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.

충돌 낙하 안전 성능을 고려한 배터리 모듈 최적 설계 기법 연구

조진형 국민대학교 자동차공학전문대학원 2022 국내석사

Recently, there is a global trend of changing from conventional internal combustion engine vehicles to electric vehicles in order to reduce greenhouse gas emissions. However, since the weight of the motor of an electric vehicle is greater than the weight of the engine of an internal combustion engine vehicle, a fuel economy problem occurs. To solve this problem, electric vehicles need to be more lightweight. In particular, as for batteries, long-term large-scale research projects are actively underway to help European countries move toward a climate-neutral society through the development of sustainable and eco-friendly batteries. This project aims to structurally secure the safety performance of the battery module and reduce the weight. In the case of the battery pack module, which is the target part of this study, because of its role in supporting and protecting the battery cell, stress and deformation of the battery cell are analyzed with emphasis when impact is applied to the part. However, in the case of the current battery pack module, since there is no shape for the structure, reverse engineering of the current battery module is carried out through the battery cell to optimize the design. would like to present This study established an optimal design process aimed at lightweight design while considering the safety of battery cells in the battery module development stage of an electric vehicle. In the first step, after reverse engineering of the published battery pouch cell model, the battery module was designed according to the standard, and the generated model was selected as the base model. In the second step, the battery module selected as the base model was fabricated through vacuum molding, and the results of the drop test and simulation were compared and verified. In the third step, the design variables for the battery module were set through what-if study, and the optimal combination was derived through sensitivity analysis on the result value derived from the drop simulation. In the fourth step, a new result was derived by applying the result value derived through phase optimization to the optimal combination derived from the what-if-study. Through this study, it was possible to simultaneously achieve deformation safety and lightweight design of the cell. In addition, it was confirmed that the battery module optimization design process considering the crash and fall safety performance was effective in achieving the battery module target performance. 최근 전 세계적으로 온실가스를 줄이기 위해 기존 내연기관 자동차에서 전기 자동차로 변해가는 추세이다. 하지만 내연기관 자동차의 엔진 무게에 비해 전기 자동차의 모터 무게가 더 크기 때문에 연비 문제가 발생된다. 이를 해결하기 위해 전기 자동차는 경량화를 더욱 필요로 하고 있다. 특히 배터리는 지속 가능한 친환경적 배터리의 개발을 통해 유럽국가들이 기후 중립 사회로 나아갈 수 있도록 하는 장기 대규모 연구 프로젝트가 활발히 진행 중이다. 이 프로젝트는 배터리 모듈을 구조적으로 안전 성능을 확보하며 무게를 절감하는 것에 목적을 두었다. 본 연구의 대상 부품인 배터리 팩 모듈의 경우 배터리 셀을 지지하며 보호하는 역할 때문에 부품에 대한 충격을 가할 때 배터리 셀의 응력과 변형량을 중점적으로 분석하고 있다. 하지만 현재 배터리 팩 모듈의 경우 구조물에 대한 형상이 없기에 배터리 셀을 통해 현 배터리 모듈의 역설계를 진행하여 최적화를 진행하는데 이때 설계 방법들이 필요로 하기에 이에 대한 실험 및 해석적 연구를 통해 최적 설계 프로세스를 제시하고자 한다. 본 연구는 전기 자동차의 배터리 모듈 개발 단계에서 배터리 셀의 안전성을 고려하면서 경량화 설계를 목표로 하는 최적 설계 프로세스를 구축했다. 첫 번째 단계에서는 공개된 배터리 파우치 셀 모델의 역설계를 진행한 후 규격에 따라 배터리 모듈의 설계를 진행하여 생성된 모델을 베이스 모델로 선정했다. 두 번째 단계에서는 베이스 모델로 선정된 배터리 모듈을 진공주형을 통해 제작하여 낙하 시험과 시뮬레이션의 결과를 비교 검증하였다. 세 번째 단계에서는 What-if Study를 통해 배터리 모듈에 대한 설계변수를 설정하고 낙하 시뮬레이션의 도출된 결과 값에 대한 민감도 분석을 통해 최적의 조합을 도출하였다. 네 번째 단계에서는 What-if-study에서 도출된 최적 조합에 위상 최적화를 통해 도출된 결과값을 적용한 새로운 결과를 도출하였다. 본 연구를 통해 셀의 변형 안전성과 경량화 설계를 동시에 달성할 수 있었다. 또한 배터리 모듈 목표 성능을 달성하는데 있어 충돌 낙하 안전성능을 고려한 배터리 모듈 최적설계 프로세스가 효율적임을 확인하였다.

