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.

배터리 교환형 전기버스 시스템의 스마트 그리드 연계 활용을 위한 전력저장장치로서의 활용 가능성 예측 및 분석

김현준 國民大學敎 自動車工學專門大學院 2015 국내석사

상용차량 자율주행을 위한 주변 환경 인지 및 지역경로생성에 관한 연구

유재남 국민대학교 자동차공학전문대학원 친인간지능형자동차전공 2018 국내석사

최근 환경센서 및 차량의 각종 전장부품의 성능이 고도화되고 제어기술이 발전함에 따라, 운전자의 주행을 보조하며 위험상황에 대한 경고 및 회비할 수 있는 능동형 운전자 보조 시스템(ADAS, Advanced Driver Assistance System)과 운전자의 조작 없이 스스로 주행하는 자율주행 자동차의 기술이 빠르게 개발되고 있다. 자율주행 자동차의 경우 운전자의 피로 절감, 운전자의 부주의로 인한 사고 예방, 사고로 인한 인명피해 및 사고비용 절감, 군집주행 및 ECO드라이브를 통한 연비향상 등을 기대할 수 있다. 특히 운행시간이 길고 장거리 주행이 많은 상용차량의 경우 사고 시 인명피해 및 경제적 손실이 크다. 하지만 상용차량의 자율주행을 통해 인명피해 감소 및 경제적 이득을 기대할 수 있다. 특히 트럭 트랙터-세미 트레일러 구조의 상용차량의 자율주행 시 물품 혹은 적재물의 운반 시 필요한 비용이 감소하고 경제상 이득이 크게 증가할 것으로 기대된다. 따라서 본 논문에서는 트럭 트랙터-세미 트레일러 구조인 상용차량의 고속도로 자율주행을 위한 지역경로생성 및 제어를 실시하고자 하였다. 차선검출 센서를 통하여 차선의 정보에 대하여 3차 곡선을 생성하며, 객체검출 센서를 통하여 자율주행 상용차량 주변의 차량들의 거동을 파악하였다. 또한 차량내부센서 및 Fuzzy 기법을 활용하여 적응형 순항 제어 시스템(ACC, Adaptive Cruise Control)을 위한 자차선 전방 차량을 인지하였다. 이후 주변 차량의 거동 및 운전자의 설정에 따라 Fuzzy 기법을 활용하여 차선유지 혹은 차선변경을 결정하였다. 차선변경이 결정된다면 앞서 도출한 차선의 3차 곡선을 기반으로 차선변경을 위한 지역경로를 생성한다. 생성된 지역경로는 충돌가능성 및 차량의 종방향 및 횡방향 안정성을 비용함수를 통해 파악하고 최적의 지역경로를 선택한다. 이후 최대 주행속도 유지 및 차간거리 유지를 위한 종방향 제어기를 설계하고 차선유지(LKS, Lane Keeping System)를 위한 횡방향 제어기와 차선변경 시 최적의 지역경로를 추종하기 위한 횡방향 제어기를 설계한다. 위와 같이 구성한 자율주행 상용차량 개발 알고리즘은 MiLS(Model-in-the-Loop Simulation)환경에서 고속도로 주행 중 발생할 수 있는 총 2가지 상황에 대하여 검증하였다. Recently, as the performance of various environmental sensors and various electric devices of vehicles has been advanced and control technology has been developed, the technology of an Advanced Driver Assistance System (ADAS) and an autonomous vehicle that runs on its own without a driver's operation is rapidly developed. In the case of self-driving car, it can be expected to reduce driver's fatigue, prevent accidents caused by driver's carelessness, reduce the cost of accidents caused by accidents, and improve fuel economy through Platooning and ECO-Drive. In case of an accident, commercial vehicles, which have a long operating time and a lot of long distance travel, suffer great casualties and make a economic profit. However, it is expected that the autonomous commercial vehicles will reduce the loss of life and economic gain. Especially, it is expected that the economical gain will be greatly increased due to the reduction of the transportation cost of the goods or the load during autonomous operation of the commercial vehicles, which is a tractor – semi trailer structure. Thus, in this paper, I tried to create and control the local path for autonomous freeways of commercial vehicles, which is a tractor - semi trailer structure. Through a lane detection sensor, cubic spline parameters are generated using the information of the lane. Through a object detection sensor, the behavior of the vehicles around the commercial vehicle was recognized. In addition, by using the in-vehicle sensor and Fuzzy logic, we recognized the target vehicle for ACC(Adaptive Cruise Control). Then, the lane keeping or lane change are determined by using the Fuzzy logic according to the behavior of the surrounding vehicle and the driver's setting. If a lane change maneuver is determined, local path candidates for lane change are generated based on the cubic spline parameters of the preceding lane information. The optimal local path for lane change is selected by the cost function of the collision, longitudinal stability and lateral stability. After that, a longitudinal controller is designed to maintain the maximum driving speed and to maintain the desired velocity and desired distance. And lateral controllers to keep the lane and to follow the optimal local path for the lane change are designed. The autonomous commercial vehicle algorithm was verified by two situations that can occur during the highway driving in MiLS(Model-in-the-Loop Simulation) environment.

