수소전기차 연료전지 수명 향상을 위한 부하변동 제거 및 스택 내구성 실험

이동원 전북대학교 일반대학원 2023 국내석사

Currently, hydrogen fuel cell electric vehicles are struggling to expand their market due to price and durability issues. The US Department of Energy (DOE) has set a target of $35 per kilowatt for fuel cell systems and more than 8,000 hours of operation by 2025 to promote the commercialization of hydrogen fuel cell electric vehicles. The powertrain of a hydrogen fuel cell electric vehicle is composed of a hydrogen fuel cell system and a battery system. The fuel cell stack in the hydrogen fuel cell system is responsible for most of the power required for driving, while the battery in the battery system is used additionally for start-stop, load variations, and regenerative braking. The power distribution between the fuel cell and battery depends on the output design of the fuel cell and battery. Load variation of the fuel cell adversely affects durability. To increase durability, it is important to minimize load variations and find driving conditions that meet the power requirements. Powertrain mapping is required to understand the power flow between components and accurately measure the load variations of the fuel cell and battery. In this study, Matlab/Simulink® simulation was conducted by using Mathworks’ reference example model. It was performed for a Chassis dynamometer to design the output of the fuel cell and battery and for durability testing of the powertrain of a hydrogen fuel cell electric vehicle. Two comparative conditions for durability testing were applied to the Chassis dynamometer simulation to create a load variation protocol. The first condition controlled the acceleration and deceleration of the vehicle by controlling the load variation of the stack without current limitation of the fuel cell, while the second condition controlled the acceleration and deceleration of the vehicle by eliminating the load variation of the stack through current limitation of the fuel cell and increasing the output ratio of the battery. Two stacks, each consisting of 5 cells with an active area of 200cm2, were manufactured and tested to compare the actual durability enhancement through durability testing of the fuel cell stack under these two conditions. The experimental results will help improve the durability of fuel cell stacks and assist in designing powertrains with longer lifetime for hydrogen fuel cell electric vehicles.

Efficiency Maximization of the Fuel Cell Electric Bus by Optimizing the Power Supply of Balance of Plant

Do, Trong Tu 명지대학교 대학원 2023 국내석사

With the development of automobile powertrain technology and global standards to minimize gas emissions, automakers have recently concentrated on electric and hybrid electric cars. Due to its lack of reliance on oil, high operating efficiency, and silent operation without noise, the fuel cell electric vehicle (FCEV) has been regarded as the most promising solution to avoid road transportation and emission complications. However, regulating the balance of the plant (BOP) has not been researched, despite its notable effectiveness in boosting system efficiency. According to this study, a Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) system housing the BOP subsystem qualifies as a powertrain component in FCEV. The power requirement of the traction motor in FCEV is split up using a cutting-edge technique, and the effectiveness of the suggested plan is assessed using Dynamic Programming. High-performance prediction employs Reinforcement Learning (RL) technology for the real-time controller based on Markov Decision Process. The efficacy of the new BOP power supply was evaluated on various driving cycles. The findings indicated that the suggested model might reduce fuel usage by 6.88% compared to the traditional model. In addition, reinforcement Learning has a high degree of accuracy (94.18%) when compared to Dynamic Programming from the fuel efficacy perspective. The findings showed that, without incurring additional costs, the suggested ways dramatically lower fuel usage in actual fuel-cell electric buses. 자동차 파워트레인 기술과 가스 배출 최소화를 위한 글로벌 표준이 발전하면서 최근 자동차 업체들은 전기차와 하이브리드 전기차에 집중하고 있다. 연료전지전기자동차(FCEV)는 기름에 대한 의존도가 낮고, 작동 효율이 높으며, 소음이 없는 조용한 작동으로 인해 도로교통 및 배출가스 복잡성을 피할 수 있는 가장 유망한 솔루션으로 평가되어 왔다. 발전소의 균형(BOP)을 규제하는 것은 시스템 효율성을 높이는 데 주목할 만한 효과가 있음에도 불구하고 연구되지 않았다. 본 연구에 따르면, BOP 시스템을 수용하는 PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) 시스템은 FCEV로 적합하다. 이 하위 시스템의 전력 요구량은 최첨단 기술을 사용하여 분할되고, 제안된 계획의 효과는 동적 프로그래밍을 사용하여 평가된다. 고성능 예측은 마르코프 의사 결정 프로세스에 기반한 실시간 컨트롤러 기반에 관한 강화 학습(RL) 기술을 사용한다. 다양한 주행 사이클에서 새로운 BOP 전원의 유효성을 평가하였다. 이 결과는 제안된 모델이 기존 모델에 비해 연료 사용량을 6.88% 줄일 수 있음을 시사했다. 또한 RL은 연비 관점에서 동적 프로그래밍과 비교했을 때 높은 정확도(94.18%)를 가지고 있다. 이 연구 결과는 추가 비용을 들이지 않고 실제 연료 전지 전기 버스에서 연료 사용량을 극적으로 줄이는 방법을 제안했다는 것을 보여주었다.

