Performance analysis of a heat pump system with a desiccant coated heat exchanger for an electric vehicle

Abstract

In this study, a heat pump system of an electric vehicle (EV) with a novel dehumidifier is suggested and validated by modeling and experiment. The aim of the study is the determination of the energy consumption of the proposed system. The driving range of a conventional EV sharply drops when operating the MHP system for heating or defogging. Because the traditional MHP consumes a lot of energy since it used the condensing method to remove moisture. It means that the air temperature must be lower than dew points to occurs condensation on the metal fins of a heat exchanger, then the air should be reheated to supply into the cabin. In this study, to solve this irrational process for dehumidification, a solid desiccant coated heat exchanger (DCHE) is introduced which is able to heat and mass transfer simultaneously for removing water vapor in the cabin air and recovering waste heat from power electronics and electric machineries (PEEM). To attach the desiccant material onto the metal fin of a heat exchanger, a binder should be necessary. Thus, the proper pair of the desiccant and binder is selected. After analyzing the physical properties of the adsorbent, the optimum binder contents ratio is obtained. Then, the numerical model of the DCHE was developed base on the thermal resistance method to predict the adsorption performance of the DCHE. To validate the predicted results, the DCHE was fabricated and the test facility was also constructed. The simulation results show good agreement with the experimental data. To obtain the power consumption of the MHP, the numerical model of the MHP was developed. The compressor characteristics were determined by preliminary test since it is a crucial component of the MHP and it strongly affects the performance of the MHP system. Similar to the DCHE model, heat exchangers of the MHP also modeled using the thermal resistance method by discrete as small segments. To validate the developed MHP model, the experimental apparatus was constructed and conducted experiments. As a result, the simulation results reveal small differences as compared with the experimental data. Owing to determine the effect of the DCHE on the energy consumption of the MHP to satisfy the cabin target condition, the simulation was conducted by integrated the developed numerical model in the Simulink program. Simulation results reveal that the system with DCHE achieves a reduction in energy consumption as compared to the traditional system. Because the DCHE led to decreasing the operation time of the MHP by adsorption the water vapor in the cabin air, and by heating to approach the cabin air temperature to the setpoint. In conclusion, the novel configuration which is utilized the DCHE in the automobile heat pump system is suggested in this study. And the DCHE effects on the energy reduction of the automobile heat pump system were investigated. Conclusively, the DCHE helps to reduce energy consumption.

차량 탑승객의 열쾌적성과 운전 안전성 확보를 위하여, 냉난방 공조 시스템을 가동하여 차량실내 냉난방 및 김서림 제거한다. 이러한 공조시스템을 운전하기 위한 에너지 소비는 불가피하다. 기존 내연기관 차량의 경우, 충분한 연소열량을 활용하여 난방 및 김서림 방지를 위해 사용할 수 있었다. 하지만 전기자동차의 경우, 내연기관 차량과 달리 충분한 열원이 존재하지 않을뿐더러 탑재된 배터리에 저장된 에너지량에 따라 주행거리가 의존적이므로, 공조시스템을 운전할수록 전기자동차의 주행거리가 급감하는 문제가 존재한다. 이를 해결하기 위해서는 공조시스템의 에너지 사용량을 줄이고 효율을 높여야 한다. 기존 차량에서는 김서림 제거를 위하여, 실내공기를 이슬점보다 낮게 만들어 공기내 수분이 열교환기에 응축시켜 제습한 후 재가열하여 실내로 공급하는 방법을 보편적으로 사용하고 있다. 이는 불합리적인 에너지 소비를 야기한다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 고체 제습제를 활용하여 공기내 수분을 직접 흡착시켜 제습하는 방안을 고안하였다. 또한, 모터 및 인버터와 같은 전장품들의 폐열을 회수하여 공조에 활용하기 위해 추가 열교환기를 고려하였다. 본 연구에서, 제습제 코팅 열교환기 (DCHE, Desiccant coated heat exchanger)를 제안하고, 해당 열교환기를 적용한 전기자동차용 히트펌프 시스템의 에너지 사용량에 대한 분석을 실시하였다. 이를 위하여, 차량실내 열적 모델, 제습제 코팅 열교환기 모델, 그리고 차량용 히트펌프 모델을 구축 및 검증하였다. 탑승자의 호흡 및 피부에서 증발하는 수분량을 계산하여 차량실내 열적 모델을 구축하고, 다른 연구진의 모델과 비교 검증하였다. 제습제 코팅 열교환기의 해석 모델을 열 및 물질 저항 모델을 활용하여 차분화하여 구축하였다. 이 해석 모델을 검증하기 위하여, 다양한 조건에서 DCHE의 흡착 성능측정을 실험하여 그 결과를 예측 성능과 비교하였다. 제습제 코팅 열교환기는 흡착제와 접착제의 비율에 따른 흡착성능을 분석한 결과를 바탕으로 제작하였다. 차량용 히트펌프 실험장비를 구축하고 다양한 조건에서 실험하였으며, 그 결과를 차량용 히트펌프 해석 모델의 예측 성능값과 비교하여 검증하였다. 따라서, 개발 및 검증된 모델을 Simulink에 활용하여 다양한 운전조건에 대한 시스템의 소비동력에 미치는 영향을 분석하였다. 그 결과, 기존 전기자동차에 비하여 제습제 코팅 열교환기를 적용할 경우, 차량용 히트펌프의 냉매압축기 소비동력이 줄어든다는 결론을 얻었다. 본 연구에서 제시한 제습제 코팅 열교환기를 전기자동차에 적용한다면, 전기자동차용 공조시스템이 사용하는 에너지를 줄임으로써, 겨울철 차량의 주행거리를 확보할 수 있을 뿐만 아니라 미래 전기자동차의 보급 및 확산에도 기여할 수 있을 것으로 기대한다.