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[조선대 자동차공학 기말레포트] 차세대 배터리 냉각 기술

REPORT< 차세대 배터리 냉각 기술 >- 진동형 히트파이프(Oscillation Heat Pipe, OHP)를 이용한전기차 원형 배터리 냉각 기술 -담당교수박00 교수님수강과목자동차공학분반학과기계공학과학번이름제출일< 차세대 배터리 냉각 기술 >- 진동형 히트파이프(Oscillation Heat Pipe, OHP)를 이용한전기차 원형 배터리 냉각 기술 -1. 기술 배경1) 환경문제● 이산화탄소 배출량 감소를 위한 친환경 관련 정책에 따른 전기차동차 개발 가속화2) 전기자동차의 보급 증가● 더 많은 주행거리를 가진 차량 보급을 위해 동일 체적에 더 많은 배터리 집적 필요▲ 국내 전기자동차 보급 현황 및 전망(1) 배터리 발열 문제 해결● Li-ion 배터리의 충 ? 방전 반복 과정에서 배터리 내부의 화학반응과 저항으로 인해 나타나는 열 방출- Li-ion 배터리의 온도 적정 범위로 관리 필요- Li-ion 배터리의 성능 ? 수명 ? 안정성은 배터리 온도와 밀접한 관련이 있기 때문● 고 집적화가 진행 중인 전기자동차의 배터리 팩 열 집중 현상을 해소하기 위해 OHP 적용- 배터리의 집적화는 방열 면적을 줄어들게 함- 배터리의 발열량과 방열량의 불균형으로 이어질 수 있음- ‘발열속도 > 방열한계’시, 시간이 지남에 따라 열 집중 현상 심화- 배터리 온도의 일정 온도 이상 상승시, 열 폭주 현상의 위험 발생- 이는 곧 배터리의 폭발이나 화재의 위험으로 직결(2) 기존 기술의 문제점● 기존의 배터리 팩의 냉각 방식은 공랭과 수랭을 적용하여 대응 중① 공랭식의 문제점- 냉각을 위한 체적 증가 → 팩 전체의 체적 증가로 이어짐② 수랭식의 문제점- 좁은 유로로 인한 냉매 압력손실 보완 필요 → 냉매 순환 펌프에서 많은 전력 필요로 함- 전력 소모로 인한 주행거리 감소● 위 단점 보완하기 위한 ‘상변화 물질(PCM)’을 적용한 배터리 냉각 기술이 연구됨- 2004년, 흑연 폼을 이용한 18650 배터리를 냉각하기 위한 팩 개발→ 팩 전체의 질량이 증가하게 되는 단점 존재- 2014년, 배터리를 케이스로 감싸 PCM을 접촉시키는 방법 연구→ PCM 냉각 위해 공랭 구조 필요, 체적 증가하는 단점 발생(3) 기존 기술과의 차별성● 히트파이프는 열전달을 위한 동력을 필요로 하지 않음● OHP는 좁은 공간에서도 높은 자유도를 가지고 냉각 시스템 설계 가능- 일반적인 히트파이프와 달리 내부에 윅 구조 불필요- 이러한 장점으로 OHP는 유로를 다수의 턴 형태로 단순 제작 가능- 판형(기판 위에 채널 가공)과 관형(모세관을 U-bend 형태로 구부려 제작)으로 제작 가능● 기존의 냉각 방식 대비 동일하거나 우수한 효과 나타냄● 전력 소모의 최소화● 동일 체적에 더 많은 배터리 집적 가능● 기존 냉각 방식 대비 효율 우수2. 