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 전기구동 자동차용 히트펌프 시스템 개발 동향


1. 서론
화석연료의 유한성과 지구온난화의 영향으로 순수 전기에너지만으로 구동하는 전기자동차를 개발하기 위한 노력들이 경주되고 있지만, 높은 가격과 충전인프라의 구축, 짧은 주행거리 등 몇 가지 해결해야 할 문제점들이 있다. 그 중에서도 특히 가장 큰 애로사항은 1회 충전 주행거리가 내연기관 차량에 비해서 짧다는 것이다. 현재 상용화된 소형 전기자동차는 대부분이 1회 충전 후, 주행거리가 약 130~160km 내외로 도심 내에서만 운행이 가능한 수준이다. 특히 에어컨이나, 난방을 위하여 히터를 가동한 경우 차량으로써의 기능을 수행하기에 어려울 정도로 주행거리는 현격히 감소한다.

글 / 박창호, 지용준, 이대웅 (한라공조)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2011년 12월호

이러한 현상은 여름철보다는 겨울철에 더욱 심각하며, 내연기관에서는 엔진에서 버려지는
폐열을 난방열원으로 사용하여 별도의 에너지 투입 없이도 난방이 가능하였지만, 열원이 부족한 전기자동차에서는 난방에 별도의 전기에너지를 투입하여야 하며, PTC(Positive Temperature Coefficient)소자를 이용한 전기히터를 사용할 경우 대략 30~50% 정도의 주행거리의 감소로 이어져 전기자동차의 보급에 큰 문제점으로 지적되고 있다<그림 1>.

따라서 난방 시 소요되는 동력을 저감하여 주행거리를 증가시키기 위한 기술들이 여러 자동차 메이커들의 공통 관심사이며, 차실내를 쾌적하게 유지하면서 소모되는 동력을 줄여 주행거리를 개선하기 위한 기술개발이 진행되고 있다.

본 고에서는 전기구동 자동차에서 난방을 제공하기 위한 기술로 히트펌프 시스템(Heat Pump System)에 대하여 소개하고자 한다. 히트펌프 시스템은 에어컨으로 사용되는 증기 압축식 냉동 사이클에서 냉매의 순환 경로를 변경하여 실내열교환기에서 열을 방출하여 난방을 하는 시스템으로 기존의 에어컨 사이클에서 단순히 냉매만 전환함으로써 냉방과 난방을 할 수 있다는 장점이 있다.

현재 여러 나라에서 개발되고 있는 전기자동차의 난방시스템을 살펴보면, 초기에는 전기식 히터를 사용하여 난방을 하는 경우가 대부분이었으나, 앞서 언급한 바와 같이 난방을 위하여 전기히터를 작동 시 주행거리의 감소에 따라 점차로 히트펌프 시스템을 검토하고 있는 추세이며, 여기서는 각 회사들의 히트펌프 시스템에 대한 주요 개발동향에 대하여 살펴보고자 한다<그림 2>.


2. 차량용 히트펌프 시스템
히트펌프 시스템은 난방으로 운전시 실외열교환기에서 공기 중의 열을 회수하여 냉매를 증발시키고, 압축기에서 압축된 냉매를 실내열교환기로 이송시켜 실내를 난방하므로, 에너지의 흐름에서 전기히터를 사용하는 난방 장치보다 효율이 높고 환경문제가 발생하지 않아 고효율 친환경 시스템으로 분류되고 있다<그림 3>.


2.1 CO2용 히트펌프 시스템
CO2 히트펌프 시스템을 차량에 적용하기 위한 시도들은 오래전부터 지속되어 왔다. 자동차용 에어컨 시스템에서 환경규제에 대한 대응의 일환으로 대체냉매의 사용이 검토되면서, 친환경 냉매의 하나인 CO2(R-744)냉매를 이용한 히트펌프 시스템의 연구가 유럽, 특히 VDA(독일자동차공업협회)와 노르웨이 SINTEF 연구소를 중심으로 2000년대 초반까지 활발히 연구되었다. CO2는 임계온도가 낮고 고압측에서는 가스 상태로 응축하지 않기 때문에 기액분리기(Accumulator)의 설치 및 고압측 냉매와 저압측 냉매를 열 교환하는 내부 열교환기의 추가 등으로 다소 시스템은 복잡하지만 수소연료전지 자동차와 같은 친환경 차에 적용하기 위하여 연구가 진행되어 왔다.