3차원 지그 설계를 위한 부품 라이브러리 구축 및 도면 작성 편의 기능의 개발

김석렬 國民大學校 自動車工學專門大學院 2004 국내석사

최근 국내외 자동차 업체의 경쟁이 날로 심화됨에 따라 각 업체는 제품 경쟁력을 갖추기 위하여 신차 개발 기간의 단축을 위한 노력을 경주하고 있으며, 그 노력의 일환으로 PLM과 함께 3D CAD 시스템을 도입 적용하고 있다. 이렇게 도입된 3D CAD 시스템은 동시공학(CE : Concurrent Engineering)의 실현과 설계를 비롯한 가공, 해석, 검증 등의 다양한 용도로의 데이터 활용을 가능하게 한다. 하지만 이러한 장점과 함께 3D CAD 시스템의 도입은 또 다른 문제점들을 유발할 수 있다. 실제로 3D CAD 시스템을 도입한 많은 설계 부서에서는 상당기간의 적용검토 기간을 거치게 되며, 이러한 적용 검토 기간을 거쳐야 하는 가장 큰 원인으로는 현장 작업환경에서의 3차원 데이터 활용의 어려움, 3차원 기반 설계 인프라 부족, 기존 시스템과 도입 시스템간의 호환성의 어려움으로 야기되는 레거시(Legacy) 문제의 발생 등을 둘 수 있다. 이에 따라 본 논문에서는 앞서 언급한 바와 같이 실제 설계 부서에 있어서 3D CAD 시스템의 도입에 따른 문제점을 분석하고 발생되는 문제점들을 해결하기 위한 방안으로써 설계 지원 시스템의 개발 및 설계 인프라 구축에 관한 연구를 수행하였다. 논문의 구성을 보면 1장은 문제제기 및 연구의 필요성, 연구 목적 및 방법, 관련연구 및 방법 등에 대해 소개하고 2장은 구현 시스템에 대한 구성 및 개발 고려사항에 대해 소개한다. 그리고 마지막으로 3장에서는 구현된 시스템의 실제 적용 예에 관해 소개한다. 본 논문에서의 연구결과로써 구현된 시스템은 실제 설계 업무에 적용되었으며, 대상 부서는 GM 대우자동차 생산기술연구소의 지그 설계부서로 하였다. GM 대우자동차의 지그 설계부서에서는 2003년 상용 3D 기반 CAD 시스템인 Unigraphics 시스템을 도입하였으며, 본 논문에서 구현한 시스템은 도입된 Unigraphics 시스템에 add-on 방식으로 탑재하였다. Modeling and simulation are emerging as key technologies to support manufacturing, which offer great potential for improving products, perfecting processes, reducing design-to-manufacturing cycle time, and reducing product realization costs. In the automotive industry, 3-D modeling and simulation recently has been widely introduced to optimize manufacturing process and tooling designs for efficient automotive body assembly. Using 3-D models, designers can study and refine assembly process and tooling designs, and identify problems that otherwise might not be detected until significant resources were already committed to production. However, if only general modeling capabilities provided by a commercial 3-D CAD system are used for the tooling design, the design process requires even more time and efforts than the conventional approach using a 2-D computer-aided drafting system. To solve this problem, it is essential to customize a commercial CAD system for the specific design process. GM Daewoo Automotive and Technology (GMDAT) has been conducting a project to develop a 3-D dedicated CAD system based on Unigraphics for the design of welding jigs for automotive body assembly. The standard part libraries and templates, the automated jig unit design modules, the semi-automated 2-D drafting utilities, and the interface modules to simulation packages and PDM systems have been developed in this project. By introducing the system, a jig system can be designed more intuitively and optimally in the 3-D space, and manufacturing feasibility can be determined even earlier in the design cycle, resulting in less costly rework. In the future, the system will be extended to integrate knowledge based system and repository for intelligent process and tooling designs for automotive body assembly lines.

