[논문]수소연료전지 자동차 압력 용기용 전자밸브의 온도 특성에 관한 연구

이효렬; 안중환; 김화영; 김영구

doi:10.7842/kigas.2017.22.1.1

초록
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수소연료전지 자동차 압력 용기에는 연료전지 스택으로 수소의 흐름을 제어하기 위해 전자 밸브가 부착되고 있다. 전자 밸브의 솔레노이드는 전기 신호에 의해 유로를 개폐하는 역할을 하며, 전원이 인가되는 시간이 경과함에 따라 온도가 상승하여 일정 온도에서 포화된다. 특히 온도의 상승은 솔레노이드의 흡인력을 감소시키므로 안정적인 수소 공급을 위해서 설계 시 포화 온도와 온도에 따른 흡인력 특성 파악이 요구된다. 본 연구에서는 솔레노이드 설계 변수에 따른 포화 온도 계산식을 제안하고 열 유동 해석을 통해 타당성을 확인하였다. 또한, 온도에 따른 흡인력 변화를 분석하기 위해 전자기장 해석을 수행하였으며 온도 특성 실험을 통해 포화 온도와 흡인력 해석 결과를 검증하였다. 포화온도는 계산식과 해석결과를 비교하였을 때 $5.3^{\circ}C$, 해석 결과와 실험 결과를 비교하였을 때 $5.9^{\circ}C$의 오차가 발생하였으며, 흡인력은 1.0 N, 최대 2.1 N의 오차가 발생하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

FCV is installed with a automatic valve attached in an high pressure cylinder to control the hydrogen flow. The supply of hydrogen from the cylinder into the fuel cell stack is controlled via the on/off operation of a solenoid attached to the automatic valve. The solenoid needs to provide the necess...

FCV is installed with a automatic valve attached in an high pressure cylinder to control the hydrogen flow. The supply of hydrogen from the cylinder into the fuel cell stack is controlled via the on/off operation of a solenoid attached to the automatic valve. The solenoid needs to provide the necessary attraction force even at any saturation temperature caused by drive of the vehicle. In this study, the simplified prediction equations for the saturation temperature are suggested. The finite element analysis was performed by steady state technique, according to the boundary condition in order to predict the saturation temperature and attraction force. Finally, the saturation temperature was validated through comparison between the analysis results and measurement results. From the results, the measured saturation temperature $5.9^{\circ}C$ lower with respect to the analysis results. And the error of attraction force ranged from 1.0 to 2.1 N at testing conditions.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 수소연료전지 자동차의 주행 안정성에 영향을 미치는 전자 밸브 솔레노이드의 온도 특성을 파악하기 위해 열 저항 등가법을 이용한 이론 모델을 제시하였다. 전산유체역학 소프트웨어를 활용하여 포화온도를 시뮬레이션하고 이론 모델과 비교 평가 하였다.

가설 설정

난류 모델은 k-ε모델을 사용하였으며, 솔레노이드 외부 유체는 초기온도가 25 ℃인 비압축성 공기로 가정하여 정상상태의 포화온도를 해석하였다[7].

제안 방법

하지만 자동차 운행시간이 경과할수록 코일의 온도가 상승하여 흡인력이 감소하며, 코일이 충분히 냉각되지 못한 상태에서 자동차를 재시동하는 경우가 빈번하기 때문에 포화온도에서의 흡인력이 유로개방에 필요한 힘을 만족하는지 확인해야한다. 본 연구에서는 열 저항모델을 이용하여 솔레노이드의 포화온도 계산식을 제시하고 유한요소 해석과 실험을 통해 포화 온도와 온도에 따른 흡인력 변화를 검증하였다.
2초 후에는 플런저와 코어 사이의 거리 감소로 동일 전력 대비 흡인력이 증가하고, 소모 전력 감소를 위해 듀티비를 30 %로 조정하여 개방된 유로를 유지시킨다. 따라서 포화온도 예측에는 운행 시 장시간 솔레노이드에 인가되는 듀티비 30 % 조건을 이용하고, 온도 상승에 따른 흡인력 감소 확인에는 유로 개방 시 인가되는 듀티비 90% 조건을 사용하여 요구 흡인력과 비교하고자 한다.
내부 유동장의 왜곡을 최소화 하면서 얇은 공기층 부분에 해석 격자를 조밀하게 생성하기 위해 격자의 최소 크기는 0.01 ㎛, 최대 크기는 2 mm, 곡률 법선 각도는 10 °로 설정하였다.
4에 나타내었다. 코일을 heat source로 지정하고 총 4.05 W/mm³의 열 부하로 균일하게 발열하도록 설정하였다. 유체 영역의 외부 면은 부력에 의해 발생한 유동이 자유롭게 출입하도록 Opening 조건을 설정하였다.
솔레노이드의 온도에 따른 흡인력 특성을 확인하기 위해 전자기장 해석을 수행하였다. Fig.
솔레노이드 구성품 재질 중 비자성체의 경우 투자율을 1로 설정하였으며, 자성체인 STS 430FR과 SUM24L은 자화특성이 비선형이기 때문에 재질의 B-H선도를 이용하였다. 해석 격자는 삼각형 격자를 이용하였으며 솔레노이드 내부의 격자 크기를 0.
생성된 격자 수는 114,051개이다. 해석 조건으로는 공극부의 거리를 0.9 mm로 고정시키고 온도에 따른 코일의 기자력을 입력하여 잔차항이 0.0001 이하로 수렴하도록 해석하였다. 식(5)와 (6)은 온도에 따른 코일 저항과 기자력을 계산식을 각각 나타낸 것이다.
열 유동 및 전자기장 해석 결과 검증을 위해 실험 장치를 구성하고, 포화온도와 온도 상승에 따른 흡인력 특성을 파악하는 실험을 진행하였다. Fig.
본 연구는 온도 특성 해석에 전도와 대류만을 고려하여 시뮬레이션을 수행하였다. 향후 보다 정확한 포화 온도 파악을 위해 복사 열전달을 고려하고자 한다.
열전대는 K 타입을 사용하였으며, 시제품 제작 시 코일 보빈에 권선을 한 후 커넥터를 분리할 수 없도록 사출하기 때문에 보빈보다 두께가 얇은 커넥터 표면에 열전대를 위치시켜 온도를 측정하였다.