기술 동향1) OHP를 이용한 배터리 냉각 기술의 기존 연구 동향- OHP는 히트파이프의 형상, 관 내경, 작동 유체의 종류, 충전율 등 성능에 영향을 미치는 변수가 무수히 많음시기개발자특징2003P. Charoensawan 등- 다양한 턴 수를 가진 내경 1mm, 2mm의 OHP를 3종류의 작동 유체로 OHP가 작동하는 경사각을 달리하여 실험- 실험 결과 중력의 영향에 의한 작동 유체에 작용하는 자중이 OHP의 작동에 주요한 영향을 미치는 것 확인- OHP의 특성에 따라 작동 유체를 다르게 사용해야 함을 명시2003S. Khandekar 등- 작동 유체 충전율에 따라 OHP의 작동이 정지할 수 있음을 나타냄- 최적의 충전율이 존재함을 확인- 작동 유체의 종류에 따라 관 내경이 달라져야 함을 확인2008P. Charoensawan,P. Terdtoon- 2003년의 연구를 토대로, 수평한 상태에서 작동하는 OHP의 관 내경, 작동 유체, 증발부, 길이, 턴 수, 충전율에 대한 작동 조건 제시3. 핵심 이론- OHP 성능에 영향 미치는 대표적인 변수는 다음과 같음① 작동 유체 종류, ② 작동 유체 충전율, ③ 턴 수, ④ 관 내경, ⑤ 작동 경사각1) 작동 유체 종류● ‘에탄올, 메탄올, Novec 649, Novec 7100, FC-72, 물’에 따른 특성 비교- 에탄올의 경우 일정 시간 이후 작동 정지- FC-72, 메탄올을 제외한 작동 유체는 작동하지 않음- Novec 7100은 공급 열량의 증가에 따라 작동 시작▲ 각 작동 유체별 시스템 열저항을 나타낸 그래프⇒ 아래 그래프에서, 메탄올 사용 시 가장 우수한 성능을 얻을 수 있음을 알 수 있음2) 작동 유체 충전율● OHP의 형상에 따라 최적값이 다르므로 5%의 충전율을 기준으로 5%씩 충전율을 증가하며 비교- 5% : 0.071cc의 메탄올 주입, 5W 공급열량에서 간헐적인 온도 상승 경향- 20%↑ : 자중의 영향으로 원활한 작동이 어려움- 25% : 5W의 공급열량에서 작동 중지→ 하단 응축부에 자중으로 인해 액체상의 작동 유체가 밀집되어 포화압력이 액체상의 모세관력을 극복하지 못해 발생한 결과⇒ 10-15% : 최적 충전율, 이 사이에서 자유로운 주입량으로 충전 가능3) 턴 수- 증발부가 상단에 위치하는 경우, 작동을 위해 일정 턴 수 이상 필요- 본 연구의 형상에서는 Nmin = 8● N = 8- 가장 성능이 우수한 경우- 열저항 값이 6.094°C/W- 폭이 77mm로서 곡률 변경에 한계● N = 9- 0.385°C/W만큼 열저항 값 증가⇒ 성능의 차이를 크게 보이지 않는 9턴의 OHP를 냉각 모듈에 적용4) 관 내경● 냉각 시스템에서 차지하는 체적 죄소화를 위해 관 내경 1mm, 관 외경 2mm의 관 사용- 최소 내경 이하의 관 내경 사용 시 : 마찰압력강하에 의한 성능 감소 발생- 그러나, 본 연구에서는 증발부가 상단에 위치⇒ 따라서, 증발부에서의 모세관력을 통한 작동유체의 부착을 위해 1mm 내경 선택5) 작동 경사각● 작동 경사각 ↑ → 응축부 접촉 면적 ↑● 본 연구에서는, 전기자동차의 ‘피칭각’과 ‘롤링각’을 실용적 운영 영역으로 제한해 경사 변화에 따른 작동 특성 비교● 각각 5°부터 2°씩 증가하여 15°까지의 각도에서의 특성을 통해 실제 전기자동차에 적용 가능성 확인