DAG 기반 오토사 제어 시스템을 위한 러너블 주기 최적화

최대호 국민대학교 자동차공학전문대학원 2020 국내석사

고도화된 기술이 탑재되어 개발 절차가 복잡해진 오늘날의 자동차는 오토사 (AUTOSAR) 기반 개발이 이루어진다. 오토사는 자동차 산업계에서 대중적으로 사용되고 있는 표준 소프트웨어 아키텍처로써 복잡한 소프트웨어에 대해 표준화된 프로세스를 통해 개발을 진행하게 도와준다. 오토사에서는 러너블이라는 함수를 통해 제어기에 탑재할 소프트웨어를 개발한다. 자동차 제어기에는 여러 개의 러너블이 DAG 형태를 이루며 구성되어 있다. 이 러너블들은 센서로부터 데이터를 받아 연산한 뒤 액추에이터로 최종 결과값을 보내 시스템을 제어한다. 이러한 제어 시스템은 사람의 생명이 밀접하게 연관이 있는 자동차 특성상 최고의 성능을 내야 한다. 제어 시스템의 성능을 극대화하기 위해서는 제어 주기를 짧게 하는 방법과 센서에서 액추에이터까지의 end-to-end 지연시간을 최소화하는 방법이 있다. 그러나 이 방법들을 사용하여 성능을 높이려면 좋은 성능을 나타낼 수 있는 하드웨어가 필요하다. 자동차에 들어갈 수 있는 하드웨어는 제한적이기 때문에 위 방법들을 사용하기에 한계가 있다. 본 논문에서는 이러한 문제를 해결하고자 복잡한 DAG 형태를 이루고 있는 러너블들의 각 주기를 결정하는 문제의 해결을 통해 한정된 하드웨어 속에서 더 좋은 제어 성능을 나타내는 방법을 제시한다. 제어 성능과 더불어 러너블들을 스케줄링하여 센서에서 나오는 데이터가 정상적인 연산을 통해 액추에이터까지 전송할 수 있게 한다. 문제 해결을 위해 제어 주기와 sensor-to-actuator 지연시간을 매개변수로 사용하는 제어 성능을 나타내는 함수를 정의할 것이다. 동시에 여러 개의 러너블로 이루어진 시스템의 스케줄 가능성을 고려하는 Control-Scheduling Co-Design 방법을 적용한다. 러너블들의 주기는 라그랑주 승수법을 이용하여 도출된 일반식과 러너블의 실행시간을 통해 구할 수 있다. 본 논문에서 제시한 방법을 이용하면 최적 성능과 매우 유사한 성능을 나타내며 최적 성능과는 약 2%의 차이밖에 나지 않는다. 또한, 본논문에서 제시한 방법의 경우 시스템이 아무리 복잡하더라도 최적 주기를 검출하는데 1ms 이하의 시간밖에 소요되지 않는다. AUTOSAR-based development of today's automobiles with sophisticated technology and complex development procedures. AUTOSAR is a standard software architecture that is popular in the automotive industry, helping to develop through standardized processes for complex software. AUTOSAR develops software to be loaded into the controller through a function called runnable. There are several runnables in DAG form in the automobile controller. These runnables accept the data from the sensor and control the system by sending the final result to the actuator through operation. These automobile control systems should extract the highest performance because the cars are closely related human life. In order to maximize the performance of the control system, there is a method of shortening the control period and a method of minimizing the end-to-end delay time from the sensor to the actuator. However, using these methods to improve performance requires hardware that can perform well. There is a limit to using the above methods because the hardware that can be inserted into a car is limited. In this paper, we propose a method to solve this problem by solving the problem of determining each period of runnables which is complicated form to show better control performance in limited hardware. In addition to controlling performance, scheduling runnables allows data from the sensor to be transmitted to the actuator through normal computation. We will define a function that represent the control performance using the control period and sensor-to-actuator delay time as parameters. At the same time, we apply the Control-Scheduling Co-Design method which considers the schedulability of the system consisting of several runnables. The period of runnables can be easily obtained through the general formula derived using the Lagrange multiplier method and the execution time of the runnable. Using the method presented in this paper, our method can find the near-optimal solution with under 2% of performance loss compared to the optimal result. Also, our method required only under 1ms computation time regardless of practical size system.

