[논문]연료전지 자동차용 전자 제어식 <tex>$CO_2$</tex> 냉방 시스템의 성능 특성에 관한 연구

김성철; 이동혁; 이호성; 원종필; 이대웅; 이원석

연료전지 자동차용 전자 제어식 $CO_2$ 냉방 시스템의 성능 특성에 관한 연구
Studies on the Performance Characteristics of an Electronically Controlled $CO_2$ Air Conditioning System for Fuel Cell Electric Vehicles 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.16 no.2, 2008년, pp.150 - 157

김성철 (자동차부품연구원 열제어연구팀) , 이동혁 (자동차부품연구원 열제어연구팀) , 이호성 (자동차부품연구원 열제어연구팀) , 원종필 (자동차부품연구원 열제어연구팀) , 이대웅 (한라공조㈜) , 이원석 (두원공조㈜)

Abstract ▼ AI-Helper

The main objective of this paper is to investigate the performance characteristics of a $CO_2$ air conditioning system for fuel cell electric vehicles (FCEV). The present air conditioning system for FCEV uses the electrically driven compressor and electrically controlled expansion valve for $CO_2$ as a working fluid. The experimental work has been done with various operating conditions, which are quite matching the actual vehicle's driving conditions such as different compressor speed and high pressure to identify the characteristics of the system. Experimental results show that the cooling capacity and coefficient of performance (COP) were up to 6.3kW and 2.5, respectively. This paper also deals with the development of optimum high pressure control algorithm for the transcritical $CO_2$ cycle to achieve the maximum COP.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

도움을 주신 관계자 여러분께 감사하는 바이다.
따라서 본 연구에서는 연료전지 자동차용 공조시스템 개발 및 지구 온난화 규제 모두를 만족시킬 수 있는 co2 냉방 시스템에 대한 연구를 수행하였다. 시스템에 대한 특징을 살펴보기 위해, 압축기의 회전속도와 가스쿨러 및 증발기로 유입되는 공기의 온도와 풍량을 다양하게 변화시켜가면서, 시스템 성능에 미치는 영향을 알아보았다.
시스템에 대한 특징을 살펴보기 위해, 압축기의 회전속도와 가스쿨러 및 증발기로 유입되는 공기의 온도와 풍량을 다양하게 변화시켜가면서, 시스템 성능에 미치는 영향을 알아보았다. 또한 각 운전 조건에 대한 최대의 COP 조건을 찾아내어, 운전 조건에 따라 시스템이 최대의 COP를 갖도록 시스템 조건을 구현할 수 있는 고압 설정 알고리즘을 제시하고자 하였다.
본 연구는 산업자원부가 지원하는 차세대성장동력 미래형자동차기술개발사업의 일환으로 수행되었다. 도움을 주신 관계자 여러분께 감사하는 바이다.
실내 부하의 영향으로 증발기 입구 공기 온도가 변화하게 되고, 따라서 이에 대한 영 향도 살펴보았다. 가스쿨러 입구 공기온도를 35℃로 고정시키고, 증발기 입구 공기온도를 27 및 35℃로 변화시키 며실험을 수행하였고, 그 결과를 Fig.
되는 공기 의 속도는 변화한다. 이러한 차속 변화 시 가스쿨러 입구 공기풍속이 냉방 시스템 성능에 미치는 영향을 살펴보았다. 다른 모든 조건은 동일하게 하고, 입구 공기의 속도가2 및 4 m/s로 변화하였을 때, 각각의 COP 및 냉방 용량을 Fig.
전동식 압축기를 사용한 연료전지 자동차용 C₆에어컨 시스템에 대해 다양한 운전 조건 변화를 통해 냉방 용량 및 시스템 COP에 영향을 미치는 인자들을 살펴보았고, 그러한 결과를 바탕으로 최적 COP 제어 알고리즘을 제시하고자 하였다.

