각 통로의 크기를 확장하는 방법과 더불어 모터 중앙의 Shaft에서 추가 적인 냉각 공기를 유도할 경우, 유의미한 냉각 성능 향상을 가져올 수 있음을 확인하였다. 이를 바탕으로 Housing 측벽과 모터 중앙의 Shaft에서의 설계 변경을 통합하여 최적 설계안을 제안하였다. In accordance with the electrification and eco-friendly trend of mobility propulsion systems, the development of electrification technology applying electric propulsion systems to various mobility is in progress. Not only UAM but also helicopter tail rotors are being developed for electrification, and the electric propulsion system is generally of a Quad type for driving safety. Compared to the existing mechanical type, these electric propulsion systems have advantages in terms of noise and fuel consumption efficiency. However, the motors used in these systems require miniaturization and weight reduction, so they are very vulnerable to thermal management. In order to improve cooling performance and ensure existing required thrust, it is essential to improve the cooling performance of the core motor parts through redesigning of the existing motor and housing. To satisfy this, an optimal design is required to improve the cooling performance by properly inducing the intake flow of the tail rotor into the motor to improve the cooling performance to ensure the durability and performance of the core parts and to maintain the thrust performance. Therefore, in this study, in order to minimize the time and cost of deriving the design, a motor heat flow analysis according to the design change of the air-cooled electric propulsion system was performed using CFD (Computational Fluid Dynamics). In this study, a guide shape that guides the cooling air introduced through a propeller to the center of the motor was designed on the central shaft to analyze temperature changes such as magnet, stator core, and winding, and the design was performed to increase the flow amount of internal cooling air by changing the shape of the housing so that the cooling air could enter the motor. In this process, temperature changes such as magnet, stator core, and winding were analyzed according to the area and angle of the air hole. As a result of the analysis, the design change that sets the angle at which the cooling air can enter the housing sidewall was identified as a largely ineffective factor, and it was found that the design of introducing additional cooling air from the shaft at the center of the motor along with the method of increasing the size of the air hole can bring about a significant improvement in cooling performance. Based on this, an optimal design plan was proposed by integrating the design change at the shaft of the housing side wall and the center of the motor.

차체 측면 구조 단순화 모델 및 초기 설계 검토 자동화 프로그램 개발

김성택 국민대학교 자동차모빌리티대학원 2024 국내석사

전세계적인 친환경 문제가 주목받으면서 각 산업 분야는 지속 가능한 발전을 위해 엄격한 규제에 부합하기 위한 변화를 추구하고 있다. 이에 따라, 최근 자동차 산업은 환경 규제 준수와 함께 PBV(Purpose Built Vehicle) 및 B-Pillarless 차량과 같은 탑승 공간을 극대화할 수 있는 미래 모빌리티 차량 수요가 증가하고 있는 추세이다. 환경 규제의 충족을 위해 완성차 업체들은 엔진 성능 개선, 구동력계의 효율성 증대, 공기저항 최소화 설계, 경량화, 친환경 자동차 개발 등 다양한 방법으로 대응하고 있다. 그러나 편의성 추구를 위한 PBV 및 Pillarless 차량과 같은 신개념 구조를 갖는 차량의 경우 B-pillar가 존재하는 기존의 차체 구조 설계 방법론에 의존하고 있어, 신개념구조의 차량을 설계하기 위해 상당한 인력과 비용이 필요하다. 이와 더불어, 이러한 신개념 차량은 국내 및 미국 FMVSS(Federal Motor Vehicle Safety Standard), NCAP(New Car Assessment Program), 유럽의 EURO-NCAP 등의 안전도 기준을 만족해야 한다는 점이다. 이 모든 요구 사항을 충족시키기 위해, 완성차 업계는 환경 규제, 안전성, 신개념 구조 차량 개발에 필요한 인력, 비용, 시간을 과도하게 투입해야 한다는 어려움에 직면하고 있다. 따라서 본 연구에서는 단순화된 차체 구조 모델을 이용하여 차체의 강성 또는 강도의 변화를 효과적으로 계산하고 평가할 수 있는 수학적 예측 모델을 개발하고자 하며, 공학원리에 기반한 수학적 예측 모델을 통해 차체의 초기 컨셉 설계 프로세스의 효율을 높이고 설계 결과의 신뢰도를 확보할 수 있도록 한다. 추가로 수학적 예측 모델의 매개변수를 이용하여 측면 차체 구조의 초기 컨셉 설계 검토 자동화 프로그램을 통해 초기 컨셉 단계에서의 프로세스 효율을 확보하고 이를 설계 엔지니어들이 쉽게 활용하고 검토할 수 있도록 한다. As global environmental issues gain worldwide attention, each industrial sector is pursuing changes to comply with strict regulations for sustainable development. Under this backdrop, Consequently, there is a growing trend in the automotive industry for future mobility vehicles that maximize passenger space such as PBVs (Purpose Built Vehicles) and B-pillarless vehicles alongside adherence to environmental regulations. To comply these environmental regulations, automakers are employing various strategies, including improving engine performance, enhancing drivetrain efficiency, designing to minimize air resistance, reducing weight, and developing eco-friendly vehicles. However, vehicles with new concept structures like PBVs and pillarless vehicles, still rely on existing body structure design methodologies that include a B-pillar. Designing vehicles with these new concept structures requires considerable manpower and cost. Moreover, these new concept vehicles must satisfy safety standards such as domestic and U.S. FMVSS (Federal Motor Vehicle Safety Standards), NCAP (New Car Assessment Program), and Europe's EURO-NCAP. To fulfill all these requirements, the automotive industry faces the challenge of excessively investing manpower, cost, and time necessary for environmental compliance, safety, and the development of vehicles with new concept structures. Therefore, this study aims to develop a mathematical prediction model that can effectively calculate and evaluate changes in the stiffness or strength of the vehicle body using a simplified body structure model. Through this mathematical prediction model based on engineering principles, we seek to enhance the efficiency of the initial concept design process and ensure the reliability of the design outcomes. Additionally, by utilizing the parameters of the mathematical prediction model, we aim to secure process efficiency at the initial concept stage through an automated program for reviewing the initial concept design of side body structures, enabling design engineers to easily utilize and assess it.