공학/기술| 2021.10.21| 6페이지| 4,500원| 조회(205)

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[조선대 자동차공학 중간고사 정리] 평가B괜찮아요

자동차공학중간대비 정리1. 내연기관 연료의 요구1) 옥탄가 vs 세탄가(1) 옥탄가 : 노킹 저항력(2) 세탄가 : 착화친화성2. SI 엔진(가솔린)의 대체연료< SI + IDI 엔진의 연료 요구조건 >- 옥탄가- 물성치- 저위발열량 : 실제 이용할 수 있는 열량- 호환성 : 내부부품의 많은 변경이 없는 것 (ex. 인젝터, 연료탱크)- 생산비용↓, 인프라 구축- 희박 연소가 가능한가- 층류 화염속도- 저위발열량- 휘발성, 끓는점1) CNG (Compressed natureal gas) : 압축천연가스 ⇒ 기체 상태? 원유에서 정제? GTL(Gas To Liquid)과정을 거쳐 LNG로 액화 : 저장, 운송의 용이함을 위해서* GTL : 가스를 액체로 전환하는 차세대 연료 정제기술? 저가 : 풍부한 매장량 때문기체상태장점균일혼합 → 적은 배출물단점부피↑ → 체적효율↓ → 토크↓, 출력↓ → 연료소비율↓, 연비↓(1) 연소시 연료의 성질과 효과? 메탄이 90% 차지? 단위질량당 높은 저위발열량(메탄의 간단한 화학구조식 때문) → Qout(=Qin)↑ → Wout↑? 탄소와 수소비 적음 → CO2와 CO 적게 배출? 가솔린보다 높은 옥탄가 → 압축비가 높음, 노킹 적음 (→ 성능저하문제 보상)? 균일 혼합 과정 → 균일 혼합물 생선 가능 → 적은 배출물? 체적효율(흡기능력척도) 낮음 → 제동비연료소비율 낮음, 연비손실? 기체는 체적효율이 낮음 (단위질량당 차지하고 있는 부피가 커서) → 토크, 파워 낮음 → CNG의 직분사화2) 수소- 처음부터 H2 일 수 없음(1) 생산 배경? 화석자원의 개질 (Reforming : 바꾸다) ← 천연가스(개질이 가장 쉬움), 석탄으로부터? (양↓) 물의 전기분해 (H2O → 2H + O2) : 이 표 중요합성가스(CO는 따로나오면 위험)CxHy + ( ) → H2 + CO수증기 개질CO2 개질부분 산화반응식CnHm + (n/2)H2O → nCO + ((n+m)/2)H2CnHm + nCO2 → 2nCO + (m/2)H2CnHm + (n/2)O2 → nCO + (m/2)H2반응종류흡열반응발열반응- 열을 발생시키면서 깨짐발열반응장점- 메탄 개질 시,메탄 1몰당 수소 생산 수율이 높음- 촉매 사용 시, 효율 높음온난화 기체인 이산화탄소 활용 가능- 반응기의 규모가 작음- 공정의 초기 시동 및 응답 우수단점- 평형 반응에 의한 반응속도 느림- 공정 규모 큼- 촉매의 활성화 온도 높음- 수소 생산 효율 낮음Qin필요QoutQout⇒ Qin + Qout = 자연개질, 하이브리드식 개질* 수율(수소의 절대적인 양) : 수증기 개질 > CO2 개질 > 부분 산화(2) 연소시 연료의 성질과 효과? 높은 옥탄가 → 압축비 증가? 넓은 연소범위 → 초희박연소 실현 가능? PFI(Port Fuel Injection)엔진(IDI)에 바로 적용 가능 → 높은 열효율 구사 (단위 질량당 발열량↑이라서)? 탄소기반배출물 X → CO, CO2, PM 0 ⇒ COx Free 연료? 수소의 매우 넓은 화염범위와 빠른 연소속도- 역화(화염이 흡기포트를 따라 거꾸로 감), 조기점화 → 노킹- 고부하와 높은 압축비로 인해 엔진에 데미지 입을 수 있음3) LPG (Liquefied Petroleum Gas) : 액화 석유가스 ⇒ 프로판 + 부탄- 저장 : 액체형태- 분사 : 주로 가스, 액체도 가능(1) 생산 배경? 대부분 원유 증류로 얻음(2) 연소시 연료의 성질과 효과? PFI + Gas : 주로 가스 형태로 간접 분사 → 체적효율↓① LPLI(LPg Liquid Ingection) : 액체상태로 분사, 이 때 미립화가 중요② LPDI(LPg Direct Ingection, LPg gDI) : 기체상태에서 직분사4) 메탄올, 에탄올(1) 생산 배경? 메탄올(CH3OH) : 합성가스로부터? 에탄올(C2H5OH) : 식용음식(2) 연소시 연료의 성질과 효과메탄올, 에탄올 ⇒ 탄화수소 + 산소 니까? 함산소 연료 → NOx↑ → EGR(배기가스 재순환) 장치 꼭 필요? 친수성? 높은 옥탄가 → 높은 압축비3. CI 엔진(디젤)의 대체연료1) CI엔진의 요구? 세탄가? 끓는점? 점도 → 인젝터가 중요? 낮은 방향족 화합물1) Biodiesel- 디젤엔진의 별다른 변형 필요 X(1) 생산 배경? 대두유(2) 연소시 연료의 성질과 효과? 높은 세탄가? 높은 점도 → 홀막힘현상, 성능저하 ⇒ 인젝터 홀, 분사압 최적화 필요

공학/기술| 2021.10.21| 5페이지| 2,500원| 조회(398)

