[논문]친환경 전기 하이브리드 자동차용 마그네슘 다이캐스팅 인버터 하우징의 열방출 특성

조인성; 한요섭; 이승재; 이병준

doi:10.7777/jkfs.2018.38.3.60

친환경 전기 하이브리드 자동차용 마그네슘 다이캐스팅 인버터 하우징의 열방출 특성
Study on the Heat Dissipation Behavior of Diecast Mg Inverter Housing for Eco-friendly Hybrid Vehicles 원문보기

한국주조공학회지 = Journal of Korea Foundry Society, v.38 no.3, 2018년, pp.60 - 65

조인성 (한국생산기술연구원) , 한요섭 ((주)인지AMT) , 이승재 (한국생산기술연구원) , 이병준 (한국생산기술연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

In the present study, the characteristics of Mg inverter cases for hybrid cars are investigated. Concerns over the use of lightweight materials to reduce energy use and to mitigate emission problems are inevitable in the twenty-first century. Magnesium is a promising material for the manufacturing of lightweight parts. Several cases for thermal cooling channels have been designed and simulated, and the effects of materials and coatings on the thermal cooling efficiency have been discussed. The effects of the coating thickness on heat extraction in an Mg inverter housing case using the PEO (plasma electrolyte oxidation) coating method were also discussed. In order to produce an inverter case by the diecasting process, the filling sequence and cooling behavior during the diecasting process were simulated. The optimized process conditions from the simulation result were then used in a trial diecasting experiment.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 친환경 하이브리드 자동차용 인버터 하우징을 대항으로 알루미늄 및 마그네슘 다이캐스팅 제품을 시사출하고 이에 대한 열방출 능력을 실험하였다. 또한 필수적으로 요구되는 표면처리 방법에 대한 결과를 보였으며, 이에 따른 열방출 효과에 대하여 고찰하였다.
본 논문에서는 친환경 하이브리드 자동차용 인버터 하우징을 대항으로 알루미늄 및 마그네슘 다이캐스팅 제품을 시사출하고 이에 대한 열방출 능력을 실험하였다. 또한 필수적으로 요구되는 표면처리 방법에 대한 결과를 보였으며, 이에 따른 열방출 효과에 대하여 고찰하였다.
본 연구에서는 경량화를 위한 하이브리드 차량용 마그네슘 인버터 하우징을 다이캐스팅 공법을 통하여 제작하였으며, 이에 따른 열방출 효과 및 성형성을 검토하였다.

가설 설정

1bar 정도로 나타나고 있다. 압력 손실은 전체 냉각수 설계에 중요하며, 가능한 압력손실을 줄이는 방향으로 냉각 채널을 설계하여야 한다. 압력손실을 줄일 수 있는 방법으로는 냉각채널의 길이를 감소시키는 방법과, 냉각채널의 모양을 곧은 직선 모양으로 바꾸는 방법이 있다.
마그네슘 제품을 자동차 모듈에 적용시킬 경우 타 부품의 재료의 차이(알루미늄 등)으로 인한 전해전압 차가 발생하여 부식이 가속되는 현상이 나타난다. 이를 방지하기 위한 표면피막 형성은 필수적이다. 본 연구에서는 마그네슘 다이캐스팅에 적합한 PEO 코팅법을 선정하고 실험하였다.

제안 방법

시뮬레이션 결과를 바탕으로 다이캐스팅 금형을 제작하였으며, 시사출 실험을 통한 알루미늄 및 마그네슘 인버터 하우징을 제조하였다. Fig.
알루미늄 및 마그네슘 인버터 하우징 시사출 전 게이트, 오버플로우 등의 주조방안 설계 검증을 위하여 충전 및 응고해석을 실시하였다. Fig.
인버터 하우징의 냉각채널 해석을 위해 냉각채널을 포함한 인버터 하우징의 3차원 모델을 작성하고, 이를 해석에 응용하였다. 하우징에는 인버터와 파워모듈이 장착되게 되며, 각각의 출력파워가 다르다.

대상 데이터

12는 내부기포결함 관찰을 위한 CT 촬영을 실시하였다. CT는 한국생산기술연구원의 Rayscan 250E를 사용하였으며, 내부 기포는 발생되지 않았다. 특히 시뮬레이션에서 걱정되었던 중간 air고립부의 기포결함이 관찰되지 않아, 양호한 제품을 생산할 수 있는 조건이 마련됨을 알 수 있었다.
하이브리드카는 엔진 및 구동구조에 하이브리드 고유의 부품과 기능이 필수적으로 요구된다. 하이브리드 자동차 엔진은 구동모터, 배터리, 인버터, 컨버터 등으로 구성되는데[2], 본 논문에서 연구한 제품은 인버터의 하우징으로 각종 전류변환 및 전자기반도체로 구성된 내부품을 보호하고 각종 연결 기능부품을 체결, 보강해 주는 역할을 한다. 특히 전류변환에 따른 고열을 신속하고 적정한 온도로 수냉하는 고 기밀성 방열성을 핵심 기능으로 하여 차량부품으로서 장기 내구성과 성능의 신뢰성이 요구되는 정밀 안전구조용 기능성 케이스이다.
사용된 냉각수의 재질은 부동액인 A-105를 사용하였으며, 냉각채널과 부품의 계면열전달 계수를 계산하기 위하여 MEGlobal의 자료[3]를 참고하여 식(1)을 적용하였다.

