[논문]EV 상용차용 히트펌프 시스템 냉방 운전 특성에 관한 연구

전한별; 김정일; 원헌주; 이호성

doi:10.5762/kais.2019.20.12.69

초록
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본 연구의 목적은 EV 경상용차에 적용되는 히트펌프 시스템에 대한 냉방 성능 특성을 실험적으로 분석하는 것이다. EV 경상용차가 운전되는 냉방 운전조건인 외기온도 35 ℃, 내기온도 25 ℃ 상황에서, 히트펌프 시스템의 냉방 특성을 분석하고자, 냉각수의 온도조건, 전동식 압축기 회전수 조건 변화에 대해서, 실험을 진행하였고, 그 결과를 분석하였다. 전동식 압축기 회전수가 증가할수록 냉방 성능이 평균 8.0 %가 증가하였고, 전동식 압축기 소비전력은 27 %가 증가하여서, 시스템 효율은 16.4 %가 감소하는 결과를 보여주고 있다. 전자장비 냉각을 위한 냉각수의 폐열을 활용하기 위하여서, 냉매랑 냉각수가 열교환 하는 칠러를 본 시스템에 적용하였다. 칠러에 적용되는 냉각수의 온도를 35 ℃에서 55℃로 변화시켰을 때, 응축 열원의 증가로 인하여서, 시스템 효율이 평균적으로 18.2 %가 떨어지는 결과를 보여주고 있다. 냉각수 유량 변화 측면에서, 운전 조건을 변화시켰지만, 냉방 성능에는 큰 변화를 보이고 있지 않았다. 향후, 냉각수 폐열을 사용하여서, 히트펌프 시스템에 대한 난방 성능 향상을 위한 연구가 필요한 상황에서, 관련 연구에 추가 할 예정이다.

Abstract ▼ AI-Helper

The cooling performance of heat pump system for light-duty commercial electric vehicle was evaluated experimentally. The cooling performance characteristics of the heat pump for light-duty commercial electric vehicles were evaluated by varying the temperature, flow rate of chiller coolant, and elect...

The cooling performance of heat pump system for light-duty commercial electric vehicle was evaluated experimentally. The cooling performance characteristics of the heat pump for light-duty commercial electric vehicles were evaluated by varying the temperature, flow rate of chiller coolant, and electric compressor speed, under the exterior air temperature of 35 ℃ and interior air temperature of 25 ℃. Increasing the compressor speeds decreased the cooling system efficiency by 16.4 % on average with the cooling capacity increasing by 8.0 % on average and the compressor work increasing by 27% on average. To use waste heat from the coolant to chill power electronic components, such as the motor and inverter, a chiller was installed to transfer heat between the coolant and refrigerant. Increasing the temperature of the chiller coolant from 35 ℃ to 55 ℃ decreased the efficiency by 18.2 % on average due to higher condensing heat source. Increasing the coolant flow rate from 10 liter/min to 20 liter/min did not affect the cooling capacity of the system due to a similar total condensing heat transfer rate at the chiller and the exterior heat exchanger. In future works, heating performance will be investigated by varying the operating conditions to use the chiller's waste heat with an improvement of heating capacity.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. Schematic diagram of heat pump
표 Table 1. Specification of tested system components
그림 Fig. 2. Performance for various compressor speed at exterior air conditions 35 ℃, 3.0 m/s, interior air conditions : 27 ℃, 60.0 %RH, 450 ㎥/hr, and coolant conditions of the chiller 35 ℃, 10 liter/min
표 Table 2. Tested system test matrix
표 Table 3. Test equipment and uncertainty of the experimental parameters
그림 Fig. 3. Performance for various chiller coolant temperature at exterior air conditions 35 ℃, 3.0 m/s, interior air conditions : 27 ℃, 60.0 %RH, 450 ㎥/hr, coolant conditions of the chiller 10liter/min and compressor conditions 5,000 RPM
그림 Fig. 4. Performance for various chiller coolant flow rate at exterior air conditions 35℃, 3.0m/s, interior air conditions : 27℃, 60.0%RH, 450 m3/hr, coolant conditions of the chiller 35℃ and compressor conditions 5,000RPM

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 EV 상용차용 히트펌프 시스템에서 냉방시 칠러와 외부열교환기가 응축기 역할을 수행에 대해서 분석하자고 연구를 수행하였으며, 여름철 차량 특성에 맞게 평가조건을 하여 시스템의 냉방 성능 특성 및 에너지 효율을 향상시키고자 실험적인 연구를 수행하였다. ;

제안 방법

실내측 입구 공기는 25 ℃, 60 %RH, 풍량 450 ㎥/h로 고정시 켰다. 전동식 압축기 회전수를 5,000 RPM으로 고정시켰으며, 칠러 냉각수의 온도는 35 ℃로 하였으며, 칠러 냉각수의 유량을 10 liter/min, 15 liter/min, 20 liter/min로 변화를 시키면서 시스템의 냉방 특성을 파악하였다. Fig.
실내측 입구 공기는 25 ℃, 60 %RH, 풍량 450 ㎥/h로 고정시 켰다. 전동식 압축기 회전수를 5,000 RPM으로 고정시 켰으며, 칠러 냉각수의 유량은 10 liter/min으로 하였으며, 칠러 냉각수의 온도를 35 ℃, 45 ℃, 55 ℃로 변화를 시키면서 시스템의 냉방 특성을 파악하였다. Fig.
실내측 입구 공기는 25 ℃, 60 %RH, 풍량 450 ㎥/h로 고정시켰다. 칠러 냉각수의 온도는 35 ℃로 칠러 냉각수의 유량은 10 liter/min으로 하였으며, 전동식 압축기 회전수를 4,000 RPM, 5,000 RPM, 6,000 RPM로 변화를 시키면서 시스템의 냉방 특성을 파악하였다. Fig.

