보안 하드웨어 연산 최소화를 통한 효율적인 속성 기반 전자서명 구현

윤정준 국민대학교 일반대학원 보안-스마트전기자동차학과보안-스마트전기자동차공학전공 2018 국내석사

속성 기반 서명은 속성을 포함하는 서명키와 속성에 대한 정책을 포함하는 술어를 기반으로 서명을 생성 하는암호기법중하나이다. 속성기반서명은전자서명과동일한키누출문제를가지고있어속성서명키 가누출될경우서명에대한무결성을보장하지못한다. 따라서, 서명생성은키를안전하게보관및관리를 보장하는 보안 하드웨어에서 수행되어야 한다. 그러나 보안 하드웨어는 연산속도가 느리기 때문에 서명 생성 에 많은 연산량이 요구되는 속성 기반 서명을 적용하기에는 비효율적이다. 본 논문에서는 기존의 속성 기반 서명의 분리되지 않은 보안 연산과 일반 연산을 나누어 보안 하드웨어에 적용하면서 효율적으로 알고리즘을 수행할 수 있는 기법을 제시한다. 제안하는 기법은 기존에 존재하는 일반 전자서명과속성기반서명을활용하여설계가가능한일반적인틀로, 속성기반서명은일반연산, 일반전 자서명은 보안 연산으로 수행된다. 제안하는 기법은 서명의 일부분인 일반 전자서명을 보안 하드웨어 상에서 생성함으로써 안전성을 보장한다. 또한 속성 기반 서명을 보안 하드웨어에 적용할 때 갖는 연산량 문제는 일 반 전자서명의 연산만 보안 하드웨어에서 수행되기 때문에 효율성을 가짐과 동시에 키 유출 문제 등에 대한 보안성을 보장한다. 실험을 통해 제안된 기법은 기존 대비 약 30배의 성능 향상을 보인다. An attribute-based signature system is a cryptosystemgraphic system where users produce signatures based on some predicate of attributes, using keys issued by one or more attribute authorities. If a signing key is leaked during signature generation, the signature can be forged. Therefore, signing operation computations should be performed using secure hardware, which is called tamper-resistant hardware in this paper. However, since tamper-resistant hardware does not provide high performance, it cannot perform many operations requiring attribute based signatures in a short time frame. This paper proposes a new attribute based signature system using high performance general hardware and low performance tamper-resistant hardware. The proposed signature scheme consists of two signature schemes within a existing attribute based signature scheme and a digital signature scheme. In the proposed scheme, although the attribute-based signature is performed in insecure environments, the digital signature scheme using tamper resistant-hardware guarantees the security of the signature scheme. The proposed scheme improves the performance by 30 times compared to the traditional attribute-based signature scheme on a system using only tamper-resistant hardware.

측정 방법에 따른 자동차 실내 소음의 음질 차이

이용삼 국민대학교 일반대학원 보안-스마트전기자동차학과보안-스마트전기자동차공학전공 2018 국내석사

최근 개발되고 있는 내연기관 자동차의 소음 저감 기술 향상과 하이브리드 및 전기 자동차의 모터 중심 구동 체계 변화에 따라 파워트레인 및 구동계의 소음보다 로드노이즈, 윈드노이즈 등에 기인한 실내 소음의 영향이 증가하고 있다. 또한, 감성적 측면에서 탑승자의 청감을 고려하는 음질(Sound Quality)에 관한 연구가 진행되고 있다. 이에 따라 자동차 실내 소음을 측정함에 있어 측정 방법에 따른 음질 차이 파악이 요구되어, 본 연구에서는 4기통 엔진 차량의 운전석을 기준으로 측정 기기 및 측정 위치에 따른 음질 차이 여부를 규명하고자 한다. 먼저 일반 마이크로폰과 헤드셋 마이크로폰을 통해 운전자의 외측이(LH) 및 내측이(RH) 위치에서 차량 8종의 실내 소음을 측정하였다. 측정 기기에 따른 음질 차이 분석을 위해 2가지의 측정 기기로 녹음된 소리를 분류하여 쌍비교법을 사용한 선호도 평가를 진행하였고, 측정 위치에 따른 음질 차이를 분석하기 위해 일반 마이크로폰으로 측정된 다이코틱(dichotic) 조건과 다이오틱(diotic) 조건의 소리에 대한 크기추정법과 쌍비교법 통해 3가지 음원의 유사성 및 선호도 차이를 확인하였다. 측정 기기에 대한 평가에서는2가지 측정 기기의 각 차량에 대한 평가값이 유사한 경향을 보였고, 측정 위치에 대한 평가에서는 내측이 보다 외측이 위치의 소음이 다이코틱 조건에 가깝게 나타났다. 또한, 음압 레벨 분석, 1/12-Octave band 분석, 비라우드니스 분석을 통해 측정 기기에 따른 음질 차이는 차량의 소음 특성에 대한 큰 영향을 받고, 측정 위치에 따른 음질 차이에 영향을 주는 가장 큰 요인은 외측이와 내측이의 음압 레벨 차이라는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 차량 실내 소음 측정 및 음질 평가 대한 가이드라인으로 활용할 수 있다. The influence of interior noise due to load noise, wind noise, etc. is more increased than noise of powertrain and driving system due to improvement of noise reduction technology of developed internal combustion engine automobiles and change of motor driving system of hybrid and electric vehicles. In addition, studies on the sound quality considering the hearing feeling of the passenger in the emotional aspect have been carried out. Therefore, it is required to understand the sound quality difference according to the method in measuring the interior noise of the automobile. The purpose of this study is to investigate whether the sound quality differs according to the measuring instrument and the measuring position based on the driver's seat of the four-cylinder engine vehicle. To this end, first the interior noise of eight vehicles was measured at the outside ear and inside ear positions of the driver using normal microphones and a headset microphone. In order to analyze the difference of the sound quality according to the measuring device, the recorded sound was classified by the two measuring devices and the preference evaluation using the paired comparison method(PCM) was performed. Also, in order to analyze the sound quality difference according to the measuring position, similarity and preference difference between the dichotic and the diotic conditions in the vehicle interior noise were confirmed using the magnitude estimation method(MEM) and the PCM. In the evaluation of the measuring instrument, the evaluation values of the two measuring instruments showed similar tendency. In the evaluation of the measuring position, the noise of inside ear position was closer to the dichotic condition than the noise of outside ear. In addition, through the analysis of sound pressure level, 1/12-octave band analysis and specific loudness analysis, the sound quality difference according to the measuring instrument is greatly influenced by the noise characteristics of the vehicle. The most significant factor affecting the sound quality difference according to the measuring position was the difference of sound pressure level between the outside and inside ears. These results can be used as a guideline for vehicle interior noise measurement and sound quality evaluation.

