선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 기존의 하이브리드 전기 추진 차량 개발과정은 운전 전력에만 집중되었으며, 본 연구의 목적은 이를 보완하기 위해 대용량의 고기동 하이브리드 배터리 개발을 통해 연속적인 전력 소모가 발생할 때와 순간적으로 높은 전력을 요구하는 특수임무 상황 속에서도 안정적으로 전원을 공급받을 수 있도록 하는 것이다.
- 본 연구에서는 HEV에 필수적인 대용량 고전압 배터리 팩을 개발함에 있어 극한 야전환경에서도 안전하고 안정적으로 전원을 공급할 수 있도록 설계하고 운용 요구 환경 분석과 동특성 해석을 통해 진동/충격 저감 방안 적용을 검토하고, 이를 실물 제작을 통해 검증하는 연구를 수행하였다.
- 본 연구에서는 넓은 영역에서 가진을 받으며 야전 환경에서 운용되는 특수 임무 차량 (HEV)에 전원을 안정적으로 공급할 수 있는 안정적 배터리팩 개발을 위한 진동/충격 절연 방법을 제안하였다.
제안 방법
- 또한, 충격 입력에 대한 절연이 이루어질 수 있는지를 확인하였다. 톱니파 충격 입력 (20 g, 11 msec)에 대한 충격 절연 여부는 Fig.
- 먼저 배터리 팩의 크기 및 무게 등의 요구 제한사항을 토대로 형상 디자인을 하고, 제안 모델에 대한 동특성 해석을 실시하였다. 운용될 환경에서 예상되는 진동 및 충격 조건을 부여한 강제 응답 해석을 실시하였으며, 응답이 크게 발생하여 추가적인 진동/충격이 필요할 것으로 판단되어 진동과 충격을 동시에 절연할 수 있는 절연기를 선정하였다.
- 이와 같은 환경 속에서 운용될 수 있도록 배터리 팩을 개발하기 위해 먼저 전체 배터리 팩의 동 특성을 파악하고, 진동/충격에 대한 적절성을 검토하였다. 배터리 모듈 자체는 상기 진동/충격 시험을 통해 사전에 검증이 완료된 상태이며 전체 배터리 팩의 동특성 확인이 필요한 상태이며 해석 모델을 구성하기 위해 배터리 모듈은 자체 변형이 없는 집중질량으로 고려하였다.
- 배터리 팩에 대한 동특성을 검증하기 위해 Fig. 15에 보는 것과 같이 각 축 별로 진동과 충격에 대한 환경 시험을 실시하였다. 실제 제작된 배터리 팩은 기타 성능시험을 위해 충전이 완료된 상태로서, 안전상의 문제로 배터리 모듈의 거동을 측정하기 곤란하여 전지 케이스에 센서를 부착하여 응답을 측정하였다.
- 배터리 팩의 효율적인 진동/충격 절연을 위해서는 절연기 적용이 필요하고, 절연기 적용 시 시스템 주파수가 약 20 - 25 Hz 근방에 있어야 하며, 야전 환경에서 운용될 수 있는 정도의 강도와 신뢰성을 보장하여야 한다. 본 연구에서는 각종 육상 해상 장비 콘솔 장비 및 항공기와 유도탄 전자부품에 적용하여 성능 검증이 완료된 컵 고정 형태의 절연기 (Cup mount type Isolator)를 고려하였다. 고려한 NC-2060 절연기는 진동 환경에서 최대 진동 허용하중이150lbs (68 kg)로 배터리 팩의 전체 무게를 고려할 때 절연기 한 개가 받는 하중이 약 39.
- 15에 보는 것과 같이 각 축 별로 진동과 충격에 대한 환경 시험을 실시하였다. 실제 제작된 배터리 팩은 기타 성능시험을 위해 충전이 완료된 상태로서, 안전상의 문제로 배터리 모듈의 거동을 측정하기 곤란하여 전지 케이스에 센서를 부착하여 응답을 측정하였다.13 환경 시험은 진동 시험 후 충격 시험 순서로 진행하였고, Fig.
- 먼저 배터리 팩의 크기 및 무게 등의 요구 제한사항을 토대로 형상 디자인을 하고, 제안 모델에 대한 동특성 해석을 실시하였다. 운용될 환경에서 예상되는 진동 및 충격 조건을 부여한 강제 응답 해석을 실시하였으며, 응답이 크게 발생하여 추가적인 진동/충격이 필요할 것으로 판단되어 진동과 충격을 동시에 절연할 수 있는 절연기를 선정하였다. 절연기의 절연 목표를 80%로 설정, 절연 목표 주파수를 계산하였다.