수소 연료 전기차의 커패시터 뱅크 부피 저감을 위한 연료전지-슈퍼 커패시터 직렬연결형 전력 변환 회로 및 운용 방안

박건우 국민대학교 일반대학원 2023 국내석사

수소 연료 전기차의 커패시터 뱅크 부피 저감을 위한 연료전지-슈퍼 커패시터 직렬연결형 전력 변환 회로 및 운용 방안 최근 전 세계적으로 극심한 환경오염과 탄소 중립을 실현하기 위해 친환경 에너지 에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 화석연료로 값싸게 전기를 만들어서 사용 할 수 있지만, 많은 이산화탄소와 미세먼지 등이 대기로 그대로 배출되어 심각한 환경파괴를 일으킨다. 따라서 기존의 석탄 같은 화석연료 대신 태양광, 풍력 등을 활용하는 신재생 에너지와 수소가 대안으로 떠오르고 있다. 하지만 현재 사용 중이거나 개발 중인 수소 연료 전지차의 경우 몇 가지 단점이 존재한다. 첫 번째로 수소를 전기로 변환시켜 주는 연료전지 스택의 가격이 굉장히 비싸고, 두 번째로 연료전지만 단독으로 사용하여 차량을 구동시키면 출력에 급격 하게 변동이 발생해도 대응이 어렵다는 단점이 있다. 이를 해결하기 위해 빠른 응 답 속도와 고출력 전류 처리가 가능한 배터리나 슈퍼 커패시터를 연료전지와 병행 하여 사용하는 추세이다. 하지만 배터리나 슈퍼 커패시터를 병행하여 사용해도 몇 가지 문제가 있다. 연료전지와 슈퍼 커패시터 각각의 고전력 DC/DC 컨버터가 필요 하고, 추가된 슈퍼 커패시터로 인해 원가 상승, 부피 및 무게가 증가하는 문제가 있 다. 또한, 슈퍼 커패시터가 컨버터의 출력에 병렬로 연결되어 있는데, 이에 따라 슈 퍼 커패시터에 큰 내압이 요구되고, 이에 따라 수많은 슈퍼 커패시터가 직렬, 병렬 로 연결되어야 한다. 마지막으로 초기 충전 시 돌입전류가 크게 발생하여 돌입전류 방지 회로가 필요한데, 부피가 매우 크다. 이에 따라 본 논문에서는 존 병렬연결형 수소 연료 전지차의 운용 방안을 응용하 여 수소 전기 차량용 직렬연결형 전력 변한 회로를 제안한다. 연료전지-슈퍼 커패 시터 직렬연결형 전력 변환 회로 및 운용 방안, Traction Load Profile에 따른 5가 지 모드에 대해 분석하고 각 모드에 맞는 제어 전략을 수립하였다. 실차 기반 모의 실험과 소용량 모의실험, 소용량 프로토타입 실험을 통해 제안 방식의 타당성을 검 증하였다. 또한, 병렬연결형 전력 변환 회로와 직렬연결형 전력 변환 회로에서 각각 사용되는 슈퍼 커패시터의 개수, 돌입전류 비교를 통해 제안 방식의 타당성을 검증 하였고 우수성을 확인하였다. Recently, research on eco-friendly energy has been actively conducted around the world to realize extreme environmental pollution and carbon neutrality. Electricity can be made and used cheaply with fossil fuels, but a lot of carbon dioxide and fine dust are released into the atmosphere, causing serious environmental damage. Therefore, renewable energy and hydrogen, which utilize solar and wind power instead of existing fossil fuels such as coal, are emerging as alternatives. However, in the case of hydrogen-fueled electric vehicles currently in use or under development, there are several disadvantages. First, the price of a fuel cell stack that converts hydrogen into electricity is very high. Second, if a vehicle is driven using only a fuel cell alone, it is difficult to respond even if the output fluctuates rapidly. In order to solve this problem, batteries or supercapacitors capable of fast response speed and high power current processing are being used in parallel with fuel cells. However, there are several problems even if batteries or supercapacitors are used in combination. A high-power DC/DC converter of each fuel cell and supercapacitor is required, and there is a problem of increasing cost, volume, and weight due to the added supercapacitor. In addition, the shaker capacitors are connected in parallel to the output of the converter, which requires a large internal pressure on the supercapacitor, and accordingly, numerous supercapacitors must be connected in series and parallel. Lastly, during initial charging, a large protrusion current occurs, so an inrush current prevention circuit is required, which is very bulky. Accordingly, this paper proposes a series-connected hydrogen fuel electric vehicle by applying the operation method of the zone parallel-connected hydrogen fuel electric vehicle. It proposed a series-connected DC-DC converter circuit plan and operation plan, analyzed five modes according to the Traction Load Profile, and established a control strategy suitable for each mode. The validity of the proposal method was verified through actual vehicle-based simulations, small-dose simulations, and small-dose prototype experiments. In addition, the excellence of the proposed method was confirmed through the comparison of the number of super capacitors used in parallel-connected power conversion circuits and series-connected power conversion circuits, respectively,and the comparison of inrush current.