WRSM을 利用한 1.0 L 가솔린 하이브리드 엔진 溫間始動性能 最適化에 關한 硏究

최무진 國民大學敎 自動車工學專門大學院 2015 국내석사

현재 전 세계적으로 자동차 배출가스에 의한 환경오염이 대두되고 있다. 세계적으로 배기가스 규제는 점점 더 엄격해지고 있으며 EURO 6 규제가 발효되었고, CO2 규제도 등장하였다. 이에 유해배출가스 저감 및 CO2 배출량을 줄이기 위해 화석연료 사용을 줄이기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 각종 규제에 대응하기 위해 수송 분야에서 유해배출가스와 연비개선에 대한 연구는 필수 불가결한 것이다. 이에 따라 여러 연구 이외에도 하이브리드 자동차에 대한 사회적 국가적 요구와 관심이 점점 증대 되어 국내에서도 하이브리드 차량 개발이 활발히 진행되고 있다. 하이브리드 자동차는 기존의 내연기관과 전기모터를 동력원으로 이용한 자동차로서 화석연료 사용량을 줄여 배출가스 저감과 연비향상을 동시에 만족할 수 있다. 하이브리드 자동차는 전기 모터와 배터리를 장착함으로써 주행 중 가속 성능을 향상 시킬 수 있으며, 제동 시 버려지던 에너지를 배터리 충전에 이용함으로써 에너지 효율을 향상 시킬 수 있다. 현재 하이브리드 자동차에 대부분의 모터는 매입형 영구자석 모터(IPMSM: Interior Permanent Magnet Synchronous Motor)가 사용되어 왔지만, 영구자석에서 발생되는 고온과 전기자 반작용에 의한 불가역 감자영향, 그리고 폭등하는 가격 등의 이유로 비 희토류계 모터 개발이 활발히 진행되고 있다. 본 연구는 비 희토류계 모터인 WRSM를 이용하여 시동기와 발전기를 함께 사용하는 ISG(Integrated Starter and Generator) 시스템을 개발하고 엔진에 적용하여 실험을 진행하였다. 1.0 L 가솔린 엔진에 WRSM을 설치하고 벨트로 크랭크축에 동력을 전달하는 ISG 시스템을 적용하였을 때 동력전달 방법, 시동 확보 및 연비개선을 파악하는 실험을 진행하였다. Nowadays, environmental pollution because of vehicles’ emission becomes influential. In world wide, vehicle’s emission regulation is getting rigid, EURO 6 regulation took effect and CO2 regulation has appeared. Therefore, research which is about reducing usage of fossil fuel to decrease harmful emissions and CO2 emission level. To counteract all sorts of emission regulations, research for reducing harmful emission and improving fuel consumption efficiency is essential. Also socially and nationally, requirement and interest to hybrid vehicles are getting higher. Therefore, development of hybrid vehicle in domestic companies is briskly running off. Hybrid vehicle is using existing internal combustion engine and electric motor as power source. This technology could satisfy low emission and improvement of fuel consumption simultaneously by reducing usage of fossil fuel. In addition, hybrid vehicle could improve acceleration performance by using battery and electric motor. Also this vehicle can enhance energy efficiency by charging abandoned energy when braking. In present, most of motors in hybrid vehicles are Interior permanent magnet synchronous motor(IPMSM), however because of high price, high temperature generated by the permanent maget and irreversible demagnetization effect of the armature reaction, development of non-rare earth element motors are actively ongoing. This research is about developing and applying ISG(Integrated Starter and Generator)system which uses non-rare earth metal motor, WRSM, as starter and alternator to engine. The research was performed to comprehend fuel consumption, power transfer manner and securing start by applying ISG system which transfer the power to crank shaft by belt to WRSM installed 1.0L engine.

