시스템 모델링 tool을 이용한 난방 가동 주행 시 수소 연료전지 자동차의 연료 소모에 미치는 영향 분석

국문 초록 (Abstract)

자동차 운행 시 냉/난방은 필수적인 기능으로 자동차의 상품성에 큰 영향을 미친다. 일반적으로 엔진의 고온 폐열을 이용하여 난방을 하는 내연기관 자동차와 달리 전기를 주 에너지원으로 사용하는 전기자동차 혹은 수소 연료전지 자동차와 같은 전기동력자동차는 고온의 열원을 이용할 수 없으므로 난방 장치의 작동을 위하여 추가적인 에너지 공급이 필수적이다. 따라서 주행 중 냉/난방 장치의 작동은 전기자동차의 경우 주행거리의 감소, 수소 연료전지 자동차의 경우 연료(수소) 소모량의 증가에 직접 영향을 미친다.
대다수 자동차 회사가 2030년 이후로 내연기관 자동차의 생산을 중단하고, 전기자동차나 수소 연료전지 자동차와 같은 차세대 친환경 자동차로의 전환을 알리는 시점에서 위와 같은 문제점을 효과적으로 해결하기 위해 전기동력자동차의 경우 냉/난방 작동 시 연비 특성을 시스템 모델링을 통해 분석하는 것은 주요 기술적 과제 중 하나로 인식되어 최근 다양한 기관에서 관련 연구가 활발히 진행되고 있는 추세이다.
본 논문에서는 수소 연료전지 자동차의 난방 가동 주행 시 연료소모 특성 파악을 위하여 시스템 측면의 기초적인 분석을 진행하였다. 수소 연료전지 자동차의 모델링과 주행 상황에 따른 연료 소모 특성에 대한 시스템 해석은 AVL사의 차량 시뮬레이션 tool인 CRUISE M을 이용하여 수행되었다.
수소 연료전지차의 핵심 모듈인 고분자전해질(PEM) 연료전지 스택, BOP(주변 장치)(난방장치 포함)및 동력계(모터, 고전압 배터리 등) 주요 모듈을 고려하면 시중에 출시된 수소 연료전지 자동차의 제원들을 최대한 참고하여 모델링을 수행하였다.
동계 조건에서 난방 장치의 펌프, PTC 히터의 특성 변화에 따른 다양한 주행 사이클 조건(NEDC, 고속 도로(Highway 사이클 등)에서 시뮬레이션을 수행하여 수소 연료전지 자동차의 난방 장치 작동이 주행 중 연비에 미치는 영향을 파악할 수 있었다. 본 연구에서 적용된 모델링 방법과 분석 방안은 수소 연료전지 자동차의 연비 향상을 위한 냉/난방 모듈 등의 개선 설계 및 개발을 위한 연구에 효과적으로 기여할 수 있을 것으로 사료된다.