습식 클러치 팩의 허브 설계 방법에 따른 냉각성능 및 변속기유 동적 거동 특성 연구

김동욱 국민대학교 자동차공학전문대학원 2019 국내석사

최근 자동차 시장은 제한적인 석유자원, 환경오염 등의 문제로 연비 향상, 대체 에너지를 이용한 자동차 등에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 내연기관을 동력원으로 하는 자동차는 변속기의 동력전달 효율을 증가시키기 위해 토크컨버터를 포함한 자동변속기 대신 습식 다판 클러치를 사용한 듀얼 클러치 변속기 (Dual Clutch Transmission, DCT)를 이용하는 추세이며 이에 대한 연구 또한 활발하게 진행되고 있다. DCT는 자동변속기의 편리함 및 수동변속기의 높은 효율을 모두 갖추고 있으며 두 개의 다판 클러치가 홀수, 짝수 단을 담당함으로써 빠른 변속 또한 가능하다. 건식 클러치 시스템과 다르게 습식 클러치는 냉각유를 사용하기 때문에 건식보다 냉각성능이 우수하며 이는 높은 토크용량을 가질 수 있음을 의미한다. 이러한 장점 때문에 습식 다판 클러치는 사륜구동 (Four Wheel Drive), 차동 제한 장치 (Limited Slip Differential) 등 여러 가지 구동 시스템에 사용되고 있다. DCT는 하나의 클러치가 결합상태 (Engagement)일 때 다른 하나의 클러치가 이탈상태 (Disengagement)인 특징이 있으며 이탈 상태에서 마찰 플레이트 (Friction Plate)와 세퍼레이트 플레이트 (Separate Plate) 사이 간극으로 냉각유가 유입되고 대류 냉각 작용이 일어난다. 이 때, 모든 클러치 간극에 냉각유가 균등하게 유입되어야 특정 클러치의 과도한 마찰열 발생을 억제 할 수 있다. 본 연구에서는 습식 다판 클러치 팩의 내부 유동해석을 통해 유체 거동 특성에 대해 분석하고, 각 클러치 간극으로 냉각유를 균등하게 분배함으로써 효과적으로 마찰열을 제어할 수 있는 클러치 팩 설계 방법을 제시한다. Vehicles powered by internal combustion engines use dual clutch transmission using wet multi-plate clutches instead of automatic transmission, including torque converter, to increase transmission power transfer efficiency, and studies are also active. Dual clutch transmission is equipped with both the convenience of automatic transmission and the high efficiency of manual transmission, and rapid change is also possible as the two multi-plate clutches are responsible for odd and even number of units. DCT has the characteristic of the other clutch being disengaged when one clutch is engaged, coolant flows into the gap between the Friction Plate and the Separate Plate, and convection cooling occurs. At this time, coolant must flow evenly into all clutch clearances to prevent excessive friction in particular clutches. In this study, the method of designing the internal space of DCT clutch packs, i.e. the flow path through which transmission oil can be supplied equally among the spaces between the clutch pads within the wet DCT clutch pack.