데이터처리

발열부의 사이즈 및 위치를 정확하게 해석에서 반영하여 계 을 하였다. 프로그램은 COMSOL Multiphysics 4.0a를 사용하였으며, 계산에 사용된 해석모듈은 Conjugate Heat Transfer 를 사용하였다.

이론/모형

이를 방지하기 위한 표면피막 형성은 필수적이다. 본 연구에서는 마그네슘 다이캐스팅에 적합한 PEO 코팅법을 선정하고 실험하였다. PEO (Plasma Eletrolyte Oxidation) 코팅법은 전해액에 고전압의 전류를 부하하여 금속표면에 플라즈마를 생성시켜 치밀하고 밀착성이 우수한 피막을 형성시키는 기술이다.

성능/효과

1) 냉각채널의 냉각능 시뮬레이션 결과를 통해서, 알루미늄 소재보다 마그네슘 소재가 약 25%정도 온도상승이 있었음을 확인하였으며, 시뮬레이션 냉각능과 실험을 통한 결과가 비교적 잘 일치함을 알 수 있으며, 이에 따라 시뮬레이션에 의한 냉각채널 설계의 타당성을 검증하였다.
2) 마그네슘 인버터 하우징의 경우 알루미늄 대비 약 34%의 경량화 효과가 있음을 확인하였다.
3) 마그네슘 인버터 하우징의 코팅방법으로 PEO법을 선정하였으며, 온도와 코팅두께에 따라 열전도도가 변화함을 알 수 있었다.
4) 충전 시뮬레이션을 통해 최적의 다이캐스팅 게이트 방안을 수립하여 결함없는 생산방안을 수립할 수 있었다.

후속연구

압력손실을 줄일 수 있는 방법으로는 냉각채널의 길이를 감소시키는 방법과, 냉각채널의 모양을 곧은 직선 모양으로 바꾸는 방법이 있다. 본 설계에서의 냉각 채널은 일부분이 물결모양의 채널로 구성되어 있으므로, 압력손실을 줄이기 위하여 주름부분을 일직선을 재설계 하면 압력손실을 줄이고, 냉각능을 개선시키는 효과도 얻을 수 있으리라 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PEO (Plasma Eletrolyte Oxidation) 코팅법이란?	본 연구에서는 마그네슘 다이캐스팅에 적합한 PEO 코팅법을 선정하고 실험하였다. PEO (Plasma Eletrolyte Oxidation) 코팅법은 전해액에 고전압의 전류를 부하하여 금속표면에 플라즈마를 생성시켜 치밀하고 밀착성이 우수한 피막을 형성시키는 기술이다.
	인버터의 하우징의 역할은?	하이브리드카는 엔진 및 구동구조에 하이브리드 고유의 부품과 기능이 필수적으로 요구된다. 하이브리드 자동차 엔진은 구동모터, 배터리, 인버터, 컨버터 등으로 구성되는데[2], 본 논문에서 연구한 제품은 인버터의 하우징으로 각종 전류변환 및 전자기반도체로 구성된 내부품을 보호하고 각종 연결 기능부품을 체결, 보강해 주는 역할을 한다. 특히 전류변환에 따른 고열을 신속하고 적정한 온도로 수냉하는 고 기밀성 방열성을 핵심 기능으로 하여 차량부품으로서 장기 내구성과 성능의 신뢰성이 요구되는 정밀 안전구조용 기능성 케이스이다.
	현재 국내 자동차업체에서는 최초로 가솔린 적용 하이브리드 중형차로서 알루미늄 소재 인버터에 대한 연구가 진행되고 있는데 이것이 시사하는 바는?	현재 국내 자동차업체에서는 최초로 가솔린 적용 하이브리드 중형차로서 알루미늄 소재 인버터가 국가적인 관심과 업계의 집중된 노력과 연구개발로 진행되고 있다. 이 경우 이미 세계적으로 하이브리드카 인버터 하우징에 사용화되고 있는 알루미늄 소재 인버터 하우징에 대해서 소재 경량화를극대화하여 차량의 성능과 고효율 친환경성의 고도화를 추구하는 새로운 극한의 신기술이 소재기술적인 측면에서 매우 중요하다. 하이브리드 자동차는 전류 변환시 발생하는 다량의 발열을 발생하므로 이에 대한 효과적으로 제어 방열기능이 요구되며 전자기 차페로 안정된 작동환경을 보전하며 경량화를 이루어 중량 증가를 최소화하면서 차량의 방진, NVH 등 의 기능이 필수이며 본 기능들에 가장 적합한 소재가 알루미늄이나 제품의 경량화를 위해 마그네슘 소재로 변경이 필요하며 생산성과 가격을 따른 제조공법이 요구된다.

참고문헌 (3)

Exxonmobil, The Outlook for Energy: A View to 2040, Exxon Mobil Coperation, Texas, (2016) 25.
https://en.wikipedia.org/wiki/Hybrid_vehicle.
MEGlobal, Ethylene Glycol Product Guide, The MEGlobal Group of Companies, (2008).

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