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기아차가 개발한 전기차 ‘고효율 히트펌프 기술’ 다른 브랜드도 …
히트펌프는 전기차에 불리한 난방 효율을 극복하기 위해 개발된 기술이다. 기존의 내연기관 자동차는 엔진에서 발생하는 많은 열에너지를 실내 난방에 …
Source: www.hyundai.co.kr
Date Published: 6/1/2022
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히트펌프 – 해시넷 위키
히트펌프는 전기차 난방효율을 높이는 기술이다. 모터 등 전장부품 발산열과 냉각과정의 방출열을 활용한다. 전기차의 냉매(차체 내부에서 열 전달 …
Source: wiki.hash.kr
Date Published: 5/11/2021
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‘추위타는’ 전기차…’히트펌프’로 달군다 – munhwa.com – 문화일보
EV6에 적용된 히트 펌프의 작동 원리는 이렇다. 전장 부품에서 발생한 폐열을 활용해 액상의 친환경 냉매를 기체로 기화시킨다. 이어 압축기로 압력을 …
Source: www.munhwa.com
Date Published: 12/25/2021
View: 9207
韓 히트펌프, 테슬라·폭스바겐 전기차 뚫었다 – IT 조선
히트펌프는 전기차 난방효율을 높이는 기술이다. 모터 등 전장부품 발산열과 냉각과정의 방출열을 활용한다. 전기차의 냉매(차체 내부에서 열 전달 역할을 …
Source: it.chosun.com
Date Published: 7/21/2021
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[논문]전기자동차에서의 히트펌프 공조 및 열관리 기술 동향
본 연구에서 적용한 증기압축기 히트펌프 시스템의 냉방 운전 작동원리는? 냉방운전에서는 외부 열교환기와 내부 열교환기는 응축기 역할을 하고 실내 증발기에서 공기를 …
Source: scienceon.kisti.re.kr
Date Published: 1/5/2022
View: 620
“겨울에도 끄떡없죠” 전기차 오너들이 감탄한 기능의 정체는?
열관리 기술인 ‘히트펌프 시스템’은 이와 같은 전기자동차의 태생적인 약점을 극복하기 위해 개발되었다. 간단히 말하자면, 실내 난방에 사용되는 전력을 …
Source: m.post.naver.com
Date Published: 7/29/2022
View: 1126
전기자동차 하이브리드 히트펌프의 성능 특성 및 성능 향상에 …
전기자동차 히트펌프는 공기열원을 이용하여. 실외로부터 열을 흡수하여 실내로 열을 공급하는. 방식으로, 외기온도가 낮아지면 난방용량이 급격. 히 감소하는 단점이 있다 …
Source: www.koreascience.or.kr
Date Published: 8/1/2021
View: 7706
한겨울 전기차 쥐약인데..테슬라 모델3 히트펌프 비밀은 – 카가이
히트펌프 역시 똑같은 과정을 거친다. 다만, 에어컨이 실외기를 통해 열을 배출했다면 히트펌프는 그 열을 히터로 활용한다. 즉, 히트펌프는 냉매가 압축 …
Source: www.carguy.kr
Date Published: 6/29/2022
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주제에 대한 기사 평가 전기차 히트 펌프
- Author: 김한용의 MOCAR
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- Date Published: 최초 공개: 2021. 2. 27.
- Video Url link: https://www.youtube.com/watch?v=cqxtIvGWk2E
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
[논문]전기자동차에서의 히트펌프 공조 및 열관리 기술 동향
전기자동차 난방에 적용하는 PTC 히터의 단점은?
전기소모량이 많으므로 차량의 성능이 더욱 나빠지게 된다 그림 2는 한 예로 전기자동차에서 공조를 위한 전기 사용 시 이에 따라 변화하는 운전 거리의 관계를 나타내고 있다. 그림에서 보는 바와 같이 냉난방 공조를 위한 전기소모는 가능하면 줄여주어야 전기자동차의 성능이 향상되는데 특히 난방에 있어서 현재 적용하고 있는 PTC 히터는 전기소모량이 많으므로 차량의 성능이 더욱 나빠지게 된다. 이에 대해 히트펌프는 공기를 열원으로 하는 매우 효과적인 난방 기술로서 난방열량은 공기로부터 흡수하는 열량과 배터리에서 공급되는 전기에너지를 합한 값이 된다.
