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전기 자동차의 유입 유동 개선을 통한 냉각 성능 향상 방안 연구 : Study on Improvement the Performance of EV Vehicles with Using the Inlet Air Flow

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Authors

박당희

Advisor
김민수
Issue Date
2020
Publisher
서울대학교 대학원
Description
학위논문(석사)--서울대학교 대학원 :공학전문대학원 응용공학과,2020. 2. 김민수.
Abstract
In general, it can be said that AER of BEV increases with the larger the capacity of the high voltage battery. The temperature control of the high voltage battery system is important because the electrical and chemical characteristics of the high voltage battery minimize internal resistance at room temperature (15°C to 35°C) and increase efficiency. Therefore, for the improvement of the AER the thermal management of the battery is a very important factor, and for this to be done efficiently, the cooling performance of the vehicle is an important factor as well.
To improve the cooling performance of the vehicle, a large amount of air must be drawn into the radiator, a component that performs direct heat exchange with the outside air. However, increasing the area of the radiator grille or bumper hole at the front of the vehicle to increase the intake of fresh air will increase the vehicle's driving resistance, thereby reducing the AER.
As a result, the front radiator grille and bumper section of almost all electric vehicles are blocked. This means that the vehicle's cooling both performance and aerodynamic performance are important factors for the increase in the AER for electric vehicles, but the increase in the flow inlet holes for cooling performance is a conflict that contributes to increased air resistance.
This means that the increase in intake of fresh air to improve the cooling performance of electric vehicles lies in a limited situation.
This study sought to find ways to improve cooling performance by improving the marginal situation of the inflow of these electric vehicles.
To this end, an EV vehicle inlet flow system consisting of the factors affecting the characteristics of the front part of the vehicle for electric vehicles has been defined. In addition, the purpose of the new concept of inflow flow system was set to improve the cooling performance of the vehicle through streamlining inflow flow and to derive the performance improvement factors affecting it, so that the EV inlet flow system was recognized as the performance improvement system of the vehicle performing the main function of flow efficiency.
In more detail, EV Inlet Flow systems analyzed, and base structure and function of the Flow Analysis and Visualization of the vehicle through the system selects internal and external factors .Sensitivity performance for each individual factors CFD(computational fluid dynamics) analysis.
Through this process, four internal and two external system factors were selected that actually affect the efficiency of inflow flows, and these were defined as performance improvement factors.
In addition, the system concept model was proposed for practical vehicle application and the interpretation and testing verification of the proposed model revealed that the flow efficiency through EV flow systems not only affected the cooling performance of the vehicle, but also helped to improve the air power performance, which is at odds with conventional cooling performance.
This enabled us to demonstrate the basic hypothesis of improving the performance of the vehicle by utilizing the concept of efficient inflow of EV vehicles, and the proposal of a system model that is practically applicable to the vehicle made this study even more meaningful.
It is expected that it will become a new technology paradigm in expanding the spread of EV vehicles in the future and in related areas of research.
전기 자동차 시장의 성장과 보급 확대를 위해 가장 중요한 기술적 과제는 소비자가 원하는 수준의 충분한 1회 충전 주행거리(AER, All Electric Range)를 확보하는 것이다.
일반적으로 AER은 고전압 배터리의 용량이 클수록 늘어난다고 볼 수 있다. 이때, 고전압 배터리의 온도 관리가 중요하게 되는데 그 이유는 고전압 배터리의 전기 화학적 특징에 의해 상온 (15℃~35℃)에서 내부 저항이 최소가 되어 효율이 높아지기 때문이다. 따라서 전기 자동차의 AER 향상을 위해서는 배터리의 열관리가 매우 중요한 요소로 작용하며 이러한 열관리가 효율적으로 이루어지기 위해서는 차량의 냉각 성능이 중요한 요소가 된다.
일반적으로 차량의 냉각 성능 향상을 위해서는 외부 공기와 직접 열 교환을 수행하는 부품인 라디에이터로 많은 공기들이 유입되어야 한다. 그러나 외부 공기의 유입을 늘리기 위해 차량 전면의 라디에이터 그릴이나 범퍼 홀의 면적을 증대시킬 경우 차량의 주행 저항이 증가하여 AER이 오히려 감소하게 된다.
때문에 실제 거의 모든 전기 자동차의 차량 전면 라디에이터 그릴과 범퍼 부분은 막혀 있다. 즉, 전기 자동차의 AER 증대를 위해서는 차량의 냉각 성능 및 공력 성능이 중요한 요소이지만, 냉각 성능을 위한 유동 유입 홀의 증대는 공기 저항을 증대 시키는 원인이 되므로 냉각 성능과 공력 성능은 상충 관계에 있는 것이다.
이것은 전기 자동차의 냉각 성능 개선을 위한 외부 공기의 유입량 증대가 제한적인 상황에 놓여 있다는 의미이다.
본 연구는 이러한 전기 자동차의 유입 유동의 한계적 상황을 차량 전면의 냉각홀 증대 없이 유입 유동의 효율화를 통해 개선함으로써 전기 자동차의 냉각 성능을 향상시킬 수 있는 방법을 찾아내고자 하였다.
이를 위해 전기 자동차의 차량 전면 부 유동 특성을 분석하고 이에 영향을 주는 인자들로 구성된 EV 유입 유동 시스템을 정의하였다. 또, 새로운 개념의 유입 유동 시스템의 기능을 유입 유동의 효율화를 통한 차량의 냉각 성능 개선으로 설정하고 여기에 영향을 주는 성능 개선 인자를 도출함으로써 EV 유입 유동 시스템이 유동 효율화라는 주 기능을 수행하는 차량의 성능 개선 시스템으로 인식되게 하였다.
이를 위해 트리즈 기법(Teoriya Resheniya Izobretatelskikh Zadach, Russia)을 활용하여 EV 유입 유동 시스템의 구조 및 기능 분석을 실시하였고, CFD(Computational Fluid Dynamics)를 활용하여 베이스 차량의 유동 해석 및 가시화를 통한 시스템 내부 및 외부 인자를 선정하고 개별 인자들에 대한 성능 영향 도를 확인하였다.
이러한 과정을 통해 실질적으로 유입 유동의 효율화에 영향을 주는 시스템 내부 인자 및 외부 인자를 도출할 수 있었다.
이를 통해, 실질적인 차량 적용을 위한 시스템 컨셉 모델을 제안할 수 있었고 제안된 모델에 대한 해석 및 시험 검증을 통해 EV 유입 유동 시스템을 통한 유동 효율화가 차량의 냉각 성능 개선에 영향을 줄 뿐만 아니라 공력 성능의 개선에도 일부 영향을 주는 것을 확인할 수 있었다.
때문에 전기 자동차에 대해 EV 유입 유동 효율화라는 개념을 활용하여 차량의 성능 개선이 가능하다는 본 연구의 새로운 접근이 유효하다는 것을 입증할 수 있었으며, 실질적으로 차량 적용이 가능한 시스템 모델의 제안으로 본 연구의 의미를 더욱 확보할 수 있었다.
향후 EV 차량의 보급 확대와 관련 분야 연구에 있어 새로운 기술 패러다임으로 자리 잡을 수 있을 것으로 예상된다.
Language
kor
URI
http://dcollection.snu.ac.kr/common/orgView/000000158902
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