대한민국 육군 K2 흑표 전차 1,500마력 엔진 통합 열관리 가변 팬 서보 및 1,000Hz 0-Alloc C# 능동 냉각 제어 엔진

1. 파워팩 럼프드 파라미터 과도 열역학 및 열교환기 방열 모델

엔진 블록 열용량 $C_{\text{eng}}$, 냉각수 열용량 $C_{\text{cool}}$, 윤활유 열용량 $C_{\text{oil}}$에 대한 열수지(Heat Balance) 미분방정식:

냉각 팬 풍량 $V_{\text{air}} = k_{\text{fan}} \omega_{\text{fan}}$에 따른 라디에이터 유용도(Effectiveness $\varepsilon$) 및 실제 방열량 $\dot{Q}_{\text{actual}}$:

2. 유압 가변 모터 팬 구동 및 소모 동력 최적화 제어식

유압 펌프 토출 압력 $P_{\text{hyd}}$, 가변 모터 사판각 $\alpha_{\text{swash}}$, 비례 서보 밸브 전류 $I_{\text{valve}}$에 의한 냉각 팬 회전속도 $\omega_{\text{fan}}$:

냉각수 및 오일 온도 오차에 따른 퍼지-선제 예측(Feedforward) 기반 목표 팬 각속도 지령식:

3. 1,000Hz 0-Alloc SIMD C# K2 파워팩 열관리 서보 엔진

1밀리초 주기로 힙 메모리 할당 없이 엔진 부하와 온도를 분석하여 유압 팬 모터 밸브를 제어하는 고성능 C# 엔진입니다.

using System;
using System.Numerics;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Defense.TankThermalManagement
{
    /// 

    /// K2 파워팩 온도 및 엔진 부하 텔레메트리 (Stack 전용)
    /// 
    public readonly ref struct PowerpackTelemetry
    {
        public readonly float CoolantTempCelsius;       // 냉각수 온도 (°C)
        public readonly float EngineOilTempCelsius;     // 엔진 윤활유 온도 (°C)
        public readonly float AmbientAirTempCelsius;    // 외기 온도 (°C)
        public readonly float EngineOutputPowerKw;      // 엔진 순간 출력 (kW)
        public readonly float CurrentFanRpm;            // 현재 냉각 팬 회전수 (RPM)
        public readonly float CoolantTempRatePerSec;    // 냉각수 온도 상승율 (°C/s)

        public PowerpackTelemetry(
            float coolant, float oil, float ambient, float powerKw, float fanRpm, float tempRate)
        {
            CoolantTempCelsius = coolant;
            EngineOilTempCelsius = oil;
            AmbientAirTempCelsius = ambient;
            EngineOutputPowerKw = powerKw;
            CurrentFanRpm = fanRpm;
            CoolantTempRatePerSec = tempRate;
        }
    }

    /// 

    /// 냉각 팬 유압 서보 제어 출력
    /// 
    public readonly ref struct ThermalControlOutput
    {
        public readonly float TargetFanRpm;             // 목표 팬 회전수 (RPM)
        public readonly float ValveCurrentMilliAmp;     // 비례 유압 밸브 전류 (mA)
        public readonly float ConsumedPowerKw;          // 냉각 팬 소모 동력 (kW)
        public readonly bool IsOverheatWarning;         // 과열 경고 플래그

        public ThermalControlOutput(float targetRpm, float currentMa, float fanPowerKw, bool warning)
        {
            TargetFanRpm = targetRpm;
            ValveCurrentMilliAmp = currentMa;
            ConsumedPowerKw = fanPowerKw;
            IsOverheatWarning = warning;
        }
    }

    /// 

    /// K2 흑표 1,000Hz 0-Alloc C# 파워팩 능동 열관리 제어 엔진
    /// 
    public static class PowerpackThermalControlEngine
    {
        private const float MaxFanRpm = 2800.0f;          // 팬 최대 회전수
        private const float MinFanRpm = 400.0f;           // 최소 냉각 팬 회전수
        private const float CoolantTargetTemp = 88.0f;    // 목표 최적 냉각수 온도
        private const float CoolantOverheatLimit = 104.0f;// 과열 임계치
        private const float FanPowerConstant = 1.85e-9f;  // 동력 비례 상수 (kW/RPM^3)

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public static ThermalControlOutput ComputeCoolingControl(
            in PowerpackTelemetry telemetry)
        {
            // 1. 온도 오차 및 미분 연산
            float tempError = telemetry.CoolantTempCelsius - CoolantTargetTemp;
            float oilTempError = MathF.Max(0.0f, telemetry.EngineOilTempCelsius - 105.0f);

            // 2. 엔진 고부하 선제 예측 피드포워드 (Feedforward)
            float loadFactor = Math.Clamp(telemetry.EngineOutputPowerKw / 1100.0f, 0.0f, 1.0f);
            float feedforwardRpm = loadFactor * 1600.0f;

            // 3. PD 피드백 제어량
            const float Kp = 120.0f;
            const float Kd = 350.0f;
            float feedbackRpm = (tempError * Kp) + (telemetry.CoolantTempRatePerSec * Kd);

            // 오일 온도 과열 보정
            if (oilTempError > 0.0f)
            {
                feedbackRpm += oilTempError * 150.0f;
            }

            // 4. 최종 팬 지령 회전수 계산 및 클램핑
            float targetRpm = feedforwardRpm + feedbackRpm;
            targetRpm = Math.Clamp(targetRpm, MinFanRpm, MaxFanRpm);

            // 5. 비례 서보 밸브 전류 계산 (0~1000 mA)
            float valveCurrentMa = (targetRpm / MaxFanRpm) * 1000.0f;

            // 팬 소모 동력 계산 (RPM의 3승 비례)
            float fanPowerKw = FanPowerConstant * MathF.Pow(targetRpm, 3.0f);

            bool isWarning = telemetry.CoolantTempCelsius >= CoolantOverheatLimit ||
                             telemetry.EngineOilTempCelsius >= 118.0f;

            return new ThermalControlOutput(targetRpm, valveCurrentMa, fanPowerKw, isWarning);
        }
    }
}

4. 혹서기 $60\%$ 등판 시험 HIL 시뮬레이션 및 교육적 가치