전기차 열 관리
이 예제에서는 배터리 전기차(BEV)의 열 관리 시스템을 모델링합니다. 이 시스템은 2개의 액체 냉각수 루프, R-134a 냉매 루프, 차량 실내 공기 HVAC 루프로 구성됩니다. 열 부하는 배터리, 전력전자 장치, 차량 실내입니다.
병렬-직렬 모드 4방향 제어 밸브를 사용하여 두 냉각수 루프를 직렬 모드로 함께 연결하거나 병렬 모드로 분리된 상태를 유지할 수 있습니다. 낮은 온도에서는 모터에서 발생하는 열이 배터리를 예열할 수 있도록 냉각수 루프가 직렬 모드로 작동합니다. 필요한 경우, 히터가 추가적인 열을 제공할 수 있습니다. 적당한 온도에서는 냉각수 루프가 직렬 모드를 유지하며, 라디에이터가 배터리와 전력전자 장치를 모두 냉각합니다. 주변 온도나 냉각수 온도가 섭씨 35도 이상으로 상승하면 냉각수 루프는 병렬 모드로 전환되어 분리됩니다. 한쪽 루프는 라디에이터를 사용하여 전력전자 장치를 냉각합니다. 다른 쪽 루프는 냉매 루프 내 칠러를 사용하여 배터리를 냉각합니다.
냉매 루프는 차량 실내와 배터리를 냉각합니다. 이 루프는 압축기, 응축기, 액체 리시버, 두 개의 팽창 밸브, 칠러, 증발기로 구성됩니다. 칠러 팽창 밸브는 냉각수를 냉각하기 위해 칠러로 들어가는 냉매의 양을 조절합니다. 증발기 팽창 밸브는 차량 실내 공기를 냉각하고 제습하기 위해 증발기로 들어가는 냉매의 양을 조절합니다. 제어기는 칠러나 증발기 중 하나 또는 둘 다에서 흡수한 열을 응축기가 방출할 수 있도록 압축기를 조정합니다.
차량 실내 공기 HVAC 루프는 송풍기, 증발기, PTC(Positive Temperature Coefficient) 히터, 차량 실내로 구성됩니다. 증발기는 더운 날씨에 에어컨 기능을 제공합니다. PTC 히터는 추운 날씨에 난방을 제공합니다. 송풍기는 차량 실내 온도를 제어된 설정점으로 유지합니다.
이 모델은 다음과 같이 가능한 세 가지 시나리오를 가집니다.
드라이브 사이클 시나리오는 에어컨을 켠 상태에서 섭씨 30도 날씨의 주행 조건을 시뮬레이션합니다. 차량 속도는 NEDC(New European Drive Cycle)를 기반으로 하며, 이후 배터리 열 부하를 높이기 위해 30분간 고속 주행이 이어집니다. 냉각수 루프는 직렬 모드로 시작하지만, 배터리가 많은 열을 발생시키면 병렬 모드로 전환됩니다.
냉각 시나리오는 섭씨 40도 날씨에 에어컨을 켠 채 정차해 있는 차량을 시뮬레이션합니다.
추운 날씨 시나리오는 섭씨 -10도 날씨에서의 주행 조건을 시뮬레이션하며, 이때 배터리와 차량 실내를 각각 예열하기 위해 배터리 히터와 PTC 히터가 필요합니다.
초기 조건은 서로 다르지만 각 시나리오의 총 냉매 충전량은 동일합니다. 이는 원하는 충전량과 주변 온도에 따른 초기 냉매 압력 및 증기 품질을 계산하기 위해 모델이 refrigerantChargeProperties 함수를 사용하기 때문입니다.
차량 실내 난방을 위해 열펌프를 사용하는 전기차 열 관리에 대한 자세한 내용은 Electric Vehicle Thermal Management with Heat Pump 항목을 참조하십시오.