목적 기반 차량의 탑승객 위치에 따른 선회 승차감 개선을 위한 4WS 제어 전략

김남중 국민대학교 자동차모빌리티대학원 2024 국내석사

최근 자율주행 기술의 급속한 발전은 단순한 이동 수단의 역할을 넘어 모빌리티 패러다임을 근본적으로 변화시키고 있다. 자율주행 시스템의 고도화에 따라 운전자의 역할이 점진적으로 축소되면서, 차량 내부 공간은 더 이상 운전에 집중해야 하는 환경이 아닌 다목적 활동 공간으로 재정의되고 있다. 이러한 기술적 변화는 탑승객의 위치와 활동의 자유도를 획기적으로 확장시키며, 기존의 운전자 중심 설계 패러다임에서 벗어나 독립적이고 유연한 공간 활용이 가능한 미래형 모빌리티로 진화하고 있다. 자율주행 기술의 발전과 함께 승차감은 물리적 진동 및 충격의 최소화를 넘어, 탑승객의 편의성, 안락함, 심리적 안정성 그리고 전반적인 이동 경험의 질을 결정하는 핵심 요소로 자리 잡고 있다. 특히 목적 기반 차량의 내부 공간 설계가 기존의 좌석 배열 및 위치 중심에서 벗어나 다기능적인 활동 공간으로 전환됨에 따라, 탑승객이 위치한 특정 좌석이나 활동 영역에서의 승차감 특성을 고려한 연구의 필요성이 증가하고 있다. 기존의 승차감 관련 연구는 주로 차량의 질량 중심(Center of Gravity, CG)점을 기준으로 차량 전체의 거동을 최적화하는 데 초점이 맞춰져 왔다. 이러한 연구들은 차량의 전반적인 안정성과 거동 특성을 향상시키는 데 효과적이지만, 탑승객의 개별적인 위치와 활동에 따른 승차감 변화를 충분히 반영하지 못한다는 한계를 지닌다. 특히, 자율주행 기술의 도입으로 차량 내 탑승객의 위치와 자세가 더욱 다양화되고, 탑승객의 활동 역시 다목적으로 변화함에 따라 특정 위치에서의 승차감 특성을 고려한 연구의 필요성이 더욱 부각되고 있다. 이에 따라, 탑승객의 위치에 따른 승차감 특성을 반영하여 차량 내 특정 위치에서의 승차감을 정량적으로 평가하고 이를 개선하기 위한 설계 방안이 요구되고 있다. 따라서 본 연구는 목적 기반 차량 내에서 선회 시 탑승객의 특정 위치에 따른 승차감을 정량적으로 평가하고, 이를 개선하기 위한 4WS(4-Wheel Steering) 제어 알고리즘 개발을 목표로 한다. 특히, 기존의 차량의 무게중심 위주 설계 방식과 차별화된 탑승객 위치에 따른 설계 방식을 제안함으로써 미래 자율주행 모빌리티의 승차감을 한층 향상시킬 수 있는 새로운 연구 방향을 제시하고자 한다. The recent rapid development of autonomous driving technology is fundamentally changing the mobility paradigm beyond the role of a simple means of transportation. As the role of the driver is gradually reduced due to the advancement of autonomous driving systems, the interior space of a vehicle is being redefined as a multi-purpose activity space rather than an environment that must focus on driving. These technological changes are dramatically expanding the freedom of passenger location and activity, and are evolving from the existing driver-centered design paradigm to a future-oriented mobility that allows independent and flexible space utilization. With the development of autonomous driving technology, ride quality is becoming a key factor that determines the convenience, comfort, psychological stability, and overall quality of the travel experience of passengers, beyond minimizing physical vibration and shock. In particular, as the interior space design of purpose-based vehicles shifts from the existing seating arrangement and location-centered to a multi-functional activity space, the need for research that considers the ride quality characteristics of specific seats or activity areas where passengers are located is increasing. Existing studies on ride quality have mainly focused on optimizing the behavior of the entire vehicle based on the vehicle's center of gravity (CG). These studies are effective in improving the overall stability and behavioral characteristics of vehicles, but they have the limitation that they do not sufficiently reflect changes in ride quality according to the individual positions and activities of passengers. In particular, with the introduction of autonomous driving technology, the positions and postures of passengers in vehicles have become more diverse, and the activities of passengers have also changed for various purposes, so the need for research that considers ride quality characteristics at specific locations has become more prominent. Accordingly, a design method that quantitatively evaluates ride quality at specific locations in vehicles and improves it by reflecting ride quality characteristics according to the positions of passengers is required. Therefore, this study aims to develop a 4WS (4-Wheel Steering) control algorithm to quantitatively evaluate ride quality according to specific positions of passengers when turning in a purpose-based vehicle and to improve it. In particular, by proposing a design method according to passenger positions that is differentiated from the design method centered on the center of gravity of existing vehicles, we aim to present a new research direction that can further improve the ride quality of future autonomous driving mobility.

