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
- 본 개발의 목표는 양산 차량에 적용 할 수 있는 성능과 내구성을 확보한 컨버터를 개발하는데 있으며, 동시에 제품의 단가 경쟁력 및 제조 수율을 고려하여 개발 하는 것이다. 따라서 개선 선정된 하우징 구조를 다이캐스팅 가공법에 맞추어 최적화 시킬 필요가 있다.
- 본 논문에서는 HEV용 DC-DC 컨버터에 적합한 전기적 사양 및 외관을 선정한 후 주요 발열 소자의 열 손실을 적용하여 열 해석 시뮬레이션 프로그램인 Icepak의 결과를 하우징 구조 설계에 활용한 사례를 보고 하였다. 개발 컨버터의 최대 용량은 1.
제안 방법
- 두 번째 단계는 초도 열 해석 단계를 통해 하우징 구조를 제외한 시뮬레이션 변수를 고정한 상태에서 Bottom-Side의 방열 핀의 두께, 간격을 다양하게 변화 시켜 가면서 주요 부품들의 온도 변화를 비교 하였다. 상대 비교한 열 해석 결과와 무게 계산 자료를 기준으로 최종 두께 1.
- 시제품의 측정 오차 등을 감안할 경우 열 해석 결과의 신뢰도가 비교적 높다고 할 수 있다. 따라서 초도 열 해석의 주요 특성 변수들을 고정 하고 하우징의 구조만을 변경하면서 그 결과를 비교할 수 있을 것으로 판단된다.
- 회로 시뮬레이션 및 손실 계산을 통해 주요 발열 소자의 손실은 각각 표2와 같이 예상 할 수 있으며 열 해석을 위한 손실값으로 사용하였다. 또한 본 논문에서는 주요 부품의 열전도율 및 비열, 밀도 등은 제조업체의 사양을 참조 하였다.
- 5mm로 임의 선정하여 시뮬레이션 하였다. 시뮬레이션은 입력 150VDC, 출력1.5kW, 주변온도 27℃, Air-flow 55CMH 조건으로 실시하였다.
- 열 해석의 첫 번째 단계는 각 주요 부품들의 손실 및 부품 사이즈를 고려하여 Top-Side의 배치를 설계한 후 Bottom-Side의 방열 핀 구조를 임의로 선정 하였다. 임의 선정된 설계 구조를 이용하여 초도 시제품을 제작하였고 열 해석 결과와 초도 시제품의 결과를 비교하였다.
- 열 해석의 첫 번째 단계는 각 주요 부품들의 손실 및 부품 사이즈를 고려하여 Top-Side의 배치를 설계한 후 Bottom-Side의 방열 핀 구조를 임의로 선정 하였다. 임의 선정된 설계 구조를 이용하여 초도 시제품을 제작하였고 열 해석 결과와 초도 시제품의 결과를 비교하였다. 한편 손실을 제외한 시뮬레이션 변수는 초도 열 해석 과정에서 일부 선정 후 고정 하였고, 초도 열 해석 결과와 초도 시제품의 열 특성을 평균 ±5℃이내의 오차로 고정하여 표준 열 해석 변수 기준을 확정하였다.
- 주변 회색 영역은 차량 내의 다른 부품들이 밀집되어 있는 구조를 나타낸 것이며 Cooling Module을 통해 발생된 Air-flow는 각 차량 부품들과 bracket등을 통해 손실 없이 Radiation Stage의 방열 핀을 통해서만 흐른다. 주요 발열 소자는 1차 측 회로 군과 2차 차 측 회로 군의 루프 구조에 맞추어 그림2.b와 같이 배치되었으며 2차 측 다이오드 측은 100A 이상의 대 전류가 흐르기 때문에 Bussbar를 이용하여 설계 하였다. 그림의 점선은 Current-flow를 간단하게 나타낸 것이다.
- 하우징 구조 변경에서 높이와 길이는 컨버터의 허용 부피의 최대 범위로 선정한 후 두께와 간격을 최적화시키기 위한 방향으로 검토 하였다. 따라서 높이 25mm, 길이 160mm를 고정 값으로 선정 하였다.