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[조선대 자동차공학 기말고사 정리] 평가A좋아요

자동차공학기말대비 정리Eco - friendly vehicleHEV / PHEV / EV / FCEV1. EV (전기자동차) 개요1) EV의 구분구분특징HEV하이브리드 전기자동차동력원으로 전기모터와 내연기관을 동시에 쓰는 자동차PHEV플러그인 HEV동력원은 거의 전기 사용충전에 필요한 내연기관을 내장한 자동차BEV전기 자동차순수 전기로만 움직이는 자동차FCEV연료전지 자동차수소탱크를 통해 수소와 산소를 반응시켜 전기를 생성하는 연료전지가 내연기관을 대체한 자동차* 구분법 *(1) 모터의 이용률- Micro HEV : 공회전시 엔진 정지 / 모터는 엔진 재시동에만 쓰이는 보조 역할- Soft HEV : 전기 주행 모드 X, 시동이나 가속 순간에만 모터의 보조- Hard(full) HEV : 전기 모터가 주행에 주된 역할 / 전기 주행 모드 O(2) 동력전달방식- HEV는 동력 전달 방식에 따라 직렬형 / 병렬형 / 혼합형으로 구분하기도 함(3) 구분 총정리EV전지식HEV모터 사용정도Mild / Soft / Hard동력 전달방식Series / Parallel / 혼합PHEV동력 전달방식Series / Parallel / 혼합BEV2차전지니켈마드뮴 / 리튬이론 / 리튬폴리머비전지식FCEV전해질알칼리 / 인산형 /.....2) EV의 구분별 구조3) EV의 장단점(1) 장점- 무공해 / 저공해- 운전 및 유지보수 용이 → 필요한 부품 줄어듬 (배터리나 모터)- 수송에너지 다변화 가능 → 발전소가 많아져야 함- 충전부하(충전인프라)로 수요창출(2) 단점- 주행 성능 나쁨 → 다단계 E변환과정으로 인한 출력↓ → 연비↓ → 효율↓- 1회 충전주행거리 짧음 → 위와 동일- 고가 → 배터리 비용 40%↑- 부족한 인프라 → 충전 인프라2. HEV (하이브리드 전기자동차, Hybrid Electric vehicle)종류동력원장점하이브리드 전기자동차- 가솔린 엔진 + 전기모터- 총 주행거리 확대- 전지 중량 경감- 에너지 절약하이브리드 디젤 전기 보조식- 디젤 엔진 + 전기모터어⑧ Restart mode : 가속 의지 판단 시, 모터를 이용한 엔진 cranking(3) Hard(Full) HEV- 전기모터가 주행에 주된 참여- 순서 EV모드 존재- 직렬형 및 혼합형- 엔진 + 전기모터 2개 + CVT >> 유성기어를 이용한 효율적 동력 분배* 모터의 개입정도 (모터vs내연기관)Mild(Micro) < Soft < Hard(Full)2) 동력전달방식에 따른 HEV- 모터 : 바퀴 회전- 변속기 : 모터의 회전력을 바퀴에 전달- 전지 : 모터에 전기 공급- 엔진 : 전기 또는 동력 발생⇒ 엔진과 모터의 조합에 따라 동력 전달 방식 구성 가능직렬형 (Series)- 엔진이 발전기 구동 → 전기충전 용도- 동력전달이 순차적병렬형 (Parallel)- 엔진이 변속기에 직접 연결되어 동력 창출 → 발전기 필요 X- 동력전달이 동시에 다른 경로로 갈 수 있는 경우직병렬 혼합 (Seires-Parallel)- 발진 및 저부하 → 모터 주행- 주행시 → 엔진 직접 구동 & 발전기에 의한 모터 구동- 그냥 병렬형이라고 생각하기.(1) Series type [직렬형] ⇒ Full type- 엔진 : 발전기의 전기 생산- 모터 : 바퀴 구동- 대용량 전지 필요)하이브리드 트럭 / 버스- 시보레 Volt- 현재는 효용성 ↓* 모터 + 인/컨버터(전력변환장치:DC(직류)↔AC(교류)) + 배터리⇒ 이 3개는 항상 세트(2) Parallel type [병렬형] ⇒ Mild / Soft / Full type- 엔진 : 주 동력원- 모터 : 보조 동력원 or 발전기- 대부분의 HEV- 엔진과 모터가 동시에 출력 전달 가능- 보통 soft type- 현대차 소나타 : 엔진과 모터 사이에 변속기(CVT)를 두어 병렬형 하드타입(Full type) 구현3. PHEV (플러그인 하이브리드, Plug-in Hybrid Electric Vehicle)→ Battery↑1) 동력전달방식에 따른 PHEV- 모터 : 바퀴회전- 변속기 : 모터의 회전력을 바퀴에 전달- 전지 : → DC → 전력 변환기(Inverter) → AC → 교류 → AC → 모터? 연료(CH4, 메탄올 등) → 개질기(H2) → 양극(=연료극, Anode) → 열(30%) - 온수 / 난방* O2 : ① Filter(분리막) 이용* H2 : ① 수소충전소, ② 개질 → 연료탱크(탑재형 개질기(On-board reformal) 장착)(2) 연료전지의 전기 발생 원리- 연료 중 수소와 공기 중 산소가 전기화학적 반응에 의해 직접 발전① 연료극(양극)에 공급되 수소는 수소이온과 전자로 분리② 수소이온은 전해질층을 통해 공기극으로 이동하고 전자는 외부 회로를 통해 공기극으로 이동③ 공기극(음극)쪽에서 산소이온과 수소이온이 만나 반응생성물(물)을 생성 → 청정!