- 이와 같은 환경 속에서 운용될 수 있도록 배터리 팩을 개발하기 위해 먼저 전체 배터리 팩의 동 특성을 파악하고, 진동/충격에 대한 적절성을 검토하였다. 배터리 모듈 자체는 상기 진동/충격 시험을 통해 사전에 검증이 완료된 상태이며 전체 배터리 팩의 동특성 확인이 필요한 상태이며 해석 모델을 구성하기 위해 배터리 모듈은 자체 변형이 없는 집중질량으로 고려하였다.
- 절연기 적용 시 대용량 배터리 팩의 진동/충격 응답을 확인하기 위해 컵 고정형 절연기는 상용 프로그램인 Nastran의 부시 (Bush) 요소로 모델링 하였다. 적용된 절연기의 재질은 Hi-Damp Silicon으로, 감쇠율 (Damping Factor)은 최대 15%이며, 최대 전달률은 제조사의 제공 자료를 기초로 4를 적용하였다.
- 절연기 적용 시 대용량 배터리 팩의 진동/충격 응답을 확인하기 위해 컵 고정형 절연기는 상용 프로그램인 Nastran의 부시 (Bush) 요소로 모델링 하였다. 적용된 절연기의 재질은 Hi-Damp Silicon으로, 감쇠율 (Damping Factor)은 최대 15%이며, 최대 전달률은 제조사의 제공 자료를 기초로 4를 적용하였다.
- 운용될 환경에서 예상되는 진동 및 충격 조건을 부여한 강제 응답 해석을 실시하였으며, 응답이 크게 발생하여 추가적인 진동/충격이 필요할 것으로 판단되어 진동과 충격을 동시에 절연할 수 있는 절연기를 선정하였다. 절연기의 절연 목표를 80%로 설정, 절연 목표 주파수를 계산하였다. 선정된 절연기를 적용하여 목표 주파수에 매우 근접한 절연효과를 얻을 수 있음을 확인하였다.
- 따라서 진동 절연을 위한 목표 주파수는 배터리 팩의 1차 고유진동 수로 선정하였다. 진동 절연을 위한 절연기 효율은 통상적으로 70 - 90% 로 선정하는데, 본 연구에서는 80% 목표하여, 전달률을 0.2로 선정하였다.
대상 데이터
- MIL 규격에서 제시한 것과 같이 광범위한 진동 환경에서 운용되기 때문에 배터리 팩에 가장 영향을 주는 것은 진동 입력 시 배터리 팩의 동적 질량이 크게 발생하는 1차 고유 진동수이다. 따라서 진동 절연을 위한 목표 주파수는 배터리 팩의 1차 고유진동 수로 선정하였다. 진동 절연을 위한 절연기 효율은 통상적으로 70 - 90% 로 선정하는데, 본 연구에서는 80% 목표하여, 전달률을 0.
이론/모형
- 군용 구성품이 적용되는 환경 규격은 실제 운용 위치에서 측정한 진동/충격 값을 적용하는 Tailoring 기법을 기초로 한다. 그러나 실제 측정된 데이터가 없을 경우는 구성품이 탑재되는 장비의 종류 및 운용 환경에 따라 MIL 규격에서 요구하는 운용 조건을 적용한다.
성능/효과
- 또한 Table. 2와 Fig. 12에서 보는 것과 같이 절연기 적용 후 모드 형상과 모달유효질량이 크게 변경되었으며 저차모드에서는 배터리 팩 전체가 강체 모드 형태로 나타나는 것을 확인할 수 있다. 배터리 팩 자체의 강체 모드는 내부에 거의 영향을 주지 않는 것으로 예상할 수 있다.
- 13과 14는 MIL 규격을 인가한 경우의 진동과 충격에 대한 응답을 상용 프로그램을 이용하여 해석한 결과이다. 각 축 별로 절연기 적용 전 최대 응답이 나타난 주파수와 가속도 부분에서 절연기 적용 후 각각 응답이 줄어든 것을 확인할 수 있다.