첨단안전자동차의 과도 시험 구현을 위한 무인 타겟 차량의 경로 추종 알고리즘 개발

임승국 國民大學敎 自動車工學專門大學院 2014 국내석사

최근 들어, 운전자의 안전과 편의성을 위한 CAS(Collision Avoidance System), AEBS(Autonomous Emergency Brake System), 와 같은 첨단 안전 시스템의 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 이와 더불어 이러한 첨단 안전 시스템의 평가 시 테스트 시나리오를 구현하기 위한 무인 타겟 차량의 개발이 요구되어지고 있다. 그런데 이러한 첨단안전자동차의 테스트 시나리오는 보통 고속영역에서의 과도 시험 구간을 포함하고 있다. 따라서 기존의 정상적인 주행을 위한 경로 추종 알고리즘에는 한계점이 존재한다. 본 논문에서는 무인 차량의 경로 추종을 위한 기존의 알고리즘들을 구현하고 분석 및 평가를 통하여 이들 중 과도 시험을 위한 적절한 알고리즘을 선정하였다. 그리고 선정된 기하학적 경로 추종 알고리즘이 과도 시험 구현을 위한 무인 타겟 차량에 적합하도록 코너링 강성 및 횡방향 하중이동이 고려된 Understeer gradient 요소를 경로 추종 알고리즘에 반영하였다. Understeer gradient 요소가 반영된 경로 추종 알고리즘의 검증을 위해 27 자유도의 차량 모델을 제공하는 차량동역학 툴을 활용하여 MILS(Model-in-the-Loop Simulation)환경을 구축하였다. 최종적으로 선정된 기하학적 경로 추종 알고리즘과 Understeer gradient 요소가 고려된 경로 추종 알고리즘을 구축된 MILS를 활용하여 시뮬레이션 하였고 Understeer gradient 요소의 적용 유무에 따른 차량의 경로 추종성을 비교 평가 하였다. Recently, Active safety systems like CAS(Collision Avoidance System) and AEBS(Autonomous Emergency Brake System) are developed rapidly for driver’s safety and convenience. At the same time, an unmanned target vehicle to carry out test scenarios is asked to develop to validate active safety vehicle. But, these test scenarios consist of a variety of transient sections like high speed turn and sudden cut in situation. Therefore, existing path tracking algorithms for normal driving have limitations. In this thesis, existing path tracking algorithms are analyzed and evaluated to choose path tracking algorithm for transient driving. And understeer gradient considered Cornering stiffness and load transfer is added to chosen path tracking algorithm to track path well. For evaluating the path tracking algorithm with understeer gradient a vehicle dynamics tool providing 27 degree of freedom vehicle models are used and MILS(Model-in-the-Loop Simulation) is developed with this vehicle model. Lastly, Chosen path tracking algorithm and path tracking algorithm with understeer gradient are compared and evaluated through simulation with MILS to know how to improve path tracking algorithm with understeer gradient.

