PTC 히터

PTC 히터(Positive Temperature Coefficient Heater)는 자동차 냉각수의 온도가 일정 온도에 도달하기 전에 전기 발열을 통해 난방을 작동하는 시스템이다.

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개요

PTC 히터는 온도 상승에 따라 저항이 증가하는 서미스터 소자를 활용하는 난방장치이다. 온도가 증가하면서 저항이 증가하기 때문에 특정 온도까지 도달하면 전류가 차단된다. 공기 중의 산소와 반응하지 않아 수명이 길고, 유해물질이 발생하지 않아 전기차의 메인 난방장치 중 하나로 쓰인다. 본래 항공기 난방 시스템을 위한 목적으로 개발되었다가, 현재는 자동차 난방장치로 쓰이고 있다. PTC 히터의 가장 큰 장점은 초기에는 최대 전력을 소모하여 빠르게 가열되고, 온도가 올라가면서 전력 소비가 점차 감소하여 가열 속도가 점차 줄어든다는 것이다. 또한 PTC 물질을 사용한 PTC 히터는 PTC 물질 자체가 센서 기능을 수행하기 때문에 외부 피드백 제어가 필요 없다. 덕분에 신속함은 물론 과열의 위험을 근본적으로 차단하여 안전하게 사용할 수 있다. 소음이 거의 없고 석영관 히터보다 발열체 크기가 작아 소형화한 제품을 만들 수 있다. 일반적으로 가솔린차는 냉각수의 온도가 빨리 올라가기 때문에 PTC 히터를 장착하지 않지만, 디젤차는 비교적 늦게 올라가기 때문에 보조난방장치인 PTC 히터를 장착하고 있다. 반면, 전기차는 엔진룸이 없기 때문에, PTC 히터를 보조난방이 아닌 주난방으로 사용하고 있다. 실외온도가 영하인 상태에서 전기차에 PTC 히터를 작동하면 배터리의 최대 40%가 난방에 사용되는 것이 단점이다. 실제로 서울시 전기택시 기사들은 동절기 1회 충전시 주행 가능거리가 최대 주행거리 135km의 약 60%에 해당하는 80km에 불과하다고 밝혔다. 또한 비슷한 기능을 하는 석영관 히터에 비해 가격이 높다.

원리

자동차 히터의 작동 원리 및 구조를 이해하려면 자동차 엔진과 냉각에 대한 이해가 필요하다. 자동차의 심장이라고 할 수 있는 엔진은 흡입-압축-폭발-배기의 4행정 기관이다. 연료를 압축하고 폭발시켜서 발생된 에너지를 이용해 크랭크축을 회전시키는 운동으로 전환시킨다. 이 과정에서 엔진 내부는 아주 높은 열이 발생된다. 이렇게 엔진 온도가 끊임없이 올라가면 문제가 발생된다. 이러한 현상을 방지하기 위해 내연기관에서는 냉각 시스템을 갖추고 있으며, 냉각수(부동액), 워터 펌프, 라디에이터 그릴, 냉각팬, 수온 조절기 등으로 구성되어 있다. 일련의 과정 중에서 뜨거워진 냉각수의 열을 이용해서 차량 내의 히터를 구동시킨다. 따라서 자동차가 냉간시(엔진이 아직 차가운 상태)라면 히터를 작동시키더라도 따뜻한 바람이 나오지 않는 구조이다. 특히나 날씨가 춥고 기온이 낮은 계절에는 그 시간이 더 길어지게 된다. 이러한 현상을 방지하기 위해서 자동차에 PTC 히터가 적용되기 시작했다. 자동차 PTC 히터는 세라믹 전도체를 응용한 보조적 수단의 히터이다. 사실 이런 방식의 히터는 실내에서 사용하는 전기 히터나 캠핑 시 사용하는 히터와 동일한 구조를 가지고 있다. PTC 히터는 차량 엔진 및 냉각수의 수온이 일정 수준으로 올라가기 전에 보조적으로 작동하게 되며. 초기 시동을 걸고 오랜시간을 운행하지 않아도 바로 따듯한 바람이 나오게 해 준다. 이후 냉각수의 수온이 규정치까지 상승하면 동작을 멈추고 냉각수를 이용한 히터가 동작하도록 자동 변경된다. 특히 전기자동차는 엔진이라는 내연기관이 없는 독특한 구조이기에 전통적인 방식의 실내 난방은 불가능하다. 따라서 주로 PTC 히터를 이용해서 히터 기능을 구현한다. 하지만 난방 방식의 구조적 한계상 전력을 너무 많이 소비한다는 특징이 있다. 한 번 충전해서 최대 주행 가능 거리를 다투는 전기차 시장에서는 매우 큰 단점으로 작용한다. 그래서 겨울철 전기차에서 히터를 작동시키면 소위 '배터리가 살살 녹는다'라는 표현이 있기도 하다. 그래서 고안된 기술이 바로 히트펌프라는 기술이다. 히트펌프 기술은 에어컨과 밀접한 관련이 있다. 에어컨은 냉매를 사용해서 열을 실내에서 실외로 또는 실외에서 실내로 옮겨주는 구조를 가지는데, 여기에서 착안하여 전기차에 접목시켰다. 전기차에는 큰 용량과 크기의 배터리를 탑재하고 있다. 그리고 배터리를 빠른 속도로 충전하고 방전하는 과정이 있다. 이런 상황에서는 전류가 이동하면서 배터리가 발열 상태가 된다. 히트펌프는 배터리에서 발생되는 열을 냉각시켜 주는 역할을 함과 동시에 배터리에서 빼앗은 열을 실내로 옮겨주는 역할을 한다. 실내 히터 동작시 일반 PTC 히터 방식보다 훨씬 더 적은 전력을 사용하기 때문에 겨울철에는 히트펌프 장치를 탑재한 전기차와 그렇지 않은 전기차 사이에 실제 주행거리 차이가 심하게 발생되기도 한다.

