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제안 방법
- 시간 영역 기반의 프로그램을 사용했음에도 불구하고 다수의 격자구성으로 인해 해석 시간이 오래 걸리는 문제가 발생하였지만 해결을 위해 해석 결과에 영향을 미치지 않는 범위에서 모델을 수정하였다. 격자 구성이 많이 생기는 DC, A/Con 커넥터와 Main-Body 커넥터의 굴곡부분 및 홈이 파인부분을 단순하게 수정을 하였으며 특히 작은 돌기와 같이 불필요한 부분을 제거하였다. 그 결과 전체 격자구성 개수 및 크기를 줄여 해석 시간을 1/3로 단축하는 효과를 보였다.
- 그리고 그림 10과 같이 신호발생기(Tracking Generator)인 ROHDE&SCHWARZ사의 SMB100A를 이용하여 110MHz에서 1GHz까지의 소스를 커넥터의 Port2에 인가하고 나머지 Port는 50Ω으로 종단(Termination) 시킨 후 스펙트럼 분석기(Spectrum analyser)인 ROHDE&SCHWARZ 사의 ESU EMI TEST RECEIVER로 방사량을 분석하였다.
- 또한 주파수가 증가함에 따라 3m거리까지의 방사 영역을 분할하기에는 파장의 길이가 매우 짧았다. 따라서 저주파부터 고주파까지 Maxwell 방정식을 이용해 해석하는 Full-Wave EM simulation을 하기에는 수백만개 이상의 격자구성을 필요로 하였다. 시간 영역 기반의 프로그램을 사용했음에도 불구하고 다수의 격자구성으로 인해 해석 시간이 오래 걸리는 문제가 발생하였지만 해결을 위해 해석 결과에 영향을 미치지 않는 범위에서 모델을 수정하였다.
- 따라서 저주파부터 고주파까지 Maxwell 방정식을 이용해 해석하는 Full-Wave EM simulation을 하기에는 수백만개 이상의 격자구성을 필요로 하였다. 시간 영역 기반의 프로그램을 사용했음에도 불구하고 다수의 격자구성으로 인해 해석 시간이 오래 걸리는 문제가 발생하였지만 해결을 위해 해석 결과에 영향을 미치지 않는 범위에서 모델을 수정하였다. 격자 구성이 많이 생기는 DC, A/Con 커넥터와 Main-Body 커넥터의 굴곡부분 및 홈이 파인부분을 단순하게 수정을 하였으며 특히 작은 돌기와 같이 불필요한 부분을 제거하였다.
- 실제 DC로 동작하는 커넥터의 고주파 특성을 해석하기 위해 시뮬레이션 상에서 커넥터 단자에 AC 전원을 입력하였다. 시뮬레이션 주파수 범위는 DC에서부터 1GHz까지 설정하였으며 DC 커넥터 단자와 A/Con 커넥터 단자간의 전달 특성, 반사 특성, 누화 특성, 방사성 방출 특성을 분석하였다. 하지만 커넥터의 전체 형상이 격자 구성을 분할하기에 어려운 곡면 형태로 되어 있었다.
- 시뮬레이션에서 이용된 Port는 총 4개이며 DC 커넥터의 (+)와 (-)단자를 Port1과 Port2로 지정하였고 A/Con 커넥터의 (+)와 (-)단자는 Port3과 Port4로 지정하였다. 실제 DC로 동작하는 커넥터의 고주파 특성을 해석하기 위해 시뮬레이션 상에서 커넥터 단자에 AC 전원을 입력하였다. 시뮬레이션 주파수 범위는 DC에서부터 1GHz까지 설정하였으며 DC 커넥터 단자와 A/Con 커넥터 단자간의 전달 특성, 반사 특성, 누화 특성, 방사성 방출 특성을 분석하였다.