먼저 도요타(Toyota)는 덴소(Denso)의 전자제어식 압축기와 내부열교환기와 팽창밸브를 수액기와 일체화하여 개발한 CO2 히트펌프 시스템을 FCHV-4(Fuel Cell Hybrid Vehicle-4) 컨셉카에 적용하였다. 닛산(Nissan)은 칼소닉 칸세이(Calsonic-Kansei)에서 개발한 전동식 에어컨 및 난방 히트펌프 시스템을 X-Trail 연료전지 자동차에 적용하여 부족한 난방열원을 CO2의 우수한 히트펌프 시스템으로 해결하였다.

유럽에서는 VDA를 중심으로 비스테온(Visteon)에서 CO2 히트펌프 시스템에 대하여 많은 연구가 이루어졌다. 열교환기 및 구성부품들의 고압설계, 배관류의 연결부 리크, 냉매충전 등의 인프라에 대하여도 많은연구가 수행되었으나, 현재는 대체냉매가 CO2가 아닌 다른 냉매로 지정이 되면서 다소 주춤하고 있는 모습이다<그림 4>.

2.2 R134a용 히트펌프 시스템
R134a 냉매를 사용하는 히트펌프 시스템의 개발동향을 살펴보면, 덴소에서는 전기자동차 난방장치로 전동식 압축기와 전자팽창변을 사용하여 외기온도에 따라 난방과 제습 모드로 각각 운전이 되며, 차실내 공조장치의 공기유동을 상부와 하부로 나누어 상부는 창문습기를 제거하는데 사용하고, 하부유동은 실내를 난방하는데 사용하는 구성으로 쾌적성과 에너지 소모저감을 동시에 만족시키기 위한 연구가 진행 중이다.

발레오(Valeo)에서는 전기자동차용 히트펌프 시스템으로, 영하의 외기온도에서 실외열교환기의 착상문제와 효율 향상을 위하여 히트펌프 시스템에 냉매와 냉각수가 열 교환 하는 별도의 열교환기를 설치하고 차량의 구동모터와 배터리에서 발생하는 폐열을 회수하는 방식의 히트펌프 시스템이 연구되고 있다. 또한 각종 부품들을 단순화하기 위한 노력들도 진행 중에 있다.

델파이(Delphi)는 R152a 냉매와 R134a 냉매를 이용한 히트펌프 시스템으로 -18℃의 외기온도에서 최대약 8.8kW의 난방성능이 가능하다는 것을 확인하였으며, 냉각수를 이용하여 난방을 하는 경우보다 히트펌프로 난방운전을 할 경우, 실내온도가 32℃에 도달하는 시간이 약 53~54%정도 단축되어 쾌적성 측면에서 우수하다고 발표하였다.

칼소닉 칸세이에서는 영하의 외기조건에서 실외열교환기의 착상방지와 난방성능을 확보하기 위하여 히트펌프 시스템을 2-모드로 구성하여 0℃의 외기에서 전기히터 대비 70%의 소모동력 저감이 가능하다고 하였다. 내기순환식 모드는 소모동력을 저감하기 위한 모드로 운전되며, 영하의 날씨에서는 제습과 실외열교환기의 착상을 방지하기 위한 외기도입식 모드로 운전하는 방식의 히트펌프 시스템이 연구되고 있다.

그밖에 비스테온에서는 디젤엔진을 사용하는 차량에서 시동 초기와 공회전 시 난방 성능의 부족을 채우기 위한 대안으로 히트펌프 시스템을 검토하였다. 엔진의 냉각수로부터 열을 회수하는 방식의 히트펌프 시스템으로 외기온도 -18℃, 50km/h 주행조건에서 난방 성능은 약 6~6.5kW로 엔진냉각수를 사용하여 만족하지 못한 난방 성능 목표를 무난히 달성하였다. 또한 제습을 위한 재순환(Dual-loop) 히트펌프 시스템과 4방 밸브 대신에 3방 밸브의 사용 등 히트펌프 시스템의 사이클 단순화에 대한 연구들이 수행되었다.

앞서 언급한 바와 같이 전기자동차의 난방장치로 전기히터 대신 히트펌프 시스템을 적용하려는 차들이 늘어나고 있다. 도요타에서 개발하고 있는 컨셉 전기차인 IQ와 RAV-4에는 이미 히트펌프 시스템이 적용되어 각종 전시회 등에 등장하고 있으며, Audi e-Tron에도 히트펌프 시스템이 적용될 예정이다. 그밖에 포드자동차의 포커스(Focus) EV, 클라이슬러의 피아트(Fiat) 500EV 등에도 히트펌프 시스템이 검토되고 있는 것으로 알려져 있다<그림 5, 6>.