주행 상황에서의 PCM(Phase Change Material)이 적용된 전기자동차 배터리의 열관리 시스템 모델링 및 성능 고찰

최철영 국민대학교 일반대학원 보안-스마트전기자동차학과보안-스마트전기자동차공학전공 2018 국내석사

Due to environmental pollution and depletion of fossil fuels, the use of internal combustion engines is restricted, and the diffusion of electric vehicles is spreading through interest and subsidy policies for environmentally friendly vehicles. However, since the mileage is shorter than that of the internal combustion engine, it is limited to the city center driving, and it is suffering from the charging infrastructure and the charging time. Therefore, electric vehicles equipped with a large capacity battery tend to be on sale in order to overcome a short mileage, which is a drawback of electric vehicles, and satisfy the needs of consumers. Studies on the battery have shown that the proper operating temperature for lithium-ion batteries is 30℃ to 40℃. In the case of large-capacity battery packs, the density of cells increases, resulting in the generation of heat above the proper temperature due to charge and discharge. high battery temperature can shorten battery life and cause thermal runaway, potentially resulting in fire or explosion. therefore battery thermal management system (BTMS) is required to efficiently manage the cell temperature. In this paper, we confirmed the fabrication and applicability of battery heat management system model using PCM material. Focusing on the heat generation characteristics associated with the use of the battery, research is conducted to eliminate heat generation in the battery, except for the life test in order to create an actual usage model, according to the temperature, current and SOC A discharge experiment. The temperature, current, and SOC data obtained from the experiment were applied to the secondary equivalent RC circuit battery model. To confirm the thermal management performance of the PCM material based on the battery model, a thermal conduction model and an external environment model were added to the battery thermal management system The model was constructed. The Cylindrical aluminium case was fabricated by comparison with Cylindrical PCM + aluminium case the target to verify the thermal management performance and battery thermal management system model of the PCM material. In addition, charge / discharge experiments were carried out by using the running cycle of the battery exchange type electric bus performed in this laboratory. By comparing the obtained experimental data with the simulation, we verified the reliability of the battery thermal management system model using PCM material. Based on the verified model, we fabricated and simulated a Cylindrical PCM + aluminium foam case model combining the benefits of PCM and the benefits of aluminum, and confirmed the battery thermal management performance of PCM material. 환경오염 및 화석 연료의 고갈로 인해 내연기관의 사용을 제한하고, 친환경 자동차에 대한 관심과 보조금 정책을 통하여 전기자동차의 보급을 확산하고 있다. 하지만 내연기관의 비해 주행거리가 짧아서 도심 주행 위주로 한정되어 있고, 충전 인프라와 충전 시간으로 인해 어려움을 겪고 있다. 따라서 전기 자동차의 단점인 짧은 주행거리를 극복하고 소비자의 요구를 만족하게하기 위해 대용량의 배터리를 탑재한 전기자동차가 출시되고 있는 추세이다. 연구에 따르면 리튬 이온 배터리의 적정 운용 온도는 30~40℃로 대용량의 배터리 팩은 셀 직접도가 증가하여 충/방전 및 주행상황에 따라 적정 온도 이상의 열이 발생한다. 배터리의 온도가 높을 경우 배터리의 수명이 감소하고, 열 폭주를 유발하여 잠재적으로 화재나 폭발로 이어질 수 있으므로 셀 온도를 효율적으로 관리 할 수 있는 배터리 열관리 시스템 (Battery Thermal Management System : BTMS)이 필요하다. 본 논문에서는 PCM 물질을 이용한 배터리 열관리 시스템 모델 제작과 적용가능성을 확인하였다. 배터리 사용에 따른 발열특성에 초점을 두고 연구하였으며, 배터리의 발열을 잡아주는 열관리 시스템에 실제 사용될 모델을 만들기 위하여 수명 테스트를 제외한 온도, 전류, SOC에 따른 충·방전 실험을 진행하였다. 실험으로 획득한 온도, 전류, SOC의 데이터를 2차 등가 RC회로 배터리 모델에 적용하였고, 배터리 모델을 기반의 PCM 물질의 열관리 성능을 확인하기 위해 열전도 물질 모델과 외기 환경 모델을 추가하여 배터리 열관리 시스템 모델을 제작하였다.PCM 물질의 열관리 성능과 배터리 열관리 시스템 모델을 검증하기 위해 Cylindrical PCM+aluminium case와 비교 대상으로 Cylindrical aluminium case를 제작하였다. 또한 본 연구실에서 수행한 배터리 교환형 전기버스의 주행 사이클을 이용해 충/방전 실험을 진행하였다. 획득한 실험값을 시뮬레이션과 비교하여 PCM 물질이 적용된 배터리 열관리 시스템 모델을 검증을 진행하여 신뢰성을 확인하였다. 검증된 모델을 기반으로 PCM의 장점과 Aluminium의 장점을 결합한 Cylindrical PCM+aluminium foam case모델을 제작하고 시뮬레이션을 진행하여 PCM 물질의 배터리 열관리 성능을 확인하였다.