- 한편 손실을 제외한 시뮬레이션 변수는 초도 열 해석 과정에서 일부 선정 후 고정 하였고, 초도 열 해석 결과와 초도 시제품의 열 특성을 평균 ±5℃이내의 오차로 고정하여 표준 열 해석 변수 기준을 확정하였다.
대상 데이터
- 하우징 구조 변경에서 높이와 길이는 컨버터의 허용 부피의 최대 범위로 선정한 후 두께와 간격을 최적화시키기 위한 방향으로 검토 하였다. 따라서 높이 25mm, 길이 160mm를 고정 값으로 선정 하였다. 그림5는 핀 간격을 임의로 3mm로 고정하고 핀 두께를 0.
- 열 해석 시뮬레이션을 위해서는 부피 조건 및 손실 조건이 가장 우선적으로 필요하다. 본 개발의 경우 Power Stage의 높이가 40mm 이내이며 Radiation Stage의 경우는 높이 25mm, 가로 140mm, 세로 162mm 이내의 공간에서 설계해야 한다.
- 본 논문에서 개발한 DC-DC 컨버터의 사양은 소형, 준중형 차량에 적합한 전기적 용량이며 세부적인 사양은 표1과 같다.
- 두 번째 단계는 초도 열 해석 단계를 통해 하우징 구조를 제외한 시뮬레이션 변수를 고정한 상태에서 Bottom-Side의 방열 핀의 두께, 간격을 다양하게 변화 시켜 가면서 주요 부품들의 온도 변화를 비교 하였다. 상대 비교한 열 해석 결과와 무게 계산 자료를 기준으로 최종 두께 1.5mm, 간격 3mm의 방열 핀 구조를 선정 하였다. 선정된 하우징 구조의 열 해석 결과와 이를 토대로 제작된 개선 하우징 시제품의 열 특성 비교 결과 전반적으로 ±5℃ 이내의 오차를 확인 하였고 초도 시제품 대비 10~15℃의 온도 개선 효과를 확인 하였다.
- 아래 그림3은 각 부품의 손실과 사이즈를 고려하여 설계된 하우징 Top-Side 설계 결과의 3D 모델링과 열 해석 모델링 이다. 초도 열 해석 시 하단 방열 핀은 최대 무게 사양을 고려하여 핀 두께 2mm, 간격 7.5mm로 임의 선정하여 시뮬레이션 하였다. 시뮬레이션은 입력 150VDC, 출력1.
이론/모형
- 이와 같은 사양을 만족하기 위해서 DC-DC 컨버터의 회로 방식은 그림1 과 같은 Isolation Phase Shift Full-Bridge Topology를 적용하였다. Full-Bridge Topology의 주요 발열 소자는 1차 측 FET 4개, Transformer(변압기), Resonant Choke(공진쵸크), 2차 측 Diode 와 Output Choke(출력쵸크)로 구성된다.
- Full-Bridge Topology의 주요 발열 소자는 1차 측 FET 4개, Transformer(변압기), Resonant Choke(공진쵸크), 2차 측 Diode 와 Output Choke(출력쵸크)로 구성된다. 특히 2차 측 정류 회로는 Center-Tap 방식을 사용하였으며 출력 전류 용량과 발열 특성을 고려하여 2개의 Diode를 사용하였다.
성능/효과
- 또한 본 개발에서는 1차 초도 시제품 제작, 2차 개선 하우징 시제품 제작의 밀링 가공 샘플 단계를 통해 한정된 공간 내에서의 효율적인 구조를 선별 할 수 있었다. 게다가 열 해석 시뮬레이션의 다양한 결과를 토대로 수개월의 금형 제작 기간이 필요한 다이캐스팅 하우징 설계를 시행착오 없이 개발 할 수 있었으며 이를 통해서 개발비용 및 개발 기간의 효율을 향상 시킬 수 있었다.