Steer-by-Wire 시스템의 조향반력 제어 및 고장안전 대책에 관한 연구

김두용 국민대학교 자동차공학전문대학원 2019 국내박사

최근 유럽, 일본, 미국 등 자동차 선진국을 중심으로 2020년을 기점으로 자율주행자동차 양산 계획을 발표하게 되면서 자율주행자동차의 조향 시스템인 전자제어식 조향장치가 활발히 연구되고 있다. SBW 시스템은 기존의 전동식 조향장치와는 다르게 기계적인 연결 구조가 없으므로 자율주행 모드에서는 운전석을 확장하여 보다 편안한 주행이 가능하다. 또한 일반주행 모드에서는 컬럼에 의한 응답지연이 없으므로 응답성과 조종성이 향상되며, 오프로드 주행 시에는 불필요한 노면의 외란을 운전자가 느끼지 않아도 되는 장점이 있다. 이러한 SBW 시스템을 개발하기 위해서는 크게 2가지 이슈를 해결해야만 한다. 첫 번째는 이질감 문제로 기존의 조향 시스템인 MDPS와 유사한 조향반력을 재현 하는 것이다. SBW 시스템이 MDPS와 다른 조향반력을 가질 경우, 운전자는 이질감을 느끼게 되어 상품의 가치는 떨어지게 된다. 두 번째는 고장 안전성 문제로, SBW 시스템의 컬럼의 부재로 인한 고장 안전성을 확보하는 것이다. 만일 고장안전 대책이 적절히 설계되지 않을 경우 차량은 횡방향 안정성을 잃게 되어 큰 사고가 발생할 수 있다. 본 연구에서는 이러한 2가지의 이슈들을 극복하고 SBW 시스템을 설계하기 위한 연구를 수행 하였다. 먼저 조향반력 문제를 해결하기 위하여 등가 MDPS 모델을 개발하고 SBW 시스템을 MDPS처럼 개발할 수 있는 방법론을 제안 하였다. 그리고 이를 활용하여 기존의 MDPS 알고리즘을 재사용 하여, MDPS와 유사한 조향반력을 구현하기 위한 연구를 수행 하였다. 또한 실제 SBW 시스템의 H/W를 통한 검증 환경을 구축하고 본 연구를 통해 개발된 SBW 시스템의 조향반력에 대한 검증을 수행 하였다. 다음으로 고장 안전성 문제를 해결하기 위하여 ISO26262 Part.3 프로세스를 수행하여 최소한의 조향기능을 유지할 수 있는 전자 및 전기(이하 E/E, Electric/Electronic) 아키텍처를 도출 하고 고장안전 대책을 개발 하였다. 또한 고장 주입 시뮬레이션 환경을 개발하고, 센서, ECU, 액추에이터에 다양한 고장을 주입하여 본 연구에서 개발한 고장안전 대책을 검증 하였다. SBW(Steer-by-Wire), which is the steering systems of automated vehicles, have been actively researched recently, with the announcement of plans for mass production of automated vehicles starting from 2020, centering on developed countries such as Europe, Japan, and the United States. Unlike MDPS(Motor Driven Power Steering), the SBW system has no mechanical linkage. Therefore, it is possible to extend the driver's seat in the autonomous mode, thereby enabling more comfortable driving. Also, since there is no response delay due to the column in the manual mode, the ride and handling are improved, and the driver does not feel unnecessary road disturbance at the time of off-road driving. However, to develop such a SBW system, two issues must be solved. The first is to reproduce the steering reaction force similar to the MDPS, which is a problem of heterogeneity. If the SBW system has a steering reaction force different from MDPS, the driver feels a sense of heterogeneity and the value of the product drops. The second is to ensure failure safety due to the absence of columns in the SBW system due to failure safety issues. If failure safety plans are not properly designed, the vehicle may lose lateral stability and cause a fatal accident. In this study, we have studied to overcome these two issues and to design the SBW system. First, we developed an equivalent MDPS model to solve the steering reaction force problem and proposed a methodology to develop the SBW system like MDPS. And then, we use MDPS algorithm to reuse the existing MDPS algorithm to achieve steering reaction force similar to MDPS. In addition, the verification & validation environment through the H/W of the actual SBW system was established and the steering reaction force of the SBW system developed through this study was verified. Next, in order to solve the failure safety problem, we conducted the ISO26262 Part.3 process to develop the electronic and electrical architecture that can maintain the minimum steering function and developed the failure safety plans. And also, fault injection simulation environment was developed and various failures were injected into sensors, ECUs, and actuators to verify the fault safety plans developed in this study.

