“전기차 열관리, 히트펌프·친환경·다방향 밸브·모듈화”

공조시스템 열관리, 히트펌프·친환경 냉매 주목
전기차 통합열관리, 다방향 밸브·모듈화 적용 必
 

▲이무연 동아대학교 교수가 발표하고 있다.
 

이무연 동아대학교 교수는 11일 산업교육연구소에서 개최한 ‘미래 전기차 통합 열관리 요소별 기술개발 전략과 효율 극대화 방안 세미나’에서 전기차 공조시스템에서의 히트펌프의 효과와 환경 규제에 대응할 수 있는 냉매에 대한 정보와 함께 통합열관리의 동향과 전망에 관해 설명했다.

■ 공조시스템 열관리

전기차 공조시스템 열관리에 있어 주목받고 있는 기술은 히트펌프 시스템이다.

히트펌프 시스템은 냉매의 고온부와 실내 공기의 열교환을 통해 열쾌적성을 확보하는 기술로, 여름에는 냉동장치로 작동시켜 열을 흡수해 냉난방 겸용기기로도 활용할 수 있다.

2020년 3월 노르웨이자동차연맹의 실험에 따르면 배터리 용량 75kWh, 일상주행거리 560km로 알려진 Tesla의 Model 3는 외부 온도 영하 2℃에서 주행했을 때 404km로, 알려진 것보다 27.9% 짧은 주행거리를 기록했다.

이는 겨울철 리튬이온 배터리의 내부 저항 증가의 영향도 있으나 공조시스템으로 인한 영향도 빼놓을 수 없다.

공조시스템으로 인한 주행거리 감소를 최소화하기 위해 히트펌프 시스템이 도입되고 있으며, 이를 탑재한 현대의 코나는 위와 동일한 실험에서 주행거리가 9.8%밖에 감소하지 않아 히트펌프의 효과를 확인할 수 있었다.

전기차 공조시스템의 냉매에 대한 관심도 뜨겁다.

이산화탄소를 이용한 천연 냉매가스인 R744는 우수한 열역학적 특성을 가져 히트펌프 시스템에 적용했을 때 영하 20℃에도 이용 가능하다.

한온시스템의 R744를 이용한 히트펌프를 사용하는 폭스바겐은 외기 온도 0℃ 이하에서 소비전력을 40%까지 줄일 수 있다고 공식홈페이지에 게재했으며, 독일 Konvekta는 전기버스용 R744 모바일 히트펌프를 사용했을 때 약 27%의 에너지를 절약하거나 주행거리를 27% 늘렸다고 발표했다.

이무연 교수는 “미래 전기차 공조시스템은 친환경 냉매를 이용한 히트펌프와 더불어 탑승자의 열적 쾌적성을 관리하기 위한 AI 기술이 접목될 것”이라며 “인체의 온열 모니터링을 통해 최적의 쾌적성을 제공할 수 있는 예측 및 제어시스템이 적용될 것으로 보인다”고 전했다.

■ 통합열관리 미래 기술

통합열관리 기술은 전기차의 배터리, 모터 등 전장부품과 승차공간의 최적온도를 만족시킴과 동시에 냉난방에 들어가는 에너지를 최소화해 주행거리를 향상시키는 데 매우 중요하다.

이무연 교수는 “Hella, Denso, 테슬라, 현대위아 등 기업들의 통합열관리 기술 개발에 열을 올리고 있다”며 “시스템 구조 최적화, 제어 알고리즘 개선 등의 어려움을 극복하려 노력하는 중"이라며 기업들의 통합열관리 기술에 대해 소개했다. 

Hella는 7-way valve를 통한 중앙집중형 열관리 모듈로 밸브, 액추에이터, 분배 시스템, 센서 등을 하나의 제품에 결합했다.

7-way valve는 배터리, 구성 요소, 차량 내부 등을 이상적인 온도로 유지하며, 효율적인 열회수를 가능하도록 열에너지를 분배시켜 개별 구성 요소의 구조와 수를 개선했다.

Denso는 OPTEMUS(Optimized Energy Management and Use) 프로젝트를 통해 중앙집중형 열관리 모듈을 선보였으며 주행거리를 14% 향상시킬 수 있다고 전했다.

R290(프로판) 냉매를 사용하는 Desno는 모듈화를 통해 냉매 사용량을 최소화하며 냉각수를 제어 밸브에 적용해 가격 경쟁력을 확보했다는 특징이 있다. 

테슬라는 8개의 밸브를 특징으로 하는 Octo Valve를 택했으며 에어컨 및 히트펌프, 전동화 부품 냉각회로와 배터리 Pre-Heating 회로를 통합했다.

Octo Valve는 3개의 쿨링 모드와 12개의 히팅 모드로 구성된다.

쿨링 모드는 슈퍼차징 시 배터리 냉각에 주요한 영향을 끼치며, 히팅 모드는 열쾌적성과 전장 장비 효율에 특화되어 있다.

Octo Valve는 또한 매니폴드를 통해 불필요한 호스와 파이프를 제거해 사이즈에서 장점을 가진다는 특징이 있다.

현대위아는 부품 수를 줄이고 전장부품과 배터리의 열관리 최적화를 위해 통합 열관리 모듈화가 필요하다는 판단 하에 전체적인 차량 열관리를 통합하는 시스템을 제안했다. 

현대위아의 통합열관리 모듈은 필요에 따라 5-way valve 또는 6-way를 사용하며 폐열을 통해 실내를 난방하는 경우 전장부품과 배터리 냉각수 간에 혼입이 발생하지 않도록 조절한다.

또한 멀티웨이 밸브를 통해 전장부품 폐열 회수 및 배터리 냉각용 열교환기 기능을 수행하며, 하나의 라인을 통해 배터리 온도를 승온, 냉각 가능하다는 특징이 있다.

이무연 동아대학교 교수는 “위 기업들처럼 모듈화된 지능형 열관리 시스템, 다방향 밸브를 통한 효율성으로 열관리 요구 사항을 만족시켜야 한다”고 전하며 센서와 AI를 이용한 전기차용 스마트 멀티 밸브 기술 개발이 활발하게 일어날 것”이라고 전했다.