전기 자동차는 냉방 시스템의 경우는 내연기관 자동차와 동일한 시스템을 가지고 갈 수 있지만 난방 시스템의 경우 내연기관과는 달리 엔진의 열원을 이용할 수 없기 때문에 난방을 위한 충분한 열원이 부족합니다. 따라서 PTC (Positive Temperature Coefficient) 히터를 보조적으로 사용하고 있지만 전기 소모가 크기 때문에 겨울철 주행거리가 난방을 할 경우 30~ 50%까지 감소할 수 있다고 보고 되고 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 현재 전기자동차의 냉난방 시스템에 히트펌프 시스템이 적극적으로 활용되고 있습니다. 전기차 주행거리 증가를 위한 방법 중 고효율 히트 펌프 시스템이 적용되고 있다는 내용을 지난 글에서 다루었는데요 이번에는 히트 펌프 시스템의 원리와 구조 그리고 장점에 대해 좀 더 구체적으로 얘기해 보겠습니다.
2022.11.10 - [전기차(EV)] - 2022 전기차 주행거리, 연비 비교
2022 전기차 주행거리, 연비 비교
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자동차 냉방 시스템
전기차의 히트 펌프 시스템을 이야기하기 전에 일반적인 자동차의 냉방 시스템을 먼저 이해하는 것이 도움을 줄 것이라고 봅니다. 전기차의 냉방 시스템은 내연기관의 냉방 시스템과 동일하고 히트 펌프 시스템은 아주 단순하게 말하자면 이러한 냉방 시스템을 거꾸로 돌리는 것으로 묘사할 수 있기 때문입니다.
일반적인 자동차 공조 시스템은 응축기(Condenser), 압축기 (Compressor), 증발기(Evaporator), 팽창밸브(Expansion Valve)로 이루어져 있습니다. 냉방이 이루어지는 과정은 다음과 같습니다. 냉매를 압축기에서 고온 고압으로 압축합니다. 고온 고압의 냉매가 응축기에서 저온 고압으로 응축됩니다. 다음 팽창 밸브를 지나면서 저온 저압의 상태가 되며 이것이 증발기 내에서 냉매가 기화하게 되고 주변의 열을 흡수하게 되면서 증발기를 통과하는 공기의 온도를 낮추는 원리로 냉방을 하게 됩니다.
전기 자동차에서도 냉방은 동일한 시스템을 적용할 수 있습니다. 그러나 난방은 다른 얘기가 됩니다. 일반적인 내연기관 자동차에서 난방은 엔진으로부터 열을 가져간 고온의 냉각수가 HVAC 내부에 있는 히터 코어 열교환기를 통해 공기의 온도를 높일 수 있기 때문에 난방에 충분한 열원을 별도의 추가적 장치 없이 공급하는 것이 가능하지만 전기 자동차의 경우는 내연기관의 엔진만큼 열원이 충분하지 않기 때문에 결국은 보조적 수단으로 전기 에너지를 사용하는 PTC 히터를 적용할 수밖에 없습니다. 문제는 전기 자동차에 에너지원인 전기를 사용하기 때문에 특히 겨울철 난방이 필요한 시기에는 배터리 용량의 많은 부분을 난방을 위해 사용하게 되므로 전체적으로 주행거리 감소 즉 전기차 연비를 감소시키는데 많은 부분 영향을 줄 수밖에 없다는 것입니다. 바로 이러한 점 때문에 전기 자동차에서 히트 펌프 시스템이라는 냉/난방 시스템이 적극적으로 도입되어 적용되고 있습니다. 그러면 바로 이어서 히트 펌프 시스템에 대해 알아보겠습니다.
히트 펌프 시스템
히트 펌프는 실내기, 실외기, 압축기, 팽창밸브, 4 way 밸브(또는 시스템 구성에 따라 3 way 밸브)로 구성됩니다. 여기서 펌프라는 용어가 사용된 것은 히트 펌프가 열을 자체적으로 생산하는 것이 아니라 저온의 열원으로부터 열을 흡수하여 고온의 열원으로 열을 운송하는 원리를 가지므로 히트 펌프라는 용어를 사용합니다. 물을 낮은 수위에서 높은 수위로 퍼 올리는 것과 유사하기 때문에 히트 펌프라고 하는 것입니다. 위에서 일반적인 자동차의 냉방 시스템에대해 서술하였는데요 히트 펌프는 위 일반적 냉방 시스템의 증발기에 해당하는 부분이 증발기(Evaporator)와 응축기(Condenser) 역할 두 개를 다 한다고 생각하면 될 것 같습니다. 무슨 말이냐 하면 증발기일 때 열을 흡수하여 열교환기를 통과하는 공기의 온도를 낮추게 되어 냉방 기능을 갖고 응축기가 되면 냉매가 가진 열을 방출하게 되면서 열교환기를 통과하는 공기의 온도를 높이게 되어 난방 기능을 한다고 보시면 됩니다. 즉 일반적인 자동차의 냉방 시스템에서 냉매 흐름을 반대 방향으로 흐르게 하면 냉방시엔 증발기로 난방시엔 응축기로 사용 가능하다는 원리입니다. 다만 압축기에서 냉매의 입구 출구 방향을 바꿀 수 없기 때문에 냉매 순환 배관에서 4 way 밸브를 이용하여 냉매의 흐름을 제어하는 방식으로 구현할 수 있습니다
히트 펌프 시스템의 장단점
전기 자동차의 경우 겨울철 차량 내부 난방을 위해 PTC 히터를 이용하여 전기 에너지를 열에너지로 변환하여 자동차 실내에 열을 공급하는 방식으로 난방하고 있지만 이러한 방식은 배터리 1회 충전 주행거리를 급격하게 감소시키므로 실외 공기 열원으로부터 열에너지를 흡수하여 실내에 열을 공급할 수 있는 히트 펌프를 적용함으로써 겨울철 난방에 필요한 전기 에너지를 줄여서 동일한 배터리 용량에서 주행거리 감소라는 치명적 단점을 극복할 수 있게 해줍니다. 히트 펌프는 저온에서 열을 흡수하여 고온으로 열을 방출하는 특성을 가지게 됨으로써 히트 펌프에서 사용한 전기에너지에 비해 더 많은 열을 난방에 공급할 수 있습니다. 일반적인 히트 펌프 난방 용량은 전기히터의 효율 36%에 비해 2~3배의 효율을 나타낸다고 합니다. 다만 히트 펌프가 가지고 있는 단점 중 외부 공기 온도가 낮을 경우 충분한 난방 용량 확보에 실패할 수 있고 또 외부 공기 온도가 낮고 상대 습도가 높은 경우에는 실외기 표면에 성에가 발생하여 전체 시스템 효율이 떨어지는 경우가 있습니다. 이러한 기술적인 한계를 극복하기 위해서 현재 여러 가지 추가적인 기술들이 도입되기도 합니다. 현대 자동차의 경우 전기 모터, 온보드차저, 통합전력제어장치 등에서 발생하는 폐열을 차가워진 냉매를 다시 데우는 데 활용함으로써 히트 펌프의 효율도 높이고 배터리에서 발생하는 열을 식힐 수도 있는 기술을 적용하고 있습니다.
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