궤적 예측 기법을 이용한 차선유지제어시스템 Fail-safe 전략에 관한 연구

소형욱 국민대학교 자동차공학전문대학원 친인간지능형자동차전공 2018 국내석사

최근 들어, 운전자의 승차감(Comfort) 및 안정성(Stability)에 대한 관심이 증가하면서 운전자 지원 시스템(ADAS: Advanced Driver Assistance System)이 크게 대두되고 있다. 그와 동시에 차량의 급속한 전장화 또한 진행되고 있다. 하지만 이러한 차량의 변화는 차량의 제어 시스템의 신뢰성이 완전하지 못한 상황에서 운전자들에게는 새로운 안전성에 대한 불안요소가 되었다. 그리고 시스템 개발에 있어, 차량에 탑재되는 E/E(Electric & Electronic) 시스템의 오류로 인한 사고방지를 위해 ISO에서 제정한 자동차 기능 안전성 국제 표준, ISO26262를 만족하기 위해서 신뢰성 높은 시스템 개발이 더욱 요구되어지고 있는 상황이다. 본 논문은 운전자 지원 시스템에서 차선 유지제어 시스템(LKS: Lane Keeping System)에의 결함 발생시, 인접 차량과의 충돌을 궤적 예측 기법을 이용하여 정확히 인지하고 인접 차량의 궤적을 예측하여 제동 제어를 통해 인접 차량과의 충돌을 회피하고 차선을 유지하는 Fail-safe 전략을 제안한다. 본 논문의 조향시스템과 제동시스템의 제어기는 상태변수와 제어입력의 제한조건을 설정하여, 차량 모델 운동 방정식을 토대로 유한한 시간내의 미래 거동이 목표 거동에 수렴하도록 하는 MPC(Model Predictive Control) 기법을 이용하여 제어기를 구성하였다. 이는 MATLAB/Simulink와 CarSim의 Co-simulation을 통해 차량 및 제어기 모델을 포함하고 있는 MiLS(Model in the Loop Simulation)환경을 구축하였고, 구성한 시스템을 MiLS 환경에서 검증을 하였다. 시뮬레이션 결과, 본 논문에서 구성한 충돌인지 시스템을 통해 적절하게 충돌을 인지하여 제동 제어를 통해 인접 차량과의 충돌 회피 및 차선 유지를 수행하는 것을 확인하였다. Recently, the driver assistance system (ADAS: Advanced Driver Assistance System) has been rapidly emerging as interest in comfort and stability of the driver. At the same time, the vehicle electricization is also progressing. However, this change of vehicle has become a factor of safety for the driver in the situation that the reliability of the control system of the vehicle is not perfect. In order to prevent accidents due to errors in E / E (Electric & Electronic) systems installed in vehicles, it is required to develop a reliable system to satisfy ISO26262. In this paper, we propose a trajectory estimation method that can accurately detect collision with a adjacent vehicle using the trajectory prediction method when a failure occurs in a lane keeping system (LKS: Lane Keeping System) We propose a fail-safe strategy that avoids collision with adjacent vehicles and maintains lanes through braking control. The system of this paper predicts the trajectory of the vehicle and the adjacent vehicle obtained by using the trajectory prediction method for accurate collision detection. And we used this to recognize the collision with the correct adjacent vehicle. The controller of the steering system and the braking system sets the constraint condition of the state variable, the control input, and based on the vehicle model equations of motion, it uses the MPC (Model Predictive Control) technique to converge the future behavior in the finite time to the target behavior. In this paper, we have constructed MiLS (Model in the Loop Simulation) environment including vehicle and controller model through co-simulation of MATLAB / Simulink and CarSim. As a result of the simulation, it is confirmed that collision avoidance with the adjacent vehicle and lane keeping are performed through braking control by properly recognizing the collision through the collision recognition system constructed in this paper.

