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[논문]전기자동차에서의 히트펌프 공조 및 열관리 기술 동향

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전기자동차에서의 히트펌프 공조 및 열관리 기술 동향

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“겨울에도 끄떡없죠” 전기차 오너들이 감탄한 기능의 정체는? : 네이버 포스트

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전기차 히트 펌프

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현대·기아차가 개발한 전기차 ‘고효율 히트펌프 기술’ 다른 브랜드도 앞다퉈 도입하는 이유는?

Q. 고효율 히트펌프 기술을 개발하는 과정 중에 재미있는 에피소드가 있었나요?

고효율 히트펌프 기술은 공교롭게도 발상의 전환에서 시작됐습니다. 배터리 용량이 64kWh인 코나 일렉트릭을 개발할 당시, 주행 거리를 늘리기 위해 아이오닉 일렉트릭(38.3kWh) 대비 배터리 용량을 25.7kWh 더 늘렸습니다. 하지만 그에 따라 발열량도 더 증가했어요. 따라서 배터리를 효율적으로 냉각시키기 위한 방법을 고민하고 있었죠. 그 과정에서 ‘늘어난 배터리 발열을 히트펌프에 활용할 수 있지 않을까?’라는 아이디어가 떠올랐습니다. 말 그대로 역발상인 셈이죠. 결국 여러 차례의 연구개발 과정을 거듭하면서 배터리 열을 히트펌프 난방에 활용하는 방안을 도출했고, 코나 일렉트릭에 적용해 기존의 히트펌프보다 성능을 높일 수 있었습니다.

또한 히트펌프 개발 타당성에 대한 검증도 여러 차례 진행했습니다. 2017년까지 전기차의 주행 거리 측정은 상온에서만 이뤄졌으며, 별도의 저온 테스트나 소비자를 위한 지표조차 없었습니다. 게다가 히트펌프 기술을 적용한 전기차도 많지 않았어요. 예컨대 당시 전기차로서 가장 주행거리가 길었던 테슬라 모델 S조차 히트펌프를 적용하지 않았을 정도죠. 하지만 사계절이 있는 국내 기후와 글로벌 시장의 다양한 환경을 고려해 연구를 지속했고, 겨울철 전기차 운전자의 불안을 줄이고 불편 해소를 위해 히트펌프 개발에 매진하게 됐습니다. 그 결과, 국내외의 전기차 평가에서 현대·기아차가 두각을 드러냈고, 무엇보다 저온 주행 거리 평가가 전기차의 성능을 가늠하는 중요한 척도가 됐다는 점에서 큰 보람을 느낍니다.

韓 히트펌프, 테슬라·폭스바겐 전기차 뚫었다

추위에 약한 전기차 시장 특화 제품 잇따라 성공

글로벌 전기차 저온 주행 성능 향상에 국내 기업의 히트펌프 등 자동차 공조 시스템(HAVC) 기술력이 큰 영향을 미친다. 전기차는 열원이 부족하다. 차체 열관리를 제대로 하지 않으면 주행 효율이 떨어지는 문제가 있다.

‘국내 히트펌프 기업(K-히트펌프)’은 최근 공조시스템의 열관리 기술과 부품의 우수성 덕에 글로벌 납품량을 늘려간다. 폭스바겐이나 테슬라 등 글로벌 전기차 제조사는 K-히트펌프 기업의 제품을 수급해 차량에 장착 중이다.

국내 1위이자 글로벌 2위 공조시스템 분야 기업인 한온시스템의 전기차 열관리 시스템 안내 이미지 / 한온시스템

전기차는 모터로 구동되는 차량 특성상 엔진을 보유한 내연기관차보다 차체 발산되는 열의 양이 적다. 발산열이 적으면 순수하게 배터리 전력만으로 난방을 구동해야 하므로 실질적인 에너지 소모량이 늘어난다. 저온 환경에서는 배터리 전력이 열관리를 하는데 대량 소모돼 배터리 효율을 최대 40%까지 줄인다. 대부분 전기차가 저온에서 평균 주행거리에 못 미치는 성능을 보이는 이유다.

