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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.14 No.5 pp.113-119
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2015.14.5.113

Experimental Study on Thermal Analysis of Steering Control ECU Structure for Electric Vehicles

Hae-Ji Kim*#
*Department of Automotive Engineering, Gyeongnam National University of Science and Technology
Corresponding Author : khji@gntech.ac.kr
July 23, 2015 July 30, 2015 August 13, 2015

Abstract

The technical development of electric vehicles has been actively proceeding because of the reduction of oil resources and need for eco-friendly vehicle technology. In particular, an electronic control unit is an important element in the technology of electric vehicles due to the motor drive system. This paper concerns an experimental study on the thermal analysis of the steering control ECU structure for an electric vehicle. The ECU unit is designed for eight heat sinks for the thermal analysis of the ECU structure. The thermal analysis characteristics of the ECU structure are evaluated by the temperature distribution, heat flow, von Mises stress, total translation, and external surface temperature measurement of the ECU unit.


전기자동차용 조향장치 제어 ECU 구조의 열해석에 관한 실험적 연구

김 해지*#
*경남과학기술대학교 자동차공학과

초록


    1. 서 론

    친환경 측면과 석유자원의 감소에 따른 전기자동차의 기술개발이 활발히 진행되고 있다. 전기자동차에서는 동력원을 연료전지를 사용함으로써, 기존 연료를 사용하는 자동차와 비교하여 구조적으로 단순해지고 있다. 전기자동차의 구조는 크게 모터, 컨트롤러, 배터리 및 충전장치 등으로 구성되며 연로전지의 성능이 전기자동차의 주행 성능을 크게 좌우하게 된다.

    현재 일반적으로 자동차에 사용되는 ECU(electronic control unit) 유닛의 작동시 내부와 외부의 온도는 120℃이하로 온도가 유지되도록 설계기준이 결정되어 있다. 그리고 ECU 사용되는 열전소자들도 최대 120℃까지 고온을 견딜 수 있게 설계되어 상용화 되고 있다. 이러한 측면에서 전기자동차의 경우 고전류 사용에 따른 ECU 유닛의 열해석 특성이 ECU 유닛의 구조에 큰 영향을 미치고 있다. ECU 구조는 자동차의 역할과 엔진룸의 구조에 따라 다양하게 개발되고 있으며, Kim 등[1]은 유압 부분을 제거하고 모터와 ECU를 사용하여 각 바퀴를 제어하는 전자제동 장치용 ECU를 개발하여 특징을 연구하였다. Kim[2]은 EMC 노이즈 개선을 위한 Brake ECU의 설계 방안을 제시하였다. Kim 등[3]은 엔진룸 내 에어 필트 장착 엔진 ECU의 동작 온도 범위 결정에 관하여 실차 조건과 시뮬레이션 결과를 비교하였다. 그리고 방열구조의 측면에서 Lee 등[4]은 열해석을 통한 소형 통신장비의 방열구조 최적설계에 관한 연구를 수행하여 자연대류 조건에서 방열핀을 이용한 냉각방식이 효과적이라는 것을 검증하였다. Jung 등[5]은 히트 싱크의 자연대류 열유동 특성 분석에 관한 연구를 수행하여 히트 싱크 주변의 자연대류 유동 특성을 분석하였다. Yu 등[6]은 복사 열전달을 고려한 자연대류 원형 히트 싱크 열전달 해석을 수행하여 원형 히트 싱크 주위의 열유동을 실험 및 수치해석을 통하여 연구하였고, Hwang등[7]은 히트 싱크의 열특성과 최적 설계에 관하여 연구하였다.

    본 논문에서는 전기자동차의 조향장치 제어를 위한 ECU 구조의 내부 온도에 따른 열해석 특성에 관한 것이다. ECU 구조의 온도에 따른 열해석을 하기위해 ECU 상부 판에 8개의 히트 싱크를 가지는 ECU 유닛을 설계하였다. 그리고 ECU 구조의 열해석 특성은 적용온도에 따른 온도분포, 열흐름, Von Mises stress, 전체 변형량 및 간이 시험에 따른 ECU 유닛의 외부 온도 측정 등을 통하여 설계된 ECU 유닛의 열특성을 평가하고자 하였다.

    2. ECU 유닛의 설계 모델 및 가공공정 설계

    2.1 ECU 유닛의 설계

    Fig. 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 4 mm, 높이 13 mm로 총 8개의 히트 싱크를 가지는 구조로 설계하였다.

    2.2 ECU 상부 판의 내부온도에 따른 열해석 조건

    본 논문에서는 ECU 유닛의 열해석을 위해 히트싱크 구조가 있는 ECU 상부 판만 열해석을 수행하였다. Fig. 2에서는 ECU 상부 판의 해석 모델을 나타내고 있다. Fig. 3에서는 상부 판의 메시를 나타내고 있고, 전체 격자수는 Table 1에 나타내었다.