초월 임계 CO2 열펌프를 사용하는 전기차 열 관리에 대한 자세한 내용은 Electric Vehicle Thermal Management With CO2 항목을 참조하십시오.
모델
Scenario 서브시스템
이 서브시스템은 선택된 시나리오에 맞춰 시스템의 환경 조건과 입력값을 설정합니다. 배터리 전류 요구량과 전력전자 장치의 열 부하는 테이블 형식의 데이터를 기반으로 하는 차량 속도의 함수입니다.
Controls 서브시스템
이 서브시스템은 열 관리 시스템 내 펌프, 압축기, 팬, 송풍기, 밸브를 제어하는 모든 제어기로 구성됩니다.
Parallel-Serial Mode Valve 서브시스템
이 서브시스템의 4방향 밸브는 냉각수 루프가 병렬 모드로 작동할지 직렬 모드로 작동할지를 제어합니다. 포트 A와 포트 D가 연결되고 포트 C와 포트 B가 연결되면 병렬 모드가 됩니다. 이 경우 두 냉각수 루프는 각각 별도의 냉각수 탱크와 펌프를 사용하여 분리된 상태로 작동합니다. 포트 A와 포트 B가 연결되고 포트 C와 포트 D가 연결되면 직렬 모드가 됩니다. 이 경우 두 냉각수 루프가 하나로 연결되며 두 펌프가 동기화되어 동일한 유량을 공급합니다.
Motor Pump 및 Battery Pump 서브시스템
Motor Pump 서브시스템과 Battery Pump 서브시스템은 동일합니다. 모터 펌프는 아래에 나와 있습니다. 모터 펌프는 충전기, 모터, 인버터를 냉각하는 냉각수 루프를 구동합니다. 배터리 펌프는 배터리와 DC-DC 컨버터를 냉각하는 냉각수 루프를 구동합니다.
Motor, Charger, Inverter 및 DCDC 서브시스템
Motor, Charger, Inverter 및 DCDC 서브시스템은 동일합니다. 모터는 아래에 나와 있습니다. 이 네 가지 서브시스템은 각각 모터, 충전기, 인버터 또는 DC-DC 컨버터 주변의 냉각수 재킷을 모델링하며, 이는 열 유량 소스와 열 질량으로 표현됩니다.
Battery 서브시스템
배터리는 냉각수 재킷으로 둘러싸인 4개의 개별 팩으로 모델링됩니다. 배터리 팩은 전류 요구량에 따라 전압과 열을 발생시킵니다. 이 모델은 냉각수가 배터리 팩 주변의 좁은 채널을 따라 흐른다고 가정합니다.
Pack 1 서브시스템
각 배터리 팩 모델은 열 모델과 결합된 리튬이온 셀 스택을 포함합니다. 셀에서 발생하는 전력 손실은 발생하는 열에 해당합니다.
Radiator 서브시스템
라디에이터는 냉각수 열을 외부 공기로 방출하는 직사각형 튜브-앤-핀(tube-and-fin) 유형의 열 교환기입니다. 공기 유량은 라디에이터에 도달하기 전 응축기를 통과합니다. 차량 속도와 라디에이터 후면에 위치한 팬이 공기 유동을 구동합니다.
Radiator Bypass Valve 서브시스템
이 3방향 밸브는 열을 방출하기 위해 냉각수를 라디에이터로 보냅니다. 추운 날씨에는 전력전자 장치에서 발생한 열이 배터리를 예열하는 데 도움이 될 수 있도록 밸브가 라디에이터를 우회합니다.
Chiller Bypass Valve 서브시스템
칠러는 배터리 온도에 따라 온-오프 방식으로 작동합니다. 이는 냉각수를 칠러로 보내거나 칠러를 우회하도록 하는 3방향 밸브에 의해 제어됩니다.
Heater 서브시스템
배터리 히터 모델은 열 유량 소스와 열 질량을 포함합니다. 배터리 히터는 추운 날씨에 작동하여 배터리 온도를 섭씨 5도 이상으로 높입니다.
