Electric vehicle energy flow management
- Research
Thermal management system (TMS)다양한 온도에서 작동하는 각각의 컴포넌트들을 최적 온도범위 내에서 유지시키고,
이를 통해 시스템 전체의 효율을 높이기 위한 시스템
미래 모빌리티의 주요 분야인 열 관리/해석은 최적화된 제어를 통해 전비와 수명을 향상시키는 방향으로 연구가 진행되고 있음.
특히, 우리 연구실에서는 리튬이온 배터리를 동력원으로 사용하는 전기차와, 수소&산소를 공급하여 작동하는 액화수소 연료전지 비행체의 최적 열관리 시스템 연구를 수행하고 있음.
Thermal management system control on electric vehicle전기 자동차 열 관리 및 제어 연구
전기 자동차는 주행 시 차량 후단에서 온실가스 및 대기오염 물질을 배출하지 않아 친환경 수송 수단으로 주목받고 있지만, 기온에 따른 전력 소모량이 달라지는 등 열 관리 능력이 주행 성능에 직결되는 특징을 가지고 있음. 이를 개선하기 위해 배터리와 차량 내부 온도를 모두 제어하는 통합 열 관리 시스템이 필요하지만, 아래 그림에서 볼 수 있듯이 업체 및 차종 별로 열 관리 시스템에 차이가 있어서, 업계를 선도할 주류 기술이 결정되지 않은 상태임.
전기차의 열관리 성능에 대해 분석 및 개선하고자 함. 열 관리 시스템 개선을 위해 다양한 아키텍쳐 및 제어 전략에 대한 연구가 필요하지만, 이를 위해 실제 차량을 대상으로 시험 주행을 하기에는 무리가 있음. 이에 따라 우리 연구실에서는 구동 및 공조 부하가 반영된 통합 열관리 모델을 설계하고, 에너지 흐름 분석을 통해 전기차의 열 관리 성능 차량 전비 향상 방안을 찾고자 함.
-
전기 자동차 내 에너지 흐름 분석
차량 내 부품들 간에 에너지 흐름을 분석함으로써 전비 개선 방안을 모색하고, 차량 시험 결과 분석을 통해 아래 그림과 같이 에너지 흐름도를 작성함. 이를 통해 열 관리 아키텍처 및 제어 전략의 한계점을 분석하여 전비 향상이 가능한 컴포넌트를 찾고자 함.
차량 에너지 흐름도 (예시)
-
(열)에너지 시스템 제어기를 포함한 차량 수준 모델 개발
차량 수준 통합 모델을 개발하여 열 관리 성능 최적화 방안을 연구 중에 있음. 개발한 모델은 앞서 에너지 흐름 분석 연구에서 얻은 차량 내 열/유동 해석 결과를 반영하며, 더 나아가 열 관리 제어기를 포함함. 이를 기반으로 다양한 주행 환경에서 최신 제어 기법 및 아키텍처를 반영하였을 때 전비 향상 효과를 측정하며, 궁극적으로는 최적화된 차량 열 관리 시스템 및 제어 전략을 도출하는 걸로 보임.
Aircraft hydrogen fuel cell propulsion system design & Energy flow analysis항공기 수소연료전지 추진시스템 설계 및 에너지 흐름 분석
국내외 탄소 중립 정책 추진에 따라 전기/수소 중심의 그린 모빌리티 기술로의 전환이 요구되는 상황이고, 이에 따라 액화수소 연료전지 기반 기술을 항공기 추진 시스템에 적용하기 위한 개념 설계 및 해석 기술이 필요한 상황임.
꾸준한 연료 공급을 통해 산소와 수소가 반응하여 전력을 생산해내는 연료전지의 경우, 고도가 증가함에 따라 나타나는 외기의 산소 농도 부족을 대처할 수 있는 부속 부품들이 중요함.
250kW급 경량 항공기의 연료전지 추진 시스템을 예시로 한 모델을 GT-Suite로 설계하여, 고도 증감에 따른 외기 조건의 변화가 연료전지 시스템에 기여하는 영향을 해석하고, 이에 따른 시스템 요소들의 최적 스케일을 제시하고자 연구 중에 있음.
연료전지나 시스템의 balance of plant (BOP)에서 나타나는 비효율성을 열 부하로 고려하여 냉각 요구량을 파악함.
구성된 수소 연료전지 추진 시스템 시뮬레이터를 기반으로 모터 및 전기 부하에 따른 운전 조건과 비행 profile 조건 및 항공기 제원 값에 따른 구동 결과를 확인함.
시뮬레이션 결과는 소모된 수소 연료량과 배터리에서 소모된 전력, 운전 속도 및 고도 등의 결과로 산출되며 이에 따른 각 구성품이 끼치는 열 영향을 분석하고자 연구를 진행하고 있음.