3. 극복 과제
히트펌프 시스템하면 일반적으로 공기열원식 히트펌프 시스템을 연상하게 되며, 이러한 공기열원 식 히트펌프 시스템은 몇 가지 운전상의 제약조건을 가진다. 먼저 난방요구부하와 난방능력의 부조화이다. 외기온도가 낮은 경우에는 요구되는 난방부하는 높은데, 히트펌프의 난방능력은 부족하다는 것이다. 반대로 난방부하가 높지 않을 시에는 오히려 난방능력이 넘치게 되는 것이다. 그래서 영하의 날씨에서 어떻게 히트펌프의 난방성능을 향상할 수 있을까 하는 저온 운전성 향상기술이 필요하며, 또 하나는 영하의 날씨에서 실외열교환기의 응축수빙결로 인한 착상이 문제이다. 따라서 착상방지 및 제상 기술이 히트펌프 시스템에서는 중요하다.


3.1 제상/착상 지연 기술
히트펌프 시스템에서 외기온도가 -5~0℃ 정도가 되면, 운전 중에 실외열교환기 표면에 발생하는 응축수로 인하여 착상이 발생하여 열전달 효율이 급격하게 저하되는 문제점이 발생한다. 즉, 겨울철에 히트펌프 시스템을 운전하면, 실외열교환기로 습공기가 통과할 때 결빙에 의한 착상이 발생하게 되고, 이는 열전달 감소로 이어지며, 압력손실 유발과 궁극적으로는 난방 성능이 감소되므로 제상 운전이 필요하게 되는 것이다.

제상 및 착상 지연기술로는 난방으로 운전 중인 사이클을 역사이클로 운전하여 실외열교환기의 성애를 제거해 주는 역사이클 제상방식, 압축기의 토출가스 일부를 실외열교환기로 바이패스(By-pass)하거나, 실외열교환기의 코일에 부착된 전기히터를 가동하는 방식들이 주로 사용된다. 이외에도 여러 가지가 있을 수 있겠지만, 대표적인 것들만 <표 1>에 정리하였다.

연속난방(Non-stop Heating)을 위한 히트펌프 시스템 사이클 개선에 관한 연구들이 활발하게 진행되고 있다. 무착상 운전 또는 연속난방 운전을 위한 기술로는 전기히터로 냉매를 가열하여 실외열교환기의 제상을 수행하고, 제상운전 시 난방운전 정지를 최소화하는 기술로, 이 기술은 제상을 위한 운전구간이 필요 없기 때문에 난방능력은 다소 상승하지만, 사이클 내에서 냉매를 가열하기 때문에 시스템의 성능계수(COP : Coefficient of Performance)는 감소한다. 하지만 착상방지와 함께 난방을 연속적으로 수행할 수 있는 장점이 있어 가장 현실적인 대안 기술로 평가되고 있다.

그밖에 실외열교환기의 핀(Fin)의 형상설계나, 표면처리 기술로 착상이 발생하지 않게 하거나, 착상을 지연하고자하는 시도들도 있다. 증발 조건에서는 배수성이 좋도록 핀을 설계하고, 반대로 착상 조건에서는 발수 코팅을 이용하여 서리의 성장을 방지할 수 있도록 표면처리를 하는 등 착상 지연핀, 초발수성 도료의 개발로 에어컨과 난방성능을 만족하면서, 착상 지연 효과 또는 제상 운전율을 극대화하고자 하는 기술들이 연
구되고 있다.

3.2 저온 운전성 향상 및 제어
히트펌프 시스템에서 외기온도가 낮아지면, 냉매의 증발압력이 낮고, 비체적이 증가하여 순환 냉매유량이 급격히 감소하여 난방성능이 급격히 저하된다. 해결방안으로는 먼저 열원의 변경이 검토되고 있다. 수열원 방식 히트펌프 시스템을 구성하여 전기자동차의 구동모터나, 각종 전력변환기와 충전기 등에서 발생하는 폐열을 히트펌프 시스템의 난방열원으로 이용하는 방식들도 최근에는 연구 되고 있으며, 그밖에 공기열원과 수열원방식을 동시에 구성하여 외기조건별로 각각의 열원을 회수하는 히트펌프 시스템도 많이 연구되고 있다. 이들 기술들은 외기온도, 냉각수 온도 등을 고려하여 에너지 효율이 최대가 되도록 히트펌프 시스템의 운전전략과 함께 검토가 되어야 한다.