PCM(Phase Change Material)을 활용한 배터리 열관리 시스템 제작 및 셀 간의 온도 편차에 대한 고찰

조형민 국민대학교 일반대학원 보안-스마트전기자동차학과보안-스마트전기자동차공학전공 2018 국내석사

화석 연료의 사용으로 인해 발생하는 탄소 및 공해물질이 대기오염 및 해수면 상승 등의 환경파괴를 가속화하고 있다. 환경 파괴를 막고자 세계적으로 운송 수단에서 발생하는 탄소를 저감하기 위해 내연기관 배기가스 규제 강화에 힘쓰며, 내연기관의 사용을 지양하는 친환경 자동차의 보급이 점차 진행됨에 따라 높은 효율의 전기자동차(Battery Electric Vehicle)가 가장 현실적인 대안으로 제시되며 빠르게 보급을 진행 중이다. 초기 출시된 전기자동차의 경우 배터리의 용량이 낮아 열로 인한 문제점이 발생하지 않았지만, 주행거리 향상을 위해 최근 대용량 배터리를 탑재한 전기자동차에서 열로 인한 폭발, 배터리 자가 방전으로 인한 수명 감소, 공조시스템 이용 시 급격한 주행거리 감소와 같은 문제점들이 공통적으로 제기되고 있다. 따라서 단순히 배터리의 용량 증가가 해결책이 아닌 성능과 내구성을 향상시키기 위한 연구가 요구되고 있는 실정이다. 전기자동차의 제조사들은 배터리의 안전하고 효율적인 사용을 위해 BTMS(Battery Thermal Management System)의 연구를 진행 중이며, 열을 제어하기 위해 다양한 매개체를 연구하고 있다. 본 논문에서는 BTMS의 사용되는 방법들 중 Heating 보다는 Cooling System에 주목하고, 배터리 자체의 부담을 최소화하면서 온도를 유지/ 관리할 수 있는 시스템의 필요성을 인지하였다. BTMS의 연구 중인 다양한 매개체들 중 PCM(Phase Change Material)이라는 물질이 상 변화과정에서 많은 양의 열에너지를 흡수하는 특성을 주목하였고, 배터리 열관리시스템의 적용가능성을 확인하고자 실험 장비를 제작을 하였다. PCM을 적용한 BTMS 실험 장비를 제작하기 전 안정성 및 적절성을 검토하고자 Dassault Systems 사의 Dymola를 활용하였다. Dymola는 수치해석 프로그램으로 시뮬레이션을 통해 개발 비용을 보다 절약할 수 있고, 각 컴포넌트의 모델링을 통해 PCM이 사용되는 양의 적절성을 검토하였다. 시뮬레이션 결과를 바탕으로 PCM을 배터리에 적용하기 위해 Electric Load, Power Supply, DAQ, Cold Plate 등의 장비를 Self Test하여 각 실험 장비의 신뢰성을 검토하고, PCM을 담을 수 있는 배터리 케이스를 제작하여 실험을 진행하였다. 실제 실험을 통해 PCM이 배터리에 적용 되었을 때의 배터리 셀 간의 온도편차와 셀 최대온도에 끼치는 영향에 대해 확인하였고, Melting Point가 다른 PCM을 같은 조건 내에서 실험하여 배터리 온도로 인한 상변화 지연시간과 사용 조건을 검토하였다. Carbon and pollutants from fossil fuel use are accelerating environmental destruction such as air pollution and sea level rise. In order to prevent environmental destruction, we are strengthening emission control of internal combustion engines to reduce carbon emissions of transportation vehicles worldwide. As the spread of eco-friendly vehicles that do not use internal combustion engines progresses gradually, electric vehicles are being presented as the most realistic alternatives and are spreading rapidly. In the case of an electric vehicle that was initially launched, the battery capacity was low, and the problem caused by heat did not occur. However, in order to improve the mileage, an electric vehicle equipped with a large capacity battery recently exploded due to heat, a battery life reduced due to self- And problems such as a sudden decrease in mileage are commonly raised. Therefore, there is a need for research to improve the performance and durability of the battery rather than simply increasing the capacity of the battery. Manufacturers of electric vehicles are studying a Battery Thermal Management System (BTMS) for safe and efficient use of batteries and are studying various mediators to control heat. In this paper, we pay attention to the cooling system rather than the heating among the methods used in the BTMS and recognize the necessity of the system that can maintain and manage the temperature while minimizing the burden of the battery itself. The Phase Change Material (PCM) among the various mediators under study in BTMS is focused on its ability to absorb a large amount of heat energy during the phase change process, and the experimental equipment is made to verify the applicability of the PCM. Dymola of Dassault Systems Inc. was used to evaluate the stability and suitability of the BTMS experimental equipment using PCM. Dymola is a numerical analysis program that can save development cost through simulation and examine the adequacy of the amount of PCM used through modeling of each component. Based on the results of the simulation, we tested the reliability of each test equipments such as Electric Load, Power Supply, DAQ and Cold Plate to apply the PCM to the battery. Experimental results show that the effect of PCM on cell temperature and cell maximum temperature when applied to battery. PCMs with different melting points under the same conditions were tested and the phase change latency due to battery temperature was examined.

