전기차에 활용되는 히트펌프란 무엇인가?
최근 전기차 산업이 급격히 성장하면서, 차량 전체 에너지 효율을 높이고 배터리 수명을 극대화하기 위한 다양한 기술들이 주목받고 있습니다.
그중에서도 “히트펌프(Heat Pump)” 시스템은 전기차에 적용되는 대표적인 열관리 설루션으로 각광받고 있는데요. 히트펌프 기술은 기존의 냉·난방 기술과 동일하거나 유사한 원리를 적용하지만, 배터리를 비롯해 다양한 열원을 동시에 활용함으로써, 차량 내 에너지 사용을 효과적으로 최적화한다는 점에서 전기차 업체들에게 중요한 경쟁 우위 요소로 자리 잡아가고 있습니다.
출처-테슬라 유튜브 캡처실제로 일론 머스크가 인베스터 데이에서 직접 테슬라를 통해 히트펌프 사업 확장을 언급했던 것은, 이 기술이 미래 모빌리티 분야에서 얼마나 핵심적인 역할을 할 수 있는지를 단적으로 보여주는 사례라 할 수 있습니다.
사실 히트펌프의 기본 작동 원리를 살펴보면 에어컨의 냉매 순환 구조입니다. 에어컨이 어떤 방식으로 작동하느냐 냉매를 압착시켜서 쓰는 거잖아! 뭐 이론적으로 어려울 게 없죠
출처-ISO문제는 전기차에 적용되는 히트펌프는 단순히 공기를 냉각·가열하는 것에 그치지 않고, 배터리의 온도를 효과적으로 제어해야 하기에 실제로, 전기차 전체의 사고방지 시스템을 기반으로 급격한 성능 저하나 안전상의 문제를 예방하는 데까지 역할 범위가 확장됩니다.
히트펌프가 그렇게 중요해?라고 물어보신다면 좋은 예시가 있죠
작년에 난 전기차 화재로 에어컨 이상을 무시하고 주행을 하다 결국 화재로 번진 사고입니다.
실제로 이러한 것들로 비교해 보면 내연기관차량에서 불필요하다고 여겨지던 세밀한 열관리 체계가 전기차에서는 필수 요소가 된 것이죠. 그래서 오늘은 히트펌프가 정확하게 뭔지 미래의 히트펌프는 어떤 방향으로 나아갈 것인지 한번 이야기해 봅시다.
1. 히트펌프의 정의와 기본 원리
(1) 히트펌프의 정의
제가 무언가에 대해 설명할 때 맨 처음 이야기하는 것이 기초 정의입니다. 그만큼 중요한 것도 없고요
히트펌프(Heat Pump)는 한마디로 정의해 보면 “저온 열원에서 흡수한 열을 고온 측으로 전달하는 장치”로 정의할 수 있습니다. 공식적인 정의는
ISO 5151 or ISO 13256에 나와있는데
“A heat pump is an encased assembly (or assemblies) designed as a unit to provide heating, or heating and cooling, by means of a vapor-compression refrigeration cycle using electricity, and capable of reversing the direction of refrigerant flow to transfer heat from a cooler medium to a warmer medium.
이를 국문으로 번역하면 다음과 같은 정의가 나옵니다.
“히트펌프란 전기에 의해 구동되는 증기 압축 냉동 사이클을 활용하여 난방 혹은 냉난방 기능을 제공하도록 통합 설계된 밀폐형 장치(또는 장치들의 조합)를 의미합니다. 이 장치는 냉매의 흐름 방향을 역전시켜 저온 열원으로부터 흡수한 열을 고온 측으로 전달하는 기능을 수행할 수 있습니다.”
쉽게 말해 통합장치 전체를 말하는 거예요 기본적인 원리는 아래와 같습니다.
좀 더 자세히 가볼까요?
(2) 히트펌프의 기본 작동 원리
앞서 설명한 대로 히트펌프는 열역학적 사이클을 거쳐 “열을 한 곳에서 다른 곳으로 이동시키는 장치”로 압축시킨 공기가 팽창하면서 에너지를 방출하는 기본적인 원리를 이용한 기구입니다.
1. 증발(Evaporation)
냉매가 증발기(Evaporator) 안에서 외부 열원(공기, 물 등)으로부터 열을 흡수하며 기화됩니다. 이 과정에서 외부 열원은 온도가 낮아지고, 냉매는 온도가 상승하며 기체 상태로 변합니다 아래와 같은 곳을 지나는 거예요
2. 압축(Compression)
증발을 거친 냉매(기체 상태)는 압축기(Compressor)에서 높은 압력과 온도로 가압됩니다. 압축기의 작동에는 전기에너지가 투입되며, 냉매 온도가 크게 상승하게 됩니다.
3. 응축(Condensation)
압축된 고온·고압의 냉매는 응축기(Condenser)를 거치면서 열을 방출하고 액체 상태로 응축됩니다. 이때 방출된 열은 히트펌프가 난방 등에 활용할 수 있도록 고온 측으로 전달됩니다.