수소차용 파이프 성형성의 최적화에 대한 설계 인자 연구

권용준 국민대학교 자동차모빌리티대학원 2024 국내석사

최근 지구 온난화의 영향으로 세계 각지에서 이상 기후가 빈발하고 있어 지구 온난화 의 원인으로 지목되는 온실가스와 탄소 배출의 감축이 화두가 되고 있다. 이에 기존 탄 소 배출원으로 지적된 내연기관 자동차를 대체하기 위해 다양한 형태의 친환경 차량이 등장하게 되었으며, 이 중 수소를 에너지원으로 사용하는 경우 BEV(배터리식 전기자동 차: Battery Electric Vehicle) 대비하여 높은 에너지 밀도로 각광받고 있다. 수소를 에너지원 으로 하는 친환경 차량은 수소를 내연기관에서 연소하여 이를 동력원으로 사용하는 수소 내연기관 차량과 수소와 산소의 이온결합으로 전기를 생성해 사용하는 수소 연료전지 차 량이 있다. 수소는 원자량이 가장 작은 물질로서 확산이 다른 물질에 비해 빠른 데다 인화성이 있 고, 내부식성이 낮은 물질의 경우 수소취화 현상을 일으켜 그 취급에 주의를 요구한다. 그렇기 때문에 수소를 연료로 하는 차량들은 누설이 생기지 않도록 연료 라인의 기밀을 유지할 필요가 있으며, 이러한 특성은 연료용 파이프 성형 공정에 크게 영향을 받는다. 이에 본 연구에서는 두 가지 성형 공정에 따른 수소자동차용 연료 파이프의 성형성을 평 가하는 동시에 씰링성 향상을 위한 표면경도 저하를 목적으로 하는 열처리 공정에 대한 분석을 실시하였다. 성형 공정의 경우 금형과의 이격, 열처리 공정의 경우 온도에 영향을 끼치는 주요 변수들에 대하여 라틴 하이퍼큐브 샘플링(LHS) 방식으로 유한요소해석에 필 요한 입력값들을 추출해 Python 스크립트를 통해 해석과 결과값 추출을 자동화하였다. 이 후 주요 변수와 결과값을 RSM(반응표면법, Response Surface Method) 모델로 구성하였다. Recently, due to the influence of global warming, abnormal climates are frequent around the world, and the reduction of greenhouse gases and carbon emissions, which are blamed for global warming, has become a hot topic. As a result, various types of eco-friendly vehicles have emerged to replace internal combustion engine vehicles, which have been pointed out as existing carbon emission sources, and among them, when hydrogen is used as an energy source, it is in the spotlight for its high energy density compared to BEV (Battery Electric Vehicle). Eco-friendly vehicles using hydrogen as an energy source include hydrogen internal combustion engine vehicles that use hydrogen as a power source and hydrogen fuel cell vehicles that generate electricity through an ionic combination of hydrogen and oxygen. Hydrogen is a substance with the smallest atomic weight, and in the case of a substance with faster diffusion than other substances, flammable, and low corrosion resistance, it causes hydrogen embrittlement and requires attention in its handling. Therefore, vehicles using hydrogen as fuel need to maintain sealing of the fuel line to prevent leakage, and this characteristic is significantly affected by the fuel pipe forming process. In this study, the formability of fuel pipes for hydrogen vehicles according to the two forming processes was evaluated, and at the same time, an analysis was conducted on the heat treatment process aimed at lowering the surface hardness to improve sealing properties. Input variables which are affecting clearance from the die in case of formability analysis, and which is affecting temperature in case of heat temperature analysis required for finite element analysis has extracted using the Latin Hypercube sampling (LHS) method and automated through Python scripting. After that, the main variables and result values were composed of the RSM (Response Surface Method) model.