또 다른 시도로는 앞서 설명한 연속난방에 사용한 작은 용량의 전기히터를 이용하여 냉매를 가열하여 강제로 포화증기가 되도록 하는 구성으로 난방운전 초기에 잠깐 이용을 하고, 이후에는 정상적인 히트펌프로난방을 운전하는 방식이다. 또는 별도의 작은 용량의 전기히터를 구비하고, 외기온도가 아주 낮은 조건에서는 전기히터에 난방을 의존하고, 이후에는 히트펌프 난방을 구성하기도 한다.

이와 같은 복합 난방운전보다는 히트펌프에서 저온운전성을 향상하기 위한 기술들도 연구 중이다. 2단 압축가스 인젝션(Gas Injection) 히트펌프 시스템은 -20℃와 같은 외기조건에서도 난방 성능을 확보할 수 있는 기술로 잘 알려져 있다. 일반적으로 히트펌프를 저온에서 운전하면, 낮은 증발압력으로 인하여 압축비가 상승하고, 토출가스온도의 상승으로 시스템의 운전신뢰성 저하와 냉매 유량 및 증발기 엔탈피차 감소로 난방성능이 감소하게 되나, 2단 압축가스 인젝션(Gas Injection) 히트펌프 시스템은 압축기의 토출 온도 감소, 소요 동력의 감소, 난방성능 향상 및 히트펌프 시스템의 성능계수를 향상시킬 수 있는 기술이다. 원리는 실내열교환기에서 방열을 한 냉매를 1차로 팽창하여 수액기에서 기체냉매와 액체냉매로 분리하고, 기체냉매는 압축기로 유입되어 압축 일을 수행하는 한편, 액체냉매는 2차로 팽창되어 실외열교환기로 유입된다. 다소 구성이 복잡하고, 부품수도 증가되지만 히트펌프 시스템의 단점을 극복할 수 있는 기술로 검토가 되고 있다<그림 7>.

히트펌프 시스템에서 또 하나의 중요한 기술은 제어전략이다. 외기에 따라 냉방과 난방 그리고 제습운전이 어떻게 전환되고 어떠한 제어를 할 것인가가 쾌적성과 안전성, 에너지 절약 측면에서 중요하기 때문이다.

일반적으로 히트펌프 시스템은 난방용량 및 난방부하가 외기온도의 변화에 따라 서로 상반된 경향을 보이고 있기 때문에 외기온도 변화에 따른 제어 전략이 수립되어야 할 것이다. 여기에 부가하여 내연기관의 공조시스템에서 사용하는 FATC(Full Auto Temperature Control)제어 기술을 기반으로, 에너지 소모를 최소화 하는 운전 제어가 필요하다. 낮은 외기온에서는 부족한 난방용량을 보충하기 위한 운전전략과 높은 외기온에서는 잉여의 난방용량을 제어할 수 있어야 한다. 또한 에어컨과 난방운전의 전환, 제습운전 시 각 운전모드에서 요구되는 냉방 또는 난방부하와 목표토출온도, 현재 운전되고 있는 공조시스템의 상태에 따라 적절한 밸브의 전환과 전자제어식 압축기이 회전수, 전자팽창밸브를 제어하는 운전전략의 개발이 중요하다.

4. 향후 전망
지금까지 전기구동 자동차의 난방기술로 히트펌프 시스템에 대하여 살펴보았다.
지금은 전기자동차의 시장이 초기 형성단계에 있지만, 연비규제와 환경에 대한 압박으로 사회적인 요구는 점차로 전기구동 자동차로 옮겨갈 것이다. 전기자동차에서 전기히터로 난방을 한다는 것은 에너지 효율차원에서 비효율적이며, 주행거리 단축의 주요한 원인으로 지적되고 있다는 것은 이미 잘 알려진 사실이다.

이러한 관점에서 본다면, 히트펌프 시스템 기술은, 해결해야 할 문제점들이 많음에도 불구하고 에너지 효율측면에서 전기구동 자동차에 반드시 필요한 기술임은 분명하다.
이외에도 히트펌프 시스템의 부품 기술, 고효율화 기술, 열부하의 저감기술 등 많은 기술 개발과 연구가 지속적이고 체계적으로 수행되어 쾌적성과 에너지 고효율화 모두 실현할 수 있는 경쟁력 있는 히트펌프 시스템의 개발로 국내 자동차산업과 부품산업이 세계시장에서의 경쟁우위로 우뚝 설 날을 기대해 본다.


 
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