- 국내에서도 이러한 추세에 적극적으로 대응하여 나름대로의 데이터를 확보할 필요가 있다. 이러한 관점에서 본 논문에서는 전기 자동차의 주요 전장품 중 하나인 고전압 커넥터의 전자기 특성을 실험 및 시뮬레이션을 통하여 분석, 그 결과를 비교 하였으며 복잡한 커넥터 구조에서의 3차원 시뮬레이션 방법의 유효성을 검증하였다. 이번 연구에서 시도했던 분석 방법 및 결과는 전기 자동차의 커넥터뿐만 아니라 다른 전장품에 대한 3차원 모델링 및 전자기 해석에 좋은 선례가 될수 있을 것으로 생각된다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 커넥터는 많은 부품들이 이용되었고 개수는 총 71개이다. 그 중 유전체를 사용한 부품은 23개이고 도체를 사용한 부품은 48개 이다. 유전체와 도체를 합쳐서 전체 10개의 재료가 사용되었으며 재료 물성 정보를 표 1에 나타내었다.
- 그림 2는 Main-Body 커넥터의 주요 구성품을 나타내고 있다. 본 연구에 사용된 커넥터는 많은 부품들이 이용되었고 개수는 총 71개이다. 그 중 유전체를 사용한 부품은 23개이고 도체를 사용한 부품은 48개 이다.
- 본 연구에 사용된 하이브리드 자동차용 커넥터는 입력 측에 DC 전원을 전송 받아서 출력 측인 차량용 에어컨과 인버터로 DC전원을 전송 하는 역할을 한다. 커넥터의 전체 크기는 181mm×132mm×67mm(Width×Depth×Height)이다.
- 이 상용 프로그램을 이용한 커넥터의 3차원 모델은 그림 3과 같다. 시뮬레이션에서 이용된 Port는 총 4개이며 DC 커넥터의 (+)와 (-)단자를 Port1과 Port2로 지정하였고 A/Con 커넥터의 (+)와 (-)단자는 Port3과 Port4로 지정하였다. 실제 DC로 동작하는 커넥터의 고주파 특성을 해석하기 위해 시뮬레이션 상에서 커넥터 단자에 AC 전원을 입력하였다.
- 전원을 전송하는 핵심 역할을 하는 와이어는 동축선로 구조로 되어있어 재료의 종류와 구조에 따라 전기적 전송 특성이 변화한다. 와이어의 중심체(Core)는 표 1의 2번 재료가 사용 되었고 내부유전체(Inner dielectric)는 9번 재료가 사용 되었으며 외부유전체(Outer dielectric)는 10번 재료가 사용 되었다. 표 2는 와이어의 구조적 크기를 나타내고 있다.
- 그 중 유전체를 사용한 부품은 23개이고 도체를 사용한 부품은 48개 이다. 유전체와 도체를 합쳐서 전체 10개의 재료가 사용되었으며 재료 물성 정보를 표 1에 나타내었다. 전원을 전송하는 핵심 역할을 하는 와이어는 동축선로 구조로 되어있어 재료의 종류와 구조에 따라 전기적 전송 특성이 변화한다.
이론/모형
- 복잡한 형태와 분할된 구조를 가지는 대상의 3차원 해석을 위해 널리 사용되고 있는 2가지 방식은 유한 요소법(FEM : Finite Element Method)과 시간 영역 유한 차분법(FDTD : Finite Difference Time Domain Method)이 있다.[7] 본 연구에서는 하이브리드 자동차용 고전압 커넥터의 복잡한 구조의 전자기 해석을 위해 시간영역 유한차분법 기반인 독일 CST(Computer Simulation Technology)사의 MWS(Microwave Studio)를 이용하였다. 이 상용 프로그램을 이용한 커넥터의 3차원 모델은 그림 3과 같다.
- 여기서 광대역이라고 함은 자동차가 키 On 및 엔진 On이 되어 있는 상태를 지칭하며 협대역은 자동차가 키 On과 엔진 Off가 되어있는 상태를 말한다. 커넥터의 방사성 방출의 측정을 위해 1m측정법으로 Biconical antenna를 이용하여 전자파무향실에서 방사를 측정하였다. 그림 9은 커넥터의 실제 측정 모습이다.
- 현재 자동차 및 전장품에 관한 EMC 국제 규격은 ISO(International Organization for Standardization), CISPR(Comite International Special des Perturbations Radioelectriques)등이 있으며, 본 연구에서 사용된 규격은 현재 규격 검토중인 "자동차 및 불꽃점화 엔진구동 기기류 기술기준 및 시험 방법/KN 41"을 사용하였다.
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