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문제 정의
- 본 논문에서는 수소 연료전지 차량에 적용 중인 고전압 케이블들과 일반 케이블들의 사양들을 조사하여 시변전자기장에 대하여 상용 전자기장 수치해석 툴을 사용하여 수치해석을 수행하고 그 결과를 분석하였다.
제안 방법
- 그러므로 수소 연료전지 차량의 케이블에 의한 EMI 세기를 예측하기 위해서는 고전압 케이블에 의한 EMI뿐만 아니라 일반 케이블에 의한 EMI 세기를 함께 분석 하여야 하고 이 분석을 통해 수소 연료전지 차량의 필수 시스템인 BOP 시스템과 차량 전체의 전자 시스템의 전자기적 안전성을 확보할 수 있다. 또한 고전압 케이블과 일반 케이블 중 전체 EMI 세기에 주된 노이즈 원을 분석함으로써 차량 설계 시에 설계 우선순위를 정할 수 있다.
- 차량 섀시 구조는 현재 수소 연료전지 차량과 동일한 크기와 구조를 갖는 SUV 구조를 선택하여 수치해석에 적용 하였다. 또한 차량 섀시의 재질은 해석의 용이성을 위해서 PEC로 설정하였다.
- 본 논문에서는 수소 연료전지 차량에 사용되는 고전압 케이블과 일반 케이블의 라우팅을 고려한 시변전자기장의 세기를 수치해석을 통해 분석하였다.
- 수소 연료전지 차량에서 사용되는 고전압 케이블과 일반 케이블에 의한 차량에서 EMI 세기를 구하기 위해 다음과 같은 방법으로 수치해석 조건을 설정하였다.
- 전기장과 자기장에 의한 이 핫 스팟들은 차량 섀시 접지의 무 결성에 나쁜 영향을 줄 수 있다. 수소 연료전지차량용 고전압 케이블들과 일반 케이블들에 의한 전자기장이 EMI에 얼마나 영향을 미치는지를 분석하기 위해서 앞선 경우와 동일하게 차량 EMI 세기를 수치해석 하였다.
- 접지 면에 의한 수소 연료전지 차량의 방사 영향을 분석하기 위해서 접지 면이 없는 경우를 선정하여 수소 연료전지 차량에 라우팅 되어 설치된 일반 케이블과 고전압 케이블만을 분석한다. 접지 면이 없는 전체 케이블 구조를 Fig.
- 8에 나타내었다. 접지면 효과 해석의 용이성을 고려하여 접지면의 재질을 PEC(perfect electric conductor)로 설정하였다.
- 이러한 전기장의 분포와 세기는 EMI에 영향을 주게 된다. 접지면의 효과를 정량적으로 분석하기 위해서 차량 EMI 측정 표준문서에 명시되어 있는 차량 EMI를 측정하는 시험 방법과 동일한 방법으로 수치해석 하였다. 이때 기준 안테나의 거리는 10m로 설정하였다.
- Table 1은 일반 케이블의 모델별 구조에 따른 물리적인 크기들을 나타내었다. 케이블 모델들의 제조사명들이 언급되는 것을 피하기 위해서 케이블 종류를 영문 기호로 분류 해 놓았다.
대상 데이터
- 5～6과 같게 설정 하였다. 차량 섀시 구조는 현재 수소 연료전지 차량과 동일한 크기와 구조를 갖는 SUV 구조를 선택하여 수치해석에 적용 하였다. 또한 차량 섀시의 재질은 해석의 용이성을 위해서 PEC로 설정하였다.
데이터처리
- 수소 연료전지 차량의 고전압 케이블과 일반케이블에 의한 차량 전자파 방사 시뮬레이션은 상용 전자기장 3D-EM 툴인 CST사의 Microwave studio와 cable studio Ver. 2010을 사용하여 분석하였다6).
성능/효과
- 1) 접지 면을 고려한 전체 케이블들에 의한 시변전자기장해석; 주파수에 따라 최대 16dB(500MHz에서), 최소 13dB(230MHz에서)의 차이가 나타남을 확인 할 수 있었으며, 이러한 차이 접지 면에 의한 임피던스 정합 이론으로 설명 되어질 수 있으며, 부 정합 된 크기에 따라 전체적인 EMI 세기가 변하기 때문이다.
- 2) 수소 연료전지 차량 섀시를 고려한 전체 케이블들에 의한 시변전자기장해석; 전체 케이블 라우팅 중에 일반 케이블 라우팅만 적용된 경우에는 전체 케이블 라우팅과 비교해서 주파수에 따라 최대 54dB(230MHz에서), 최소 41dB(30MHz에서)의 차이가 나타난다.
- 게다가, 수소연료 전지 차량에는 기존의 차량들에 설치되어 있는 안전장치들과 엔포테인먼트(entertainment와 information의 합성어) 장치 등을 위한 일반 신호 케이블들과 전원(12V)케이블들도 존재한다. 그러므로 수소 연료전지 차량의 케이블에 의한 EMI 세기를 예측하기 위해서는 고전압 케이블에 의한 EMI뿐만 아니라 일반 케이블에 의한 EMI 세기를 함께 분석 하여야 하고 이 분석을 통해 수소 연료전지 차량의 필수 시스템인 BOP 시스템과 차량 전체의 전자 시스템의 전자기적 안전성을 확보할 수 있다. 또한 고전압 케이블과 일반 케이블 중 전체 EMI 세기에 주된 노이즈 원을 분석함으로써 차량 설계 시에 설계 우선순위를 정할 수 있다.
- 이러한 수치해석 결과들을 통해 충분히 고전압 케이블과 일반 케이블들에 의한 수소 연료전지 차량의 EMI 레벨을 예측 할 수 있었다. 또한 고전압 케이블의 전자기장 차폐 제 사용과 접지면 효과를 고려한 고전압 케이블 라우팅의 중요성, 차량 전체 케이블 라우팅 설계 시 고전압 케이블의 설계 우선순위의 중요성을 확인 할 수 있었다.
- 7은 100MHz에서 일반 케이블과 고전압 케이블에 의해서 발생하는 전기장의 분포를 각 평면 별로 나타내었다. 수치해석 결과에서 알 수 있듯이 전기장의 최대 세기는 편조 체의 사용에도 불구하고 고전압 케이블 주위에서 나타나며, 일반 케이블의 경우에는 전체 전기장의 분포에 크게 영향을 미치지 못함을 확인 할 수 있다.
- 이러한 수치해석 결과들을 통해 충분히 고전압 케이블과 일반 케이블들에 의한 수소 연료전지 차량의 EMI 레벨을 예측 할 수 있었다. 또한 고전압 케이블의 전자기장 차폐 제 사용과 접지면 효과를 고려한 고전압 케이블 라우팅의 중요성, 차량 전체 케이블 라우팅 설계 시 고전압 케이블의 설계 우선순위의 중요성을 확인 할 수 있었다.
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