최근 배터리 전기자동차(BEV)는 주변 온도에 따른 주행거리 감소, 느린 충전 속도, 화재 위험, 환경 규제 등 다양한 기술적 문제에 직면해 왔다. 본 수치해석 연구는 R290 냉매와 14방 밸브를 활용하는 통합 열관리 시스템(ITMS)을 제안하여 이러한 문제를 해결하고, 향후 환경 규제를 선제적으로 충족하며, 시스템을 단순화하고 효율을 향상시키고자 한다. 성능 평가는 35 °C 및 −10 °C의 다양한 환경 조건에서 주행과 급속 충전을 포함한 고부하 운전 조건 하에서 수행되었다. 그 결과, 주행 효율은 고온 조건(35 °C)에서 4.82 km/kWh, 저온 조건(−10 °C)에서 4.69 km/kWh로 나타났으며, 이는 Tesla Model Y에 적용된 Octovalve-ITMS보다 높은 효율을 보였다. 또한 급속 충전 시험에서는 고전압 배터리를 10%에서 90%의 상태용량으로 충전하는 데 35 °C에서 26분, −10 °C에서 31분이 소요되어, 중간 수준의 주변 조건에서의 Tesla Model Y(Octovalve-ITMS 장착)의 급속 충전 시간 27분을 능가하였다. 이 결과는 고냉각 부하 조건에서도 14방 밸브 기반 ITMS의 우수한 급속충전 성능을 강조한다.

고체산화물 연료전지(SOFC)는 높은 작동 온도를 가지므로, 시스템 효율은 효율적인 열 통합과 시스템 구성의 효과적인 설계에 달려 있다. 본 연구에서는 에너지 분리 장치를 통해 시스템 효율의 잠재적 향상을 평가하기 위해, 시스템 통합 설계의 9가지 구성에 대해 조사하였다. 모델은 Matlab/Simulink® 플랫폼에서 Thermolib® 모듈을 사용하여 개발하였다. 시뮬레이션의 기준 배치는 SOFC 스택, 압축기, 버너가 포함된 외부 개질기, 3방향 밸브, 열교환기, 그리고 물 펌프로 구성되었다. 기준 사례로부터, 촉매 변환기, SOFC 하이브리드화, 및 에너지 분리 장치를 통한 열에너지 활용 능력을 확장하기 위해 8가지 경우로 배치를 확장하였다. 에너지 분리 장치는 가스 온도를 상승시켜 열에너지 활용에 유익하였으며, 에너지 분리 장치의 열 통합을 터보 제너레이터와 결합함으로써 전기 효율 및 열병합(CHP) 효율을 포함한 시스템 성능이 향상되었다.

본 연구는 Tesla Model S 전기차를 기반으로 배터리 팩 냉각 채널의 설계를 수행하는 데 초점을 두었다. 본 연구의 목적은 냉각 효율과 압력 강하의 균형을 달성하면서 배터리에 대해 안전하고 최적의 작동 온도를 유지하는 것이었다. 448개의 원통형 리튬이온 배터리를 사용하는 Tesla Model S의 기본형과 유사한 냉각 채널 설계를 고려하였다. 이에 따라 모듈 내 배터리 셀의 최대 온도와 온도 차, 그리고 냉각수의 압력 강하와 같은 중요한 매개변수를 분석하였다. 또한 각 냉각 채널 형상에 따른 온도 변화 특성을 조사하였다. 모듈 내 배터리의 온도 한계와 온도 한계 차는 냉각 시스템의 성능을 평가하기 위해 각각 40 °C와 5 °C로 설정하였다. 더 나아가 방전율(3C 및 5C), 냉각 채널 형상(역류(counter flow) 및 병류(parallel) 타입), 냉각수 입구 속도(0.1, 0.2, 0.3 및 0.4 m/s)가 배터리 열 관리에 미치는 영향을 분석하였다. 그 결과, 병류 타입 채널은 기본형 채널에 비해 압력 강하가 더 낮았으나, 배터리로부터 열을 제거하는 효과는 상대적으로 낮았다. 반대로 역류 타입 채널은 채널 내 냉각수 압력 강하가 더 큰 조건에서도 배터리로부터 열을 효과적으로 제거하였다. 따라서 두 채널의 장점을 결합한 다중 역류형 냉각 채널을 제안하여 압력 강하를 감소시키면서 배터리 모듈의 적절한 작동 온도를 유지하고자 하였다. 제안된 냉각 채널은 낮은 전력 소모와 우수한 열전달 특성을 통해 탁월한 냉각 성능을 보였다. 그러나 배터리 모듈의 최대 온도 및 온도 차에 대해서는 역류 타입에 비해 비교적 미미한 차이만 확인되었다. 따라서 제안된 냉각 채널 타입은 배터리 모듈의 최적 온도 작동을 보장하고 시스템 전력 소모를 감소시키는 데 구현될 수 있다.