상태 추정기를 활용한 EPS 시스템의 기능 안전성 향상에 관한 연구

곽현철 국민대학교 일반대학원 보안-스마트전기자동차학과 보안-스마트전기자동차공학전공 2018 국내석사

자동차 산업이 발전함에 따라 기존의 유압 및 기계 장치를 이용한 차량 내 제어 시스템이 전기/전자 장치를 이용한 시스템으로 대체되었으며, 운전자의 안전 및 편의를 위해 다양한 전기/전자 시스템이 차량에 적용되는 추세이다. 이에 따라 전기/전자 시스템의 신뢰성을 높이기 위한 기능 안전의 중요성이 증대되고 있으며, 특히 조향이나 제동과 같이 고장이 발생 할 경우 운전자 및 보행자의 안전에 치명적인 위해를 가하는 시스템에서의 기능 안전성은 더욱 심각하게 고려되어야 한다. 이에 따라, 유럽의 완성차 업체 및 주요 부품 업체를 중심으로 제품의 개발, 생산, 운영, 폐기에 이르는 전체 생명 주기에서 안전 요구사항을 정의하여 차량의 기능 안전성을 확보하기 위한 차량 기능 안전성 국제 표준인 ISO 26262가 제정되었다. ISO 26262에서는 전기/전자 시스템을 구성하는 CPU, 센서, 액추에이터 등에 적용 가능한 다양한 안전 메커니즘을 제시하며, 고장 발생 시 고장을 검출(detection) 또는 허용(tolerance)하여 기능 안전성을 확보할 수 있도록 한다. 이 중 고장 허용을 위한 대표적인 안전 메커니즘으로는 이중화(redundancy) 설계 방법이 있으나, 이는 추가적인 하드웨어를 사용하게 되어 비용이 상승하는 단점이 있다. 본 논문에서는 차량에 탑재되는 대표적인 전기/전자 시스템인 EPS 시스템을 대상으로 기능 안전성 향상을 위해 적용할 수 있는 고장 허용 제어 방법을 제시한다. 이를 위해 EPS 시스템 및 고장 허용 제어를 위한 EPS 시스템의 상태 추정기를 모델링하며, EPS 시스템의 구동부 제어를 위해 필요한 전류 센서의 고장을 가정하여 이를 상태 추정기로 대체한다. 또한 MATLAB/Simulink 시뮬레이션을 통해 상태 추정기를 사용하였을 때의 EPS 시스템 성능을 검증하여 제시한 방법의 유효성을 보이고, BLDC 모터 제어 시스템의 기본적인 하드웨어를 예로 기능 안전성을 분석하여 하드웨어 우발 고장률이 57.17 FIT에서 56.57 FIT로 개선되는 것을 보인다. This paper presents safety mechanism with state observer to improve the functional safety of EPS system. In ISO 26262, various safety mechanisms are presented which can be applied for many elements that comprise the E/E system. So, the safety mechanism which has high level of diagnostic coverage should be applied to such systems as EPS system that has potential problems; system failure has a pernicious effect on driver. However, applying the safety mechanism causes the increase of development costs. Besides, the design cost of the safety mechanism with high diagnostic coverage is generally high as well. This paper presents the safety mechanism which can be applied to the current sensor of the driving part of EPS system by utilizing the state observer. This safety mechanism has the same effect as redundant sensor, but there are no additional design costs. Moreover, it offers advantage over safety mechanism with redundant sensor in side of random hardware failure. In this paper, we analyze the functional safety with the basic hardware of AC motor controller in EPS system. Also, we validate the performance of safety mechanism with state observer through the MATLAB/Simulink simulation.

