Improvement of Cooling Performance of Carbon Dioxide Heat Pump for Electric Vehicles = 전기자동차용 이산화탄소 히트펌프의 냉방 성능 향상

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Regulations on conventional refrigerants have become increasingly stringent due to global environmental concerns. Among natural refrigerants, carbon dioxide (R744) is recognized for its low environmental impact, non-flammability, and non-toxicity, making it an attractive candidate for EV heat pump applications. However, the transcritical operation of R744 heat pump systems introduces unique technical challenges, especially under high ambient temperatures where the cooling performance rapidly declines. To address these challenges, this study investigates two advanced cycle strategies, GI and intercooling cycles, aimed at improving the cooling performance of R744 heat pumps for EVs under severe operating conditions.
First, the cooling performance of the base and GI cycles is experimentally analyzed. The GI cycle is characterized with a flashtank, and the vapor separated here is injected into the intermediate stage between two compressors. At moderate ambient temperatures (25°C and 35°C), the GI cycle demonstrates significant performance improvements: the COP increases up to 7.8% and cooling capacity by 7.6% under 35°C conditions compared to the base cycle. These improvements result from a larger enthalpy difference across the evaporator. However, as the ambient temperature exceeds 45°C, the GI cycle encounters fundamental thermodynamic and practical limitations. High vapor quality at the flashtank causes excessive injection mass flow, which in turn raises the mass flow rate across the gas cooler. This makes it difficult to reduce the inlet enthalpy of the evaporator.
Second, a numerical model is developed to evaluate the system performance in regions that are experimentally inaccessible due to the high discharge pressure and temperature. The model validation against to experimental data across a wide range of operating conditions (25°C–45°C) confirmed that predicted cooling capacities agree within ±10% of measured results for both the base cycle and GI cycle. Using this model, the cooling performance of the base cycle is assessed under more severe temperature of 54°C. The results show the challenges of R744 heat pump system under extremely hot conditions, where the COP can be lowered below unity. Furthermore, the GI cycle is unable to improve either cooling capacity or COP under the extremely hot conditions unless the discharge pressure exceeds the general safety limit of 140 bar. Although further increasing the discharge pressure (up to 147 bar) yields only marginal increases in capacity, the COP stagnates or decreases, and discharge temperatures surpass 150°C, posing risks to compressor durability and system reliability.
Finally, an intercooling cycle is proposed integrating the EV coolant circuit to improve the cooling performance even in extremely hot climates. Numerical evaluation of three intercooling configurations (intercooler only, intercooler with series WGC, and intercooler with independent WGC) under 35°C, 45°C, and 54°C ambient conditions result in consistent performance benefits. The improvement becomes more pronounced as the ambient temperature rises, and the most favorable configuration delivers a 13.0% rise in COP and 10.5% in cooling capacity at 54°C. Importantly, these enhancements are achievable while keeping discharge pressure and temperature within safe limits. Further analysis suggests that adjusting the intermediate pressure could intensify the intercooling effect, lowering the refrigerant discharge temperature without compromising cooling capacity.
In conclusion, this research systematically analyzes the strengths and limitations of both the GI and intercooling cycles under the transcritical operation of R744 heat pumps to improve cooling performance. These findings are expected to provide valuable insights for the future design and optimization of environmentally friendly, high-efficiency heat pump systems for EVs.

국문 초록 (Abstract)

