기존 내연기관 자동차와 달리 전기자동차의 경우 고전압 배터리가 가장 큰 열부하로서 열관리의 대상이 되었다. 또한 전기자동차에 가장 많이 사용되고 있는 리튬배터리의 경우 최적 운전 온도 조건이 20~40℃로서 대부분의 기후 조건에서 냉각과 가열이 모두 필요한 상황이다. 승객을 위한 공조장치도 전기자동차의 경우 폐열이 극히 부족하다는 점에서 내연기관 자동차와 상황이 매우 다르다. 따라서 전기자동차의 공조시스템과 배터리열관리 시스템 모두를 위해서 힛펌프가 사용되고 있고, 공조시스템과 배터리열관리 두 가지 목표를 효율적으로 달성하기 위해 다양한 연구가 진행되고 있다. 

전기자동차에서 배터리 열관리 시스템과 캐빈의 승객을 위한 공조시스템은 통합되어 있다. 힛펌프의 냉매가 캐빈과 배터리 모두를 냉각하기도하고 가열하기도 한다. 필요하면 배터리나 모터의 폐열을 캐빈 가열에 사용하기도 한다. 게다가 전기자동차에서 사용하는 전체 에너지 중 열관리 시스템이 사용하는 에너지가 큰 비중을 차지하기 때문에, 일충전 주행거리가 저온에서는 50%, 고온에서는 30%이상 감소하기도 한다. 따라서 전기자동차 열관리 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

전기자동차의 열관리 시스템은 위에 언급한 바와 같이, 다양한 고전압 전기전자 장치, 공조 시스템, 동력 시스템 등으로 구성되어 있고, 다양한 열관리 조건을 가지고 있다. 또한 배터리열관리시스템의 경우 배터리의 열폭주로부터 안전을 보장해야하고 배터리 수명에 밀접한 관련성을 가지고 있다. 

공조 시스템의 경우 차량 운전자의 쾌적성을 유지시켜줘야 하기 때문에 차량의 상품성에 직접 관계되어 있다. 이러한 복잡성과 중요성으로 인해 부품단위의 개발도 중요하지만 시스템 단위에서의 분석 및 최적화가 매우 중요한 상황이다. 통합 열관리 시스템의 시스템 레벨에서의 디자인 개발 및 제어시스템 개발을 위해서 1-D 시뮬레이션 툴이 많이 사용되고 있다. 통합 열관리 시스템 모델은 <그림 3>에 나타난 바와 같이 차량 모델, 열관리 시스템 모델, 공조시스템 모델, 배터리​ 모델, 캐빈 모델, 제어시스템 모델 등을 포함한다. 이러한 통합 열관리 시스템 모델에 많이 사용되는 1-D 시뮬레이션 툴로는 MATLAB SIMULINK, GT-Suite, AMESIM, AVL Cruise 등이 있다. 그리고 이런 툴을 이용해 시스템 디자인, 최적화, 제어로 직개발 등 다양한 연구가 활발이 진행되고 있다.

전기자동차 통합 열관리 시스템 모델을 활용한 전기차 연구 분야 적용 예

●통합 열관리 시스템 모델을 이용한 열관리 시스템 디자인 비교

전기자동차의 열관리 시스템은 전비, 배터리 수명/안전에 직접적으로 영향을 주기 때문에 내연기관 자동차의 열관리 시스템에 비해 중요도가 높게 평가되고 있다. 그러나 아직 확립된 시스템이 존재하지 않기 때문에 통합 모델을 이용한 시스템 개발이 활발히 이루어지고 있다. 전기차 열관리 시스템 냉각 회로 구성은 다양한 냉각/히팅 요건을 가지는 부품들 때문에 복잡해지고 있다. 따라서 1-D 시뮬레이션을 이용한 디자인 개발이 활발히 이루어지고 있다. <그림 4>는 Matlab Simulink를 이용해 두 가지 냉각 회로가 전비에 미치는 영향을 비교 분석한 연구 결과이다.

●통합 열관리 시스템 모델을 이용한 부품 사이징

전기자동차의 열관리 시스템은 다양한 부품이 사용되는 시스템이다. 특히 냉각/가열 두 조건을 모두 만족하면서 전비에 미치는 영향을 최소화 해야하기 때문에 각 부품의 최적디자인이 중요하고 이는 시스템에서 확인해야 한다. <그림 5>는 Secondary Loop Heat Pump System에서 사용되는 4개의 열교환기의 용량 최적화 결과이다. 열관리 통합 모델은 GT-Suite를 사용해 모델링하였고 각 열교환기의 사이즈를 증가, 감소시키며 최적 사이즈를 결정하였다. 각 부품이 다른 모든 시스템에 영향을 주기 때문에 시스템모델을 통한 검증이 필수적이다.

●통합 열관리 시스템모델을 이용한 운전조건 매핑

열관리 시스템은 다양한 운전 조건에서의 검증이 필요하다. 하지만 실험을 통한 검증은 시간과 비용이 많이 들기 때문에 통합 모델을 통한 가상 실험을 이용해 실험 케이스의​ 최소화가 필요하다. 따라서 개발중인 열관리 시스템의 통합 모델을 이용하여 운전모드 매핑에 활용이 가능하다.

●통합 열관리 시스템 모델을 이용한 제어로직 최적화 및 검증

전기자동차의 열관리 시스템이 점차 복잡해지면서 이를 효과적으로 운영하기 위한 제어기술 개발의 필요성이 증가되고 있다. 전기자동차의 열시스템은 열용량이 커서 열 응답속도가 느리다. 따라서 열부하를 예측하고 이에 대하여 미리 대응하는 제어기술이 필요하며 특히 차량의 열관리 제어는 입력과 출력이 여러 개여서 조화롭게 제어함이 중요하다. 특히 시스템의 제어 최적화를 위해서는 다양한 입력조건에서도 시스템 거동을 예측할 수 있는 시스템 분석 기술 필요하고 이를 위해 통합 열관리 시스템 모델개발은 필수적이다. <그림 7>은 통합 열관리 시스템 모델을 이용한 제어로직 최적화 과정을 나타낸 개략도이다.​

​본 고에서는 전기자동차의 통합 열관리 시스템 모델을 전기자동차 개발에 활용 방안과 활용 예를 제시하였다. 여기서 제시된 활용 예 외에도 무궁 무진한 활용 방안이 있다는 것은 누구나 짐작하고도 남음이 있다. 전기동력 자동차로 빠르게 변화하고 있는 자동차 시장에서 기술 경쟁력을 확보하기 위해서는 개발기간 단축이 시급하다. 이러한 상황에서 통합 모델을 활용한 개발기간단축은 전기자동차 개발에 있어서 필수불가결한 프로세스라 할 수 있다​​.

글 / 박성진 (홍익대학교)

출처 / 오토저널 2023년 4월호