한겨울 전기차 쥐약인데..테슬라 모델3 히트펌프 비밀은
테슬라가 지난해 하반기 모델3 리프레쉬 버전을 내놨다. 한국에도 올해 상반기 선보인다. 이전보다 주행거리가 대폭 확대된게 특징이다. 특히 겨울철 주행거리가 이전보다 100km 이상 증가했다. 강추위 속에 주행거리 급감을 경험한 국내 소비자의 관심을 끌고 있다.
테슬라가 밝힌 겨울철 주행거리 증가의 비결은 히트펌프 탑재다. 이를 이해하기 위해선 내연기관 자동차와 전기 자동차의 기본적인 난방 방식의 차이를 알아야 한다.
내연기관 자동차 난방은 엔진 열을 통해 뜨거워진 냉각수를 통해 공기를 따뜻하게 만드는 방식이다. 냉각수에 엔진 열이 보존돼 정차 중에도 지속적인 난방을 할 수 있다. 반면, 전기자동차는 엔진이 없다. 전기히터 같은 난방시스템을 추가로 장착하여 동작시켜야 한다. 또한 엔진 열을 품고 있는 냉각수도 없어 정차 중에도 전기에너지를 사용해 따뜻한 공기를 주입해야 한다. 전기자동차에 추가되는 난방시스템은 전기에너지를 사용하기 때문에 주행거리 및 연료 효율과 밀접한 관계가 있다. 인위적으로 열을 발생시키는데 많은 전력이 소모된다. 따라서 난방이 필요한 겨울철에 배터리나 인버터, 모터 등에서 발생한 폐열을 효율적으로 활용하는 것이 전기자동차의 주행거리 향상에 핵심이다.
전기자동차 난방시스템은 크게 ‘PTC히터’와 ‘히트펌프’ 두 가지다. 먼저 기존 테슬라가 사용하던게 PTC 히터다. PTC 히터 (Positive Temperature Coefficient Heater)는 세라믹질의 반도체 소재인 PTC 소자를 이용한 난방 방식이다. 차량 온도가 낮으면 저항이 줄어든다. 이 때 소자에 흐르는 전류가 많아져 열이 발생하면 이를 이용해 난방을 한다. 일정 온도 이상이 되면 저항이 커지면서 전류가 줄어들고 발열량도 감소한다. 즉, PTC는 자동차 냉각수의 온도가 일정 수준까지 도달하기 전에 전기 발열을 통해 난방을 작동하는 시스템이다. 일반적으로 열효율이 떨어지는 가솔린 차량은 냉각수 온도가 빨리 올라가기 때문에 PTC히터를 장착하지 않는다. 디젤 차량은 엔진 온도가 비교적 늦게 올라와 일반적으로 보조난방장치인 PTC히터를 장착한 경우가 꽤 있다.
전기차는 열을 발생시키는 엔진이 없어 PTC히터를 보조난방이 아닌 주난방 장치로 사용한다. PTC 히터는 수명이 길고 공기 중의 산소와 반응하지 않는다. 대기 오염의 원인이 되는 이산화탄소를 발생시키지 않는다는 장점도 있다.
실외온도가 영하인 상태에서 전기차의 히터를 작동하면 배터리의 최대 40%가 난방에 사용된다. 겨울철 히터를 켜면 주행 거리가 최대 40% 정도 줄어든다는 의미로 해석할 수 있다. 실제, 서울시 전기택시 기사들은 동절기 1회충전시 주행가능거리가 최대 주행거리 135km의 약 60%에 해당하는 80km에 불과하다고 밝힌 바 있다. 일반적으로 겨울철 히터 사용은 여름철 에어컨보다 전기를 더 많이 소모한다. 히터를 틀었을 때 소모 전력이 에어컨을 틀었을 때 보다 3배가량 더 많은 것으로 알려져 있다.
