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구조화 배터리 플랫폼 기반 전기차의 측면 충돌 대응을 위한 사이드실 인서트 단면 설계에 관한 연구

A Study on Cross-Sectional Design of Side Sill Inserts for Side Impact Protection in Electric Vehicles with Structured Battery Platforms

  • 정석호 (Seok Ho Jung, 아주대학교 공학대학원)

초록/요약

고에너지밀도 배터리 및 구조화 배터리 플랫폼의 발전으로 전기자동차(xEV)에서는 배터리 팩이 점점 더 차체와 일체화되는 방식으로 설계되고 있다. 이러한 설계는 패키징 효율을 개선하고 경량화를 실현하는 장점이 있으나, 측면 충돌과 같이 변형 공간이 제한된 상황에서 새로운 충돌 안전성(crashworthiness) 문제를 야기한다. 본 연구는 KNCAP MDB 및 Side Pole 충돌 조건 하에서 박스형, U형, 다중챔버형 사이드실 인서트의 기계적 성능을 유한요소해석(FEA)을 통해 평가하였다. 내부에너지, 유효 소성 변형률, 반력, 침입량 등의 주요 평가지표를 분석한 결과, 다중챔버 설계와 알루미늄 합금(AL6061-T6) 조합이 기존 설계 대비 피크 반력을 25%, 최대 유효 소성 변형률을 25.5% 저감시키면서도 약 3.5%의 에너지 흡수 성능 향상을 달성함을 확인하였다. 여기에 압축 붕괴 가이드(compression collapse guide)를 추가할 경우, 구조적 강성을 저해하지 않으면서도 하중 분포를 더욱 개선할 수 있음을 보였다. 또한 단순화된 다중챔버 형상과 표준화된 리브 및 비드 패턴은 압출, 다이캐스팅, 절곡, 용접, 리벳 체결 등 대량생산 공정에 적합함을 확인하였다. 본 연구는 충돌 안전성, 경량화, 생산성을 균형 있게 고려한 설계 전략을 제시함으로써 차세대 전기차(xEV) 구조화 배터리 플랫폼 개발에 기여할 수 있음을 보여준다. 향후 연구에서는 실험적 검증, 접합 기술, 열폭주 관리, 플랫폼 단위의 최적화 연구 등이 필요할 것으로 사료된다.

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목차

초록 Ⅰ
목차 Ⅱ
List of Tables Ⅳ
List of Figures Ⅴ
1. 서론 01
1.1 연구 배경 01
1.2 연구 목적 및 범위 03
2. 측면 충돌 테스트의 이론적 배경 05
2.1 측면 충돌의 구조적 특성과 안정성 확보의 중요성 05
2.2 KNCAP 측면 충돌 평가 기준 06
3. Side Sill Insert의 해석 조건 설정 09
3.1 해석 개요 및 형상-재료 조건 09
3.2 유한요소 모델 및 경계조건 설정 11
3.2.1 유한요소 모델 구성 11
3.2.2 하중 조건의 환산 및 적용 15
3.2.3 경계조건 및 접촉 조건 16
3.2.4 재료 모델 정의 19
3.3 해석 평가 지표 및 수식 정의 20
3.3.1 내부에너지 (Internal Energy, IE) 21
3.3.2 유효 소성 변형률 (Effective Plastic Strain) 22
3.3.3 반력 (Reaction Force) 22
3.3.4 침입량 (Intrusion) 23
4. 유한요소 해석 결과 24
4.1 MDB 측면충돌 결과분석 24
4.1.1 변형모드 - 충돌 전 24
4.1.2 변형모드 - 충돌 후 25
4.1.3 변형모드 - 최대 변형량 26
4.1.4 변형모드 - 유효 소성 변형률 27
4.1.5 내부에너지 분석 28
4.2 기둥(Pole) 측면충돌 결과분석 32
4.2.1 변형모드 - 충돌 전 32
4.2.2 변형모드 - 충돌 후 33
4.2.3 변형모드 - 충돌 후 시각적 관찰 34
4.2.4 변형모드 - 유효 소성 변형률 35
4.2.5 내부에너지 분석 37
4.2.5 Pole(기둥)에서의 반력값 검토 결과 40
5. 종합 고찰 및 최적 설계 제안 42
5.1 형상에 따른 구조 성능 고찰 42
5.2 최적 구조 설계 제안 43
5.3 최적 구조 설계 결과 45
6 결론 49
7. 참고문헌 51
8. Abstract 53

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