Opimization-Based Energy Management Strategy for Fuel Cell Vehicle by Online Electrochemical Surface Area Estimation

Woncheol Na 고려대학교 대학원 2023 국내석사

전 세계적으로 지구온난화와 대기오염을 해결하기 위해 자동차 시장은 기존의 내연기관에서 전기차와 수소차로 패러다임의 전환이 일어나고 있다. 특히 수소차는 전기차대비 충전시간이 짧고 단위 무게당 전력밀도가 좋아 상용화를 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 그러나 장기적인 성능 감소와 내연기관 대비 짧은 수명으로 인해 연료전지 자동차의 상용화에 걸림돌이 되고 있다. 따라서 연료전지 자동차의 상용화를 위해서는 내구성 향상을 통한 수명 향상이 필요하며, 이는 제조기술의 개선과 더불어 운영 및 유지보수 기술의 최적화가 병행되어야 한다. 특히, 운영 및 유지보수와 관련된 기술로는 에너지 매니지먼트 전략이 있는데, 이는 연료전지 하이브리드 시스템이 높은 효율을 달성할 수 있도록 하는 핵심이다. 현재 주로 사용되는 에너지 매니지먼트 전략은 연료전지의 성능 특성 및 효율 변화를 고려하지 않은 고정 모델을 기반으로 한다. 그러나 서비스 기간 동안 스택 요소의 열화로 인해 모델의 매개 변수나 성능 특성이 변하게 되면 최적 지점 또한 변화하게 된다. 따라서 고정 모델을 사용한 에너지 매니지먼트 전략은 이러한 성능 변화를 반영할 수 없기 때문에 시간이 지남에 따라 원하는 요구 출력과 연비를 달성할 수 없게 된다. 따라서, 에너지 매니지먼트 시스템의 고효율화 및 낮은 에너지 비용을 달성하기 위해서는 연료전지의 열화에 따른 성능 특성의 변화를 반영할 필요가 있다. 따라서 본 논문에서는 전기화학적 표면적(ECSA) 열화를 고려한 에너지 관리 전략을 제안한다. ECSA 열화를 추정하기 위한 방법으로는 모델 기반 방법을 사용하였으며, 추정기로는 기존 UKF의 단점을 보완한 ESF-UKF(Estimated State Feedback-Unsented Kalman Filter)를 사용하였다. ECSA 추정기에 의해 추정된 성능 특성은 Pontryagin의 최소 원리(PMP)가 적용되는 에너지 관리 전략에 반영된다. To solve global warming and air pollution worldwide, electric vehicles and hydrogen vehicles are emerging in the automobile market. Hydrogen vehicles have a short charging time and good power density per unit weight, so many studies are being conducted for commercialization. However, Poor long-term performance and lifespan remain the main obstacles for the commercialization of hydrogen vehicles. Therefore, to commercialize fuel cell vehicles, it is necessary to improve the lifespan through durability improvement, which should be performed in parallel with the improvement of manufacturing technology and the optimization of operation and maintenance technology. In particular, as a technology related to operation and maintenance, there is an energy management strategy, which is the key to achieving fuel cell hybrid system operation with high efficiency and low energy cost. The widely used energy management strategy is based on fixed model of power source energy consumption and efficiency. However, due to the degradation of stack elements during the period of service, the parameters of the model will change significantly, which causes the optimal point to change. And the fixed models will become increasingly inaccurate over time. So, to achieve high efficiency and low energy cost of the energy management strategy, it is necessary to reflect the change in performance characteristics according to the degradation of the fuel cell. Therefore, this paper propose a energy management strategy considering electrochemical surface area(ECSA) degradation. A model-based method was used as a method for estimating ECSA degradation, and Estimated State Feedback-Unscented Kalman Filter(ESF-UKF), which compensated for the disadvantages of the existing UKF, was used as an estimator. The performance characteristics estimated by the ECSA estimator are reflected in the energy management strategy to which Pontryagin’s Minimum Principle(PMP) is applied.

