[논문]CFD를 이용한 연료전지 차량 레이아웃 최적화

김정일; 전완호; 조장형

CFD를 이용한 연료전지 차량 레이아웃 최적화
Engine Room Layout Design Optimization of Fuel Cell Vehicle Using CFD Technique 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.19 no.4, 2011년, pp.99 - 106

김정일 (쎄딕(주) 기술연구소) , 전완호 (쎄딕(주) 기술연구소) , 조장형 (쎄딕(주) 기술연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper deals with engine room layout design optimization of fuel cell electric vehicle (FCEV), which has been proposed as a potential alternative to fossil fuel depletion. Investing the great R&D efforts, the global vehicle manufacturers, especially Honda motor corporate, have shown not prototype vehicle but commercial vehicle using fuel cell in the market recently. In this paper, we analyze cooling performance and flow characteristic in the engine room of newly FCEV, in addition we suggest the optimization process for engine room layout design optimization. The two radiators in the vehicle for fuel cell stack and electronic components cooling have been analyzed and their performance are obtained in terms of cooling performance ratio (CPR). The value of CPR should always be less than one and based on criteria, we have achieved the optimum cooling performance of radiators for stack and electronic components. Aerodynamic performance is evaluated in terms of drag coefficient, improved through underbody modification using air devices.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 이 연구의 목적은 연료전지 차량의 냉각성능을 평가하고, 엔진 룸 내 유동 특성을 분석하여 엔진 룸 레이아웃 관련 설계인자들에 대한 기여도를 평가하는 데 첫 번째 목적이 있다. 또한, 레이아웃 관련 설계인자들의 최적화를 통해 적절한 위치에 부품을 배치함으로서 열유동 특성이 최적화된 엔진룸 레이아웃 제시하는데 두 번째 목적이 있다.
따라서, 이 연구의 목적은 연료전지 차량의 냉각성능을 평가하고, 엔진 룸 내 유동 특성을 분석하여 엔진 룸 레이아웃 관련 설계인자들에 대한 기여도를 평가하는 데 첫 번째 목적이 있다. 또한, 레이아웃 관련 설계인자들의 최적화를 통해 적절한 위치에 부품을 배치함으로서 열유동 특성이 최적화된 엔진룸 레이아웃 제시하는데 두 번째 목적이 있다.
마지막으로 CFD를 이용한 엔진 룸 레이아웃 설계 최적화 Process를 구축하는데 또 다른 목적이 있으며, 향후 개발될 연료전지 차량 엔진 룸 레이아웃 설계 Process를 구축하여 효율적인 차량 설계 방법을 이 연구를 통해 제시할 것이다.

제안 방법

Fig. 4와 같은 레이아웃의 개선을 통해 Tucson FCV 차량 대비 엔진 룸 내 공간 활용도를 높이고, 차량 무게 중심의 하향화 및 전후륜 중량 배분을 50:50에 가깝도록 레이아웃을 설계하여 차량의 성능이 최적화 될 수 있도록 하였다.
Table 2에서와 같이 냉각 성능에 지배적인 영향을 주는 엔진 룸 레이아웃 관련 인자는 냉각계의 기밀유지를 위한 Sealing, TMS 위치 및 Grille 형상 등으로 나타났으며, Sealing은 설계에서 기본적으로 채용하며, Grille 형상은 차량 디자인에 관련된 인자이므로 제외하고, TMS 위치를 주 인자로 설정하였다.
Table 3의 결과와 같이 냉각계 사양 또는 위치는 냉각 성능에 매우 중요한 인자이며, 특히 충돌 성능 등을 고려하여 2열 냉각계 배열을 위주로 최적화를 진행하였다.
Table 6에서와 같이 Good 조건과 Bad 조건에 대해 평가한 결과 S/N 및β 값의 변화가 나타나므로 본 논문에서 설정한 설계 인자 및 노이즈 조건은 타당하며, 최적화가 가능할 것으로 판단되므로 L18 직교좌표계에 대한 해석을 진행하였으며, 그 결과를 Table 7에 나타내었다.
본 연구에서는 카렌스 차량을 기본으로 양산화가 가능한 레이아웃을 개발하기 위해 연료전지 스택 및 연료전지 일부 부품들을 차체 하부에 장착하고, 스택의 열관리를 위한 펌프, 히터, 이온제거기 등을 모듈화한 TMS(Thermal Management System)와 고전압 전장 부품들을 엔진 룸에 장착하였으며, Fig. 4에 개략적인 레이아웃이 나타내었다.
엔진 룸 레이아웃 최적화는 DFSS(Dedign For Six Sigma) 기법을 적용하여 수행하였으며, 스택 Radiator의 경우 영점 비례 등식의 동특성을 이용하였고, 전장 Radiator의 경우 정특성의 망목 특성을 이용하였다.
엔진 룸 레이아웃 최적화를 위한 설계 인자 선정을 위해 냉각계 및 엔진 룸 레이아웃 관련 인자들에 대해 해석을 통해 성능을 평가하였으며, Table 2와 Table 3에 그 결과를 나타내었다.
이 연구에서는 DFSS 기법을 이용하여 연료전지 차량의 엔진 룸 레이아웃 최적화를 진행하였으며, 성능 평가는 CFD 해석을 통해 수행하였고, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
이 연구에서는 연료전지 차량의 성능을 평가하기 위해 냉각 및 공력 성능에 대해 CFD를 이용한 해석을 수행하였으며, 차량의 주행 조건은 현대자동차(주)의 풍동 시험 조건인 냉각의 경우 50KPH 및 100KPH , 공력의 경우 140KPH 조건에서 해석을 수행하였다.
이와 같은 선행 해석 결과를 바탕으로 Table 4와 같이 최적화를 위한 인자 및 Level을 선정하였으며, 신호 인자는 연료전지 시스템의 BOL(Begin of life) 조건과 EOL(End of life) 조건을 고려하기 위해 30kW와 40kW로 연료전지 Stack의 방열량을 설정하였다.