테슬라 등 글로벌 완성차 기업은 배터리 효율과 주행거리를 유지하는 히트펌프 등 공조시스템의 중요성에 집중한다. 내연기관 차량에서 공조시스템이 차지하는 비중은 낮았지만, 전기차 업체는 모터와 인버터 등 부품과 차체 내외부 난방에 요구되는 적정온도가 각기 달라 공조시스템의 정밀성과 고신뢰성을 중요하게 여긴다.

히트펌프는 전기차 난방효율을 높이는 기술이다. 모터 등 전장부품 발산열과 냉각과정의 방출열을 활용한다. 전기차의 냉매(차체 내부에서 열 전달 역할을 맡는 물질)는 액체·기체를 오가는 순환과정을 거친다. 액체에서 기체로 변화하며 주변의 열을 빼앗아 냉각효과를 가져오고, 기체에서 액체로 변환할때 열을 방출한다.

전기차 히트펌프 시스템은 이런 냉매의 상변화를 활용한다. 냉매를 액체에서 기체로 가열하는 데 전장 부품에서 발생한 내부열을 사용한 뒤, 내부열로 데워진 냉매가 기체 상태로 변하면 응축기·압축기로 기체 상태 냉매를 압축해 고압 기체로 만든다. 응축된 고압기체 형태의 냉매는 큰 열을 보유해 이를 냉각하면 막대한 열이 방출돼 전기차를 난방하는 구조다.

공조시스템 분야 한 전문가는 “과거 내연기관차에서는 에어컨을 제외하면 공조 시스템 비중이 높지 않았다”며 “전기차는 발산열이 적어 모터와 인버터·실내외 냉난방에 신경을 써야하는데 부품마다 배터리는 25℃·인버터는 60℃ 등 적정 온도가 상이해 히트펌프 등 공조시스템에 요구하는 게 많아졌다”고 설명했다.

우리산업에서 테슬라·BMW 등에 공급하는 전기차용 고전압 PTC히터 / 우리산업

[아롱 테크] 아무리 잘난 배터리도 ‘히트 펌프’ 없으면 효율 뚝…전기차 냉ㆍ난방 책임 : 다나와 자동차

전기차는 에어컨을 많이 사용하는 여름철이나 히터를 사용하는 겨울철에 주행거리가 감소하는 것으로 알려졌습니다. 특히 여름철보다 겨울철에는 배터리 성능 저하와 함께 히터 사용으로 주행거리가 급격히 떨어지는 경향이 있습니다.

한국에너지공단 자동차연비센터가 기온변화에 따른 전기차 연비 및 1회 충전 주행거리를 테스트한 결과 겨울철(-7℃)에는 차량 실내온도조절(히터)에 소비되는 에너지가 발생해 연비가 낮고 주행거리가 짧았습니다. 반면 여름철(평균 25℃)에는 배터리 성능이 상승함에 따라 연비가 높을 뿐 아니라 주행거리도 가장 높은 것으로 나타났습니다.

환경부는 올 초 국내에서 시판중인 전기차의 상온(20~30℃)과 저온(-7℃)에서의 1회 충전 주행거리를 발표하고 올해부터 상온 대비 저온 주행거리가 65~70% 이상이어야 보조금을 지원합니다. 내년부터는 65~75% 이상, 2024년부터는 70~80% 이상으로 기준을 단계적으로 상향 조정할 계획입니다.

환경부 발표에 따르면 히트펌프(heat pump)가 적용된 전기차들보다 미적용된 모델들이 상대적으로 상온과 저온에서의 주행거리 차이가 큰 것으로 나타났습니다. 이에 따라 전기차는 무조건 히트펌프가 달려있어야 한다는 소비자들의 인식이 강해진 것 같습니다.

그렇다면 히트펌프란 무엇일까요? 우선 전기차 냉·난방장치는 난방장치(Heating System)와 냉방장치(Air Condition)가 내연기관처럼 별도의 시스템으로 구성된 것이 아니라 HVAC(Heat Ventilation Air Conditioning) 시스템이라는 하나의 시스템으로 구성돼 있다는 점에 차이가 있습니다.