⇒ 최종적인 반응은 수소와 산소가 결합하여 전기, 물, 열 생성 (차에서 난방용으로 쓰임)2) 연료(1) 수소 연료 전지 자동차- 물을 통해 무한대 생성 가능- Clean- 전기차보다 주행걸 ㅣ김- 연비 좋음- 단점 : 인프라 부족 / 수소탱크 탑재로 중량 증가 / 탑승공간 비좁/ 고가의 부품 / 전지 교환 필요(2) 알코올 연료 전지 자동차- 화재 발생시 물로 소화 가능- 전기차보다 주행거리 김- 비교적 저가의 연료- 전기차의 설계 방식 준용 가능- 단점 : 알코올 제조 단계에서 CO2 발생 / 고가의 stack 비용 / 부식성/ 수소연료전지보다 짧은 수명Basics of battery engineering for EV1. Basics concept and definition of (Li-ion) battery1) 전지 개요(1) 전지 정의- 다양한 형태의 에너지를 기계적인 운동을 수반하지 않으며, 직류의 전기 에너지로 직접 변환시키는 장치* 화학 전지 : 물질 자신이 가진 화학적 에너지를 전기화학적 산화, 환원 반응에 의해 직류의 전력으로 변환 (ex. 일차전지, 이차전지, 연료전지, 생물전지)* 빛과 열 등의 물리적 에너지를 전기에너지로 변환 (ex. 태양전지, 열전지, 원자력전지)(2) 1차 전지- 한번온을 통과시켜야 하기 때문에 다공성 물질로 구성- *1, *2 과정 중 원하지 않는 반응을 방지해 주는 것④ 전해질 (electrolyte)- 리튬염계열의 액체가 사용됨- 리튬 이온을 이동할 수 있도록 하는 매개체- *1, *2 과정을 돕는 것*1. 리튬화 (Lithiation)*2. 탈리화 (De-Lithiation)*3. 삽입 (Interculation)*1. 방전(- → +) : 양극(+)의 양극활물질이 리튬화 됨. 음극(-)입장에서는 탈리화 되는 것.*2. 충전(+ → -) : V1 < V2 가 되므로 인해 방전시 +극으로 갔던 Li 이온들이 다시 -극으로 돌아감.*3. 삽입(- → + → -) : Li 이온이 삽입됨.** ‘방전 / 충전’시 1~3이 모두 일어남.** 전위차 : 양극(V1) > 음극(V2)*** 양극 : 양이온이 많은 상태*** 음극 : 음이온이 많은 상태**** 양극활물질/음극활물질 : Li이온의 이동을 돕는 물질→ 화학평형을 이루려는 특성이 있다.→ Li이온은 Li+가 되려는 성질을 가진다. (양이온화 경향성)→ ‘중성화’ or ‘Li이 이동’하는 특성이 나타남2) Li-ion 전지리튬-이온장점단점용량(Ah)크다- 높은 에너지 밀도- 비 메모리 효과- 환경 친화적- 긴 수명- 높은 전압- 온도에 민감함 (성능&수명)- 폭발할 위험성⇒ 가벼워서 반응성이 좋기 때문자연방전없다메모리효과없다(1) 이차 전지의 종류* 자연방전 : 사용하지 않아도 시간이 지나면 방전되는 효과* 메모리 효과 완전히 방전되지 않은 상태에서 충전을 반복하면 최대용량이 줄어드는 효과(2) Li-ion 전지 소재의 요구 사항 및 동향양극(Cathode) _ 용량, 안전성음극(Anode) _ 용량, 수명? 층상구조/올리빈/스피넬 양극소재? 양극물질의 비용이 가장 많이 차지? 2차전지 소재 중 가장 활발히 연구진행 됨? 배터리의 40% 부피 차지? 방전시 영향미침 (모터 구동에 직접적인 기여)? 탄소계, 비탄소계 음극소재? 가격, 에너지 용량측면에서는 천연흑연? 수명에서층상을 만들어주는) = Ni, Co, Mn ]? Ni, Co, Mn ⇒ NCM계열의 Li이온 배터리- 용량 좋음 → 출력↑- 안정성 안좋음 → 삽입↓ (방전시 Li이 흘러나와, 전해액과 반응해 폭발가능성 있음)⇒ Li 이온전지의 층상구조는 NCM을 많이 쓴다.② 올리빈(Olivine) 구조 = 감람석 구조 ⇒ LFP 양극화물질< LiMPO2 >> [M = 금속계열원소(층상을 만들어주는) = Fe, Mn, Co]- 층상구조보다 복잡한 구조- 용량 안좋음 → 출력↓- 안정성 좋음 → 삽입↑③ 양극 구조 = 스피넬(Spinel)구조 = 첨정석 구조 ⇒ LMO 양극화물질< LiMO2 >> [M = Mn, Ni](2) LiNixCoyMn2O2 삼성분계- NCM) 8:1:1 (Ni : Co : Mn = 8 : 1 : 1) / 6:2:2를 많이 사용.* 망간용출 : Mn을 지나치게 많이 쓰면 흘러나옴(3) 총정리LiCoO2Li(Ni/Co/ Mn)O2(8:1:1을 많이 씀)LiFePO4LiMn2O4구조(용량,안정성 결정)층상층상올리빈스피넬장점- 높은 전기전도도- 합성이 쉬움- 높은 용량- 낮은 가격- 열적 안정성- 열적 안정성- 낮은 가격- 무독성- 가격 저렴- 무독성단점- 높은 가격- 독성- 열적 불안정- 합성이 어려움- 낮은 전기전도도- 낮은 에너지밀도- 망간 용출- 적은 방전 용량① 층상구조- 삽입 좋음 = 삽입량 좋음⇒ 용량 ↑ → 안정성 ↓② 올리빈- 삽입 좋음 = 삽입강도 좋음⇒ 안정성 ↑ → 용량 ↓4) 음극(1) 조건- 금속 리튬의 전극전위에 근접한 전위를 가져야 한다.- 부피당 무게당 에너지 밀도가 높아야 한다.- 충반정시 안정성을 가져야 한다.- 고속 충방전을 견딜 수 있어야 한다.- 안정성 (C6 구조)2. Battery coolingCell → Module → Pack + 냉각제어 = BMS* Module → 발열 → 화학적반응 활성화 → 폭발 ⇒ 일정 온도 수준을 유지해줘야 함.* Module 단위로 냉각1) 배터리 방열(1) 열전달 기초? 열전달 3면적