Compressor 서브시스템
압축기는 냉매 루프 내의 유동을 구동합니다. 압축기는 칠러와 증발기의 내부 압력을 0.3MPa로 유지하도록 제어되며, 이는 약 섭씨 1도의 포화 온도에 해당합니다.
Condenser 서브시스템
응축기는 냉매의 열을 외부 공기로 전달하는 직사각형 튜브-앤-핀(tube-and-fin) 유형의 열 교환기입니다. 차량 속도와 라디에이터 후면에 위치한 팬이 공기 유동을 구동합니다. 액체 리시버는 냉매를 저장하며, 과냉각된 액체만 팽창 밸브로 흘려보냅니다.
Chiller Expansion Valve 서브시스템
이 팽창 밸브는 칠러로 유입되는 냉매를 기화시키는 데 필요한 압력 강하를 유발합니다. 이는 칠러 출구 온도를 측정하여 냉매 유동을 조절하는 단순한 온도식 팽창 밸브입니다.
Chiller 서브시스템
칠러는 냉각수에서 냉매로 열을 전달하는 셸-앤-튜브(shell-and-tube) 열 교환기입니다.
Evaporator Expansion Valve 서브시스템
이 팽창 밸브는 증발기로 유입되는 냉매를 기화시키는 데 필요한 압력 강하를 제공합니다. 이는 증발기 출구 온도를 측정하여 냉매 유동을 조절하는 단순한 온도식 팽창 밸브입니다.
Evaporator 서브시스템
증발기는 차량 실내 공기에서 냉매로 열을 전달하는 직사각형 튜브-앤-핀(tube-and-fin) 유형의 열 교환기입니다. 또한 습도가 높을 때 공기를 제습하기도 합니다.
Blower 서브시스템
송풍기는 차량 실내 HVAC 루프 내의 공기 유동을 구동합니다. 이는 차량 실내 온도 설정점을 유지하도록 제어됩니다. 공기 소스는 외부 공기 또는 재순환되는 차량 실내 공기가 될 수 있습니다.
Recirculation Flap 서브시스템
재순환 플랩은 외부 공기나 차량 실내 공기를 송풍기로 보내기 위해 서로 반대 방식으로 작동하는 두 개의 제한 사항으로 모델링됩니다.
PTC 서브시스템
PTC 히터 모델은 열 유량 소스와 열 질량을 포함합니다. PTC 히터는 추운 날씨에 차량 실내에 난방을 제공하기 위해 작동합니다.
Cabin 서브시스템
차량 실내는 다량의 습윤 공기로 모델링됩니다. 차량 내 각 탑승자는 열, 수분, CO2의 소스입니다.
Cabin Heat Transfer 서브시스템
이 서브시스템은 차량 실내와 외부 환경 사이의 열 저항을 모델링합니다.
스코프의 시뮬레이션 결과
다음 스코프는 드라이브 사이클 시나리오의 차량 속도, 열 방출, 차량 실내 온도, 부품 온도, 제어 명령을 보여줍니다. 병렬 직렬 모드 밸브 명령의 경우:
0 = 병렬 모드
1 = 직렬 모드
처음에는 냉각수 루프가 직렬 모드로 작동합니다. 약 1100초 후 병렬 모드로 전환되며 칠러를 사용하여 배터리 온도를 섭씨 35도 이하로 유지합니다. 칠러 바이패스 밸브가 주기적으로 냉각수를 칠러로 보내면 배터리의 열 부하에 맞춰 압축기 출력이 증가하거나 감소합니다.
Simscape 기록의 시뮬레이션 결과
이 플롯은 차량 부품과 차량 실내를 냉각하기 위해 열 관리 시스템이 사용한 전력을 보여줍니다. 칠러 바이패스 밸브가 배터리 냉각을 위해 냉각수를 칠러로 보낼 때 냉매 압축기에서 가장 큰 전력 소비가 발생합니다.