- 기본 형상에 대하여 동특성을 확인한 결과 전체 동적거동에서 가장 큰 움직임을 나타내는 1차 고유진동수가 35.41 Hz이며, Fig. 3과 같이 배터리 팩 구조의 폭과 길이가 길고 높이가 낮아 상대적으로 강성이 약한 커버 중심부와 하부 케이스 중앙 부위의 진동이 크게 발생하는 것을 알 수 있다. 배터리 모듈이 조립되는 하부 케이스의 상대 변위가 크게 발생할 경우 모듈 고정부와 각종 PCB 부품에 손상이 예상되기 때문에 배터리 팩 중앙부 보강이 필요할 것으로 판단하였다.
- 배터리 모듈이 조립되는 하부 케이스의 상대 변위가 크게 발생할 경우 모듈 고정부와 각종 PCB 부품에 손상이 예상되기 때문에 배터리 팩 중앙부 보강이 필요할 것으로 판단하였다. 배터리 팩 중앙부의 강성을 키우기 위해, Fig. 4(a)와 같이 내부에 알루미늄 보강 바를 추가하고, 상부 케이스 내부 돌출 바를 추가하여 고유진동수를 약 35% 증가시킬 수 있었고, 추가적인 보완을 위해 배터리 팩 상하부를 바로 연결하고 배터리 팩이 차량에 고정되는 부위에 리브를 추가하는 등의 보완을 통해 고유진동수를 약 60%까지 증가시켰다.
- 절연기의 절연 목표를 80%로 설정, 절연 목표 주파수를 계산하였다. 선정된 절연기를 적용하여 목표 주파수에 매우 근접한 절연효과를 얻을 수 있음을 확인하였다. 실제로 배터리 팩을 제작하고 제안한 절연기를 적용하여 환경 시험을 실시하였으며, 시뮬레이션을 통해 예상된 바와 같이 진동 및 충격 저감이 적절히 이루어지는 것을 검증하였고, 각종 성능 시험을 통해 요구되는 환경 속에서 정상적으로 작동함을 확인하였다.
- 선정된 절연기를 적용하여 목표 주파수에 매우 근접한 절연효과를 얻을 수 있음을 확인하였다. 실제로 배터리 팩을 제작하고 제안한 절연기를 적용하여 환경 시험을 실시하였으며, 시뮬레이션을 통해 예상된 바와 같이 진동 및 충격 저감이 적절히 이루어지는 것을 검증하였고, 각종 성능 시험을 통해 요구되는 환경 속에서 정상적으로 작동함을 확인하였다.
- 3에 집중질량으로 적용한 배터리 모듈의 응답이 입력에 비해 크게 증폭되는 것을 시뮬레이션 결과를 통해 확인할 수 있다. 차량과 배터리 팩 결합 부위가 볼트 고정으로 이루어져 전달경로에서 절연 장치가 없이 외란 발생 시 시스템에 그대로 전달 또는 증폭되고 있으며, 특히, 배터리 팩의 1차 고유진동수 부근에서 응답이 크게 발생한 것으로 확인된다. 이 같은 결과로부터 야전에서 운용될 배터리 팩의 안정성 확보를 위해 진동 및 충격 절연이 필요할 것으로 판단하였다.
- 또한, 충격 입력에 대한 절연이 이루어질 수 있는지를 확인하였다. 톱니파 충격 입력 (20 g, 11 msec)에 대한 충격 절연 여부는 Fig. 7과 같이 정의 되는 R값, 즉 입력 파형의 주파수와 구조물의 고유진동수 비로 확인할 수 있는데, R 값이 약 0.51으로 충격도 어느정도 절연되는 것을 예상할 수 있어 절연 효과가 있음을 알 수 있다.7
후속연구
- 본 연구는 동력원을 다양화할 목적으로 소형전술차량을 HEV로 개발하는 동시에 관련 주요 구성품 개발이 이루어지고 있는 상황이기 때문에, 실제 운용될 차량의 진동/충격 값을 확보하고, 그 분석을 통한 진동/충격 규격화가 제한적이다. 실제 진동/충격 값 확보가 불가한 경우, MIL-STD-810G 규격에서 제안하는 여러 가지 형태의 차량 적용 규격을 활용할 수 있으며, 본 연구에서는 Fig.
- 차량과 배터리 팩 결합 부위가 볼트 고정으로 이루어져 전달경로에서 절연 장치가 없이 외란 발생 시 시스템에 그대로 전달 또는 증폭되고 있으며, 특히, 배터리 팩의 1차 고유진동수 부근에서 응답이 크게 발생한 것으로 확인된다. 이 같은 결과로부터 야전에서 운용될 배터리 팩의 안정성 확보를 위해 진동 및 충격 절연이 필요할 것으로 판단하였다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.