대상 데이터

해석을 위해 약 12,000,000개의 격자를 사용하여 UH3D S/W를 이용 냉각 해석을 수행하였고, 공력해석은 SC/Tetra V.7.을 이용하였으며 60,000,000개 격자를 사용하였다.

데이터처리

이 연구에서는 L18(21⨯37) 직교좌표계를 이용하여 최적화를 수행하였으며, 직교좌표계 구성 후각 인자의 영향도 평가를 위해 Feasibility 해석을 수행하였으며, Table 6에 그 결과를 나타내었다.

이론/모형

냉각 성능을 평가하기 위한 지표로 이 연구에서는 CPR(Cooling Performance Ration)¹⁰⁾ 지수를 이용하였으며, 다음과 같이 표현된다.

성능/효과

1) 현재 차량의 경우 스택 및 전장 모두 냉각 성능을 만족하지 못하고 있으며, 공력 성능 또한 기존 엔진차량에 비해 다소 높게 나타났다.
3) DFSS 기법을 적용한 최적화를 통해 스택의 경우 0.8%, 전장의 경우 19.8% 냉각 성능이 향상되었으며, 전장은 성능이 만족되었다.
Table 8과 같은 최적안 적용 시 스택 Radiator의 경우 1% 산포 저감 및 1% 성능 향상, 전장 Radiator의 경우 5% 산포 저감 및 17% 성능 향상이 될 것으로 예측되었으며, CPR 지수는 스택 Radiator의 경우 1.143, 전장 Radiator의 경우 0.863으로 예측되어 현재 차량 대비해 각각 0.027, 0.300 향상될 것으로 예측되었다. 최적화 결과의 성능 평가를 위해 Fig.
또한, Fig. 2(b)와 같이 V-Flow 연료전지 스택을 개발함으로써 기존 엔진 차량의 배기계가 위치하는 공간에 FC 스택을 장착하여 중량 배분에서도 개선효과를 얻을 수 있었으며, 부가적으로 차체 하부 평탄화를 통해 공력 성능을 향상시켰다.
이 결과는 앞서 DFSS 기법을 통해 예측된 결과와 큰 차이가 없으며, 이는 최적화 모델의 추가적인 검토 없이도 DFSS 기법을 통해 형상 또는 레이아웃이 최적화 되었을 때 성능을 예측할 수 있다는 의미를 가진다.
FCX-Clarity 차량에서 가장 큰 레이아웃의 장점은 구동 모터, 모터 제어기 및 고전압 분배기 등과 같은 전장 부품들을 모듈화하여 전체 부피를 약 24% 절감하고 냉각시스템을 모듈화하여 여유 있는 엔진 룸 공간을 확보한 것이다. 이 결과로 엔진 룸 내 구성 부품들의 배치에 대한 설계 자유도를 증가시켰으며, 조립 공정을 간소화함으로써 양산성을 개선하였다.
최적화 모델의 성능 평가는 강건 설계를 위한 Noise 조건 중 N2 조건인 50KPH 주행 조건으로 하였으며, 그 결과를 Table 9에 나타내었다. 최적화 모델의 경우 현재 모델 대비해 전장의 경우 19.8%, 스택의 경우 0.8% 냉각 성능이 향상되었다.