오프셋 전압 보상을 위한 스파이럴 인덕터 적층 홀 플레이트 구조 연구

박태준 국민대학교 일반대학원 보안-스마트전기자동차학과보안-스마트전기자동차공학전공 2018 국내석사

홀 센서는 전류가 흐르는 반도체에 수직한 방향으로 자기장이 입력되면 전자와 정공이 이동하여 전류의 방향과 수직한 방향으로 전위차가 발생하는 홀 효과를 이용하는 센서이다. 홀 센서는 비첩촉 방식으로 물리적 변화량을 전기적 신호로 변환하기 때문에 다양한 분야에서 사용되며 최근 자동차의 안전관리 및 편의제공을 위한 센서 분야에서 널리 사용된다. 홀 센서는 자기장을 전기적 신호로 변환하는 홀 플레이트와 홀 플레이트 출력 신호를 처리하는 아날로그 및 디지털 신호처리부로 구성된다. 홀 플레이트는 제조 과정에서의 물리적 오차와 동작 온도 및 전압에 따른 전기적 오차로 인해 신호 출력 터미널간 비대칭성이 발생되며, 이로 인해 홀 신호에 잡음으로 작용하는 오프셋 전압이 발생되며 기존의 홀 센서는 스위칭 회로 및 필터를 통해 오프셋 전압을 제거하는 구조로 설계된다. 하지만, 스위칭 회로와 필터는 홀 센서 크기를 증가시키고 스위칭 동작에서 발생되는 잡음으로 홀 센서의 감도가 저하되는 문제를 갖는다. 본 논문은 홀 플레이트에 역자기장을 인가하여 오프셋 전압을 감쇄하는 홀 플레이트 구조를 제안한다. 제안하는 홀 플레이트는 십자형 홀 플레이트와 스파이럴 인덕터로 구성된다. 스파이럴 인덕터에 전류를 입력하여 생성되는 역자기장은 홀 플레이트의 오프셋 전압과 동일하지만 반대 극성을 갖는 홀 플레이트 전압을 출력한다. 이를 통해 홀 플레이트의 오프셋 전압을 0으로 상쇄할 수 있다. 제안하는 역자기장 인가를 통한 홀 플레이트 오프셋 전압 감쇄 구조의 홀 플레이트와 스파이럴 인덕터는 컴솔 멀티피직스 시뮬레이션 툴을 사용하여 모의실험 검증한다. 십자형 홀 플레이트의 오프셋 전압은 입출력 터미널의 폭(k)과 길이(h)의 비율에 따라 변하며, 시뮬레이션 결과 16μm × 16μm (k/h=3.33) 및 100μm × 100μm (k/h=5.14) 홀 플레이트의 오프셋 전압은 각각 0.603mV, 2.3mV이다. 오프셋 전압을 감쇄하기 위한 역자기장의 크기는 각각 28mT 및 120mT이다. 스파이럴 인덕터는 200μm × 200μm 공간에 설계되며, 설계 가능한 최대 인덕터는 16턴의 10nH이다. 이때 28mT 및 120mT의 역자기장 생성을 위한 인덕터 바이어스 전류는 각각 41mA, 174mA이다. 전류소모를 감소하기 위해 본 연구는 16턴 스파이럴 인턱터를 7층으로 적측 결합한 구조를 사용하며 이를 통해 최대 112턴의 스파이럴 인덕터를 설계한다. 112턴의 인덕터를 통해 28mT 및 120mT의 역자기장 생성을 위한 인덕터 바이어스 전류는 각각 6mA, 26mA이다. 홀 플레이트에 인덕터 역자기장을 인가하는 모의실험 결과 오프셋 전압은 약 6μV이다. 제안하는 적층 스파이럴 인덕터 홀 플레이트는 케이던스(Cadence) 툴을 사용하여 Tower Jazz 0.18μm SiGe BiCMOS 공정을 통해 설계 및 구현한다. 본 연구의 검증에 있어 칩 제조사의 제작 지연으로 본 논문은 홀 플레이트 칩의 측정 결과를 포함하지 않는다. 제안하는 홀 플레이트 구조는 동일한 Tower Jazz 0.18μm SiGe BiCMOS을 통해 제작한 16μm × 16μm 홀 플레이트와 16턴 PCB 패턴 스파이럴 인덕터를 통해 검증한다. 측정결과 홀 플레이트의 오프셋 전압은 약 700mV이며, 16턴 PCB 코일을 7층 적층한 스파이럴 인덕터에 약 7mA 바이어스 전류 입력을 통해 오프셋 전압을 7μV로 감쇄한다. 이때 오프셋 전압 상쇄를 위한 인덕터 역자기장의 크기는 약 32mT이다. Hall sensors convert physical changes into electrical signals. Hall sensors that detect physical variations in a non-contact condition are used in automotive sensor applications. The Hall plate, which converts the magnetic field into an electrical signal, generates an offset voltage due to the following reasons: (a) physical errors in the fabrication process; (b) electrical errors due to operating temperature and voltage variations. The offset voltage of the hole plate plays an important role as the noise that lowers the sensitivity of the hall sensor. Therefore, the existing hall sensor system uses an analog signal processing circuit that uses a switching circuit and a filter to remove the offset voltage. However, the noise component increases in the operation of the switching circuit and the sensitivity is lowered due to the DC offset voltage of the analog signal processing circuit. This paper proposes a hall sensor structure that removes the hole plate offset voltage through the inverse magnetic field, which has the same size as the offset voltage and can generate the opposite polarity voltage. The proposed hall plate consists of a cross-shaped hall plate and a spiral inductor. When a current is input to the spiral inductor, a voltage is generated, which is opposite polarity with offset voltage. Hall plate offset voltage can be removed to zero using the opposite polarity voltage with offset voltage. The proposed hall plate structure is simulated by COMSOL multi-physics tool. The offset voltage is changed by I/O terminal width and length ratio. The offset voltage of the hall plate that size is 16μm × 16μm is 0.7mV. And, reverse magnetic field to remove offset voltage are about 32mT. The maximum sprial inductor size is approximately 200μm × 200μm. The spiral inductance is about 10nH. In order to generate 32mT reverse magnetic field, inductor bias current should be over 41mA. To reduce bias current for the low power consumption of hall sensor, the number of turn must be over 100 turn. When the 16turn inductor is stacked to 7 layer, the spiral inductor is increased to 112 turn. In this case, inductor bias current to generate 28mT for remove the hall plate offset voltage is reduced to 6∼10mA. When the 32mT reverse magnetic field in input to the hall plate, the offset voltage is reduce 0.6mV to 6μV.

저전압 직류 변환 장치의 디지털 제어기 설계 및 구현

김치윤 국민대학교 일반대학원 보안-스마트전기자동차학과보안-스마트전기자동차공학전공 2018 국내석사

본 논문에서는 전기자동차 내 전장시스템에 전력을 공급하는 저전압 보조 배터리를 고전압 메인 배터리로부터 충전시키는 LDC(Low voltage DC-DC Converter: 저전압 직류 변환 장치) 시스템에 대하여, 디지털 제어기를 설계하고 SILS(Software In the Loop Simulation)환경 상에서의 실험을 통해 성능을 검증하고 제어기 설계의 타당성을 보인다. In this paper, we design and implement a digital controller for LDC(Low voltage DC-DC Converter) that charges a low voltage auxiliary battery from a high voltage battery in an electric car. Also, we verified performance of the digital controller through experiment in SILS(Software In the Loop Simulation) environment.

