열에너지 효율성을 높이다, 에너지시스템리서치랩
열에너지시스템을 연구하는 전문 조직인 열에너지시스템리서치랩을 소개한다.
열에너지리서치랩 김연호 책임연구원, 안호찬 책임연구원, 김재완 연구원, 박만희 책임연구원, 김영준 책임연구원, 김귀택 책임연구원, 김재연 연구위원, 정호영 연구원(좌측 위부터 시계 방향)
현대자동차그룹은 전동화 시대를 주도하기 위해 기존 기술과 차별화된 다양한 모빌리티 기술을 선제적으로 연구하는 리서치랩을 운영하고 있다. 그중 김재연 연구위원이 이끄는 열에너지시스템리서치랩 소속 연구원들을 만나 친환경 스마트 모빌리티 열에너지 솔루션과 관련된 다양한 이야기를 나눴다.
열에너지시스템리서치랩은 미래 스마트 모빌리티에서 유용한 고효율 열에너지 혁신 시스템에 대한 선행 연구를 진행하고 있다Q. 열에너지시스템리서치랩은 어떤 배경에서 설립됐나?
김재연 연구위원 | 현대차그룹은 ‘2025 전략’의 핵심인 스마트 모빌리티 솔루션 연구를 통해 기존 자동차 산업에서 모빌리티 중심으로 나아가는 변화에 대응하고 있다. 열에너지시스템리서치랩은 전동화로의 대전환 과정에서 중요하게 떠오른 기술을 선제적으로 연구하기 위해 설립됐다.
전동화 차량의 열에너지 시스템은 내연기관 차량과 다르게 접근해야 하기 때문이다. 외부 공기를 이용해 냉각하는 내연기관 차량과 달리, 전기차는 여름철 배터리 온도를 낮추기 위해 에어컨 시스템을 이용한다. 또한 겨울철 내연기관 차량은 엔진 열로 실내 난방을 할 수 있어 연비 성능에 미치는 영향이 적은 반면, 전기차는 실내 난방에도 배터리 전력을 사용하기 때문에 주행거리가 저하된다.
김재연 연구위원은 현대차그룹 최초의 전용 전기차 플랫폼인 E-GMP의 열에너지시스템을 개발한 공로로 국내 최고 권위 개발자상인 산업 기술 유공 표창(2021년)과 올해의 발명왕(2022년)을 연이어 수상했다.
이에 열에너지시스템리서치랩은 에너지 효율 개선 측면에서 최고 수준의 경쟁력을 확보하기 위해 노력하고 있다. 우리 연구원들은 이 분야의 최고 전문가로 구성돼 있으며, 유기적으로 연결된 친환경차의 열에너지 성능과 에너지 효율 향상을 위한 다양한 연구활동을 이어가고 있다. 그 결과 전기차의 전비 향상에 기여한 바가 증명돼 다양한 외부 기관으로부터 그 성과도 인정받고 있다.
Q. 열에너지시스템리서치랩의 주요 업무 분야는 무엇인가?
김재연 연구위원 | 열에너지시스템리서치랩은 ‘탄소중립 사회로의 전환’을 위해 크게 세 가지 방향으로 연구하고 있다. 친환경차의 열에너지 성능과 에너지 효율 향상을 위한 ①고효율 열에너지 시스템 개발, 다양한 미래 모빌리티의 열에너지 시스템을 위한 ②스마트 모빌리티 열에너지 솔루션 개발, 수소 생태계 구축 및 활성화를 위한 ③수소 생태계 분야 솔루션 연구가 대표적이다. 또한 모빌리티 플랫폼 변화에 선제적으로 대응하는 한편, 친환경차 에너지 효율을 향상하는 실내 냉/난방 시스템, 배터리 냉각 및 승온, 수소 연료전지 스택 등을 연구해왔다.
Q. 내연기관차와 비교했을 때, 전기차에 적용되는 열에너지 시스템의 가장 큰 차이점은 무엇인가?
김영준 책임연구원 | 내연기관차는 실내 난방 시스템과 엔진 냉각 시스템이 서로 독립적으로 작동한다. 예컨대 겨울철 실내 난방 시에는 엔진 폐열을 활용하고, 엔진 냉각은 각 구성품에 냉각수를 순환시키는 방식으로 작동한다. 반면 전기차는 실내 냉/난방 시스템과 전동파워트레인(모터, 인버터, 배터리 및 전력변환장치 등) 열관리시스템이 유기적으로 연결되어 있다. 따라서 차량 전체 에너지 흐름을 고려해 전기에너지에서 발생하는 열을 최적으로 활용하는 열에너지시스템을 개발하는 것이 중요하다.