기술동향

대한민국에서 다양한 세라믹 히터나 PTC 히터를 제작하는 업체는 다수 존재하지만, 차량용 PTC 히터를 제작하는 업체는 우리산업㈜, 자화전자 정도이다. 특히 자동차용 저전압 PTC 공기가열 히터, 물 또는 공기가열 고전압 PTC 히터 등 다양한 종류의 차량용 PTC 히터를 전문으로 개발해 생산 공급하는 대표적인 업체는 우리산업㈜이다. 고전압 PTC 히터의 경우 공기 가열식이 주로 개발됐고 최근에 물 가열 방식의 고전압 PTC 히터 관련 연구 및 제품 생산이 이루어지고 있다. 현재 국내의 차량용 PTC 히터의 연구 및 기술개발 방향은 에버스패커(Eberspacher catem)와 매우 유사하게 진행되고 있으며 거의 동일한 제품군으로 경쟁하고 있음을 확인할 수 있다. 에버스패커는 폭스바겐을 비롯한 여러 유럽 자동차 회사의 친환경차에 PTC 히터를 공급하는 회사이다. 우리산업㈜은 현대자동차그룹의 친환경차 모델과 테슬라 모델S와 테슬라 모델X에 사용되는 PTC 히터 부품 전량을 납품하는 등 시장에서 PTC 히터에 대한 기술력과 품질을 인정받고 있다. 우리산업㈜의 PTC 히터 매출 비중에서 약 60%는 미국 전기차향 납품으로, 이는 주로 테슬라향 납품이다. 또한 중국 시장에서는 효감이라는 업체와 JV(조인트벤처) 설립 승인을 기다리고 있다. 우리산업㈜이 생산한 제품은 OEM 형태로 효감에게 공급되고 효감은 이를 완성차업체에 납품하는, 일종의 영업 대행 역할을 하고 있다. JV 설립허가를 받으면 우리산업㈜은 반조립 상태의 저가 제품 단자를 한국 공장에서 생산하고 이를 현지에서 단순 조립해서 중국 시장에 유통할 계획이다.

참고자료

• 양태훈 기자, 〈전기차 훈풍에...우리산업, 올해 흑자 전환 기대〉, 《디일렉》, 2022-03-04
• 사양모아, 〈PTC 히터란? PTC 히터의 원리와 장점〉, 《티스토리》, 2018-11-26
• 〈자동차 PTC 히터〉, 《한국에너지공단》, 2016-02-05
• 지안지산, 〈세라믹 히터와 PTC 히터의 차이점〉, 《티스토리》, 2020-10-17
• 우리산업, 〈전기차에 꼭 필요한 부품 ① 우리산업 - PTC Heater〉, 《증권플러스》, 2017-07-19
• itcarspot, 〈자동차 옵션표에 있는 PTC 히터란 무엇일까? 전기차 히터 구조 및 작동 원리〉, 《itcarspot》

같이 보기

• 냉각수
• 난방기

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