고분자 전해질 막 연료전지(PEMFC)는 수소를 연료로 사용하며, 빠른 시동 특성과 반응성 때문에 트럭 및 대형 상용차에 사용된다. 그러나 저전류 구간에서 높은 출력 요구를 충족시키는 데는 어려움이 있다. 이 문제를 해결하기 위해 두 스택을 사용하는 멀티스택 구성이 적용될 수 있다. 또한 스택의 성능에 큰 영향을 미치는 열 관리가 필수적이다. 따라서 본 연구에서는 MATLAB/SimscapeTM 2022b를 사용하여 Hyundai Xcient 수소 전기 트럭 모델을 기반으로 수소 전기 트럭 시스템 모델을 개발하였다. 아울러 시스템의 성능 및 열적 특성은 한국에서 주행하는 동안 다양한 도로 환경과 풍 조건 하에서 평가하고 분석하였다.

최근 배터리 전기자동차(BEV)는 주변 온도에 따른 주행거리 감소, 느린 충전 속도, 화재 위험, 환경 규제 등 다양한 기술적 문제에 직면해 왔다. 본 수치해석 연구는 R290 냉매와 14방 밸브를 활용하는 통합 열관리 시스템(ITMS)을 제안하여 이러한 문제를 해결하고, 향후 환경 규제를 선제적으로 충족하며, 시스템을 단순화하고 효율을 향상시키고자 한다. 성능 평가는 35 °C 및 −10 °C의 다양한 환경 조건에서 주행과 급속 충전을 포함한 고부하 운전 조건 하에서 수행되었다. 그 결과, 주행 효율은 고온 조건(35 °C)에서 4.82 km/kWh, 저온 조건(−10 °C)에서 4.69 km/kWh로 나타났으며, 이는 Tesla Model Y에 적용된 Octovalve-ITMS보다 높은 효율을 보였다. 또한 급속 충전 시험에서는 고전압 배터리를 10%에서 90%의 상태용량으로 충전하는 데 35 °C에서 26분, −10 °C에서 31분이 소요되어, 중간 수준의 주변 조건에서의 Tesla Model Y(Octovalve-ITMS 장착)의 급속 충전 시간 27분을 능가하였다. 이 결과는 고냉각 부하 조건에서도 14방 밸브 기반 ITMS의 우수한 급속충전 성능을 강조한다.

고체산화물 연료전지(SOFC)는 높은 작동 온도를 가지므로, 시스템 효율은 효율적인 열 통합과 시스템 구성의 효과적인 설계에 달려 있다. 본 연구에서는 에너지 분리 장치를 통해 시스템 효율의 잠재적 향상을 평가하기 위해, 시스템 통합 설계의 9가지 구성에 대해 조사하였다. 모델은 Matlab/Simulink® 플랫폼에서 Thermolib® 모듈을 사용하여 개발하였다. 시뮬레이션의 기준 배치는 SOFC 스택, 압축기, 버너가 포함된 외부 개질기, 3방향 밸브, 열교환기, 그리고 물 펌프로 구성되었다. 기준 사례로부터, 촉매 변환기, SOFC 하이브리드화, 및 에너지 분리 장치를 통한 열에너지 활용 능력을 확장하기 위해 8가지 경우로 배치를 확장하였다. 에너지 분리 장치는 가스 온도를 상승시켜 열에너지 활용에 유익하였으며, 에너지 분리 장치의 열 통합을 터보 제너레이터와 결합함으로써 전기 효율 및 열병합(CHP) 효율을 포함한 시스템 성능이 향상되었다.

