Study on the Thermal Management of Motor in Electric Vehicle using Flow Boiling Heat Transfer in Curved Channel

Abstract

In this study, in order to improve motor cooling performance, flow boiling cooling was proposed, and experiments and simulations were conducted. Motor thermal management is important for performance improvement and failure prevention. Motor thermal management is becoming more and more important as the demand and power output of permanent magnet motor increases for eco-friendly vehicles. Due to the improved power output and reduced size, the heat loss of the motor increases and a new method is needed to replace the conventional water cooling method. For this reason, flow boiling cooling using existing cooling channel with refrigerant is proposed in this research. In order to apply flow boiling cooling with the motor cooling, study on the flow boiling characteristics in a curved channel is required. Therefore, the experiments of heat transfer with R245fa and R134a was conducted by copying the motor cooling channel and motor heat loss. Thereby, the heat transfer coefficient according to the location in the channel was obtained. The sudden drop of the heat transfer coefficient is observed based on the location, and bubble dynamics are used to predict bubble motion to account for the heat transfer coefficient variation. Moreover, actual bubble movement is investigated using high speed camera. As a result, it was confirmed that the heat transfer coefficient decreases when the bubble adheres to the heating surface and moves in the direction opposite to the main flow. In order to prevent the reduction of the heat transfer coefficient, it is necessary to control the mass flow rate appropriately. A lumped parameter thermal model for motor was developed to verify the performance of flow boiling cooling. Transient thermal analysis was performed by calculating the temperature and heat loss according to the position in the motor using the model. The performance of the flow boiling cooling was confirmed comparing the motor winding temperature and heat loss with the conventional water cooling method. Flow boiling cooling with the same pump power consumption condition could keep the motor winding temperature 6.3oC lower than water cooling. Furthermore, the motor power output can be improved by 6.0% without increasing pump power consumption. In order to apply the proposed method to actual vehicle, an integrated system is proposed that uses refrigerant from existing heat pump system. The performance of the cabin thermal management and motor cooling is calculated and compared for both the PCVC (Parallel Cooling Vapor Compression) system and LPVC (Liquid Pump and Vapor Compressor) system. By pumping the refrigerant from the outlet of the condenser, the LPVC system presented high performance regardless of the season. The method proposed in this research can be integrated to the existing vehicle system. It greatly improves the motor cooling performance compared to the conventional method. Therefore, this method will improve the performance and the safety significantly of the eco-friendly vehicle.

본 연구에서는 모터의 냉각 성능을 향상시키기 위해 유동 비등 냉각 방법을 제안하고 이에 대한 실험과 시뮬레이션을 실시했다. 모터 열관리는 성능 향상과 고장 방지를 위해 매우 중요하다. 영구자석형 모터의 수요와 출력이 증가함에 따라 모터 열관리는 점점 더 중요해지고 있다. 출력이 향상되고 크기가 작아지기 때문에 모터의 열 손실이 증가하여 기존의 수냉 방식을 대체하는 새로운 냉각 방식이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 기존의 냉각 유로에 냉매를 이용하는 유동 비등 냉각 방법을 제안한다. 유동 비등 냉각을 모터 냉각에 적용하기 위해서는 곡선 유로에서의 유동 비등 특성에 관한 연구가 필요하다. 따라서 R245fa와 R134a를 이용한 열전달 실험을 모터 냉각 채널과 모터 열손실을 모사함으로써 수행하였다. 이를 통해 유로 내의 위치에 따른 국소 열전달 계수를 도출하였다. 열전달 계수의 변화가 채널 내 위치에 따라 관찰되는데, 이를 설명하기 위해 기포의 동적 거동을 예측하였다. 또한 실제 기포의 움직임을 초고속 카메라로 촬영하였다. 그 결과, 기포가 가열면에 붙은 채로 주 유동과 반대 방향으로 이동하면 열전달 계수가 감소하는 것이 확인되었다. 따라서 열전달 계수의 감소를 방지하기 위해 질량 유량을 적절하게 제어하여 기포를 밀어낼 수 있도록 운전할 필요가 있다. 유동 비등 냉각 성능을 검증하기 위해 모터의 집중형 열모델을 개발하였다. 이 모델을 이용하여 모터의 위치에 따라 온도와 열손실을 계산하여 과도 열해석을 수행하였다. 모터의 권선 온도와 열손실을 기존의 수냉 방식과 비교해 유동 비등 냉각 성능을 확인했다. 동일한 펌프 소모 동력을 필요로 할 때, 유동 비등 냉각 모터의 권선 온도는 수냉 방식보다 최대 4.6℃ 낮게 유지될 수 있다. 동일한 냉각 성능을 유지할 경우, 펌프 소모 동력을 92.0% 저감할 수 있다. 또한 동일한 펌프 소모 동력으로 기존보다 출력이 6.0% 향상된 모터를 안정적으로 냉각할 수 있다. 제안된 방법을 실제 차량에 적용하기 위해 기존의 히트 펌프 시스템의 냉매를 이용한 통합 시스템이 제안되었다. 차량 실내의 열관리 및 모터 냉각 성능을 PCVC (Parallel Cooling Vapor Compression) 시스템과 LPVC (Liquid Pump and Vapor Compressor) 시스템 각각에 대해 계산하였다. 그 결과, 응축기 출구에서 냉매를 끌어와 모터 냉각에 사용하는 LPVC 시스템이 계절에 관계없이 높은 성능을 나타내었다. 본 연구에서 제안된 유동 비등 냉각 방법은 기존의 차량 시스템에 쉽게 통합될 수 있다. 또한 기존 수냉 방식에 비해 모터의 냉각 성능이 크게 향상된다. 따라서 유동 비등을 이용한 모터 냉각 방법은 친환경 자동차의 성능과 안전성을 향상시킬 수 있다.