히트펌프

현대차 코나 일렉트릭에 적용된 고효율 히트펌프 시스템

히트펌프(heat pump)는 특정 장소의 열을 다른 곳으로 옮기는 데 사용하는 기계이다. 열은 열평형에 도달할 때까지 자연적으로 고온에서 저온으로 흐르는데, 히트펌프는 이를 거슬러 저온에서 고온으로 열을 퍼올리는 장치다.

18~26℃(공기조화기, 에어컨, Air conditioner), -100~4℃(냉장냉동고, Refrigerator), 26~140℃(히트펌프, Heat pump)로 사용하는 목적과 생산하는 온도 영역별로 나누어, "따뜻한 공기와 물을 만들어내는 목적"에 한정해서 좁은 의미로 히트펌프라고 하기도 한다.

히트펌프는 전기차 난방효율을 높이는 기술이다. 모터 등 전장부품 발산열과 냉각과정의 방출열을 활용한다. 전기차의 냉매(차체 내부에서 열 전달 역할을 맡는 물질)는 액체·기체를 오가는 순환과정을 거친다. 액체에서 기체로 변화하며 주변의 열을 빼앗아 냉각효과를 가져오고, 기체에서 액체로 변환할 때 열을 방출한다.

전기차 히트펌프 시스템은 이런 냉매의 상변화를 활용한다. 냉매를 액체에서 기체로 가열하는 데 전장 부품에서 발생한 내부열을 사용한 뒤, 내부열로 데워진 냉매가 기체 상태로 변하면 응축기·압축기로 기체 상태 냉매를 압축해 고압 기체로 만든다. 응축된 고압기체 형태의 냉매는 큰 열을 보유해 이를 냉각하면 막대한 열이 방출돼 전기차를 난방하는 구조다.

개요

전기차에 불리한 난방 효율을 극복하기 위해 히트펌프 기술이 적용되고 있다. 기존의 내연기관 자동차는 엔진에서 발생하는 많은 열에너지를 실내 난방에 활용하지만, 전기차는 히터를 켜기 위해 별도의 전기 에너지 즉, 배터리를 사용해야 한다. 하지만 히트펌프 기술을 활용하면 전기차에서도 난방 시스템을 효율적으로 가동할 수 있다. 현대·기아차 역시 겨울철 주행 거리 감소를 해결하기 위해 전기차에 히트펌프 기술을 적용했다. 아울러 단순히 기존의 히트펌프 기술을 구현하는 데 그치지 않고, 폐열 회수 방식을 도입해 세계 최고 수준의 효율을 확보했다.

히트펌프 시스템은 기존 에어컨 증기 압축식 냉동 사이클의 냉매 순환 경로를 변경하여 외부 공기로부터 흡수된 열을 실내로 공급하는 방식의 고효율 난방 시스템이다. 여름에 에어컨 실외기 근처에서 뜨거운 바람 때문에 불쾌했던 경험을 떠올린다면 히트펌프 시스템을 이해하기 쉬울 것이다. 실외기에서 나오던 뜨거운 바람을 사용하는 것이 히트펌프 시스템이다.

내연기관 자동차 난방은 엔진 열을 통해 뜨거워진 냉각수를 통해 공기를 따뜻하게 만드는 방식이다. 냉각수에 엔진 열이 보존돼 정차 중에도 지속적인 난방을 할 수 있다. 반면, 전기자동차는 엔진이 없다. 전기히터 같은 난방시스템을 추가로 장착하여 동작시켜야 한다. 또한 엔진 열을 품고 있는 냉각수도 없어 정차 중에도 전기에너지를 사용해 따뜻한 공기를 주입해야 한다. 전기자동차에 추가되는 난방시스템은 전기에너지를 사용하기 때문에 주행거리 및 연료 효율과 밀접한 관계가 있다. 인위적으로 열을 발생시키는데 많은 전력이 소모된다. 따라서 난방이 필요한 겨울철에 배터리나 인버터, 모터 등에서 발생한 폐열을 효율적으로 활용하는 것이 전기자동차의 주행거리 향상에 핵심이다.