공학/기술| 2021.10.21| 22페이지| 4,000원| 조회(386)

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[조선대 메카트로닉스설계 A+] 기말고사 족보 모음(2008~2018) 평가A+최고예요

메카트로닉스설계기말고사 족보 풀이 모음[ 기출 ]- 기출50% + 강조한거50%- 기출 많이나온거20% + 작년기출50% + 교수님이 강조한거 보기30%- 각각의 부품 크게 분류화하기1. 아래 각각에 대하여 설명하시오. (각 5점)(1) 하모닉드라이버금속의 탄성역학을 응용한 Harmonic Driver는- wave generator- flexspline- Circular spline으로 구성되어 있다. (앞에서부터 순서대로)- 로봇용 감속기로 개발(=로봇용 감속기에 사용됨.)- 매우 큰 감속비(1/30-1/320)을 얻을 수 있다.(톱니수가 80개면 1/80의 감속비를 얻는다.)- free of backlash (lost motion)(2) 메카트로닉스 기계기술의 3가지 장점- 제어변경이 쉽다. 유연성을 가진다.- 기능 추가에 따라 소프트웨어만 복잡해진다. 기능 확장이 쉽다.- 소형, 경량화가 가능하다.(3) 메카트로닉스 or 본 과목을 한 문장으로 요약하시오.- 어원 : Machanism + Electionics(기구/기계요소) (제어 알고리즘 및 전기/전자)- 목표 : 자동화, 고속화, 정밀화, 고기능화를 통한 산업생산성과 기계성능 향상(4) 메카트로닉스의 구성요소● 전동기구 : 동력전달장치- 회전이송 : 커플링, 기어, 벨트, 체인- 직선이송 : 모터의 회전운동을 직선운동으로 변환하는 기계요소● 구동기 : 서브모터, 리니어모터, 클러치/브레이크 장착 모터● 센서- 검출기 : 자기스위치, 리밋스위치- 계측기 : 온도/압력센서- 변환기 : 압렷스위치, 광전변환기● 정보처리기 : 마이크로컨트롤러(4) 본 과목을 통해 학습된 내용은?- 계측장비의 활용법- 제어시스템의 설계와 구현을 위한 Labview프로그래밍- 구동기/센서 종류의 이해- 디지털/아날로그 신호처리를 위한 인터페이스 회로이다.(5) 서보 제어-> 서보 제어의 제어대상, 센서-> 메카트로닉스 기기에 사용될 서보모터(구동기)의 요구성능?● 제어대상 : 기계량 (위치, 속도, 가속도)? 측정량 : 위치- potentiometer 저항- LVDT 자속 -> 코일전압- magnetic scale 자기장- capactive sensor 용량- Moire fringe 빛의 간섭? 측정량 : 위치 및 속도- resolver 자속->코일전압- optical encoder 광량- magnetic encorder 자기량- laser interferometer 빛의 간섭? 측정량 : 속도- tachometer 코일저압? 측정량 : 가속도- 압전 센서 재료변형->저압● 서보모터의 요구 성능- 토크, 회전수 등의 넓은 제어범위- 순간적 시동, 정지, 급격한 가감속, 정역전 회전에 대한 내구성- 소형경량, 유지보수의 용이, 무진동- 고정도 제어 및 속응성(응답속도)(6) 메카트로닉스에서 센서의 요구조건 3가지 이상- 감도, 정도, 선형성, 응답성이 좋은 것- 드리프트가 작고, 안정성, 신뢰성 높을 것- 측정 대상의 특징/외부환경의 영향 적게 받을 것- 조작성/보수성이 좋고 간단할 것- 내구성이 좋고 저렴한 가격* 감도 : 민감도* 정도: 정밀도* 선형성 : 입력신호에 대해 비례하게 변하는 출력신호* 드리프트 : 측정값의 변화* 내구성 : 잘 견디는 성질(6) resolver- 변환방식 : 위치->자속->코일전압- 특징 : 아날로그형, 구조가 견고, 처리회로가 복잡(7) 2가지 트랜지스터의 종류- 용도 : 전기적 스위칭, 전류증폭기- 종류? BJT(Bipolar Junction Transistor): 양극성 접합 트랜지스터- 전류(current)를 증폭시킨다.