- 따라서 열 해석 결과가 하우징 구조 변화에 따른 컨버터의 온도경향을 판단하기에 무리가 없음을 재차 확인할 수 있다. 또한 개선 시제품의 온도가 초도 시제품의 온도 대비 평균 10~15℃ 개선 된 것을 알 수 있고 열 해석을 통해 선정된 구조가 열 특성 개선에 효과적인 것을 확인 할 수 있다.
- 따라서 본 개발에서 적용한 사례의 경우처럼 주요 발열 소자의 손실 적용과 초도 설계 동기화 작업등의 비교적 간단한 작업을 통해서도 기구물의 구조나 배치, 부품의 손실 등에 따른 상대적인 열 특성 변화를 효과적으로 예측할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 본 개발에서는 1차 초도 시제품 제작, 2차 개선 하우징 시제품 제작의 밀링 가공 샘플 단계를 통해 한정된 공간 내에서의 효율적인 구조를 선별 할 수 있었다. 게다가 열 해석 시뮬레이션의 다양한 결과를 토대로 수개월의 금형 제작 기간이 필요한 다이캐스팅 하우징 설계를 시행착오 없이 개발 할 수 있었으며 이를 통해서 개발비용 및 개발 기간의 효율을 향상 시킬 수 있었다.
- 또한 제작 된 초도 시제품의 무게를 분석한 결과 표4와 같이 각종 부품 및 Top-cover의 무게가 1130g, 하우징 무게가 630g 이었으며 목표 사양 범위 내에서 하우징을 최적화 시킬 수 있는 무게 마진은 240g이며 최종 870g 이하로 설계되어야 한다.
- 마지막 단계로, 선정된 하우징 구조를 다이캐스팅 가공법에 적합하게 수정 한 후 열 특성을 확인 하였고 마찬가지로 열 해석 결과와 실제 제품과의 편차가 ±5℃ 내외인 것을 확인 할 수 있었다.
- 선정된 하우징 구조의 열 해석 결과와 이를 토대로 제작된 개선 하우징 시제품의 열 특성 비교 결과 전반적으로 ±5℃ 이내의 오차를 확인 하였고 초도 시제품 대비 10~15℃의 온도 개선 효과를 확인 하였다.
- 이와 같은 열 해석 결과를 토대로 하우징의 구조를 선정 할 경우 두께 1.5~2.0mm, 간격 2.5~3.0mm가 적절 하다는 것을 알 수 있다. 이때 각 경우의 무게를 분석 해 보면 표5와 같이 예상 할 수 있고 최종 무게 사양을 만족하기 위해서는 870g 이하로 설계 되어야 하므로 두께 1.
- 이는 방열 핀의 구배 구조의 차이와 다이캐스팅 가공법의 특성상 하우징의 밀도가 미소하게 차이가 나는 것이 원인으로 판단된다. 최종 제작된 다이캐스팅 시제품은 총 무게 2kg이하, 부피 2.5L이하로 개발 되었으며 동작 온도 범위에서 안정적으로 동작하는 것을 확인 할 수 있었다
- 표6은 주요 부품의 온도 결과이며 열 해석 결과와 실제 시제품의 열 특성 차이는 ±5℃내외로 열 해석 결과의 활용이 타당한 것을 알 수 있다.
후속연구
- 따라서 본 개발에서 적용한 사례의 경우처럼 주요 발열 소자의 손실 적용과 초도 설계 동기화 작업등의 비교적 간단한 작업을 통해서도 기구물의 구조나 배치, 부품의 손실 등에 따른 상대적인 열 특성 변화를 효과적으로 예측할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 본 개발에서는 1차 초도 시제품 제작, 2차 개선 하우징 시제품 제작의 밀링 가공 샘플 단계를 통해 한정된 공간 내에서의 효율적인 구조를 선별 할 수 있었다.
- 따라서 열 해석 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 예상되는 손실과 주변 조건을 적용하고 초도 시제품의 열 특성과 열 해석 결과를 동기 시킬 수 있다면 다양한 구조의 열 해석 결과를 빠른 시간 안에 얻을 수 있을 것이며 그 결과를 상대적으로 비교하여 우월한 구조를 최종 제품에 적용 할 수 있을 것이다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.