전기자동차 난방시스템은 크게 'PTC히터'와 '히트펌프' 두 가지다. 먼저 기존 테슬라가 사용하던게 PTC 히터다. PTC 히터(Positive Temperature Coefficient Heater)는 세라믹질의 반도체 소재인 PTC 소자를 이용한 난방 방식이다. 차량 온도가 낮으면 저항이 줄어든다. 이 때 소자에 흐르는 전류가 많아져 열이 발생하면 이를 이용해 난방을 한다. 일정 온도 이상이 되면 저항이 커지면서 전류가 줄어들고 발열량도 감소한다. 즉, PTC는 자동차 냉각수의 온도가 일정 수준까지 도달하기 전에 전기 발열을 통해 난방을 작동하는 시스템이다. 일반적으로 열효율이 떨어지는 가솔린 차량은 냉각수 온도가 빨리 올라가기 때문에 PTC히터를 장착하지 않는다. 디젤 차량은 엔진 온도가 비교적 늦게 올라와 일반적으로 보조난방장치인 PTC히터를 장착한 경우가 꽤 있다.

전기차는 열을 발생시키는 엔진이 없어 PTC히터를 보조난방이 아닌 주난방 장치로 사용한다. PTC 히터는 수명이 길고 공기 중의 산소와 반응하지 않는다. 대기 오염의 원인이 되는 이산화탄소를 발생시키지 않는다는 장점도 있다.

실외온도가 영하인 상태에서 전기차의 히터를 작동하면 배터리의 최대 40%가 난방에 사용된다. 겨울철 히터를 켜면 주행 거리가 최대 40% 정도 줄어든다는 의미로 해석할 수 있다. 실제, 서울시 전기택시 기사들은 동절기 1회충전시 주행가능거리가 최대 주행거리 135km의 약 60%에 해당하는 80km에 불과하다고 밝힌 바 있다. 일반적으로 겨울철 히터 사용은 여름철 에어컨보다 전기를 더 많이 소모한다. 히터를 틀었을 때 소모 전력이 에어컨을 틀었을 때 보다 3배가량 더 많은 것으로 알려져 있다.

PTC 히터의 단점인 낮은 효율을 보완하기 위해 나온 게 히트펌프다. 히트펌프는 전기차에 불리한 난방 효율을 극복하기 위해 개발됐다. 기본적으로 기체 상태의 냉매가 액체로 변하는 과정에서 발생하는 열을 난방에 사용한다. 열 효율성을 높인 점이 특징이다.

히트펌프 시스템

 

원리

히트펌프 기술은 에어컨의 원리와 비슷하다. 냉매는 압축과 응축 과정을 거쳐 온도가 높아지거나, 팽창하고 증발하는 과정에서 온도가 낮아진다. 에어컨은 바로 이런 원리를 이용해 냉방을 한다. 차가워진 냉매를 활용해 실내에 시원한 바람을 제공하고, 뜨거워진 냉매는 실외기로 배출한다. 히트펌프 역시 똑같은 과정을 거친다. 다만, 에어컨이 실외기를 통해 열을 배출했다면 히트펌프는 그 열을 히터로 활용한다. 즉, 히트펌프는 냉매가 압축, 응축, 팽창, 증발하며 순환하는 과정에서 발생하는 고온과 저온을 각각 활용해 히터와 에어컨을 동시에 구동하는 냉난 방기술이다.

기존 히트펌프 시스템은 외부 공기에 의존했다. 압축과 응축 과정을 거친 냉매만으론 충분히 따뜻한 바람을 얻기 힘들다. 특히 기온이 떨어지는 겨울철에 히트펌프는 단점이 부각됐다. 테슬라는 기존 단점을 해결하기 위해 묘수를 내놨다. 모델3 리프레쉬에 장착된 히트펌프는 외부 공기뿐만 아니라 전장 부품, 배터리의 폐열을 난방에 활용한다. 전기모터, 온보드차저, 인버터, 통합전력제어장치 등에서 발생하는 열을 추가로 회수해 난방에 활용한다. 결과적으로 히트펌프 효율을 높이고, 배터리도 식힐 수 있어 일석이조다.