심층 큐 네트워크 기반 장애물 회피에 관한 연구

김수형 국민대학교 자동차공학전문대학원 2019 국내석사

최근 환경 센서 및 차량의 각종 전장부품의 성능이 고도화되고 제어기술이 발전함에 따라, DARPA Urban Challenge, 구글의 Self-driving car 등 해외 자동차업계를 중심으로 IT업계를 포함하여 자율주행자동차에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, SAE Level5에 해당하는 완전자율주행자동차가 출발지부터 목적지까지 안전하게 주행하기 위해서는 주변 환경을 정확히 인식하고, 적절한 조향각 생성을 통해 장애물을 회피해야 한다. 자율주행자동차가 장애물을 회피하기 위해서는 일반적으로 Path Planning과 Path Tracking 두 가지 알고리즘이 각각 개별적으로 동시에 개발되어야 한다. A*, RRT 등의 Path Planning 알고리즘은 주변 환경이 복잡한 도심지와 같은 상황에서 적용하기 어렵고, Stanely method, Pure pursuit 등의 Path Tracking 알고리즘은 다양한 Path를 정확하게 추종하지 못한다. 또한, MPC(Model Predictive Control)와 같은 모델기반 알고리즘은 연산속도가 느리다는 단점이 있다. 따라서 본 논문에서는 강화학습 알고리즘 중 하나인 DQN(Deep Q-Network)기반의 장애물 회피 알고리즘을 제안한다. 학습된 DQN모델은 기존의 Path Planning 및 Path Tracking 기술을 모두 포함하고 있으며, 특히 차량 동역학적 모델과 같은 복잡한 모델식을 사용하지 않기 때문에 연산속도가 빠르고 복잡한 도심지에서 적용이 가능하다. DQN모델을 사용하기 위해서는 다양한 시나리오에 대해 반복 수행을 하며 Q-Network를 학습시켜야 한다. 이를 위해 Prescan 시뮬레이터(Window PC)를 활용하였으며, Q-Network 개발을 위해서는 Python, Tensorflow(Linux PC)를 활용하였다. 또한 ROS(Robot Operating System)를 통해 토픽메시지를 송수신함으로써, window PC와 Linux PC을 연동하여 가상환경을 구축하였다. 본 논문 구현에서는 10000번의 반복 학습이후 장애물을 능숙하게 피하는 결과를 얻을 수 있었다. Recently, as the performance of various environmental sensors and various electric parts of vehicles have been improved and control technology has been developed, studies on autonomous vehicles including the IT industry actively proceeding in automobile industries such as DARPA Urban Challenge and Google's self-car. In particular, in order to safely travel from the starting point to the destination, a fully autonomous driving vehicle corresponding to SAE Level 5 must accurately recognize the surrounding environment and avoid an obstacle by generating an appropriate steering angle. In order for an autonomous vehicle to avoid an obstacle, two algorithms for path planning and path tracking should be separately developed at the same time. Path planning algorithms such as A * and RRT are difficult to apply in a downtown area where the surrounding environment is complicated, and path tracking algorithms such as the Stanley method and Pure pursuit do not follow various paths precisely. In addition, model-based algorithms such as MPC (Model Predictive Control) have a disadvantage of slow computation speed. Therefore, in this paper, we propose an obstacle avoidance algorithm based on Deep Q-Network (DQN), one of the reinforcement learning algorithms. The learned DQN model includes both existing path planning and path tracking technologies. Especially, it can be applied in urban areas with high computational speed because it does not use complex model equations such as vehicle dynamics model. In order to use the DQN model, it is necessary to repeat the various scenarios and learn the Q-Network. For this purpose, the PreScan simulator (Window PC) was used and Python and Tensorflow (Linux PC) were used for Q-Network development . In addition, a virtual environment was established by linking window PC and Linux PC from sending and receiving topic messages through ROS (Robot Operating System). In order to verify the designed DQN and compare the results, we used the result of obstacle avoidance using G29 Logitech Wheel and the result of Cubic Spline algorithm. We verified the results of the DQN than the results of Cubic Spline, which is similar to the result of manipulating the steering wheel directly by G29.