후속연구

그러나, 이 연구의 주된 관심사가 엔진 룸 레이아웃 최적화이므로 공력 성능 개선에 관한 연구는 이 논문에서 제외하였으며, 공력 성능에 대한 연구 결과는 타 논문을 통해 발표할 것이다.
또한, DFSS 기법을 이용한 설계 Process를 정립하고, 설계에 응용한다면 차량 설계 기간의 단축 및 시험을 위한 차량 제작 비용을 절감할 수 있으며, 보다 효율적으로 차량을 설계할 수 있다.
이상과 같은 결과들을 바탕으로 스택의 냉각 성능 향상을 위한 추가적인 연구가 향후 진행될 것이며, 연구가 완료되면 냉각 성능이 최적화 된 승용연료전지 차량 레이아웃 구성할 수 있다.
이상과 같은 최적화 기법을 통해 엔진 룸 레이아웃 최적화에 대한 많은 연구가 진행되고 있으며, 최적화 기법 적용 시 설계에 소요되는 비용 저감 및 시간 단축 효과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다. 현재 본 연구를 통해 제시된 최적화 모델을 이용하여 추가적인 성능 개선 연구가 진행되고 있다.
이상과 같은 최적화 기법을 통해 엔진 룸 레이아웃 최적화에 대한 많은 연구가 진행되고 있으며, 최적화 기법 적용 시 설계에 소요되는 비용 저감 및 시간 단축 효과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다. 현재 본 연구를 통해 제시된 최적화 모델을 이용하여 추가적인 성능 개선 연구가 진행되고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연료전지 차량이 미래형 차량으로 인식받고 있는 이유는?	이 중 무공해 차량인 연료전지 차량은 내연기관에 비해 높은 에너지 효율과 연소를 필요로 하지 않는 장점 때문에 미래형 차량으로 인식되고 있다.1) 이에 따라 각국의 에너지 관련 기관 및 차량 제작 업체에서는 연료전지 차량의 개발을 위해 많은 비용 및 시간을 투자하고 있으며, 이미 Honda(주)를 비롯한 몇 개 업체에서는 양산이 가능한 수준까지 개발을 완료하였으며, 특히 Honda(주)의 경우 2009년부터 일본과 미국에 리스 판매를 실시하고 있다.
	수소를 연료로 사용하는 연료전지 차량은 어떻게 구성되어 있는가?	수소를 연료로 사용하는 연료전지 차량은 기존 내연기관 파워트레인(엔진, 배기계, 흡기계, 연료계 등)을 대체해 전기에너지를 생산하는 스택, BOP 시스템(수소 및 공기 공급 장치, 열 및 물 관리 장치(TMS)), 수소 저장 시스템, 구동용 모터, 고전압 전력 분배기(HVPD)등으로 구성되어 있다. 연료전지 차량의 경우 이와 같은 많은 부품들을 엔진 룸 내에 장착하여야 하기 때문에 최적화된 레이아웃 구성이 요구된다.
	DFSS 기법을 이용하여 연료전지 차량의 엔진 룸 레이아웃 최적화를 진행하였고 CFD 해석을 통하여 성능평가를 수행한 결과, 얻은 결론은?	1) 현재 차량의 경우 스택 및 전장 모두 냉각 성능을 만족하지 못하고 있으며, 공력 성능 또한 기존 엔진차량에 비해 다소 높게 나타났다. 2) 차량의 냉각 성능에 가장 중요한 인자는 냉각계의 배치 및 Air guide 등 FEM(Front end module)의 설계이다. 3) DFSS 기법을 적용한 최적화를 통해 스택의 경우 0.8%, 전장의 경우 19.8% 냉각 성능이 향상되었으며, 전장은 성능이 만족되었다.

참고문헌 (10)

M. Ehsani, Y. Cao, S. E. Gay and A. Emadi, Modern Electronic, Hybrid Electronic, and Fuel Cell Vehicles, CRC Press, New York, 2004.
T. Moriya, "Fuel Cell Vehicles Development at Honda," FC EXPO 2009 Technical Seminar FC-7, pp.129-47, 2009.
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"Automotive Engineering," SAE, Vol.115, No.8, pp.54-57, 2007.
"Automotive Engineering," SAE, Vol.115, No.9, pp.32-35, 2007.
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S. Hirano, "Fuel Cell Vehicle Demonstration and Fuel Cell Research at Ford Motor Company," FC EXPO 2009 Technical Seminar FC-6, pp.19-36, 2009.
A. Ilyama, "Nissan FCV Development Challenger for Durability and Cost Reduction," FC EXPO 2009 Technical Seminar FC-7, pp.81- 107, 2009.
S. H. Choi, S. I. Jeon and T. W. Lim, "Development of Tucson Fuel Cell Electric Vehicle," Electric Vehicle Symposium 2005, KSAE 05-L0028, 2005.
M. H. Lee, J. I. Kim and W. H. Jeon, "Design of Engine Room Layout in Design Stage of Vehicle by Using CFD Analysis," Spring Conference Proceedings, KSAE, pp.1127-1134, 2007.

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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