기존 전기를 이용한 히터(PTC 히터)는 열효율이 0.9~0.95로 1보다 낮다. 필요한 열량보다 많은 전기 에너지를 소모한다. 상대적으로 히트펌프 시스템은 열효율을 의미하는 성적계수(COP)가 1.5~4를 유지한다. 1보다 크므로 동일 난방 성능을 얻기 위해 전기히터를 사용하는 시스템 보다 에너지 효율을 30~60%까지 줄일 수 있다. 결론적으로 1회 충전 주행거리를 약 21% 증대시킬 수 있다.

히트펌프 시스템의 원리

 

한계

• 외기 온도가 낮은 조건에서 외부 공기로부터 열을 흡수하여 실내로 공급할 수 있는 열량이 작아짐
• 상기 조건에서 냉매 순환 유량이 감소되어 난방 성능 급감
• 저온 고습 조건에서 장시간 연속 동작시 실외 열교환기 Fin 표면의 착상 및 결빙에 의한 막힘 등으로 열전달 효율의 급격한 감소

​위와 같은 Heat Pump 시스템의 한계를 극복하기 위해 PTC 히터를 결합한 형태의 공조 시스템이 연구되고 있다.

히트펌프 기술의 발전

히트펌프의 성능은 열원을 얼마나 효율적으로 회수하는 지에 따라 좌우된다. 2012년 닛산 리프에 최초로 탑재된 히트펌프는 외부 공기의 열원만 활용한 데 반해, 쏘울 EV(1세대)는 공기 열원뿐만 아니라, 전기모터 및 인버터에서 발생하는 폐열원을 추가로 활용한 복합 열원 히트펌프 시스템을 적용했다. 이후 지속적인 연구개발을 통해 배터리에서 발생하는 폐열과 충전 시 발생하는 열을 추가로 활용하는 고효율 히트펌프 시스템을 개발했고, 이를 현대차 코나 일렉트릭에 적용했다.

아울러 앞으로 출시 예정인 차세대 전기차에는 보다 발전된 히트펌프 시스템이 적용될 예정이다. 기존 코나 일렉트릭 대비 공기 열원을 더욱 적극적으로 활용해 난방 성능을 높이고, 냉매의 응축 성능도 향상시켜 에어컨 성능과 효율을 극대화하는 시스템을 선보일 전망이다.

히트펌프 기술은 크게 두 가지 방향으로 발전할 것으로 예상된다. 첫 번째는 히트펌프 효율을 높여 배터리 소모 전력을 줄이는 방법이다. 이를 위해 현대·기아차는 새로운 열원을 발굴하고 냉매 순환의 과정의 단계를 늘려 효율을 높이는 기술을 지속적으로 연구하고 있다. 두 번째 방향은 히트펌프 시스템의 모듈화이다. 현재는 차종마다 히트펌프 관련 부품이 복잡하게 연결돼 있다. 하지만 현대·기아차가 목표로 하는 궁극의 히트펌프 시스템은 관련 부품을 모두 통합해 하나의 모듈로 만드는 것이다. 실제로 현대·기아차는 1박스 모듈 히트펌프 시스템을 연구하고 있으며, 이 기술이 적용되면 공장 자동화 및 미래 모빌리티 대응에 유리한 위치를 선점할 수 있을 것으로 예상된다..

참고자료

• 〈히트펌프〉, 《나무위키》
• 현대자동차·기아 , 〈현대·기아차가 개발한 전기차 ‘고효율 히트펌프 기술’ 다른 브랜드도 앞다퉈 도입하는 이유는?〉, 《HMG저널》, 2020-06-11
• 이주효 에디터, 〈한겨울 전기차 쥐약인데..테슬라 모델3 히트펌프 비밀은〉, 《카가이》, 2021-01-13
• 이민우 기자, 〈韓 히트펌프, 테슬라·폭스바겐 전기차 뚫었다〉, 《IT조선》, 2021-03-31

같이 보기

• 열
• 펌프
• 히트파이프
• 히트싱크

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