Three Essays on Energy and Environmental Economics and Policy in Korea: Public Preference for a Fuel-cell Electric Vehicle, Public Acceptance of Offshore Wind Power, and Public Value of Designating a Marine Protected Area : 에너지환경 경제 및 정책에 대한 3개의 소논문 : 수소연료

김주희 서울과학기술대학교 2021 국내박사

전 세계적으로 기후위기에 대응하기 위한 정책이 활발하게 수행되고 있으며 한국도 예외가 아니다. 국내에서는 에너지, 환경, 해양 등 다양한 분야에서 기후 변화 대응을 위한 탄소배출 저감 및 환경 보호 정책이 수립되고 있다. 수립된 정책이 성공적으로 수행되기 위해서는 대중의 지지가 필수적이다. 그렇기 때문에 정책결정자들에게는 공공 정책이 제공하는 편익과 대중의 수용성에 대한 정보가 필요하다. 본 논문은 에너지환경 경제 및 정책에 대한 정량적인 정보를 제공하는 3개의 소논문으로 구성되어 있다. 첫번째 소논문에서는 연료전지 자동차에 대한 대중의 선호를 선택실험법(CE, Choice Experiment)을 적용하여 도출하였다. 연료전지 자동차의 세부 속성으로는 연비 향상, 수소 충전소 접근성 향상, 대기오염물질 및 이산화탄소 배출량 저감, 차량의 형태가 고려되었다. 각 속성과 차량 구입에 대한 가격 프리미엄의 상충관계를 평가하기 위해 전국 1,000명을 대상으로 CE 조사를 일대일 개별면접 조사 방식으로 수행하였고 혼합로짓(ML, Mixed Logit)모형을 적용하였다. 분석결과 각각의 속성에 대한 한계지불의사액(MWTP, Marginal Willingness to Pay)은 다음과 같이 도출되었다. 연비 1㎞/L 상승, 수소 충전소 접근성 1%p 개선, 대기오염물질 및 이산화탄소 배출량 1%p 감소, 차량 형태가 세단이 아닌 SUV인 경우에 대한 MWTP는 각각 133만원, 28만원, 298만원, 1,047만원으로 도출되었다. 이러한 결과는 연료전지 자동차 보급 확대를 위한 보조금 지급 정책 등 세부 정책을 수립하고 시행할 때 유용한 정보로 활용될 수 있다. 두번째 소논문에서는 대규모 해상풍력단지 건설사업에 대한 대중의 수용성을 조사하고 서열프로빗 모형을 적용하여 개인별 특성이 그 수용성에 미치는 영향을 분석하였다. 정부는 2016년 2.2%에 불과한 재생에너지 발전량 비중을 2030년까지 20%로 늘리는 재생에너지 3020 이행계획을 추진하고 있으며 이에 따라 전라북도 위도 남동쪽 해상에 총 2.46GW 규모의 해상풍력발전기를 설치하는 서남해 해상풍력 개발사업이 현재 진행되고 있다. 그러나 2020년 완공을 목표로 하였던 서남해 해상풍력 개발사업은 토론회가 시작된 2011년부터 주민들의 반대로 인해 수차례 사업이 중단되는 난항을 겪었다. 해당 사업에 대한 대중 수용성은 사업의 원활한 추진을 위해 매우 중요한 요소이며 이에 대한 정보가 필요하다. 따라서 본 소논문에서는 서남해 해상풍력 개발사업에 대한 대중 수용성을 조사하고 영향요인을 분석하였다. 이를 위해 무작위로 선정된 1000명을 대상으로 서남해 해상풍력 개발사업에 대한 수용성을 묻는 전국조사를 시행하고, 서열 프로빗(ordered probit) 모형을 적용하여 응답자의 개별 특성과 서남해 해상풍력 개발사업에 대한 수용성 사이의 관계를 분석하였다. 분석 결과 전체 응답자 중 43.3%는 서남해 해상풍력 개발사업에 대해 찬성하였고 23.8%는 반대의견을 나타냈다. 응답자들의 개별 특성 중 서남해 해상풍력 개발사업에 대한 수용성에 영향을 미치는 요인을 분석한 결과 가구 소득이 높을수록, 수도권에 거주할수록, 가정용 태양광을 설치한 경우, 전력사용량이 적을수록, 천연가스 발전량의 적정 비중을 높게 생각할수록, 정치적인 성향이 진보에 가까울수록 서남해 해상풍력 개발사업에 찬성하는 것으로 나타났다. 또한 성별, 교육, 연령은 개인의 서남해 해상풍력 개발사업에 대한 수용성에 영향을 미치지 않는 것으로 분석되었다. 서남해 해상풍력 개발사업에 찬성하는 사람이 반대하는 사람보다 더 많기에 해당 사업을 추진하는 것이 바람직하다고 결론지을 수 있지만 반대하는 국민들을 효과적으로 설득하는 조치가 필요할 것이다. 세번째 소논문에서는 자란만을 해양보호구역으로 지정하는 것에 대한 공익적 가치를 조건부 가치측정법(CV, Contingent Valuation)을 통해 추정하였다. 생물다양성은 지구 기후변화에 대응하고 지속 가능한 에너지 자원을 확보하는 핵심 요소다. 멸종의 주요 원인은 서식지 파괴이므로, 보호 구역을 지정하는 것은 종의 서식지를 보호하는 가장 효과적인 방법이다. 따라서 해양수산부는 매년 해양보호구역을 지정하고 있으며 최근에는 보호대상해양생물인 상괭이가 자주 발견된 경상남도 고성군 자란만 해역 2000ha를 해양보호구역으로 지정하는 것을 고려하고 있다. 해양보호구역의 지정 및 관리를 위해서는 많은 재원의 투입이 필요하므로 해당 정책의 필요성 및 중요성을 평가하기 위해서는 자란만의 해양보호구역 지정에 대한 편익의 정량적 정보가 필요하다. 자란만 2000ha 면적을 해양보호구역으로 지정하는 것에 대한 편익을 추정하기 위해 2019년 7월 한 달간 전국 1,000가구를 대상으로 일대일 대면조사를 실시하였다. 연간 소득세 추가금액을 통한 지불의사액을 1.5경계 양분선택형 질문방식을 사용하여 조사하고, 0의 지불의사를 다루기 위해 스파이크 모형을 적용하였다. 자란만 2000ha 면적을 해양보호구역으로 지정하는 것에 대한 평균 지불의사액은 가구당 연간 2,665원(2.27달러)으로 추정되었으며, 이는 유의수준 1%에서 통계적으로 유의하다. 이를 국민 전체로 확대하면 자란만의 해양보호구역 지정에 대한 가치는 연간 532억원에 달한다. 