[논문]전기자동차용 조향장치 제어 ECU 구조의 열해석에 관한 실험적 연구

김해지

doi:10.14775/ksmpe.2015.14.5.113

문제 정의

그리고 ECU구조의 열해석 특성은 적용온도에 따른 온도분포, 열흐름, Von Mises stress, 전체 변형량 및 간이 시험에 따른 유닛의 외부 온도 측정 등을 통하여 설계된 ECU 유닛의 열특성을 평가하고자 하였다.
본 논문에서는 ECU 유닛의 열해석을 위해 히트싱크 구조가 있는 ECU상부 판만 열해석을 수행하였다. Fig.
본 논문에서는 전기자동차의 조향장치 제어를 위한 ECU 구조의 내부 온도에 따른 열해석 특성에 실험적으로 수행되었다. 열해석을 위해 ECU 상부 판에 8개의 히트 싱크를 가지는 ECU 유닛을 설계하였으며, ECU 구조의 열해석 특성은 적용온도에 따른 온도분포, 열흐름, Von Mises stress, 전체 변형량 및 간이 시험에 따른 유닛의 외부 온도 측정 등을 통하여 설계된 ECU 유닛의 열특성을 평가하였다.
본 논문에서는 전기자동차의 조향장치 제어를 위한 ECU 구조의 내부 온도에 따른 열해석 특성에 관한 것이다.

제안 방법

ECU 구조의 온도에 따른 열해석을 하기위해 ECU 상부 판에 8개의 히트 싱크를 가지는 ECU 유닛을 설계하였다.
Nastran for windows 2004를 사용하였으며 열해석 조건으로 외부 온도는 25℃를 적용하였으며, 내부 온도는 40℃, 60℃ , 80℃, 100℃, 120℃ 등을 적용하여 열해석을 수행하였다. ECU 상부 판의 열해석은 온도분포, 열흐름, Von Mises stress, 전체 변형량 등으로 결과를 고찰하였다.
ECU 상부 판의 열해석을 위해 MSC.Nastran for windows 2004를 사용하였으며 열해석 조건으로 외부 온도는 25℃를 적용하였으며, 내부 온도는 40℃, 60℃ , 80℃, 100℃, 120℃ 등을 적용하여 열해석을 수행하였다. ECU 상부 판의 열해석은 온도분포, 열흐름, Von Mises stress, 전체 변형량 등으로 결과를 고찰하였다.
1에서는 CATIA V5 프로그램을 사용하여 설계된 자동차용 ECU 유닛의 3차원 형상을 나타내고 있다. ECU 유닛은 그림에서 보는 바와 같이 상부 판과 하부 판으로 구성되며 상부 판에서는 냉각방식이 펜에 의한 강제대류 냉각보다는 히트 싱크(heat sink)에 의한 자연대류 방식을 적용하여 설계하였다. 히트 싱크는 ECU 유닛의 크기와 조립공간을 고려하여 1개의 히트 싱크의 폭은 4mm, 높이 13mm로 총 8개의 히트 싱크를 가지는 구조로 설계하였다.
을 사용하여 유닛의 상부 판과 하부 판의 ECU NC 제작과정에 대한 공정 설계를 나타내고 있다. ECU 유닛의 가공공정 설계에서는 상부 판 1공정과 2공정, 하부 판 1공정과 2공정으로 구분하여 공정을 설계하였다.
Fig. 6에서부터 Fig. 9까지는 ECU상부 판의 외부 온도 25℃와 내부 온도 40, 60, 80, 100, 120℃ 등을 적용하여 각각의 내부온도에 따른 온도분포, 열흐름, Von Mises stress, 전체 변형량 등을 비교하였다.
그리고 간이 시험에 의한 ECU 유닛의 온도 측정결과를 통하여 히트 싱크 구조에 따른 온도 저감 효과를 확인하였다.
본 논문에서는 전기자동차의 조향장치 제어를 위한 ECU 구조의 내부 온도에 따른 열해석 특성에 실험적으로 수행되었다. 열해석을 위해 ECU 상부 판에 8개의 히트 싱크를 가지는 ECU 유닛을 설계하였으며, ECU 구조의 열해석 특성은 적용온도에 따른 온도분포, 열흐름, Von Mises stress, 전체 변형량 및 간이 시험에 따른 유닛의 외부 온도 측정 등을 통하여 설계된 ECU 유닛의 열특성을 평가하였다.
외부 표면의 온도 측정을 위해 휴대용 적외선 온도 측정기(FLUKE 62MAX)를 사용하여 300mm 거리에서 각 측정 위치별로 5회 측정하였다.
ECU 유닛은 그림에서 보는 바와 같이 상부 판과 하부 판으로 구성되며 상부 판에서는 냉각방식이 펜에 의한 강제대류 냉각보다는 히트 싱크(heat sink)에 의한 자연대류 방식을 적용하여 설계하였다. 히트 싱크는 ECU 유닛의 크기와 조립공간을 고려하여 1개의 히트 싱크의 폭은 4mm, 높이 13mm로 총 8개의 히트 싱크를 가지는 구조로 설계하였다.