4. 팽창(Expansion)
액체 상태의 냉매가 팽창밸브(Expansion Valve)를 통과하며, 압력과 온도가 다시 낮아집니다. 냉매는 저압 상태가 되어 증발기로 돌아가며, 이러한 사이클이 반복되면서 지속적으로 열을 이동시킵니다.
이러한 프로세스로 움직이는 것이죠 기본적으로 압축시키거나 팽창시켜서 움직이는 겁니다.
2. 차량에는 왜 히트펌프를 적용하는가
먼저 아셔야 하는 부분은 기존 내연기관에는 이거 안 썼잖아요?라는 질문에 대한 대답입니다.
맞습니다 기본 차량에서는 PTC히터를 사용했어요
열선에 전기를 흘려서 따뜻하게 만들 주는 히터죠 사실 기존시스템에서는 PTC히터를 활용하고 알터네이터로 굴린다면 굳이 폐열을 다시 활용할 필요성이 없었습니다.
정확히는 SDV로 전환한다면 당연 사용될 가능성은 있었지만 전기차 시대로 넘어오면서 중요성이 압도적으로 증가했습니다 좀 더 이야기해 보죠
왜 전기차에서 열관리가 중요해졌느냐를 물어보신다면 크게 3가지로 정리할 수 있습니다.
1. 배터리 수명 및 성능에 직결
2. 전기·전자 부품 보호
3. 운전 효율 및 주행거리 확보
이세가지인데 하나하나 풀어보죠
우선 배터리(Battery) 이야기를 먼저 하죠, 리튬이온 배터리는 작동 온도 범위가 제한적이며, 이 범위를 벗어나면 화학반응이 비효율적이거나 위험 요소가 높아집니다.
위그래프만 봐도, 극저온에서 배터리를 사용하면 내부 저항이 증가하여 출력과 주행 거리가 급격히 감소하고, 고온 환경에서는 배터리 노화가 가속화될 뿐 아니라 안전 문제가 발생하는 것이죠 실제로 배터리에 온도를 관리해야 한다 이숙제가 생긴 거예요
뿐만 아니라 전기차에는 모터, 인버터, 컨버터 등 다양한 전력전자 부품이 존재합니다. 이 부품들은 동작 시 열을 발생시키거나, 반대로 동작 안정성을 위해 특정 온도 이하가 필요합니다. 실제로 기본적으로 온도가 상승하면 저항이 증가해 효율이 떨어지는 걸 시작으로, 모터냉각을 잘못하면 모터를 영원히 못쓰게 됩니다. 사실 이전 엔진의 경우에는 튼튼하고 좋은 소재를 쓰면 된다! 에서 전기부품으로 넘어와서 생간 한계점이죠
심지어 내연기관 차량의 경우, 엔진 자체에서 연소에 의해 발생하는 열을 난방에 활용했었습니다
반응속도가 빠르고 대용량의 히터를 구현할 수 있으나 구조가 복잡하고 큰 공간을 요구한다. 최근에는 안 쓰는 기술이지만요 그래서 여기서 다음 아이디어인 PTC 히터를 활용합니다.
PTC(Positive Temperature Coefficient of Electrical Resistivity) 장치는 상온에서는 수십 Ω 정도로 낮은 저항으로 전류를 잘 통하지만, 전류가 흐름에 따라 열이 발생하면서 수 메가Ω 이상으로 저항이 커져 전류가 차단되는 재료의 특성을 활용한 장치로, 공조장치의 히터코어 뒤쪽에 설치하며, 추울 때는 PTC로 흐르는 전류가 많아져 열이 급속히 올라 히터로 사용되다가, 내연기관으로부터 열이 전달되어 온도가 높아지면 저항이 커져 전류를 차단시키는 장치입니다.
문제는 이놈의 효율이 진짜 극악해요 전기에너지에 저항으로 열을 발생시키는 것이 진짜 비효율 적인 프로세스거든요 물론 편하니까 활용하지만요
문제는 전기차에서는 이와 같은 대량의 폐열 원천이 없습니다.
어 모터 열난다매요 그거 쓰면 안 돼요? 실제로 그걸 가장 효율적으로 가져다 쓰는 게 히트펌프인 것이죠, 엔진에 비하면 낮은 편이기에 사용하기가 힘듭니다. 결국 PTC를 사용하게 되면 비효율성이 높고 주행에 필요한 전력 중 일부를 온도 조절에도 사용해야 하므로, 열관리 시스템의 효율이 낮으면 실제 주행 가능 거리(Driving Range)가 크게 줄어드니 결국 히트펌프를 무조건 도입해야 하는 것이죠.
결국 히트펌프의 구조는 현대기아에서 보여준 시스템으로 잘 설명할 수 있습니다 위와 같은 시스템으로 최적화시키는 거예요
실제로 차량에 구현한다면 이런 형상이 되는 것이죠
아 배터리 팩은 훨씬 커집니다 한 장에 담기 위해 극화시켜둔 감이 있네요 문제는 이것도 항상 어느 쪽이 높거나 낮은 게 아니기에 저런 유로자체를 효율적으로 제어하는 기술을 개발하는 게 현 전기차의 상황이다. 정도로 이번글을 마칩니다.