GPS를 이용한 무인 자동차의 주행 알고리즘 개발

남일진 국민대학교 자동차공학전문대학원 2006 국내석사

20 세기에 들어와 미국 주도로 군사 무기 체계가 고도로 집적화, 첨단화 작업이 이뤄지고 있다. 미국은 다양한 군사목적의 인공위성을 띄워 올리고 JRP(Joint Robot Program), J-UCAS(Joint Unmanned Combat Air System), JAUS(Joint Architecture for Unmanned System)등과 같이 각종 로봇 및 군사 장비 무인화 프로그램을 운영하면서 수송 및 공격 차량뿐만 아니라 심지어 병사까지도 무인화 장비 및 로봇으로 대체하려 하고 있다. 또한 실생활에 있어서도 Home Automation 이라든지 Cleaning Robot 과 같이 사람의 컨트롤이 없이도 다양한 임무를 수행하는 무인 장치들이 등장하면서 일반 사람들에게도 Unmanned System 은 점차 관심 분야가 되고 있다. 본 연구에서는 무인 자동차에서 Global Position 의 지표인 GPS 와 현 차량의 방량 벡터를 알 수 있는 Compass 를 이용하여 이미 정해준 Way point(경유점)의 좌표를 이용하여 차량의 조향각과 조향 방향을 컨트롤하고 Way point 에 근접하였을 때 그 다음 Way point 로 갱신이 되는 연구를 수행하였다. 차량에는 GPS 와 함께 Compass 를 장착하여 출발 전에는 무인 자동차가 경유해야 할 경로 정보 즉, Route Data Definition File (RDDF)을 받게 된다. RDDF 에는 차량이 앞으로 경유해야 할 Way point 의 경위도 정보와 그 지점을 통과 할 때의 차량 속도 정보를 가지고 있는데 본 연구에서는 위치 정보만을 이용하여 실험을 실시하였다. GPS 로부터 들어오는 차량의 현재 위치정보와 Compass 에서 들어오는 차량의 이동 방향 방위각, RDDF 로부터 받는 Way point 정보를 이용하여 벡터의 내적과 사이각 공식을 이용하여 조향각을 결정하며, 조향 방향은 이동하고 있는 차량의 현재 위치를 Rotation & Transpose Matrix 를 이용하여 좌 또는 우조향을 결정하게 된다. 마지막으로 Way point 에 대한 update 는 Lateral Boundary Offset(LBO)을 지정하여 차량의 Way Point 통과 여부에 대한 판단을 하게 된다. LBO는 차량이 Way point 의 위치를 정확히 통과하기 어려우므로 그 통과 시점과 여부를 판단하는 근거가 되며 실제 Way point 측량 시 얻어지는 좌표의 표준편차를 이용하여 설정을 하였다. 본 연구에서 실시한 시험의 결과로 무인 자동차는 원하는 Way point 로 정확한 조향각과 조향 방향을 그리며 이동을 하였으나 GPS 의 신뢰성과 정확성이 좀 보완되어야 함을 보여준다. In these days, there are many kinds of a brand-new technology in front of us. For example, home automation which can keep our house from danger and manage electric appliances, gas equipments, and so on as energy system is getting popular the world. Moreover, the weapons and soldiers for military are developed to be integrated and intelligent. There is a robot removing bomb and it looks like a small tank for clearing mines and bombs. This a very short example. The features of these high technologies are unmanned system and artificial intelligence. In this research, the object is a design of driving algorithm for the unmanned vehicle with GPS. When we choose some places which have world coordinate data for a following path, the unmanned vehicle could go and pass through the way point (WP) with global data. It is necessary for some devices to make up this kind of function. It's a GPS and a Compass. GPS shows us the world coordinates generally and Compass has the north magnetic pole. The two elements for finding a direction of the unmanned vehicle and steering angle to desired way are a current position and a azimuth. Two vectors come out from two elements after setting the positions of way points. After that, the direction of unmanned vehicle is defined using rotation and transpose matrix. Finally, when unmanned vehicle goes through a target as named way point, the way point should be updated to the next target. There was some problem in GPS when I had an experiment. GPS was unstable and has a tough accuracy. As an improved method of route following ability, INS is necessary. The system start with INS received initial condition from GPS. When errors in INS are accumulated seriously, INS has the coordination data from GPS periodically.