제안 방법

4) 가스쿨러 출구 냉매온도와 냉매 최적압력의 선형관계식을 제시하였다. 이러한 고압부의 설정 알고리즘을 바탕으로 하여, 전자 팽창 밸브 등을 이용한 간단한 시스템 제어의 구성이 가능함을 알 수 있었다
가스쿨러 입구 공기온도를 35℃로 고정시키고, 증발기 입구 공기온도를 27 및 35℃로 변화시키 며실험을 수행하였고, 그 결과를 Fig. 6에 나타내었다 증발기 입구 공기온도가 증가하면 COP 및 냉방 용량은 증가하게 된다. 증발기 입구 공기온도가 증가함에 따라 냉매와의 온도차가 커지고, 그에 의해 열 교환량이 커져서 냉방 용량이 증가하는 것을 Fig.
수행하였다. 시스템에 대한 특징을 살펴보기 위해, 압축기의 회전속도와 가스쿨러 및 증발기로 유입되는 공기의 온도와 풍량을 다양하게 변화시켜가면서, 시스템 성능에 미치는 영향을 알아보았다. 또한 각 운전 조건에 대한 최대의 COP 조건을 찾아내어, 운전 조건에 따라 시스템이 최대의 COP를 갖도록 시스템 조건을 구현할 수 있는 고압 설정 알고리즘을 제시하고자 하였다.
압축기 소요동력은 인버터 손실을 포함하여 인버터로 들어가는 동력을 전력계로 측정하였다. 그리하여 COP는 식 (2)에 의해서 결정 된다.
1%의 압력센서를사용하였으며, 고압 유동 배관 내에서의 온도 측정을 위해 초절연성, 고내압성의 T타입 열전대들이 측정개소의 라인 내에 직접 삽입된 형태로 각각 부착되어 각 상태 점에서의 온도와 압력을 측정하였다. 차량 실내외 온습도 조건을 구현하기 위한 가스쿨러와 증발기 항온항습 실내에는 항온기 와 가습기 를 설치하여 열교환기 시험 부 전면에서 유입되는 공기의 온도와 습도를 항상 일정하게 유지하고 제어가 가능하도록 하였다.
코리올리 효과의 ±0.15%의 정밀도와 680 kg/h의 유량 범위를 갖는 냉매 질량유량계가 내부열교환기 고압 측 출구와 팽창밸브 입 구 사이의 구간에 설치되어 질량유량 측정 오차를 최소화하였다 또한 가스쿨러, 증발기 및 내부 열교환기 등의 입구와 출구에는 절대압력 160 bar 및 100 bar까지 측정 가능한 정밀도±0.1%의 압력센서를사용하였으며, 고압 유동 배관 내에서의 온도 측정을 위해 초절연성, 고내압성의 T타입 열전대들이 측정개소의 라인 내에 직접 삽입된 형태로 각각 부착되어 각 상태 점에서의 온도와 압력을 측정하였다. 차량 실내외 온습도 조건을 구현하기 위한 가스쿨러와 증발기 항온항습 실내에는 항온기 와 가습기 를 설치하여 열교환기 시험 부 전면에서 유입되는 공기의 온도와 습도를 항상 일정하게 유지하고 제어가 가능하도록 하였다.
하절기 차량에서 나타나는 다양한 조건을 기준으로 하여, 시스템 운전 및 외기 조건 변수에 대한 냉방 성 능의 변화를 살펴보고, 최대 COP 조건을 찾기 위해서 Table 2와 같은 평가 조건에서 실험을 수행하였다 가스쿨러 및 증발기의 외 기 온도 조건을 설정하고, 팽창밸브의 개도를 조정하여 가스쿨러 입구의 압력을 변화시켰으며, 증발기의 압력은 그에 따라 맞추어지도록 하였다. 그에 따른 시스템의 압력.

대상 데이터

1과 같이 제작하였다. 시스템 성능 평가 장치의 전체적인 구성은 전동식 압축기, 오일 분리기, 가스쿨러, 팽창밸브, 증발기, 어큐뮬레이터, 그리고 내부 열교환기로 구성되어 있다. 각각의 주요 구성부품에 대한 상세 사양은 Table 1에 나타내었다

성능/효과

기존 연구자인 Yang et al.(3)의 실험결과와 비교해보아도 비교적 잘 일치 함을 알 수 있다. 따라서, 시스템을 최 적으로 제어하기 위한 알고리즘은 가스쿨러 출구에서의 온도와 압력을 측정하여 위의 상관 식을 적용한 제어로직에 의해 구현되어진다.
3에 나타내었다 Fig. 3(a)와 (b)에서 볼 수 있듯이 압축기 회전속도가 증가할수록, 증발기 냉방 용량이 최대 6.3 kW까지 증가하게 되고, COP의 경우는 반대로 3000 rpm에서 최대 2, 5를 얻을 수 있었다. 각각의 압축기 회전속도에 대해 고압 측 압력 이 증가할수록 냉방 용량 및 COP의 증가율이 감소하면서 증가함을 알 수 있다.
1) 압축기 회전 속도에 따라 최대 6.3 kW까지 의 냉방 용량 및 최대 2.5의 시스템 COP> 나타내었다. 압축기 회전 속도가 증가함에 따라 냉방 용량과 압축기 소요동력 모두 증가하지만 압축기 소요 동력의 증가량이 더 크기 때문에 COP는 감소하는 경향을 나타내었다.
2) 가스쿨러 및 증발기로 유입되는 공기의 온도와풍량(풍속)을 다양하게 변화함에 따라, 시스템 성능에 미치는 영향을 정량화하였다.
3) 외기 온도 조건에 대해 COP가 최대로 되는 최적 고압이 존재함을 알 수 있었고, 시스템 성능에 크게 영향을 미치는 인자임을 확인하였다.
3 kW까지 증가하게 되고, COP의 경우는 반대로 3000 rpm에서 최대 2, 5를 얻을 수 있었다. 각각의 압축기 회전속도에 대해 고압 측 압력 이 증가할수록 냉방 용량 및 COP의 증가율이 감소하면서 증가함을 알 수 있다. 그리고 증발기 출구 건도(X < 1)와 압축기 입구 과열도 (DSH_comp > 5℃) 및 증발 온도(Tevap > 0℃) 조건을 만족하는 최대 압력에서 최대 COP가 얻어짐을 알 수 있다.
그리고 증발기 출구 건도(X 5℃) 및 증발 온도(Tevap > 0℃) 조건을 만족하는 최대 압력에서 최대 COP가 얻어짐을 알 수 있다.
제시하였다. 이러한 고압부의 설정 알고리즘을 바탕으로 하여, 전자 팽창 밸브 등을 이용한 간단한 시스템 제어의 구성이 가능함을 알 수 있었다