대상 데이터

솔레노이드 구성품 재질 중 비자성체의 경우 투자율을 1로 설정하였으며, 자성체인 STS 430FR과 SUM24L은 자화특성이 비선형이기 때문에 재질의 B-H선도를 이용하였다. 해석 격자는 삼각형 격자를 이용하였으며 솔레노이드 내부의 격자 크기를 0.2mm로 조밀하게 설정하였다. 생성된 격자 수는 114,051개이다.
2mm로 조밀하게 설정하였다. 생성된 격자 수는 114,051개이다. 해석 조건으로는 공극부의 거리를 0.
7은 설계된 솔레노이드 시제품과 시간 경과에 따른 온도, 흡인력을 측정하기 위한 실험 장치 구성을 나타낸 것이다. 실험 장치는 PWM 발생회로에 전원을 인가하기 위한 전원 공급기, 전원 공급기의 직류전압을 10 kHz 주파수, 듀티비 10~100 % 범위의 PWM 전원으로 변환시키는 변환회로, 인가된 PWM 전원에 의해 발생하는 코어와 플런저 사이의 흡인력을 측정하는 로드셀, 온도 변화를 측정하는 열전대, 코어와 플런저 사이의 공극부 거리를 조절하는 리니어 스테이지, 로드셀과 열전대의 출력 값 수집을 위한 데이터 수집 장치로 구성된다. 로드셀은 실험 장치 하부 지그에 고정시키고 Fig.

데이터처리

전도와 자연 대류가 고려된 열 저항법으로 계산한 솔레노이드의 포화온도를 검증하기 위해 열 유동 해석을 수행하였으며, 상용 코드인 ANSYS CFX V15.0을 이용하였다. 해석방법으로 속도가 매우 작고 밀도 차이로 인한 부력으로 발생하는 자연대류를 해석하기 위해 속도와 압력의 연계인 SIMPLE기법을 적용하였다.
본 연구에서는 수소연료전지 자동차의 주행 안정성에 영향을 미치는 전자 밸브 솔레노이드의 온도 특성을 파악하기 위해 열 저항 등가법을 이용한 이론 모델을 제시하였다. 전산유체역학 소프트웨어를 활용하여 포화온도를 시뮬레이션하고 이론 모델과 비교 평가 하였다. 그리고 전자기장해석 소프트웨어를 활용하여 온도 변화에 따른 흡인력 특성을 시뮬레이션하고 실험 결과와 비교 분석하였다.
전산유체역학 소프트웨어를 활용하여 포화온도를 시뮬레이션하고 이론 모델과 비교 평가 하였다. 그리고 전자기장해석 소프트웨어를 활용하여 온도 변화에 따른 흡인력 특성을 시뮬레이션하고 실험 결과와 비교 분석하였다. 온도 특성 분석 결과를 요약하면 다음과 같다.

이론/모형

0을 이용하였다. 해석방법으로 속도가 매우 작고 밀도 차이로 인한 부력으로 발생하는 자연대류를 해석하기 위해 속도와 압력의 연계인 SIMPLE기법을 적용하였다. 난류 모델은 k-ε모델을 사용하였으며, 솔레노이드 외부 유체는 초기온도가 25 ℃인 비압축성 공기로 가정하여 정상상태의 포화온도를 해석하였다[7].