Thermal Interface Material의 점탄성 거동을 고려한 배터리 모듈 냉각 성능 연구

김동우 국민대학교 자동차모빌리티대학원 2024 국내석사

최근 주요 선진국으로부터 탄소 배출량 규제 등 자동차 환경 규제가 확대되고 있는 가운데 대표적인 변화로 내연기관 자동차의 의존도가 감소되고 전기차와 수소차 등의 친환경차가 확대되고 있다. 전기차가 확대되는 만큼 동력원인 리튬이온 배터리의 수요가 높아지고 있다. 그러나 리튬이온 배터리는 전기 화학적 요인에 의해 발열이 발생하고 극단적인 상황에는 열 폭주 현상으로 화재사고와 인명피해를 유발하게 된다. 그러므로 배터리 팩의 냉각 성능을 향상시키는 연구가 진행되고 있으며 배터리 팩에 열 계면 소재를 적용한 연구가 진행되고 있다. 열 계면 소재의 경우 주 재료가 고분자 소재인 Silicone으로 구성되어 점탄성 특성을 가지고 있다. 이전까지의 연구는 열 계면 소재의 기계적 특성만을 고려하거나 단순 열 적 특성만을 고려한 연구가 대부분이었다. 따라서 본 연구에서는 열 계면 소재의 점탄성 물성을 고려한 기계적 특성과 열정특성 종합적으로 고려한 배터리 모듈의 냉각 시스템 성능 예측 방법을 제안했다. 크리프 변형 시험과 열전도도 측정 시험을 통해 재료의 물성을 구하였고 상용 소프트웨어인 Abaqus를 이용해 구조해석 및 열 전달 해석을 수행하여 냉각 성능 예측 모델을 제안하였다. 본 연구를 통해 향후 배터리 냉각 시스템의 정밀 설계에 큰 도움이 될 것으로 예상된다. Recently, as major advanced countries are expanding automobile environmental regulations such as carbon emission regulations, a representative change is the decrease in dependence on internal combustion engine vehicles and the expansion of eco-friendly vehicles such as electric vehicles and hydrogen vehicles. As electric vehicles are expanding, the demand for lithium-ion batteries as power sources is increasing. However, lithium-ion batteries generate heat due to electrochemical factors, and in extreme situations, thermal runaway phenomenon can cause fire accidents and human casualties. Therefore, research is being conducted to improve the cooling performance of battery packs, and research is being conducted to apply thermal interface materials to battery packs. In the case of thermal interface materials, the main material is composed of silicone, a polymer material, and has viscoelastic properties. Previous studies have mostly considered only the mechanical properties of thermal interface materials or simply thermal properties. Therefore, this study proposed a method to predict the cooling system performance of a battery module by comprehensively considering the mechanical properties and thermal properties considering the viscoelastic properties of thermal interface materials. The material properties were obtained through creep deformation tests and thermal conductivity measurements, and a structural analysis and heat transfer analysis were performed using commercial software, Abaqus, to propose a cooling performance prediction model. This study is expected to be of great help in the precision design of battery cooling systems in the future.