성능/효과

ECU 상부 판의 열해석 결과를 바탕으로 내부에 적용된 온도는 ECU 상부 판의 히트 싱크의 온도분포, 열흐름, Von Mises stress, 전체 변형량 등에 대한 영향이 미미한 것을 확인할 수 있었다.
그림에서 보는 바와 같이 히트 싱크가 없는 ①번과 ②번의 표면온도는 평균 측정값으로 112℃ 나타났으며, 히트 싱크인 ③에서부터 ⑥번까지의 측정 위치에서는 평균 측정값으로 104℃로 나타남을 확인할 수 있었다. ECU 유닛의 외부 표면 온도 측정 결과를 통화여 히트 싱크 구조에 의한 온도 저감을 확인할 수 있었으며, 히트 싱크에 구조에 의한 자연대류 효과가 나타난 것으로 사료된다.
해석된 내부 온도 범위내에서의 온도분포는 그림에서 보는 바와 같이, ECU 상부 판의 외부 표면에 약 26℃로 일정하게 온도가 유지되는 것을 확인할 수 있었다. 열흐름의 해석 결과에서는 내부 온도 40℃에서부터 120℃까지 온도 구간별로 약 2.35 J/mm²의 열흐름이 일정하게 증가함을 확인할 수 있었다. 그림에서 보는 바와 같이, 열흐름은 ECU 상부 판의 측면과 상부 면의 방향으로 흐르는 경향을 보였고, 히트 싱크 부는 온도에 따른 열흐름은 영향이 없음을 알 수 있었다.
그림에서 보는 바와 같이, 열흐름은 ECU 상부 판의 측면과 상부 면의 방향으로 흐르는 경향을 보였고, 히트 싱크 부는 온도에 따른 열흐름은 영향이 없음을 알 수 있었다. 이러한 열흐름의 결과는 8개의 히트 싱크부가 자연대류에 의한 냉각효과를 유지할 것으로 사료된다.
으로 일정하게 열응력이 유지됨을 확인할 수 있었다. 전체 변형량의 해석결과에서는 해석된 온도 범위내에서는 최소 0.12mm에서부터 최대 0.12 mm의 변형을 보였다 그러나 해석된 온도 범위내에서는 약 267 N/mm²으로 일정하게 열응력이 유지됨을 확인할 수 있었다. ECU 상부 판의 열해석 결과를 바탕으로 내부에 적용된 온도는 ECU 상부 판의 히트 싱크의 온도분포, 열흐름, Von Mises stress, 전체 변형량 등에 대한 영향이 미미한 것을 확인할 수 있었다.
해석된 내부 온도 범위내에서의 온도분포는 그림에서 보는 바와 같이, ECU 상부 판의 외부 표면에 약 26℃로 일정하게 온도가 유지되는 것을 확인할 수 있었다. 열흐름의 해석 결과에서는 내부 온도 40℃에서부터 120℃까지 온도 구간별로 약 2.

후속연구

향후, 시험장치 구축을 통한 추가적인 ECU 유닛의 내부온도의 변화에 따른 온도 특성시험을 진행하고자한다.

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