자율 주행 자동차 Lane detection 성능 향상을 위한 Roadmark 검출 알고리즘

장성빈 국민대학교 자동차공학전문대학원 2021 국내석사

본 연구는 카메라 센서를 이용하여 도심 주행 시 로드마크를 검출 및 제거하여 차선인식 정확도를 향상시키는 인지기술에 관한 연구이다. 자율 주행 자동차가 차선 인식을 시도하는 경우, 기존의 차선 검출 알고리즘은 로드마크 및 차선과 유사한 정보로 보이는 객체 정보가 노이즈로 작용하여 차선인식 정확도를 저하시키게 된다. 도로 정보 중 차선과 인접한 로드마크 정보는 다양한 종류로 분류되고, 특히 진행 방향을 지시하는 직진 및 좌/우 회전 관련 표식은 차선 정보와 유사하게 분류될 수 있다. 다음과 같은 차선 유사 정보는 차선 검출에 노이즈로 적용되며 정확도에 큰 영향을 미친다. 따라서 로드마크를 검출하기 위해 카메라 센서를 이용하여 로드마크 검출 알고리즘을 구성하고 차선 검출 알고리즘과 결합하여 차선 검출 정확도를 향상시키는 것을 목표로 한다. 본 연구에서는 Semantic Segmentation 기법에 최적화된 네트워크인 DeepLab V3+ Network를 사용하여 로드마크에 대한 픽셀 단위 정보를 학습 및 적용하여 로드마크를 검출하고, Hybrid Faster RCNN-SVM Detector 알고리즘으로부터 자동차, 보행자, 신호등, 교통 표지판 등의 객체 정보를 결합하여 차선이 아닌 노이즈로 작용하는 정보들을 제외해 차선 인식 정확도를 향상시킨다. 본 연구에서 제안하는 알고리즘을 통해 객체 정보들을 제거하기 전보다 객체 정보들을 제거 후 Curvature Error를 약 16.3%를 개선하였고, Lane Offset은 약 16.5% 개선하여 성능을 향상시켰다.

數値解析을 利用한 배터리 活性化 裝備의 冷却性能 改善에 關한 硏究

유현 國民大學校 自動車工學專門大學院 2012 국내석사

세계 각국의 환경규제 강화로 인해 환경 친화적인 미래형 자동차의 기술 개발 경쟁이 심화되고 있다. 친환경 자동차 시장의 관련의 단기적인 관점에서 기존 차량에 별도의 투자비 부담이 적고 연비 및 배기가스 성능이 우수한 하이브리드 자동차가 부각되고 있으며, 하이브리드 자동차 시장 진입에 필수적으로 수반되어야 할 핵심 기술인 이차 전지 및 이차 전지의 양산설비 구축을 위한 배터리 활성화 장비(Battery Formation Equipment)와 사이클러(Cycler)가 중요시 되고 있다. 기존의 활성화 장비 및 사이클러는 리니어(linear)방식을 채택하고 있어 효율이 낮고, 특히 충·방전 시 에너지 저장장치로부터 방전된 에너지를 모두 전력소자에서 열로 소비하는 손실형 구조이기 때문에 효용성이 떨어지는 단점이 있다. 또한 장비 내에 과도한 열 발생 문제로 인하여 효율이 떨어지게 되고 배터리 사이의 온도 편차로 인해 배터리간의 성능 차이가 발생하여 배터리 수명을 단축시키는 원인이 된다. 본 논문은 활성화 장비 및 사이클러의 냉각성능 개선에 대한 연구로서 먼저 이차 전지의 특성 및 종류, 충전방법과 활성화 장비와 사이클러의 구조, 작동원리에 대한 이론적인 고찰과 활성화 장비 내의 채널메인보드(Channel main board)부의 팬(Fan) 사이즈 및 개수변경, 배터리 지그(Battery jig)부의 유로형상 변경, 사이클러 내의 채널모듈(Channel module)부의 위치를 가운데로 이동시키고 입·출구 팬의 위치를 변경하여 유속분포와 온도분포를 수치해석을 이용해 기존형상과 비교 고찰하였다. 수치해석 결과 활성화장비 내의 채널메인보드의 팬 개수 및 사이즈 변경에 따른 냉각 성능 차이는 크지 않는 것으로 판단된다. 두 모델 모두 채널메인보드의 배치가 같고 유동이 통과하는 유로형상이 동일하기 때문인 것으로 판단되며 이를 보완하기 위한 채널메인보드의 배치 변경에 따른 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다. 지그부의 유로형상을 개선한 결과 냉각성능을 개선 할 수 있었다. 기존의 막혀있던 트레이(tray) 벽면을 개방시켜 유로가 통과 할 수 있게 되고 배터리 주변의 유동이 증가하였기 때문인 것으로 판단된다. 사이클러의 입·출구 위치변경과 유로개선을 통하여 냉각성능을 개선 할 수 있었다. 내부에 흐르는 유동장 분포를 낮게 형성하여 채널모듈부와 인버터(Inverter) 내부 발열소자들 주위로 더욱 많은 유량을 형성 할 수 있었기 때문인 것으로 판단된다. 활성화 장비와 사이클러 모두 유로변경을 통하여 냉각성능을 개선 할 수 있었고 실험 측정과 수치해석 결과를 비교하여 수치해석 모델에 대한 신뢰성을 검증 할 수 있었다.