버스 컨버터를 적용한 전기자동차용 DC-DC 배터리 충전기에 관한 연구

정광순 국민대학교 일반대학원 보안-스마트전기자동차학과보안-스마트전기자동차공학전공 2018 국내박사

본 논문은 전기자동차용 DC-DC 배터리 충전기에 관한 연구로서, 고압 배터리로부터 저압 배터리를 충전하는 3.5kW DC-DC 배터리 충전기를 대상으로 한다. DC-DC 배터리 충전기에 보편적으로 적용되는 위상천이 풀-브리지 컨버터는 넓은 입출력 전압 범위를 대응토록 설계될 경우 높은 입력 전압에서 낮은 유효 듀티비로 동작하여 출력 전류 리플이 증가하고 순환전류에 의한 도통손실이 심화된다. 그리고 낮은 트랜스포머 권선비로 인해 SR 스위치의 전압 스트레스가 높다. 또한, Lagging Leg의 ZVS 조건 만족 범위를 확장하기 위해 삽입되는 Commutating 인덕터는 추가적인 듀티비 손실을 야기하여 상기 언급된 단점을 악화시킨다. 따라서 본 논문은 위상천이 풀-브리지 컨버터를 적용한 DC-DC 배터리 충전기의 한계점을 극복하기 위해 버스 컨버터를 적용한 DC-DC 배터리 충전기를 제안한다. 제안 DC-DC 배터리 충전기는 버스 컨버터 및 Pre-Regulator로 구성되며, 본 논문에서는 풀-브리지 컨버터를 적용한 버스 컨버터 및 Pre-Regulator로서 적합한 승강압 컨버터에 대하여 연구한다. 본 논문에서 연구된 버스 컨버터는 Two-Transformer 풀-브리지 컨버터를 최대 듀티비인 0.5로 고정하여 구동하며 2차 측에 SR 스위치 및 능동 클램프 회로를 적용한다. Two-Transformer 풀-브리지 컨버터는 직렬 결선된 2개의 트랜스포머가 출력 인덕터를 대체하여 대전류가 흐르는 2차 측 회로부가 간략화 된다. 그리고 2개의 트랜스포머는 집적이 용이하여 전력밀도 제고에 유리하다. 풀-브리지 컨버터를 적용한 버스 컨버터는 순환 전류에 의한 도통 손실이 발생하지 않고 풀-브리지 인버터의 ZVS 조건 만족이 용이하며 출력 전류 리플이 작다. 그리고 기존 위상천이 풀-브리지 컨버터 대비 SR 스위치의 전압 스트레스가 낮다. 이와 더불어, 능동 클램프 회로는 SR 스위치에서 발생하는 스파이크 전압을 억제하여 SR 스위치의 전압 스트레스를 최소화하므로 낮은 Rds.on을 갖는 MOSFET을 SR 스위치로서 적용 가능하여 대전류 출력에 유리하다. 제안 승강압 컨버터는 Two-Switch 벅-부스트 컨버터의 부스트 레그를 0.5의 듀티비로 동작시키는 방안으로부터 도출된다. 이로 인해 제안 승강압 컨버터는 버스 컨버터의 스위치를 부스트 레그로서 활용할 수 있으므로 승강압 컨버터를 구현하기 위해 사용되는 스위치 수가 저감된다. 그리고 제안 승강압 컨버터는 결합 인덕터를 적용하여 코어의 부피를 축소시키고 각 상의 전류 리플을 저감시키며 입출력 전압 조건에 따른 모드 천이 없이 승감압이 가능하므로 제어가 간단하다. 제안 DC-DC 배터리 충전기는 풀-브리지 컨버터를 적용한 버스 컨버터를 사용하며 제안 승강압 컨버터를 Pre-Regulator로서 채택한다. 제안 DC-DC 배터리 충전기는 Pre-Regulator 및 버스 컨버터를 독립적으로 구현하는 2단 전력단 형태가 아닌 병합된 전력단 형태로 구현한다. 이로 인해 Pre-Regulator와 버스 컨버터는 스위치를 공유하므로 스위치 수가 저감되어 전력밀도 제고에 유리하다. 또한, PWM 방식으로 출력을 제어하므로 위상차를 제어하는 위상천이 풀-브리지 컨버터 보다 제어가 간단하다. 본 논문에서는 제안 DC-DC 배터리 충전기에 적용된 버스 컨버터 및 승강압 컨버터를 이론적으로 분석하여 제안 DC-DC 배터리 충전기의 동작 원리를 설명한다. 그리고 모의실험 및 프로토타입에 대한 실험을 수행하여 제안 DC-DC 배터리 충전기를 검증한다. Recently, it has become an important issue to solve the environmental pollution problem caused by exhaust gas in the automobile industry. Also, a lot of researches are proceeding to develop eco-friendly vehicles such as electric vehicles. Basically, electric vehicles are equipped with batteries and various types of battery chargers. Among the battery chargers, the DC-DC battery charger is powered from the high-voltage battery for motor drive and charges the low-voltage battery for driving electrical components. The 3.5kW DC-DC battery charger could be developed with a phase-shift full-bridge converter. However, a conventional phase-shift full-bridge converter has low performance, which is resulted from both low effective duty ratio and low transformer turn ratio, when designed as a battery charger with a wide input/output voltage range. To overcome these drawbacks, this paper suggests DC-DC battery charger employing bus converter for electric vehicles. The proposed DC-DC battery consists of the bus converter and the pre-regulator. The bus converter produces constant input/ output voltage conversion ratio, and the pre-regulator controls the output of the bus converter by providing a variable link voltage to the bus converter. The bus converter adopts the two-transformer full-bridge converter with active clamp circuit, which operates constantly with a maximum duty ratio of 0.5. The two-transformer full-bridge converter simplifies the secondary-side circuit, since two series-connected transformers replace output inductor. Also, the two transformers can be integrated, which provides efficient device placement solution. The bus converter eliminates conduction loss caused by the circulating current and achieves ZVS for the full-bridge inverter easily without commutating inductor. In addition, the bus converter achieves excellent ripple cancellation effects and small output current ripple. The bus converter can adopt SR switches with low Rds.on and reduce conduction loss on SR switches, since the bus converter minimizes voltage stress across SR switches. Therefore, the bus converter is very suitable for high output current applications. The proposed step-up/step-down converter is derived from a two-switch buck-boost converter operating the boost leg with a constant duty ratio of 0.5. The proposed step-up/step-down converter can share switches with the bus converter. Also, the proposed converter has low current ripple by using coupled inductor. The proposed DC-DC battery charger employs the bus converter and the proposed step-up/step-down converter as the pre- regulator. The proposed battery charger realizes high power density by sharing switches. Also, the control of the proposed DC-DC battery charger is simple because the battery charger adopts PWM control. In this paper, the operation principle of the proposed battery charger is explained and verified by experimental results with 3.5kW prototype. The proposed DC-DC battery charger achieves high efficiency. The maximum measured efficiency is 96.25%.