대상 데이터

EV 상용차용 히트펌프는 전동식 압축기, 칠러(Chiller), 실외열교환기(Exterior Heat Exchanger), 증발기 (Evaporator), TXV(Thermal Expansion Valve), 어큐 뮬레이터(Accumulator) 등으로 구성되어 있다.

성능/효과

1) 전동식 압축기 회전수가 증가할수록 냉매 유량의 증가로 인하여서, 냉방 성능이 평균 8.0 %가 증가 하였고, 시스템 효율은 16.4 %가 감소하는 결과를 보여주고 있다.
2) 칠러에 적용되는 냉각수의 온도와 유량은 전기자동 차에 적용되는 전자장비 냉각시스템에 영향을 받고 있기 때문에, 냉각수의 온도 및 유량 변화가 냉방시 스템에 미치는 영향을 분석하였을 때, 냉방 성능 및전동식 압축기 소비전력이 크게 변화하지 않았다.
3) 칠러와 외부열교환기가 동시에 응축기 역할을 하고 있어서, 칠러에서 응축 성능이 감소하면 외부열교 환기가 칠러에서 응축 성능이 감소한 만큼 응축 성능이 더 증가하여, 전체적인 응축 성능이 동일한 상황이었기 때문에, 전체적인 냉방성능은 동일한 결과를 보여주고 있었다.

후속연구

추후에 칠러를 적용한 EV 상용차 히트펌프 시스템의 난방 성능 특성을 알아보기 위하여서, 칠러에 적용되는 냉각수 조건, 압축기 회전 조건 등을 변화시켜서, 분석을 진행할 예정이다. ;

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	EV 상용차용 히트펌프는 무엇으로 구성되는가?	EV 상용차용 히트펌프는 전동식 압축기, 칠러(Chiller), 실외열교환기(Exterior Heat Exchanger), 증발기 (Evaporator), TXV(Thermal Expansion Valve), 어큐 뮬레이터(Accumulator) 등으로 구성되어 있다.
	EV 상용차용 히트펌프 시스템에서 난방에 히트코어를 사용하여 얻는 장점은 무엇인가?	EV 상용차용 히트펌프 시스템에서는 칠러에서 냉매와 냉각수가 열교환이 이루어지면서, 칠러를 냉각한 하면서 얻은 열이 냉각수로 열을 전달되어서, 가열된 냉각수가 히터코어로 가서, 난방에 사용된다. 히터코어를 사용하여 난방하기 때문에, 제습을 위해 냉방사이클을 적용하여도, 냉각수 히팅과 제습이 동시에 가능하여 난방성능 저하가 이루어지 않는 장점을 가지고 있다.
	EV 상용차용 히트펌프를 구성하는 실외열 교환기는 어떤 역할을 하는가?	칠러는 냉난모드에서는 응축과정이 일어나며, 실외열 교환기는 냉방모드일 때에는 응축기 역할을 하지만 난방 모드일 때에는 증발기 역할을 하며, 어큐뮬레이터는 전동식 압축기에 액상의 냉매가 들어가지 못하게 보호할 수있도록 구성하였다. 구성 부품에 대한 상세 사양은 Table 1에서 보는 바와 같다.

참고문헌 (5)

TOSHIHISA KONDO, AKIRA KATAYAMA, HIDEKI SUETAKE, MASATOSHI MORISHITA, "Development of Automotive Air-Conditioning Systems" Mitsubishi Heavy Industries Technical Review, Vol. 48, No. 2, June 2011.
Antonijevic D, Heckt R., "Heat pump supplemental heating system for motor vehicles", Journal of Automobile Engineering, vol. 218, no. 10, pp. 1111-1115, 2004. DOI : http://www.doi.org/10.1177/095440700421801005

상세보기
Hyoung Suk Woo, Jae Hwan Ahn, Myoung Su Oh, Hoon Kang, Yongchan Kim "Study on the Heating Performance Characteristics of a Heat Pump System Utilizing Air and Waste Heat Source for Electric Vehicles" Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, KOREA, pp180-186, April 2013 DOI: http://www.dbpia.co.kr/Article/NODE02141280
Yicheol Choi,,Wonsuk Lee, Manhee Park, Yonghyun Choi, "Heating Performance Evaluations for Development of Heat Pump System on Battery Electric Vehicle" KSAE Fall Conference Proceedings, KOREA, pp.559-563, November 2011 DOI: http://www.dbpia.co.kr/Article/NODE01762247
Ji Soo Park, Jae Young Han, Sung-Soo Kim, Sang Seok Yu, "Characteristic of Cabin Temperature According to Thermal Load Condition of Heat Pump for Electric Vehicle", Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineer s - B 40(2), pp.85-91, KOREA, February 2016 DOI; http://www.dbpia.co.kr/Article/NODE06598941

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