본 연구는 Tesla Model S 전기차를 기반으로 배터리 팩 냉각 채널의 설계를 수행하는 데 초점을 두었다. 본 연구의 목적은 냉각 효율과 압력 강하의 균형을 달성하면서 배터리에 대해 안전하고 최적의 작동 온도를 유지하는 것이었다. 448개의 원통형 리튬이온 배터리를 사용하는 Tesla Model S의 기본형과 유사한 냉각 채널 설계를 고려하였다. 이에 따라 모듈 내 배터리 셀의 최대 온도와 온도 차, 그리고 냉각수의 압력 강하와 같은 중요한 매개변수를 분석하였다. 또한 각 냉각 채널 형상에 따른 온도 변화 특성을 조사하였다. 모듈 내 배터리의 온도 한계와 온도 한계 차는 냉각 시스템의 성능을 평가하기 위해 각각 40 °C와 5 °C로 설정하였다. 더 나아가 방전율(3C 및 5C), 냉각 채널 형상(역류(counter flow) 및 병류(parallel) 타입), 냉각수 입구 속도(0.1, 0.2, 0.3 및 0.4 m/s)가 배터리 열 관리에 미치는 영향을 분석하였다. 그 결과, 병류 타입 채널은 기본형 채널에 비해 압력 강하가 더 낮았으나, 배터리로부터 열을 제거하는 효과는 상대적으로 낮았다. 반대로 역류 타입 채널은 채널 내 냉각수 압력 강하가 더 큰 조건에서도 배터리로부터 열을 효과적으로 제거하였다. 따라서 두 채널의 장점을 결합한 다중 역류형 냉각 채널을 제안하여 압력 강하를 감소시키면서 배터리 모듈의 적절한 작동 온도를 유지하고자 하였다. 제안된 냉각 채널은 낮은 전력 소모와 우수한 열전달 특성을 통해 탁월한 냉각 성능을 보였다. 그러나 배터리 모듈의 최대 온도 및 온도 차에 대해서는 역류 타입에 비해 비교적 미미한 차이만 확인되었다. 따라서 제안된 냉각 채널 타입은 배터리 모듈의 최적 온도 작동을 보장하고 시스템 전력 소모를 감소시키는 데 구현될 수 있다.

고분자 전해질 막 연료전지(PEMFC)는 수소를 연료로 사용하며, 빠른 시동 특성과 반응성 때문에 트럭 및 대형 상용차에 사용된다. 그러나 저전류 구간에서 높은 출력 요구를 충족시키는 데는 어려움이 있다. 이 문제를 해결하기 위해 두 스택을 사용하는 멀티스택 구성이 적용될 수 있다. 또한 스택의 성능에 큰 영향을 미치는 열 관리가 필수적이다. 따라서 본 연구에서는 MATLAB/SimscapeTM 2022b를 사용하여 Hyundai Xcient 수소 전기 트럭 모델을 기반으로 수소 전기 트럭 시스템 모델을 개발하였다. 아울러 시스템의 성능 및 열적 특성은 한국에서 주행하는 동안 다양한 도로 환경과 풍 조건 하에서 평가하고 분석하였다.

본 연구에서는 고분자 전해질 연료전지 시스템의 과도 응답을 수행하여 센서 고장 신호가 스택의 온도 센서와 냉각수 유입부에 미치는 영향을 이해하고자 하였다. 우리는 열관리 시스템과 제어기를 포함하는 시스템 수준의 연료전지 모델을 설계하였으며, 고정(stuck), 오프셋(offset), 스케일링(scaling)과 같은 다양한 센서 고장 시나리오를 적용한 연료전지 시스템의 동특성을 분석하였다. 급격한 부하 변동 하에서 과도 거동은 센서의 고장 신호에 의해 영향을 받는다. 특히, 고장 시스템의 순출력은 45.9 kW이다. 반면, 무고장 시스템의 순출력은 46.1 kW이다. 따라서 고장 시스템의 순출력은 무고장 시스템보다 약 0.2 kW 낮다. 이러한 분석은 고장 상황에서 시스템 수준의 연료전지 시스템에서 과도 거동을 이해하는 데 도움을 줄 수 있으며, 연료전지 시스템을 위한 적절한 고장 회피 제어 전략을 제공할 수 있다.

작동 온도가 낮기 때문에 메탄올 스팀 개질기의 성능은 효율적인 열통합에 달려 있다. 특히 증발기의 통합은 열효율을 향상시키는 데 결정적으로 중요하다. 본 논문에서는 메탄올/물 혼합물의 증발을 위해 열에너지를 활용하는 두 가지 서로 다른 구성 방식을 제시한다. 개질기 시스템은 메탄올 스팀 개질기, 버너, 그리고 내부 증발기 및 외부 증발기와 같은 두 가지 서로 다른 증발기로 구성된다. 또한 개질 시스템의 성능은 열 이용도에 크게 좌우되므로, 내부 증발기를 갖는 메탄올 개질 시스템을 위해 열회수 모듈을 설계하였다. 적합성 평가를 위한 변수로 열부하(heat duty)와 스팀 대 탄소비(steam to carbon ratio, S/C)를 사용하였다. 실험 결과에 따르면, 보조 열회수 모듈을 결합한 내부 증발기는 넓은 작동 범위에서 안정적인 조건을 제공하는 것으로 나타났다.