머신러닝 기반 손동작 EEG(뇌전도)신호 판별 연구

홍석민 국민대학교 일반대학원 보안-스마트전기자동차학과보안-스마트전기자동차공학전공 2018 국내석사

Electroencephalogram (EEG) is an electrical activity of the brain that is generated by the flow of ions generated by brain-cell interactions. In the cerebral cortex, EEGs are generated during imagination or actual operation. Research on the Brain-Computer Interface(BCI) field that controls the computer using EEG has been actively conducted. However, recognition rate is not high compared with other bio-signals such as speech recognition and motion recognition, and an analysis of the EEG data for various operations must be performed. In this study, EEG occurred during left and right hand movements were measured, and data required for motion classification were extracted and applied to analysis algorithm based on machine learning. In order to obtain a reliable and highly accurate discrimination rate, external noise such as electromyogram and eye movements were minimized during EEG measurement. EEG electrodes were placed in the head, taking into account the physiological characteristics of the brain. The measured EEG is calculated to determine the rate through the machine learning algorithm (supervised learning). As a result, the discrimination rate of the electrodes near the frontal lobe was calculated to be relatively higher than that of the other electrodes. The support vector machine and the k-nearest neighbors algorithm were used to distinguish the hand lift-off cases by an average of 72.7% and in the case of left and right hand movements, the average probability is 57.6% and the maximum is 61%. In addition, the discrimination rate of the hand motion of the electrodes near the frontal lobe was measured to be about 3% higher than that of the average electrode. As a result of this research, it is anticipated that techniques for controlling various objects based on imagination and movement of motion will be studied and utilized as a device controller for a user who has a disability in a movement function as well as a general user also it is expected to be applied to the existing input interface, keyboard, touch screen, and next generation input interface after voice recognition. 뇌전도(Electroencephalograph)는 뇌 세포 간 상호 작용으로 발생하는 이온의 흐름으로 인해 생성된 뇌의 전기적 활동이며 동작에 대한 상상이나 실제 동작 시 특정 뇌전도가 생성된다. 이를 활용하여 컴퓨터를 제어하는 뇌-컴퓨터 인터페이스 분야에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 하지만 뇌전도는 음성인식 및 동작인식과 같은 다른 생체신호 대비 인식률이 높지 않으며 여러 동작에 대한 뇌전도 데이터 취득과 분석이 선행되어져야 한다. 본 연구는 좌, 우 손동작 시 발생하는 뇌전도를 측정하고 동작 구분에 필요한 데이터를 추출한 후 머신러닝 기반 분석 알고리즘에 통해 데이터를 학습시킨다. 신뢰성 있고 높은 판별율을 얻기 위해 뇌전도 측정 시 근전도, 안구의 움직임 등으로 인한 외부 잡음을 최소화 하였고 뇌의 생리학적 특성을 고려하여 전극을 머리에 배치하였다. 측정된 뇌전도는 머신러닝(지도학습)의 두 가지 알고리즘을 통해 손동작 판별율을 산출하였다. 서포트 벡터 머신(Support vector machine)과 k-최근접 알고리즘(k-Nearest Neighbors)을 통해 손동작 전 상태와 손을 올렸을 경우 평균 72.7%의 확률로 좌, 우 손동작의 경우 평균 57.6%, 최대 61% 확률로 구분하였다. 전두엽 부근의 전극의 손동작 판별율이 전체 전극의 평균 판별율 대비 약 3%가량 높게 측정되었으며 특징추출과 데이터 차원축소로 인한 학습시간은 그렇지 않은 데이터 대비 약 6.6배 빨라졌다. 향후 본 연구결과로 움직임에 대한 상상이나 움직임만으로 다양한 사물을 제어할 수 있는 기법들이 연구가 되어 일반 사용자뿐만 아니라 운동기능에 장애를 가진 사용자를 위한 디바이스 컨트롤을 위한 방법으로 활용 할 수 있을 것이며 기존 입력 인터페이스인 키보드, 터치스크린, 음성 인식 이후의 차세대 입력 인터페이스로 적용 가능할 것으로 기대된다.