참고문헌 (15)

N. S. Ap, "Fuel Cell Electric Vehicle (FCEV) Cooling System Versus Internal Combustion Engine Vehicle (ICEV) Cooling System," EVS 19 Congress, Busan, Korea, 2002
N. S. Ap, G. Guyonvarch, M. Cloarec and L. Rouveyre, "Cooling System and Climate Control of Fuel Cell Electric Vehicle (FCEV)," EVS 17 Congress, Montreal, Canada, 2000
M. Makino, N. Ogawa, Y. Abe and Y. Fujiwara, "Automotive Air-conditioning Electrically Driven Compressor," SAE 2003-01-0734, 2003
S. C. Kim, M. S. Kim, I. C. Hwang and T. W. Lim, "Performance Evaluation of a $CO_{2}$ Heat Pump System for Fuel Cell Vehicles Considering the Heat Exchanger Arrangements," International Journal of Refrigeration, Vol.30, pp.1195-1206, 2007

상세보기
EU News, Parliament Opts for Containment on F-gases, http://www.euractiv.com, 2005
J. Yin, Y. C. Park, D. Boewe, R. McEnaney, A. Beaver, C. W. Bullard and P. S. Hrnjak, "Experimental and Model Comparison of Transcritical $CO_{2}$ Versus R134a and R410 System Performance," Proc. IIR-Gustav Lorentzen Conference on Natural Working Fluids, Oslo, Norway, pp.376-387, 1998
R. McEnaney, D. Boewe, J. Yin, Y. C. Park, C. W. Bullard and P. S. Hrnjak, "Experimental Comparison of Mobile A/C Systems when Operated with Transcritical $CO_{2}$ Versus Conventional R134a," Proc. International Refrigeration Conference, Purdue, pp.145-150, 1998
J. S. Brown, S. F. Yana-Motta and P. A. Domanski, "Comparative Analysis of an Automotive Air Conditioning Systems Operating with $CO_{2}$ and R134a," Int. J. Refrig., Vol.25, pp.19-32, 2002

상세보기
H. Gentner, Passenger Car Air Conditioning Using Carbon Dioxide as Refrigerant, Proc. IIR-Gustav Lorentzen Conference on Natural Working Fluids, Oslo, Norway, pp.303-313, 1998
T. Tamura, Y. Yakumaru and F. Nishiwaki, "Experimental Study on Automotive Cooling and Heating Air Conditioning System Using $CO_{2}$ as a Refrigerant," Int. J. Refrig., Vol.28, pp.1302-1307, 2005

상세보기
J. K. Lee, D. H. Lee, J. P. Won and H. K. Lee, "Effects of Operating Parameters on Cooling Performance of a Transcritical $CO_{2}$ Mobile Air-conditioning System," Spring Conference Proceedings, KSAE, pp.2476-2482, 2006
Y. C. Park, J. M. Yin, C. W. Bullard and P. S. Hrnjak, "Experimental and Model Analysis of Control and Operating Parameters of Transcritical $CO_{2}$ Mobile A/C System," VTMS-4 Conference, London, England, pp.163-170, 1999
M. Park, S. C. Kim, D. W. Kim and M. S. Kim, "Studies on the Steady State and Dynamic Characteristics of a Carbon Dioxide Air-conditioning System for Vehicles," Tansactions of KSME, Vol.31, No.6, pp.531-538, 2007
S. M. Liao, T. S. Zhao and A. Jakobsen, "A Correlation of Optimal Heat Rejection Pressures in Transcritical Carbon Dioxide Cycles," Applied Thermal Engineering, Vol.20, pp.831- 841, 2000

상세보기
W. W. Yang, A. Fartaj and D. S. Ting, " $CO_{2}$ Automotive A/C System Optimum High Pressure Control," SAE 2005-01-2022, 2005

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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