    ECU 상부 판의 열해석을 위해 MSC.Nastran for win- dows 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 적용된 Al6061-T6의 기계적 성질은 Table 2에 나타내었다.

    2.3 ECU 유닛의 가공공정 설계

    Fig. 4(a)에서는 자동차용 ECU 케이스 상부 판과 하부 판 가공에 사용된 SPT-V30T 3축 머시닝센터의 사진을 나타내고 있다. 머시닝센터의 사양으로 최대주축 회전수는 8,000 RPM이며, 최대 이송속도는 6,000 mm/min이다. 그리고 작업 테이블 크기는 X축(600mm) × Y축(400mm)×Z축(400mm)이다. Fig. 4(b)에서는 3축 머시닝센터의 작업테이블 조건을 고려하여 CATIA 프로그램으로 실제치수와 동일하게 설계된 바이스, ECU 케이스 가공을 위한 전용 지그 및 셋업된 스탁의 형상을 나타내고 있다.

    Table 3에서는 CATIA V5 프로그램의 Machining design2을 사용하여 ECU 유닛의 상부 판과 하부 판의 NC 제작과정에 대한 공정 설계를 나타내고 있다. ECU 유닛의 가공공정 설계에서는 상부 판 1공정과 2공정, 하부 판 1공정과 2공정으로 구분하여 공정을 설계하였다.

    3. 열해석 결과 및 고찰

    3.1 ECU 상부 판의 열해석

    Fig. 6에서부터 Fig. 9까지는 ECU 상부 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.

    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 상부면의 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.

    Von Mises stress 해석 결과에서는 해석된 온도 범위 내에서는 약 267 N/mm2으로 일정하게 열응력이 유지됨을 확인할 수 있었다. 전체 변형량의 해석결과에서는 해석된 온도 범위내에서는 최소 0.12 mm에서부터 최대 0.25 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.

    3.2 제작된 ECU 유닛 및 온도 측정

    Fig. 10에서는 실험적으로 제작된 ECU 유닛을 나타내고 있다. Fig. 10(a)Fig. 10(b)에서는 제작된 ECU 유닛의 상부 판과 하부 판을 나타내고 있으며, 상부 판과 하부 판의 제작 공차인 ±0.25 mm 이내로 제작되어 원활이 조립이 이루어졌다.

    Fig. 10(c)에서는 상부 판에 조립된 PCB 기판을 나타내고 있다. Fig. 10(d)에 최종 조립된 ECU 유닛과 간이 시험을 위해 12V의 전류를 인가하여 60분 가동 후의 외부 표면의 온도 측정 위치를 나타내고 있다.

    외부 표면의 온도 측정을 위해 휴대용 적외선 온도 측정기(FLUKE 62MAX)를 사용하여 300 mm 거리에서 각 측정 위치별로 5회 측정하였다.

    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.

    4. 결 론

    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 ECU 유닛의 외부 온도 측정 등을 통하여 설계된 ECU 유닛의 열특성을 평가하였다.

    ECU 유닛에서 해석된 온도 범위내에서는 온도분포, 열흐름, Von Mises stress, 전체 변형량 등이 히트 싱크부에 대한 영향이 미미하였다. 그리고 간이 시험에 의한 ECU 유닛의 온도 측정결과를 통하여 히트 싱크 구조에 따른 온도 저감 효과를 확인하였다.

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

    Figure

    HGKGB6_2015_v14n5_113_f001.gif
    3D design of ECU unit[8]
    HGKGB6_2015_v14n5_113_f002.gif
    Analysis model of ECU upper plate
    HGKGB6_2015_v14n5_113_f003.gif
    Upper plate meshing
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    SPT-V30T 3axis machining center and Jig
    HGKGB6_2015_v14n5_113_f005.gif
    Thermal analysis result of inner temperature at 40℃
    HGKGB6_2015_v14n5_113_f006.gif
    Thermal analysis result of inner temperature at 60℃
    HGKGB6_2015_v14n5_113_f007.gif
    Thermal analysis result of inner temperature at 80℃
    HGKGB6_2015_v14n5_113_f008.gif
    Thermal analysis result of inner temperature at 100℃
    HGKGB6_2015_v14n5_113_f009.gif
    Thermal analysis result of inner temperature at 120℃
    HGKGB6_2015_v14n5_113_f010.gif
    ECU unit

    Table

    HGKGB6_2015_v14n5_113_t001.gif
    Number of total grid
    HGKGB6_2015_v14n5_113_t002.gif
    Mechanical properties of AL6061-T6
    HGKGB6_2015_v14n5_113_t003.gif
    Process design of ECU unit[8]

    Reference

    1. Kim, J. G., Kim, M. J., Chun, J. H., Koo, B. G., Hur, J. H. and Son, Y. C., "Development of ECU in Brake-by-Wire System for Green Vehicle," Proc. of the KSAE Conference, pp. 726-729, 2010.
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