PTC 히터의 단점인 낮은 효율을 보완하기 위해 나온 게 히트펌프다. 히트펌프는 전기차에 불리한 난방 효율을 극복하기 위해 개발됐다. 기본적으로 기체 상태의 냉매가 액체로 변하는 과정에서 발생하는 열을 난방에 사용한다. 열 효율성을 높인 점이 특징이다.
히트펌프는 2012년 닛산 리프에 최초로 탑재됐다. 당시는 외부 공기의 열원만 활용했다. 기아차는 2014년 쏘울 EV(1세대)에 적용했다. 공기 열원뿐만 아니라, 전기모터 및 인버터에서 발생하는 폐열원을 추가로 활용한 복합 열원 히트펌프 시스템이다. 이후 현대기아차는 배터리에서 발생하는 폐열과 충전 시 발생하는 열을 추가로 활용하는 고효율 히트펌프 시스템을 개발해 현대차 코나 일렉트릭에 적용했다.
압축기에서 고온·고압으로 압축한 냉매를 기화시킨 다음 응축기로 보내 높은 온도의 열을 방출하는 과정
히트펌프 기술은 에어컨의 원리와 비슷하다. 냉매는 압축과 응축 과정을 거쳐 온도가 높아지거나, 팽창하고 증발하는 과정에서 온도가 낮아진다. 에어컨은 바로 이런 원리를 이용해 냉방을 한다. 차가워진 냉매를 활용해 실내에 시원한 바람을 제공하고, 뜨거워진 냉매는 실외기로 배출한다. 히트펌프 역시 똑같은 과정을 거친다. 다만, 에어컨이 실외기를 통해 열을 배출했다면 히트펌프는 그 열을 히터로 활용한다. 즉, 히트펌프는 냉매가 압축, 응축, 팽창, 증발하며 순환하는 과정에서 발생하는 고온과 저온을 각각 활용해 히터와 에어컨을 동시에 구동하는 냉난 방기술이다.
기존 히트펌프 시스템은 외부 공기에 의존했다. 압축과 응축 과정을 거친 냉매만으론 충분히 따뜻한 바람을 얻기 힘들다. 특히 기온이 떨어지는 겨울철에 히트펌프는 단점이 부각됐다. 테슬라는 기존 단점을 해결하기 위해 묘수를 내놨다. 모델3 리프레쉬에 장착된 히트펌프는 외부 공기뿐만 아니라 전장 부품, 배터리의 폐열을 난방에 활용한다. 전기모터, 온보드차저, 인버터, 통합전력제어장치 등에서 발생하는 열을 추가로 회수해 난방에 활용한다. 결과적으로 히트펌프 효율을 높이고, 배터리도 식힐 수 있어 일석이조다.
출처 : https://tech.hyundaimotorgroup.com/kr/article
기존 전기를 이용한 히터(PTC 히터)는 열효율이 0.9~0.95로 1보다 낮다. 필요한 열량보다 많은 전기 에너지를 소모한다. 상대적으로 히트펌프 시스템은 열효율을 의미하는 성적계수(COP)가 1.5~4를 유지한다. 1보다 크므로 동일 난방 성능을 얻기 위해 전기히터를 사용하는 시스템 보다 에너지 효율을 30~60%까지 줄일 수 있다. 결론적으로 1회 충전 주행거리를 약 21% 증대시킬 수 있다.
출처 : https://tech.hyundaimotorgroup.com/kr/article
테슬라 모델3 구모델과 비교해 신모델에 달린 히트펌프가 얼마나 큰 차이를 내는지 확인하기 위해 비교 실험한 결과가 재밌다. 히트펌프 있는 최신 모델이 히터를 켰을 때 두 배 정도 배터리 효율 차이가 있다는 것.
전기차 난방시스템은 앞으로 더욱 고도화 될 것으로 예상된다. 핵심인 주행거리가 걸려 있어서다. 새로운 열원을 활용할 뿐 아니라 냉매 순환 과정을 늘려 응축 성능을 높일 것으로 전망된다. 앞으로 나올 한층 진보한 히트펌프 기술은 겨울철 배터리 소모 전력을 줄여 전기차 주행거리 향상에 크게 기여할 수 있을 것으로 보인다.
이주효 에디터 [email protected]
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