즉 우리나라 국민들이 자란만의 해양보호구역 지정 및 관리에 상당한 가치를 부여하고 있다고 할 수 있다. This dissertation contains three essays: first, public preference of a fuel-cell electric vehicle is investigated by using choice experiment (CE); second, public acceptance of offshore wind power is assessed by using data from a nationwide survey of 1,000 individuals; third, a contingent valuation (CV) is applied to investigating economic benefits of designating Jaran Bay as a marine protected area in Korea. The first essay tries to look into the willingness to pay for a fuel-cell electric vehicle (FCEV). Four attributes chosen in this essay are improvement in fuel efficiency, improvement in hydrogen station accessibility, decrease in air pollutants and carbon dioxide emissions, and vehicle type. The potential consumers’ trade-offs amidst each of the attributes and price were evaluated in the CE survey of 1,000 people during May 2017 using a random utility maximization model. The CE data were examined through a Bayesian approach to the mixed logit model. The marginal values for a 1 km/L increase in fuel efficiency, a 1%p improvement in hydrogen station accessibility, a 1%p decrease in air pollutants and carbon dioxide emissions, and the shift from sedan to sport utility vehicle are computed to be KRW 1.33 million (USD 1,182), 0.28 (249), 2.98 (2,649), and 10.47 (9,307), respectively. These results can be useful for policy-making and decision-making regarding the FCEVs. For example, they can provide information on how much value potential consumers place on a new FCEV. The second essay reports on the public acceptance of a large-scale offshore wind power project using data from a nationwide survey of 1,000 individuals asking their opinion about the project through a Likert five-point scale. To this end, an ordered probit model is applied to analyze the determinants of pros and cons of the project. Of the respondents, 43.3% agreed to the project and 23.8% disagreed to that. Overall, South Koreans are supportive of the project. The results show that people who live in the Seoul Metropolitan area, those who are richer than others, those who has installed solar power facility for family use, those who consider the level of proper ratio of natural gas generation to be high, and/or those who are politically progressive are more supportive of the project than others. On the other hand, the respondents using more electricity tend to oppose the project than others. These findings could be used as an important reference in the government’s push for the project. The third essay attempts to apply a CV to invest economic benefit for designating Jaran Bay, the habitat of the endangered marine species, Neophocaena asiaeorientalis, as a marine protected area. The Government needs information about public acceptance and the economic benefits of the designation. To unveil the information, this article aims to examine the public willingness to pay (WTP) using a contingent valuation based on a nationwide survey of 1,000 households. As a WTP elicitation method, the one-and-one-half-bounded question format of asking an interviewee whether she/he has the intention of paying a presented bid through annual income tax was adopted. The WTP for the designation was statistically significantly estimated to be KRW 2,665 (USD 2.27) per year per household. The estimate of the annual national value amounted to KRW 53 billion (USD 45.30 million). This value is by no means small, but it would take a huge amount of effort to elicit public consensus on the designation considering that a significant proportion of respondents (64.4%) revealed zero WTP.