- Emitter, vase, collector의 3가지 단자로 구성됨- 저전력으로 활용된다.? FET(Field Effect Transistor,(Unipolar): 전기장 효과 트랜지스터- 전압(Voltage)을 증폭시킨다- MosFET는 고전력으로 활용된다.(7) 디지털 펄스의 입출력의 용도- 디지털 출력 : 접점의 on/off-> LED를 on/off, servo on 등- 디지털 입력 : 접점의 상태 확인-> limit switch, alarm 등 상태인지- 디지털 펄스 입/출력-> 모터제어를 통한 PMW신호의 출력-> 모터위치 검출을 위해 펄스정보를 카운트-> Field Bus와 칩 통신의 구현에 활용됨* PMW : pulse width modulation(8) diode의 v와 i의 특성* y축이 I고 x축이 V고 0.7v에서 급격히 I상승 곡선- 밸브가 열림을 보여준다.- 0.7v 이상의 전압을 흘려줘야한다.(9) state disign pattern의 특징- 구현하는 기능을 하나로 구성할 수 있다.- 열거형 상수/ while루프 함수 / 케이스구조를 이용해 디자인 패턴 구현이 가능하다- 형태 : while루프 안에 케이스 구조가 있고,케이스구조의 입력선택자로 열거형 상수를 넣어주는데, 이 때 시프트 레지스터를 사용한다.(10) LVDT의 기본구조 ─＞센서임- 원리 : 자성코어의 변위에 비례하는 전압을 출력하는 변환기.- 특성 : 초정밀성, 반복특성, 극한환경에서 활용된다.다방면의 산업현장, 군사/우주항공 분야에서 중요한 의미를 갖는 변환기.- 그래프(11) 컴퓨터 내부에서 데이터의 이동경로입출력장치(입력/출력포트)주기억장치(ROM/RAM)중앙처리장치[CPU](레지스터, 연산기, 제어기)(12) producer/consumer design pattern의 특징= 생산자/소비자 디자인 패턴- 2개의 while루프로 구성된다? 생산자루프 : 이벤트감지/ 전달? 소비자루프 : 기능수행 (표준상태머신구조)- 프로그램의 U/I가 단조롭지 않고 복잡해진 경우 이 패턴을 사용하면 좋다.(13) 생산자/소비자 설계패턴에서 QUEUE- Queue를 이용해 start라는 상태를 생산자루프에서 소비자루프로 전달(14) interface circuit이 필요한 이유- 아날로그 신호를 변환시켜 디지털회로로 만들어주기 때문(15) photo-diode -> 센서- 가장 기본적인 광센서- 광에너지를 전기에너지로 변환- 빛을 받으면 기전력이 발생(16) hall소자 -> 센서- 자계의 세기를 전기량(전압)으로 변화시키는 반도체소자- 자동차 점화장치, ABS(자동 브레이크 시스템), ATM과 같은 자동차에 많이 사용- 광에 비해 자성은 날씨 / 이물질의 영향을 적게 받음(17) NPN 트랜지스터n형 반도체 사이 p형 반도체를 넣은 트랜지스터(18) 컴퓨터의 정보전달에 활용되는 3가지버스- 데이터버스: cpu, 주기억장치, 입출력장치의 양방향 데이터 전송로- 어드레스버스: 어드레스 정보를 보냄- 제어버스: 각 장치로 제어 신호를 전달하기 위한 통로(19) one channel for all lines모든 line을 한개의 channel로 세팅(20) 볼스크류(ball-screw)의 용도 -> 전동기구- 모터의 회전운동을 고정밀 직선운동으로 변환시키기 위해 사용(21) coupling -> 전동기구- 축과 축의 연결시 반드시 사용하는 부품( = 동력 연결시 무조건 사용)- 두가지 다른 회전체(모터축,볼나사)를 연결->토크전달- 회전체간 발생하는 미스얼라이먼트(편심/편각)을 흡수-> 조립 조정 부하 절감- 예기치 못한 과부하 -> 커플링의 파괴 -> 고가의 동력부, 기계장치 보호2. 랩뷰 문제(1)불리언 버튼을 클릭하면 numeric의 출력값과 이유를 설명하시오. (10점)- 출력값 : 2- 이유 : 불리언 버튼 클릭 -> ‘pane'및 ’Boolean:MouseDown'의 2개의 이벤트가 각각 발생 -> “numeric”값이 2가 됨. 다시 클릭하면 2+2=4가 됨.