SOTIF 관점의 기능안전 활동 분석 및 전방 충돌방지 보조 시스템 기능적 개선에 관한 연구

강태완 국민대학교 자동차공학전문대학원 2019 국내박사

Recently, the plans which are a production of automotive vehicles have been announced that develop around the year 2020. Accordingly, the number and complexity of elements such as a sensor for recognizing the self-position and the surrounding environment, a controller for determining the path according to the situation, an actuator for performing acceleration/ deceleration and steering, are increasing. Therefore, the safety of the vehicle cannot be guaranteed at the existing evaluation level, so that there is a great increase in interest and demand for Functional Safety. In order to solve these problems, "ISO 26262 - Road Vehicle - Functional Safety" legislated in 2011, and the automotive industry is developing products by applying its process. ISO 26262 standard is a concept that must be applied to autonomous driving by preventing failures due to system and element faults. The objective of the ISO 26262 standard is to conduct a safety analysis and then to improve the functional safety and reliability by using the fault-tolerant design. However, as the autonomous driving level gradually increases, there are opinions that the development of autonomous level 3 or more is becoming a reality, and that the control responsibilities of system are all dealt with the vehicles even dangerous situations. For example, when the camera sensor performance limitations because of light, the radar sensor may help the autonomous system to work properly. In addition, there is a shortage of the driver's adaptation of autonomous system, which causes the driver to distrust of the system and operate erroneously. As a result, this is a big challenge for the automotive industry. To solve this problem, automotive manufacturers and suppliers have proposed a new Functional Safety standard called "ISO / PAS 21448 - SOTIF - Safety of the Intended Functionality" which is currently discussing details. Therefore, it is necessary to study the safety mechanisms to prevent the system's hazardous behavior that may occur due to limitations in the system. Therefore, this paper will discuss SOTIF Functional Safety standards that address the functional safety uncertainty problems caused by performance limitations, operator mis-operation, and