열에너지시스템리서치랩에서 연료전지 열에너지 시스템 개발을 맡은 김영준 책임연구원과 김연호 책임연구원Q. 특히 전기차에서는 배터리 열에너지 관리가 중요하다. 구체적인 이유는 무엇인가?
박만희 책임연구원 | 전기차에 탑재된 리튬이온 배터리의 최적 운영 온도는 25~35℃ 사이다. 만약 배터리 운영 온도가 최적 온도 대비 현저히 낮거나 높다면 주행거리가 감소하거나 배터리 내구 수명이 감소할 수 있다. 특히 짧은 시간 동안 많은 양의 전기에너지 충전이 필요한 급속충전 상황에서는 배터리 열에너지 관리가 더욱 중요하다. 저온에서는 배터리 내부의 저항이 늘어나 충전 효율이 떨어지며, 고온에서는 발화의 위험이 커지기 때문이다.
박만희 책임연구원이 배터리 열에너지 관리에 대한 설명을 이어갔다Q. 수소전기차에 적용되는 열에너지 시스템의 특징은 무엇인가?
김연호 책임연구원 | 수소전기차는 연료전지 스택의 발열량이 많기 때문에 내연기관 대비 4~5배 용량에 달하는 냉각 시스템을 적용한다. 뿐만 아니라 전동화 파워트레인 및 주변 장치도 냉각이 필요해 열에너지 시스템의 구조가 복잡하고 기술적 난이도가 높은 편이다. 다만 겨울철에 난방할 땐 전기차와 달리 주행거리에 대한 영향을 상대적으로 적게 받는다. 현대차그룹은 연료전지 스택 온도를 안정적으로 유지하는 대용량 냉각시스템을 개발해 세계 최초 양산형 수소전기차 투싼ix FCEV에 적용했다.
현대차그룹에서 개발한 히트펌프 기술 구조에 대해 설명하고 있다Q. 열에너지시스템리서치랩에서 개발한 기술 중 소비자가 체감 가능한 부분은 무엇인가?
안호찬 책임연구원 | 전기차 운전자가 가장 중요하게 생각하는 것이 바로 1회 충전 시 최대 주행거리다. 그런데 겨울철 1회 충전 시 최대 주행거리는 어떤 난방 시스템을 적용하느냐에 따라 크게 차이가 난다. 동일한 전기 에너지로 더 많은 열을 만들 수 있는 히트펌프는 소비자가 가장 쉽게 체감할 수 있는 기술이라 생각한다. 현대차그룹은 2014년 전 세계에서 두 번째로 기아 쏘울 전기차에 히트펌프 기술을 적용했고, 현재는 현대차그룹에서 생산하는 모든 전기차에 적용하고 있다.
Q. 히트펌프 냉/난방 시스템은 세대별로 어떻게 발전했는가?
김귀택 책임연구원 | 2014년 쏘울 전기차를 통해 선보인 현대차그룹 1세대 히트펌프는 실외기에서 얻은 공기 중 열원과 모터에서 발생하는 폐열원을 모두 활용했다. 2018년 코나 전기차, 아이오닉 전기차, 니로 전기차에 적용한 2세대 히트펌프는 공기 열원과 모터 열원뿐만 아니라 배터리 충전 시 발생하는 열원까지 활용해 난방 성능을 5% 향상했다. 이어 2021년 E-GMP 플랫폼 전기차(아이오닉5, EV6 등)에 적용한 3세대 히트펌프는 신규 개발된 복합 열교환기를 활용해 2세대 히트펌프 대비 5%의 추가 성능 향상을 이뤘다.