학교| 2021.03.14| 6페이지| 5,000원| 조회(3,362)

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[조선대학교 제어공학] 기말고사 족보 평가A+최고예요

제어공학(2005) 기말고사Prob 1. ( )안에 적당한 말을 쓰시오.(1) 우세근(dominant root)은 ( )에 가장 가까이 있는 근을 말한다.(2) 제어시스템 응답영역은 정정시간을 기준으로 하여( ) 영역과 ( ) 영역으로 구분한다.(3) 감쇠부족인 2차 시스템의 과도응답 영역 성능중( ) 은(는) 극점의 실수부, ( ) 은(는) 극점의 허수부, ( ) 은(는) 감쇠비에 의해서 좌우된다.(4) 감쇠부족인 2차 시스템의 특성값 중 ( ) 은(는) 극점의 크기, ( ) 은(는) 각도로 결정된다.(5) 시스템 안정성을 판단하기 위해 사용되는Routh 판별법은 q(s)를 ( ) 형태로 구성하고, 근궤적 기법은 ( ) 형태로 구성한다.prob 2. 각 물음에 답하시오.(A) 단답형(1) q(s)=s2+(k-6)s+(k-1) 일 때 시스템이 안정성을 갖기 위한 조건은?(2) G(s) ={ 1} over {(s+6)(s+20) } 인 개루프 제어 시스템 감도는?(3) 시스템 전달함수{C(s)} over {R(s)} = {1} over {(s ^{2} +4s+20)(s+a)} 일 때 이것을 2차 시스템으로 사용할 수 있는 a조건은?(4) G(s) ={1} over {(s+6)(s+7)},H(s)=1인 폐루프 제어 시스템에서 성능 측정하기 위해 사용 할 수 있는 입력은?(5) (4)에서 R(s)가 램프입력 일 때 정상상태 오차값은?(B) Routh 판별법을 이용한 시스템 안정성 및 근의 분포상태를 알고자 할 때1+ {k} over {a _{5} s ^{5} +a _{4} s ^{4} +a _{3} s ^{3} +a _{2} s ^{2} +a _{1} s} 가 주어져 있다.(1) Routh 판별법을 사용하기 위해 q(s)를 재구성하시오.(2) 필요한 조건인 계수 조건을 쓰시오.(3) case1에서 첫 번째 열의 부호 변화가 3번 있을 때 극점의 분포상태와 안정성 여부① 분포 상태 :② 안정성 여부 :(4) s3에서 case 2가 발생하고 첫 번째 열에서 부호 변화가 없을 때, 극점의 분포상태와 안정성 여부① 분포 상태 :② 안정성 여부 :(5) s에서 case 3가 발생하고 첫 번째 열에서 부호 변화가 2번 있을 때 극점의 분포상태와 안정성 여부① 분포 상태 :② 안정성 여부 :(C) 근궤적기법 사용 시 q(s) = 1+kGH에서 GH의 극점과 영점은 모두 s평면 좌반부에 실수 형태로 존재하고 0

학교| 2021.01.02| 8페이지| 5,000원| 조회(3,274)

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