먼저 내연기관차 엔진은 연료를 연소하면서 생기는 연소열과 각종 기계부품이 작동하면서 발생하는 마찰열 등 많은 열이 발생합니다. 엔진 주변을 순환하는 엔진냉각수가 이러한 엔진 열을 흡수해 엔진을 식혀주고 동시에 열교환기를 통해 히터를 작동하는데 사용되어 집니다.

엔진에서 발생하는 열을 흡수해 뜨거워진 냉각수는 차량 앞쪽에 위치한 라디에이터를 통해 냉각되어 다시 엔진 내부를 흐르게 되는데, 자동차 난방시스템은 냉각수가 라디에이터로 이동하기 전에 자동차 실내 대시보드 아래쪽에 있는 히터코어(Heater Core)를 순환하면서 열교환에 의해 실내로 더운 공기를 공급합니다.

즉 뜨거워진 냉각수가 히터코어를 지날 때 히터코어 뒤쪽에 있는 블로어 모터가 팬을 이용해 바람을 불어넣으면 냉각수의 열이 식혀지면서 생성한 뜨거운 바람으로 난방을 하는 것이죠. 에어컨시스템은 이와 반대로 차가운 에어컨 냉매가 에바포레이터 코일(Evaporator Core)을 통해 실내로 차가운 공기를 공급합니다.

전기차는 내연기관차와 동일한 냉방장치를 사용하지만 엔진과 같은 열원이 없는 난방장치는 구조에 차이가 있습니다. 따라서 겨울철과 같이 추운 날씨 때 난방을 위해 난방장치 대신 냉방장치를 사용합니다. 즉 에어컨의 작동원리와 반대로 에어컨 컴프레서를 구동시켜 압축된 뜨거운 열을 실외(라디에이터)가 아닌 실내에 방출하고 증발 잠열을 차량 외부로 보내는데 이러한 시스템을 히트펌프 시스템이라고 부릅니다.

즉 에어컨 냉매의 순환경로를 변경해 고온, 고압의 냉매를 내연기관차의 엔진 열처럼 열원으로 사용하는 것입니다. 요즘 사무실은 물론 가정용으로도 많이 사용되고 있는 시스템 에어컨의 경우 한 대의 실외기로 여러 대의 에어컨을 작동할 뿐 아니라 추울 때는 온도를 높여서 히터 대용으로 사용하고 있는 것과 같은 원리이지요.

일부 전기차의 경우 히트펌프 대신 PTC(Positive Temperature Coefficient) 히터라는 전기난로를 사용합니다. PTC 히터는 고전압 배터리 전원을 사용하므로 히트펌프 적용 차량보다 상대적으로 배터리 소모가 빠를 수밖에 없습니다. 당연히 주행거리가 줄어들 수밖에 없지요. 난방효율도 히트펌프 대비 1/3 정도 낮습니다. 고전압 배터리의 손실을 줄이기 위해 히트펌프와 PTC 히터를 동시에 사용하는 전기차도 있습니다.

또한 히트펌프와 PTC 히터는 즉시 동작하기 때문에 내연기관차처럼 실내가 따뜻해질 떄까지 일정시간 기다리는 시간이 필요없는 것이 장점입니다. PTC 히터는 디젤차에도 사용되고 있습니다. 가솔린 엔진보다 열효율이 더 좋은 디젤 엔진은 엔진이 정상작동 온도까지 오르는데 걸리는 시간이 길기 때문에 상대적으로 난방효율이 떨어지는 편입니다. 추운 겨울 날 가솔린차보다 디젤차가 히터를 켰을 때 실내가 따뜻해지는 시간이 더 오래 걸리는 이유입니다. 따라서 디젤차의 난방시스템은 프리히터(Pre Heater) 또는 PTC 히터가 적용되고 있습니다.

김아롱 칼럼니스트/[email protected]

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