mistakes. First, we analyze the content of the SOTIF Functional Safety standard, and establish processes that are not yet clearly defined. Based on the process defined above, a study is conducted to derive the safety outputs of process for Forward Collision Avoidance Assist (FCA) system. Second, based on these outputs, we developed a Functional Modification technology to overcome and improve the performance limitation of FCA system from SOTIF point of view and analyze it in virtual simulation evaluation environment. 최근 자동차 선진국을 중심으로 2020년을 전후로 자율주행자동차 양산화 계획을 발표하면서 이와 함께 자율주행 기술이 적용된 전기/전자 시스템이 활발히 개발되어지고 있다. 이에 따라 자기위치 및 주변 환경을 인지하기 위한 센서, 상황 별 주행 판단을 수행할 제어기, 실제 가/감속 및 조향을 수행하기 위한 액추에이터와 같은 엘리먼트의 개수 그리고 복잡도가 증가하고 있다. 때문에 기존 신뢰성 평가 수준으로는 차량의 안전을 보장할 수 없어 기능안전에 대한 관심과 요구가 매우 증가하였다. 이러한 당면과제를 해결하기 위하여 2011년 “ISO 26262 - Road Vehicle - Functional Safety”가 등장하였고, 현재 자동차 업계에서는 이를 적용하여 제품을 개발하고 있다. ISO 26262 표준은 시스템 및 엘리먼트의 결함으로 인하여 발생하는 차량 및 시스템의 기능 안전성을 보장할 수 없게 되는 상황을 막기 위함으로써 자율주행 시대로 나아가는 데에 반드시 적용되어야하는 개념이다. 우선 대상 시스템을 선정하고 기능안전 관점의 개념 분석을 수행한 뒤 이를 토대로 결함 허용 설계 기법을 활용하여 기능 안전성 및 신뢰성을 향상시키는 것이 ISO 26262 표준의 목적이다. 그런데 자율주행 단계가 점차 높아짐에 따라 단계3 이상의 자율주행 차량 개발이 현실화돼가고 있는 현 시점에서 자동차의 제어 권한이 모두 자동차에 있는 상태에 발생하는 한계 상황들을 대응해야한다는 목소리가 등장하였다. 예를 들어 카메라 센서에 결함은 발생하지 않았으나 갑작스런 조도 변화 상황에서 인지 기능을 잃어버린다거나 무결한 레이더 센서에서 발생하는 클러터(Clutter) 현상 때문에 시스템에서 의도치 않은 가/감속을 수행한다던가 하는 엘리먼트 및 시스템의 성능 한계 시 대처에 대한 관심이 급격히 증가하였다. 또한 자율주행 시스템의 급격한 적용으로 운전자의 적응기가 부족하여 시스템에 대한 불신이 발생하고, 이로 인하여 운전자의 오조작이 발생하게 되는데, 이로 인한 시스템의 의도치 않은 위험 동작 또한 자율주행 단계가 높아짐에 따라 자동차 업계의 당면과제이다. 이를 해결하기 위하여 자동차 제조사 및 부품 공급사가 모여 “ISO/PAS 21448 – SOTIF - Safety Of The Intended Functionality”이라는 새로운 기능안전 표준을 제안하였고 현재 세부사항에 대한 논의를 진행하고 있다. 이렇듯 시스템 내 결함 및 고장 외 성능의 한계, 특히 인지 단계에서의 한계로 인하여 발생할 수 있는 시스템 오작동을 방지할 수 있는 안전 대책 연구가 필수적이라 할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 최근 등장한 성능 한계와 운전자 오조작, 실수로 인하여 발생하는 기능안전성 미확보 문제를 다루는 SOTIF 기능안전 표준에 대해서 다룰 예정이다. 우선 생소한 개념인 SOTIF 기능안전 표준의 내용을 분석하고 아직 명확하게 정의되지 않은 프로세스를 분석, 정립하는 과정을 수행한다. 이렇게 정의한 프로세스를 토대로 전방 충돌방지 보조 시스템(FCA, Forward Collision Avoidance Assist)을 대상으로 하여 각 단계 별 안전 산출물을 도출하는 연구를 수행한다. 이러한 산출물을 토대로 SOTIF 관점에서 현재 전방 충돌방지 보조 시스템이 가지고 있는 성능 한계를 극복하고 개선하기 위한 기능 변경(Functional Modification) 기술을 개발하고, 이를 가상 시뮬레이션 평가 환경에서 평가함으로써 SOTIF 관점의 분석과 설계, 평가 등 일련의 과정을 다뤄보는 것이 본 연구의 핵심이다.