기후 변화가 심화되고 대중들의 안전성에 대한 관심이 증가함에 따라, 냉매 규제 또한 점차 강화되고 있다. 자연 냉매 중 이산화탄소(R744)는 환경 영향이 적고, 비가연성 및 무독성이라는 점에서 전기차용 히트펌프 시스템의 유망한 대체재로 주목받고 있다. 그러나 R744 히트펌프 시스템은 임계 온도가 낮아 많은 경우 초임계 조건에서 운전되기 때문에, 특히 고온 냉방 시 성능이 급격히 저하되는 고유한 기술적 한계를 지닌다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 본 연구에서는 혹서 조건에서 R744 시스템의 냉방 성능을 개선할 수 있는 두 가지 회로, 기상 주입 회로와 인터쿨링 회로에 대해 외기온에 따른 성능을 체계적으로 분석하고 있다.
첫 번째로, 기본 및 기상주입 회로의 냉방 성능을 실험적으로 비교·분석한다. 기상주입 회로는 플래시탱크에서 분리된 기상 냉매를 두 압축기 사이의 중간 단계에 주입하는 구조로 구성된다. 25°C 및 35°C의 온화한 조건에서는 기상주입 회로가 뚜렷한 성능 향상을 보이며, 35°C 조건에서는 기본 회로 대비 COP가 최대 7.8%, 냉방 용량이 7.6% 증가할 수 있다. 이는 플래시탱크에서 기액이 분리되며 증발기 양단의 엔탈피 차가 커졌기 때문으로 해석된다. 그러나 외기 온도가 45°C를 초과하면 기상주입 회로는 근본적인 열역학적 한계와 실질적인 제약에 직면하게 된다. 플래시탱크의 건도가 상승하며 과도한 기상 주입 유량이 발생하고, 이로 인해 가스쿨러 측 냉매 유량이 증가함에 따라, 본래 의도하였던 증발기 입구 엔탈피 감소 효과를 충분히 보기 어려워진다.
두 번째로, 실험적으로 접근이 어려운 고온·고압 조건의 시스템 성능을 평가하기 위해 수치해석 모델을 개발한다. 다양한 온도(25~45°C) 조건에서 실험 데이터와 비교 검증한 결과, 기본 및 기상주입 회로 모두 냉방 용량 예측치가 실측값 대비 ±10% 이내로 일치하며 모델의 신뢰성을 증빙하고 있다. 이 모델을 활용하여 54°C의 극한 고온 조건을 모사한 결과, R744 히트펌프의 한계점이 뚜렷하게 드러났으며, 심지어는 COP가 1 이하로 저하될 수 있음을 확인한다. 기상주입 사이클 역시 토출 압력이 안전 한계(140 bar)를 초과하지 않는 범위에서는 실험 결과와 일관되게 냉방 성능을 도리어 약화시킨다. 토출 압력을 147 bar까지 높이게 되면 냉방 용량은 다소 향상시킬 수 있으나 COP는 감소하며, 높은 압력비로 인해 토출 온도가 150°C를 초과한다. 이는 곧 압축기 내구성 및 시스템 신뢰성에 심각한 위험이 발생할 수 있음을 시사한다.
마지막으로, 혹서 조건에서도 냉방 성능을 효과적으로 개선할 수 있도록 전기자동차의 냉각수 회로를 연계한 인터쿨링 사이클을 제안한다. 35°C, 45°C, 54°C의 세 가지 온도 조건에서 인터쿨러 단독, 인터쿨러-수냉식 가스쿨러 직렬, 독립 구성 등 세 가지 인터쿨링 회로안을 평가한 결과, 모든 조건에서 일관된 성능 향상이 확인된다. 이러한 개선 효과는 특히 외기 온도가 높아질수록 더욱 두드러진다. 가장 효과적인 독립 회로 구성에서는 54°C에서 COP가 13.0%, 냉방 용량이 10.5% 향상되며, 이는 토출 압력과 온도의 안전 한계 내에서 실현된다. 또한, 중간압 제어를 통해 인터쿨링 효과를 높이면 냉매 토출 온도를 추가로 낮출 수 있음을 수치해석을 통해 제시한다.
종합적으로, 본 연구는 초임계 조건에서 R744 히트펌프 시스템의 냉방 성능 개선을 위한 기상 주입 사이클과 인터쿨링 사이클의 장단점 및 한계점을 분석하고, 각 사이클의 운전 조건별 성능 특성을 정량적으로 제시하였다. 본 연구의 결과는 향후 친환경·고효율 전기차용 히트펌프 시스템의 설계 및 최적화에 중요한 기술적 시사점을 제공할 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Background of the study 1
• 1.2. Literature survey 7
• 1.2.1. Characteristics of R744 refrigerant 7
• 1.2.2. Performance and limitations of R744 heat pump systems 11
• 1.2.3. Recent advances in R744 system performance 15
• 1.3. Objectives and scopes 19
• Chapter 2. Experimental evaluation of the cooling performance of gas injection cycle 22
• 2.1. Introduction 22
• 2.2. System configuration 24
• 2.2.1. The base R744 heat pump cycle 24
• 2.2.2. The GI R744 heat pump cycle 27
• 2.3. Experimental setup and procedure 31
• 2.3.1. Experimental setup 31
• 2.3.2. Experimental procedure 36
• 2.3.3. Uncertainty analysis 41
• 2.4. Results and discussion 44
• 2.4.1. The performance of the base cycle 44
• 2.4.2. The performance of the GI cycle 49
• 2.4.3. Performance comparison 59
• 2.5. Summary 67
• Chapter 3. Numerical modeling and prediction of gas injection cycle performance under extreme conditions 70
• 3.1. Introduction 70
• 3.2. Numerical modeling 72
• 3.2.1. Component modeling 72
• 3.2.2. Flowchart 78
• 3.3. Results and discussion 81
• 3.3.1. Model verification 81
• 3.3.2. Performance prediction of the base cycle 84
• 3.3.3. Performance prediction of the GI cycle 90
• 3.4. Summary 100
• Chapter 4. Cooling performance enhancement of R744 heat pump systems using EV coolant circuits 104
• 4.1. Introduction 104
• 4.2. Thermal management circuit of EVs 106
• 4.2.1. Thermal management technologies of EVs 106
• 4.2.2. Coolant circuit of EVs 108
• 4.3. Intercooling Cycles for EV R744 Heat Pumps 110
• 4.4. Results and discussion 115
• 4.4.1. The performance of intercooling cycle 115
• 4.4.2. Impact of intermediate pressure on intercooling effect 123
• 4.4.3. Comparison with the GI cycle 128
• 4.5. Summary 131
• Chapter 5. Concluding remarks 133
• Bibliography 136
• 국문 초록 153