부하 자동보정 기법을 이용한 802.11p 주파수 합성기용 VCO 설계

민창기 국민대학교 일반대학원 보안-스마트전기자동차학과보안-스마트전기자동차공학전공 2018 국내석사

802.11p는 차량용 근거리 통신 규격으로 차량 및 차량, 차량 및 인프라 통신을 지원한다. 차량용 근거리 통신의 신뢰성을 확보하기 위해 802.11p 규격은 높은 인접채널거부(Adjacent Channel Rejection) 성능을 요구한다. 무선통신환경에서 높은 수준의 인접채널거부 성능을 만족하려면 주파수 합성기의 위상잡음(Phase Noise) 특성이 중요하다. 주파수 합성기의 위상잡음은 전압제어발진기(Voltage Controlled Oscillator) 성능에 좌우된다. 최근, VCO의 성능 개선을 위해 발진기 코어 트랜지스터의 1/f 잡음 개선, LC 공진기의 Q 인자 개선 등의 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만, 단일 칩으로 차량용 무선통신규격을 만족하는 위상잡음 성능 구현은 한계가 있다. 본 논문은 부하 자동보정 기법(LAC: Load Auto Calibration)을 통해 802.11p 주파수 합성기용 위상잡음 성능을 만족하는 VCO 설계를 제안한다. VCO의 부하를 5Bit 스위치 커패시터로 구성하여, 출력주파수 범위를 32 단계로 구분하여 12MHz/V의 주파수 이득(KVCO)을 통해 5.9GHz 출력주파수에서 100kHz 오프셋 일 때 -105dBc/Hz의 위상잡음 성능을 갖도록 설계하였다. VCO의 스위치 커패시터 제어를 통한 출력주파수는 공정(Process), 공급전압(Voltage) 및 온도(Temperature) 변화에 따라 변한다. 따라서 출력주파수 차이를 감지하고 이를 통해 부하 스위치 커패시터를 제어하는 LAC 회로를 설계하였다. LAC 회로의 보정시간은 보정 오차와 반비례한다. LAC 회로는 802.11p 규격을 고려하여 보정시간 35.53us, 보정오차 98kHz로 설계하였다. VCO 발진 주파수 범위는 1.5GHz∼3GHz 로 설정하고, VCO 서브 회로인 주파수 분주기 회로와 주파수 체배기를 통해 최대 25MHz∼6GHz까지 출력 주파수 범위를 확보하였다. 제안하는 LAC VCO는 0.35μm SiGe 공정을 이용하여 구현했고, 주파수 합성기(Frequency Synthesizer)와 단일 칩으로 구현하였다. 주파수 합성기는 PFD(Phase Frequency Detecter), 차지펌프(Charge Pump), 프리스케일러(Prescaler), N 분주기 및 델타 시그마(Delta-Sigma) 변조기로 구성되는 정수/분수 분주 타입으로 설계하였다. 차지펌프의 최대 전류는 2.54mA 이고, 전류이득은 20uA이다. 분수 N 분주기는 19 bit 분주기로 구성되고 최대 분주율은 219-1(=524,287)이다. LAC VCO의 전원은 5V이고, 소모전류는 주파수 범위에 따라 105mA∼205mA이다. LAC VCO의 위상잡음 성능은 5.9GHz 출력주파수에서 10kHz 오프셋일 때 -75dBc/Hz, 100kHz 오프셋일 때 -105dBc/Hz, 1MHz 일 때 -131dBc/Hz 이다. 이는 802.11p 규격을 만족하면서 100kHz 대역의 위상잡음 특성이 타 발진기보다 뛰어나 100kHz 대역의 부반송파(Subcarrier)를 사용하는 802.11p 송수신 시스템의 발진기로 적합하다. 주제어 : 802.11p, VCO, 부하 자동보정(LAC: Load Auto Calibration), 주파수 합성기 802.11p supports automotive, vehicular, and infrastructure communications with automotive localized communications standards. The 802.11p standard requires high adjacent channel rejection performance in order to ensure the reliability of automotive local area communication. The phase noise characteristics of the frequency synthesizer are important to satisfy the high level of adjacent channel rejection performance in a wireless communication environment. The phase noise of the frequency synthesizer depends on the VCO performance. To improve the performance of the VCO, researches on improving the 1 / f noise of the oscillator core transistor and improving the Q factor of the LC resonator have been actively conducted. However, there is a limit to realize a phase noise performance satisfying a vehicle radio communication standard with a single chip. This paper proposes a VCO design that satisfies the phase noise performance for the 802.11p frequency synthesizer through the automatic calibration of the load. The VCO's load is configured with a 5-bit switch capacitor and the output frequency range is divided into 32 stages and designed to have phase noise performance of 100kHz -105dBc/Hz at 5.9GHz frequency with 12MHz/V KVCO. The output frequency through the switch capacitor control of the VCO varies with the process, supply voltage and temperature variation. Therefore, we designed an automatic calibration circuit that detects the output frequency difference and controls the load switch capacitor. Since the correction time of the automatic calibration circuit is in inverse proportion to the correction error, it is necessary to set the calibration time and the calibration error suitable for the application. This automatic calibration circuit was designed with a calibration time of 35.53 us and a calibration error of 98 kHz in consideration of 802.11p standard. The VCO oscillation frequency range is set from 1.5GHz to 3GHz, and the output frequency range is secured from the maximum 25MHz to 6GHz through the frequency divider circuit and the frequency multiplier, which are VCO sub circuits. The proposed load automatic calibration VCO was implemented using the SiGe 0.35μm process, and implemented with a frequency synthesizer and a single chip. The frequency synthesizer was designed as a fractional-flow type consisting of PFD, charge pump, prescaler, N divider and delta sigma modulator. The maximum current of the charge pump is 2.54mA and the gain step size is 20uA. The fractional N-divisor is composed of 19-bit divisor and the maximum divisor is 219-1 (= 524,287). The load auto calibration VCO power is 5V, and the consumption current is 80mA-105mA depending on the frequency range. The phase noise performance of the load auto calibration VCO is -75dBc/Hz at 5.9GHz at 10kHz offset, -105dBc/Hz at 100kHz offset and -131dBc/Hz at 1MHz. It satisfies the 802.11p standard and is superior to other oscillators in 100kHz band, but it is suitable as an oscillator of 802.11p transceiver system using subcarrier of 100kHz band.