Comparative study of electric vehicles(FCEVs, BEVs) thermal management system designs for optimal thermal integration with air conditioning system

백경준 Graduate School, Yonsei University 2021 국내석사

In this study, various thermodynamic performance analyses were conducted to determine how to overcome the limitations of the thermal management systems of fuel cell electric vehicles (FCEV) and battery electric vehicles (BEV) by thermally integrating them with their air conditioning systems. Thermodynamic models of electric vehicles’ power source and heat exchangers were developed to accurately analyze system performance. Fuel cell stack and battery pack models were used to calculate the electrochemical properties because they reflect design variables, operating conditions, and empirical databases. The heat exchanger model accurately estimated heat transfer and pressure drops because it was derived using empirical correlations and reflected design variables and the thermodynamic properties of working fluids. Two-phase flow in the evaporator was accurately modeled based on experimental data within a 2% margin of error by applying discretization methods. The stack cooling system of FCEVs is thermally integrated with the air conditioning system so that the air conditioning system can be used to dissipate additional heat. Layout studies of various integration locations were conducted to analyze auxiliary heat dissipation and indoor cooling performance. Optimal thermal integration reduced the coolant temperature of the stack cooling system by 0.49 ºC. Using an optimal layout, a scale study showed that air conditioning systems can be used to increase system thermal effectiveness by up to 7.1%. The BEVs’ heat recovery performance problem that occurs during winter is solved by utilizing a refrigerant heat pump. A novel circuit was developed and tested in this study that is simpler than traditional circuits and can be implemented in various ways in parallel by controlling valve status by analyzing actual vehicles’ thermal management circuits and patents. To improve indoor and battery heating performance in cold-start situations of down to -10 ºC, a parametric study on various operating conditions was conducted to minimize the time it takes for the battery’s operating temperature to rise to 0 ºC. Heating using heat pump was able to increase the battery’s operating temperature to 0 ºC 1.45 times faster than the conventional method of heating the battery pack using liquid. The suitability of BEVs and FCEVs for thermal integration is determined by comparing how much such integration would improve thermal management. BEVs can effectively heat batteries without undergoing major changes, but FCEVs’ condenser and evaporator must be improved to effectively dissipate surplus heat. 본 연구에서는 외기 온도에 따른 수소차와 전기차 열관리시스템의 한계를 공기조화시스템과의 열병합을 통해 해결하기 위해 다양한 열역학적 시스템 성능들을 분석하였다. 정확한 시스템 성능 분석을 위해 각 차량의 동력원과 열교환기들의 열역학적 모델들이 개발되었다. 연료전지 스택과 LFP 배터리 팩 모델은 설계 변수, 작동 조건 및 경험적 데이터베이스를 반영하여 전기화학적 특성을 계산한다. 열교환기 모델은 설계 변수를 고려한 경험적 상관관계들과 작동 유체의 열역학적 특성을 사용하여 열 전달률과 압력 강하량을 정확하게 추정한다. 냉매의 2상 유동 해석을 위해 이산화 방법을 제안하였으며, 증발기의 경우 실험 데이터와의 오차가 2% 정도로 높은 신뢰도를 가진다. 수소차의 스택 냉각 시스템은 공기조화시스템과의 열병합을 통해 추가로 열을 방출하도록 수정된다. 다양한 열병합 위치에 대하여 보조 방열량과 실내 냉방 성능을 분석하고, 최적의 열병합 레이아웃을 도출하였다. 이 경우, 실내 냉방 성능은 기존과 같이 유지되면서 스택 냉각 시스템의 냉각수 온도를 0.49 ºC 감소시킬 수 있다. 해당 레이아웃을 바탕으로 열적 스케일 연구를 진행하여 열통합 시스템의 열효율을 최대 7.1%까지 증가시킬 수 있었다. 겨울철에 발생하는 전기차의 열 회수 성능 문제를 히트펌프를 활용하여 해결한다. 본 연구에서는 다양한 차량의 열관리시스템과 특허를 분석하여 기존 회로보다 단순하고 밸브 제어를 통해 다양한 모드를 구현할 수 있는 새로운 회로를 제안한다. 영하 10 ºC 이하의 냉간 시동 상황에서 배터리 작동 온도를 빠르게 상승시키기 위해 다양한 작동 조건에 대한 파라미터 연구를 수행하였다. 히트펌프를 활용한 경우 액체 가열 방법보다 1.45배 빠르게 배터리 팩의 작동 온도를 상승시킬 수 있었다. 열병합을 통한 열관리 개선 성능을 분석하여 수소차와 전기차의 열병합 적합성에 관해 논의한다. 전기차의 경우, 큰 구조적 변화 없이 기존보다 배터리의 온도를 효과적으로 상승시킬 수 있지만, 수소차는 응축기와 증발기의 사양을 증대하여 방열 성능을 더 증가시켜야 한다.