성능/효과

7 N으로 감소한다. 압력 용기의 최대 허용 압력인 87.5 MPa 조건에서 유로 개방에 필요한 솔레노이드의 흡인력은 15.3 N이며, 이를 만족하는 온도 한계는 PWM 전원 인가 후 약 2분이 초과한 시점에서의 74 ℃로 확인되었다.
(1) 용기용 전자밸브 솔레노이드 코일의 포화온도를 열 저항 등가법을 사용하였을 때 52.5 ℃로 예측되었다. 동일한 소모 전력 조건에서 열 유동 해석결과와 비교하였을 때 5.
(2) 전자기장 해석결과 온도가 상승함에 따라 솔레노이드의 흡인력은 감소하는 경향을 보이며, 95℃ 이상의 온도에서 솔레노이드의 흡인력이 유로 개방에 필요한 힘을 만족하지 못하였다.
(3) 열 전대와 로드셀을 이용하여 솔레노이드 온도 특성을 분석하기 위한 실험 장비를 구성하였으며, 시뮬레이션 결과와 실험결과를 비교하였을 때 포화 온도는 5.9 ℃, 흡인력은 최대 2.1 N의 오차가 발생하였다. 유로 개방에 필요한 요구 힘을 만족하는 온도한계는 74 ℃로 시뮬레이션 결과보다 낮게 측정되었다.

후속연구

본 연구는 온도 특성 해석에 전도와 대류만을 고려하여 시뮬레이션을 수행하였다. 향후 보다 정확한 포화 온도 파악을 위해 복사 열전달을 고려하고자 한다. 제시한 이론 모델과 시뮬레이션 결과는 수소연료전지 자동차 용기용 전자밸브에 사용되는 솔레노이드 뿐만아니라 사용 온도에 민감한 산업용 밸브용 솔레노이드 설계에 유용하게 활용 될 것이다.
향후 보다 정확한 포화 온도 파악을 위해 복사 열전달을 고려하고자 한다. 제시한 이론 모델과 시뮬레이션 결과는 수소연료전지 자동차 용기용 전자밸브에 사용되는 솔레노이드 뿐만아니라 사용 온도에 민감한 산업용 밸브용 솔레노이드 설계에 유용하게 활용 될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전자 밸브의 솔레노이드의 역할 및 특징은 무엇인가?	수소연료전지 자동차 압력 용기에는 연료전지 스택으로 수소의 흐름을 제어하기 위해 전자 밸브가 부착되고 있다. 전자 밸브의 솔레노이드는 전기 신호에 의해 유로를 개폐하는 역할을 하며, 전원이 인가되는 시간이 경과함에 따라 온도가 상승하여 일정 온도에서 포화된다. 특히 온도의 상승은 솔레노이드의 흡인력을 감소시키므로 안정적인 수소 공급을 위해서 설계 시 포화 온도와 온도에 따른 흡인력 특성 파악이 요구된다.
	솔레노이드 포화온도 해석 결과에서 오차가 발생하는 원인은 무엇인가?	3 °C 정도의 오차가 발생하였다. 열 유동 해석에는 단순화된 모델이 아닌 실제 모델을 사용하여 단순화 과정에서 제거된 상 ․ 하단부에서 발생하는 전도와 대류에 의한 열 전달을 반영하기 때문에 포화온도가 감소한다. 또한 열 저항 모델에서 사용한 일반적인 대류 열전달 계수와 달리 해석에서는 표면의 형상, 유체의 운동특성, 유체의 물성치, 속도 등을 고려하여 계산 값을 사용하며 두 값의 차이로 인해 오차가 발생한다.
	전자 밸브의 장점은 무엇인가?	일반적으로 전자 밸브는 전기 에너지를 변환하여 기계적인 구동력을 얻는 장치로서 에너지 변환을 담당하는 솔레노이드와 밸브 몸체로 구성 된다. 전자 밸브는 가격이 저렴하고 오염에 강하면서도 빠른 동적 응답의 이점이 있어 가전, 반도체 공장자동화와 발전소, 일반 플랜트 유체 제어 등 산업분야 뿐만아니라 고압으로 연료를 저장하는 압축천연가스 자동차, 수소연료전지 자동차에도 사용되고 있다[1-3].

참고문헌 (7)

Lim, B. J., Park, C. D., Chung, K. Y., and Yun, S. N., "Development of Solenoid Operated Valve for Nuclear Power Plant", Journal of Drive and Control, 11(1), 26-34, (2014)
Park, C. D., Lim, B. J., and Chung, K. Y., "Design verification methodology for a solenoid vavle", Journal of Drive and Control, 11(1), 42-47, (2014)
Jang, K. M., Eom, S. H., Kim, I. C., and Kim, C. K., "Experiment Study on Operation Model of Automatic Cylinder Valve by the Temperature Differences", KIGAS, 16(6), 73-79, (2012)
Lee, H. R., Ahn, J. H., Shin, J. O., and Kim, H. Y., "Safety Evaluation Based on Structural Analysis of Cylinder Valves for Fuel Cell Vehicles", KSMTE, 25(3), 189-197, (2016)
Bergman, T. L., Lavine, A. S., Incropera, F. P., and DeWitt, D.P., Fundamental of Heat and mass Transfer, 7th ed., Wiley, New York, (2011)
Lee, H. R., Ahn, J. H., Shin, J. O., and Kim, H. Y., "Design of Solenoid Actuator for FCV Cylinder Valve Considering Structural Safety", KSMTE, 25(3), 157-163, (2016)
Kim, J. H., Lee, J. G., Lee, K. S., Lee, W., and Lee, H. B., "Thermal Fluid Flow Analysis for Temperature Characterization of Mold Transformer in Distribution Power System", The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, 62(1), 6-11, (2013)

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