An Integrated Electric Vehicle Thermal Management System for Range Extension

Abstract

전기자동차의1회 충전 주행거리는 탑재된 배터리의 전기용량에 의하여 결정된다. 하지만 최근 적용되고 있는 리튬-이온 배터리의 경우 단위 무게당 에너지 밀도의 한계로 인해 전기승용차의 1회 충전 최대 주행거리는 약 350~400 km를 상회한다. 그런데 이러한 최대 주행 가능 거리는 외기온도에 의해 크게 변동되며 운전자로 하여금 심각한 거리불안감을 유발하고 있으며 이는 전기자동차의 보급 확대에 큰 걸림돌로 알려져 있다. 외기온도에 따라 주행거리가 변화하는 가장 큰 원인은 차량의 실내 열관리를 위해 냉난방 공조시스템에서 요구하는 전기에너지가 클 뿐만 아니라, 이러한 에너지의 양이 외기온도에 따라 큰 폭으로 변화하기 때문이다. 본 연구는 승용전기자동차의 전동 파워트레인과 공조시스템간의 열 적 연계성을 강화시켜 외기온도에 따라 공조시스템 소모 동력 변화가 적은 통합열관리시스템을 제안하였으며, 이러한 통합열관리 시스템이 전기자동차의 주행거리 연장에 미치는 영향성을 정량적으로 분석하였다. 먼저, 시뮬레이션 기반으로 전기자동차의 전동 파워트레인 (배터리,모터,인버터)에서 발생하는 발열량 예측 방법을 제시하였다. 배터리, 모터, 인버터는 전기에너지와 기계에너지간의 연속적인 변환과정을 수행한다. 이러한 변환과정에서 전기에너지는 전압과 전류의 형태로 기계에너지로 변환되며 반대로 발생된 기계에너지는 그것의 역 과정을 통해 배터리로 저장되게 된다. 본 연구에서는 각 구성요소에서 발생하는 발열량을 정량적으로 예측하기 위해 기계에너지와 전기에너지의 실시간 변환에 대한 통합 동력전달모델 및 열에너지 손실 모델을 개발하였다. 실외 온도에 따라 차량의 실내에서 요구되는 공조 부하를 정량적으로 예측하기 위해 열 쾌적성 기반의 차량 실내 모델을 개발하였다. 개발된 모델에서는 차량의 외부로부터 유입되는 복사에너지 뿐만 아니라 차량 내장재의 비열까지 고려하여 보다 현실성이 높은 공조 부하량을 예측할 수 있다. 배터리, 인버터, 모터에서 발생하는 발열량과 공조부하량을 바탕으로 승용전기자동차에 적합한 통합열관리시스템을 설계하였다. 설계된 시스템의 성능과 효율을 검증하기 위해 실험연구를 수해하였으며 그 결과 기본 시스템과 비교하여 난방조건에서는 약 12%, 그리고 냉방조건에서는 약 5% 의 소모동력 저감율을 확인하였다. 이러한 소모동력 저감율이 전기자동차의 주행거리에 미치는 영향력을 확인하기 위해 전기자동차 주행거리 예측 모델을 개발하였다. 다양한 외기조건에 대해 주행거리 증대효과를 확인한 결과 약 10%의 주행거리 증대 효과가 기대된다. 본 연구에서 제시한 통합열관리시스템이 전기자동차에 적용된다면, 외기온도에 따른 주행거리 변화율을 줄이고 나아가 전기자동차 보급에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

The mileage of a single charge of an electric vehicle is determined by the capacity of the mounted battery. However, due to the limitation of energy density per unit weight of lithium-ion batteries that have been applied recently, the maximum mileage of an electric passenger car is less than about 500 km. However, this mileage is greatly changed by the outside temperature, causing the driver anxiety, which is known as a major obstacle to the expansion of electric vehicles. The main cause of the change in the driving distance according to the outside temperature is that the air conditioning load used for indoor heat management of the vehicle is large and also varies according to the outside temperature. In this study, we proposed an integrated heat management system with a low rate of change in power consumption of the air conditioning system according to the outside temperature, and quantitatively analyzed the effect of these systems on the mileage extension of electric vehicles. First, a method for predicting the amount of heat generated from a battery, a motor, and an inverter of an electric vehicle was presented based on simulation. The battery, the motor, and the inverter each continuously store and convert electrical energy. In this process, electrical energy moves in the form of voltage and current. In this study, an integrated power transmission model for real-time conversion of mechanical and electrical energy was developed to quantitatively measure the amount of heat generated by each component. In order to quantitatively calculate the air conditioning load required in the interior of the vehicle according to the outdoor temperature, a vehicle interior model based on thermal comfort was developed. In the developed model, it is possible to predict a more realistic air conditioning load by considering not only radiant energy introduced from the outside of the vehicle, but also specific heat of the vehicle interior material. We designed an integrated heat management system that can be applied based on the amount of heat generated from the battery, inverter, and motor and the air conditioning load. Experimental studies were conducted to verify the performance and efficiency of the designed system, and as a result, a reduction in power consumption of about 12% under heating conditions and about 5% under cooling conditions was confirmed. An electric vehicle mileage prediction model was developed to confirm the impact of such reduction in power consumption on the mileage of an electric vehicle. As a result of confirming the effect of increasing the mileage for various outdoor conditions, an effect of increasing the mileage of about 10% is expected. If the integrated heat management system proposed in this study is applied to electric vehicles, it is expected that the mileage change rate according to the outside temperature can be reduced and further contribute to the supply of electric vehicles.