Performance analysis of thermal management system for fuel cell/battery hybrid electric vehicle applied with phase change material

송재호 Graduate School, Korea University 2022 국내석사

본 연구에서는 전원장치 냉각시스템과 히트펌프의 결합을 통해 상변화물질 적용에 따른 전기자동차의 냉각에너지 소비량과 주행에너지 변화를 분석하였다. 실험 데이터를 기반으로 히트펌프와 상변화물질을 이용한 차량 열관리시스템(VTMS)을 개발하였으며, 차량의 외부 형상정보 및 동력전달 효율을 반영하여 전원부의 전기적 부하에 따른 발열을 모델링하였다. 검증된 모델을 기반으로 상변화물질이 적용된 VTMS 의 성능을 상변화물질의 질량, 차량 속도 및 외기 온도의 세 가지 관점에서 평가하였다. 결과적으로 상변화물질 100 kg 을 적용하였을 때 기존 시스템 대비 구동에 필요한 에너지는 약 2.68% 증가하는 한편, 열관리에 필요한 에너지는 약 39% 감소하여 총 에너지 소비량이 약 3.8% 감소하였다. 또한, 비주행상황에서 압축기 작동 없이 상변화물질에 저장된 냉방 에너지만으로 캐빈 냉방이 가능한 것을 확인하였다. In this study, the cooling energy consumption and driving energy variation of electric vehicles according to the application of phase change materials were analyzed via integration of power source cooling system and heat pump. The vehicle thermal management system (VTMS) with heat pump and phase change material was developed based on the experimental data, and the heat generation according to the electrical load of power source was modeled by ii reflecting the exterior and power transmission efficiency of the vehicle. On the basis of the validated model, VTMS with phase change material was comprehensively evaluated from the standpoint of three critical factors: phase change material weight, vehicle velocity and ambient temperature. Consequently, when 100 kg of phase change material was applied, the energy required for driving increased by about 2.68% and the energy required for thermal management decreased by about 39% compared to the baseline, reducing the total energy consumption by about 3.8%. In addition, it was confirmed whether cabin cooling was possible only with thermal energy storage system without compressor work in a non-traveling situation.

(The) development of the fuel cell electric vehicle market in South Korea : a SWOT analytical approach