코나 전기차 1세대에 탑재했던 고효율 히트펌프
열에너지시스템리서치랩에서 미래 모빌리티 열에너지시스템 개발을 맡은 김귀택 책임연구원과 김재완 연구원김재완 연구원 | 최근에는 미래 히트펌프 기술을 선도하는 가스인젝션(Gas Injection) 기술을 연구하고 있다. 가스인젝션은 기존 시스템 대비 극저온에서 냉매 유량을 증대하는 방식으로 더 많은 열을 회수할 수 있는 원리 덕분에 우수한 성능과 효율 향상이 기대된다. 뿐만 아니라 생산성 향상을 위해 열에너지 시스템의 모듈화 및 소형화 기술도 중요한 항목으로 적극 연구하고 있다.
E-GMP에 적용한 3세대 히트펌프는 최적화된 성능과 패키징을 갖춘 열에너지시스템이다Q. 현대차그룹의 전기차 열에너지 시스템이 경쟁사 대비 높은 효율을 갖춘 이유는 무엇인가?
정호영 연구원 | 현대차그룹 열에너지 시스템이 우수한 비결로는 기술적인 우수성과 업무적인 능력 등 두 가지 측면을 꼽을 수 있다. 먼저 현대차그룹의 전기차 열에너지 시스템 기술은 최대한 많은 열원을 확보하고, 이를 가장 잘 활용할 수 있도록 시스템 내부 유체의 흐름을 원활하게 하는 방향으로 발전해 왔다. 특히 전기차에서는 히터 작동 및 에너지 효율이 주행거리를 좌우하는데, 곳곳에서 발생하는 열을 알뜰하게 모아 난방에 사용하는 히트펌프를 적용하면 공조 시스템이 소비하는 전기 에너지를 유의미하게 절감할 수 있다. 또한 부문별 조직의 우수한 팀워크도 선행 연구에서부터 양산화까지 개발 목표에 도달하는 데 큰 기여를 했다.
리서치랩 조직의 장점에 대해 이야기하는 정호영 연구원과 안호찬 책임연구원Q. 리서치랩이 가진 장점은 무엇인가?
안호찬 책임연구원 | 리서치랩은 전문적인 연구조직으로 특정 분야의 기초부터 선행연구 단계까지 깊고 연속성 있는 개발이 가능하다. 이를 통해 완성도 높은 독자 기술을 확보해 양산에 기여할 수 있는 점이 리서치랩의 가장 큰 장점이다. 열에너지시스템리서치랩 역시 오랜 경험의 전문가와 젊은 연구원이 함께 프로젝트에 참여하는 소수 정예로 구성되어 있다. 덕분에 구성원이 쉽게 소통하면서 다양한 아이디어를 구상하고 난제에도 빠르게 해결할 수 있었다. 모든 리서치랩 구성원이 연구 방향을 공유하며 협업을 하는 데에서 오는 시너지 효과가 크다.
김재연 연구위원은 끊임없이 도전하고 가능성을 먼저 생각하는 게 중요하다고 말한다Q. 열에너지시스템리서치랩의 리더로서, 리서치랩의 궁극적인 지향점과 목표는 무엇인가?
김재연 연구위원 | 누구나 실패에 대한 두려움을 갖고 있다. 그러나 실패를 자산으로 삼아 끊임없이 도전하고자 한다. 또한 불가능이 아닌 가능성을 먼저 생각하고, 실패를 두려워하지 않는 자세로 기술을 개발에 임하고 있다. 무엇보다 현대차그룹 2025 전략을 달성하기 위해 글로벌 최고 수준의 열에너지 솔루션을 개발하는 것이 우리 열에너지시스템리서치랩의 목표다.
‘2025 전략’에는 스마트 모빌리티 디바이스와 스마트 모빌리티 서비스를 공급하는 솔루션 프로바이더로 거듭나는 현대차의 의지가 담겨 있다모빌리티 시대에서는 자동차를 둘러싼 모든 부품이 효율을 결정하는 중요한 요소가 된다. 이에 맞춰 열에너지시스템리서치랩은 전동화 차량의 열에너지 성능과 에너지 효율 향상을 위한 연구를 계속하고 있다. 현대자동차그룹의 ‘스마트 모빌리티 솔루션 프로바이더’로의 전환에 기여하기 위해 이들은 끊임없이 연구하고 있다. 내일의 모빌리티를 위한 새로운 기술이 이곳에서 영글고 있다.
사진. 조혁수
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