고속화도로 자율주행을 위한 영상 기반 딥러닝(DNN) 활용 ‘차로 위치 예측 및 변경 시스템’에 관한 연구

김민구 국민대학교 자동차공학전문대학원 2019 국내석사

고속화도로에서 자율주행 차량이 적절한 시기에 출구를 빠져나가기 위해서 자기 차로 위치 판단은 중요한 요소이다. 사람의 눈은 넓은 시야를 갖고 있어 현재 몇 차로 위에 있는지 쉽게 알 수 있지만, 카메라를 통해 이를 파악하기 위해선 수많은 경우의 수가 프로그래밍 되어야 하며, 날씨에 의해 영상에서 차선이 불확실하게 보이게 되면 판단 오류가 생길 수 있다. GNSS와 INS로 차량 위치 예측을 하기에는 음영지역(빌딩 사이, 터널 안, 고가 아래 등)에서는 신호를 받기 힘들며 정밀도로지도를 사용하면 쉽게 해결될 수 있지만 전 세계에 구축하기에는 앞으로 얼마만큼의 시간이 걸릴지 모른다는 문제점들이 있다. 본 연구는 다른 센서보다 상대적으로 저렴한 단안 카메라를 기반으로 기계학습을 적용하여 출구가 있는 고속 및 고속화도로에서 현재 자율주행차가 몇 차로에 있는지 파악하고 바로 옆 차선이 점, 실선인지 판단하여 이동 가능한 차선인지, 불가능한 차선인지 파악한다. 결과적으로 단안 카메라를 이용하여 차로 위치를 파악하게 되면 고가의 센서나 많은 노동력과 시간을 사용해 현재 자기 차량의 차로를 검출하는 단점들을 보완할 수 있으며, 궁극적으로 출구의 위도를 파악하여 사전에 출구까지의 효율적인 전역 경로를 생성할 수 있으며, 자율주행 차량뿐만이 아닌 사람이 운전하는 비 자율주행 차량에서도 내 차로 위치를 파악해 출구로 빠져나가기 전에 차로를 이동해야 하는 알림을 주어 길을 잘못 들어서는 것을 미리 예방할 수 있을 것이다. In autonomous driving, determining the position of the lane of the vehicle on roads is an important factor. The human eye has a wide field of view, so it is easy to see how many lanes are on the current road, but a number of cases have to be programmed in order to catch it through the camera, if the lane is vague to see due to sunlight or disturbance. Also, there would be signal disconnection errors in predicting with GPS signals and it is difficult to receive signals in shaded areas (between buildings, under tunnels, high elevations, etc.). Another problem nowadays is that we do not know how long it will take to build maps around the world with precision. The purpose of this study is to find where autonomous vehicle is now located on the highway and expressway roads with applying machine learning based on one single camera image for autonomous vehicle. Also, it can be determined whether the lines next to the car are movable lines or not. Experiments have been carried out with a real autonomous vehicle. As a result, it is possible to identify the position of a car by using a monocular camera, to compensate for the disadvantage of detecting a lane of a current car by using an expensive sensor or a lot of labor and time. Furthermore, it will also give information to normal car that we drive about a warning system to alert for us to move the lane before approaching exit, which will prevent you from getting in the wrong way.

자율주행차량의 안정적인 도심지 주행을 위한 EKF기반 측위 보정 및 제어기 설계

구보승 국민대학교 자동차공학전문대학원 2015 국내석사

국 문 요 약 본 논문에서는 자율 주행 자동차가 실제 도심 지역에서 안정적으로 주행할 수 있게 종 방향 제어 알고리즘을 개선하고 고가의 센서를 사용하는 대신 기존 차량에 장착된 센서와 저가의 GPS를 융합하여 확장 칼만 필터의 결합을 통해 자율 주행 자동차의 알고리즘을 구현한다. 기존 자율 주행 자동차는 알고리즘 개발 및 검증에 그 비중이 컸다. 실제 도심 지역을 안정적으로 주행하기 위해서는 좀 더 세밀한 제어가 필요하며, 탑승자에 승차감을 고려해야 한다. 자율 주행 자동차는 기존 제어 방식은 타깃 명령 속도로 이루어져 있어 승차감이 고려되어 있지 않은 부분이다. 이 부분을 탑승자의 승차감 표준인 ISO 2631-1을 기준으로 제어기를 설계하였다. 그리고 도심 지역을 주행하기 위해서는 자율 주행 자동차의 구성 비용을 50~60%를 차지하고 있는 고가의 센서를 대체할 방안에 대해 많은 연구가 되고 있는데, 본 연구에는 일반 GPS와 차량 내부의 센서를 활용하고 확장 칼만 필터를 결합한 알고리즘을 제안한다. Abstract EKF-Based Positioning Correction and Controller Design for Stable Urban Driving Of Autonomous Vehicle By Bo-Seung Koo Graduate School of Automotive Engineering, Kookmin University, Seoul, Korea Currently, sensors are used in autonomous driving, using expensive sensors to ensure accuracy. However, when the running in urban is performed, it is necessary to study how to replace an expensive sensor occupying much the cost of construction. In this study, based on the longitudinal direction of the controller design considering the ride for a downtown stable driving and coupling the loaded wheel speed sensors and low cost of GPS to an existing vehicle. And combining the Extended Kalman filters and provides an algorithm for autonomous vehicle for the correction of errors.