Brockel, Viviane Graduate School of International Studies, Korea Un 2021 국내석사

Fuel cell electric vehicles (FCEVs) are an increasingly popular option to reduce greenhouse gas emissions in the transport sector. Like other countries, South Korea aims to expand the technology involved by encouraging the industry in the rollout. This paper uses the SWOT analytical method to identify the internal strengths and weaknesses as well as the external opportunities and threats for the domestic FCEV market. In doing so, the thesis aims to prove that South Korea’s strategies focus more on fast and cheap development of the sector than on a sustainable approach. Moreover, it is argued that FCEVs are not always the most optimal solution in the alternative fueled vehicle market. It was found that despite several strengths, there remain many problems that first need to be addressed by the authorities to make FCEVs feasible on the market. The greatest weaknesses are the high cost of producing FCEVs, as well as a lack of hydrogen production facilities and refueling options. Therefore the focus of future strategies should be to ensure a safe supply of hydrogen for the vehicles and to reduce development costs. While most ambitions of the government and private sector point to an expansion of steam methane reforming facilities, the establishment of water electrolyzers is put on hold for a later time. Accordingly, it could be confirmed that sustainability only plays a subordinate role. FCEVs show more advantages in the heavy-duty transport sector, whereas BEVs are cheaper to produce and maintain and are the better option for short distances. It is therefore recommended to view both vehicle types as complementary and to shift the focus of FCEV production increasingly towards vehicles that require more power.

Development of SOI MEMS-based silicon strain gauges for fuel cell electric vehicle

김진웅 Garduate School, Korea University 2019 국내박사

Hydrogen gas is attracting much attention as a next-generation fuel to replace fossil fuels that have a problem of resource depletion and environmental pollution. The reason is that when hydrogen gas is used in fuel cells, it is an environmentally friendly material that is more efficient than gasoline vehicles and can reduce carbon emissions. A hydrogen fuel cell vehicle with these advantages has a built-in fuel tank that stores hydrogen, and a stable pressure sensor is essential for this fuel tank. In other words, a high-sensitivity silicon strain gauge is indispensable to constitute a pressure sensor system capable of continuously monitoring the loading state of hydrogen gas in the fuel cell automobile sector, which mainly uses hydrogen gas. The recently commercialized hydrogen pressure sensor diaphragm is made of stainless steel 316L to prevent hydrogen embrittlement. This material has a larger coefficient of thermal expansion than any other material. Therefore, it is very difficult to completely attach the strain gage chip to this diaphragm without any post-misalignments such as break, rotation and movement. It is very important that the gauge is attached to the metal diaphragm because the output performance of the pressure sensor, such as durability and reliability, depends on the quality of the silicon strain gauge. Many post-misalignments occur due to the stress caused by the coefficient of thermal expansion (CTE) mis-match between the substrate and the diaphragm of the conventional gauge. Open-type silicon strain gages have been commercialized to address this problem, but it is much more difficult to automate the alignment and bonding processes because the gages are open and fragile, requiring more manufacturing cost and time. In this thesis, I present a new half-bridge silicon strain gauge fabricated on a silicon-on-insulator (SOI) substrate by MEMS bulk micromachining technology that can compromise the problems presented above. These gauges have holes etched through the wafer by deep reactive ion etching (DRIE) and a closed shape with four sides, unlike the current competitive devices with open structures. This unique design minimizes the shifting or gating position and enhances the bonding strength during glass-frit bonding, leading to improved sensor performance and yield, and thus a reduction in sensor cost. In addition, the ratio of the area of the through hole to the total area of the chip is optimized based on the results of the post-misalignments test using gauges having various through hole ratios, and an asymmetric gauge for improving the sensitivity is presented. In order to demonstrate the feasibility of using a hydrogen fuel cell pressure sensor, the prototype half-bridge gages were tested under pressure ranging from 0 bar to 900 bar and showed a linear output with a typical gage factor of about 112 and an average hysteresis of 0.0192 %FSO. In addition, the full bridge output for 0-900 bar shows a typical sensitivity of about 0.0086 mV/V/bar, a maximum thermal zero shift of -3.1 %FSO, and a thermal sensitivity shift of -15.12 %FSO.

Performance investigation of thermal management system for cold start of fuel cell electric vehicle using heat pump system

김수환 Greduate School, Korea University 2021 국내석사

In this study, the cold start performance of fuel cell vehicles is investigated with the heat pump assisted thermal management system (TMS). An internal heat exchanger is used to integrate the heat pump system with the baseline TMS. The simulation model of the fuel cell stack and heat pump assisted TMS is developed and validated based on the experimental data. A parameteric study is conducted under various operating conditions such as ambient temperature, compressor speed and fan speed. The design parameters of the internal heat exchanger are changed for achieving the maximum coolant temperature increase rate. The heat pump assisted TMS exhibits the cold start performance improvement of 11.5 ~ 10.2% in the cold start time and 23.5 ~ 13.3% in the coolant temperature rise, respectively at the ambient temperature of -5 ~ 20℃. Moreover, the heat pump assisted TMS consumes less energy during the cold start compared the baseline TMS.