공랭식 HEV 배터리 팩 냉각 설계 최적화를 위한 입⬝출구 형상 설계 연구

김대원 국민대학교 자동차공학전문대학원 2022 국내석사

국가별 친환경 정책의 강화에 따라 전기 자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 수소 연료전지 자동차(Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV)와 같은 친환경 자동차의 연구가 활발하게 진행되고 있다. 친환경 자동차의 연구가 활발하게 진행됨에 따라 배터리를 주 동력원으로 사용하는 친환경 자동차는 배터리 폭발과 같은 안전 문제로 인해 배터리 열관리가 상당히 중요한 부분으로 인식이 되고 있다. 일반적으로 친환경 자동차의 배터리 열관리에서 가장 중요하게 인식되는 부분은 배터리 발열 시 냉각에 따른 배터리 온도의 균일화이며 배터리에서 발생 되는 열이 어느 한 곳에 치우치지 않도록 전반적으로 균일화된 냉각을 하도록 최적화된 설계를 하는 것이 냉각 관점에서의 중요한 설계 요소이다. 본 연구에서 집중적으로 다루는 공랭식 배터리 팩(Air-Cooled Type Battery Pack)은 공기가 직접 배터리와 접촉하여 열 교환이 일어나며 배터리의 냉각을 하게 되는 방식이다. 공랭식 배터리 팩의 냉각 성능에서 가장 중요한 요소는 배터리와 배터리 사이에 존재하는 에어 채널(Air-Channel)에 유입되는 공기 유량의 균일화이다. 그러한 이유는 에어 채널에서 배터리와 직접적인 열 교환이 발생하기 때문에 각 에어 채널로 유입되는 공기의 양이 불균일하면 배터리 발열에 따른 불균일한 냉각이 발생하기 때문이다. 따라서 본 연구에서는 CFD(Computational Fluid Dynamics) 유동해석을 진행하여 셀(Cell) 및 모듈(Module)을 패키징(Packaging)하고 있는 배터리 팩의 입구(Inlet) 및 출구(Outlet)의 형상에 따른 에어 채널로 유입되는 공기 유량의 균일성을 향상 시키고, 각 배터리의 냉각 불균형을 해소하여 냉각 시스템 효율을 최적화하는 연구를 진행한다. 특히 본 내용은 배터리 팩으로 유입되는 공기의 입구와 출구의 설계 변경을 통해 최적화된 배터리 팩의 형상을 파악하여 향후 공랭식 배터리 팩 신규 설계 시 설계 특성을 도식화 할 수 있는 근거 자료로써 활용될 수 있다. Research on eco-friendly vehicles such as Electric Vehicle, Hybrid Electric Vehicle, and Fuel Cell Electric Vehicles is being actively conducted with the reinforcement of eco-friendly policies for each country. it is recognized that battery thermal management is very important because of safety issues, such as battery explosion, etc. In general, the most important part of battery thermal management of eco-friendly vehicles is the uniformity of battery temperature by cooling when a battery is heated, and it is important to design the battery to be optimized to cool evenly so that the battery thermal is not biased to any one place. The most important factor in the cooling performance of an air-cooled battery pack is the uniformity of the air flow rate flowing into the air-channel existing between the battery and the battery. The reason is that, as the heat exchange with the battery occurs directly in the air channel, if the amount of air input into each air channel is uneven, the cooling is uneven due to the battery heat generation. Therefore, this research conducts a computational fluid dynamics analysis to improve the uniformity of the air flow flowing into the air channel according to the shape of the inlet and outlet of the battery pack packaging cells and modules, and to resolve the cooling imbalance of each battery. In particular, this content can be used as evidence to identify an optimized battery pack shape by changing the design of the inlet and outlet of air flowing into the battery pack.