1. 전기 자동차 열 관리 요구 사항(HVCH)
승객실은 차량 주행 중 운전자가 머무르는 환경 공간입니다. 운전자에게 쾌적한 운전 환경을 제공하기 위해서는 승객실 열 관리 시스템을 통해 차량 내부 환경의 온도, 습도, 그리고 공기 공급 온도를 제어해야 합니다. 표 1은 다양한 조건에서의 승객실 열 관리 요구 사항을 보여줍니다.
전기차의 효율적이고 안전한 운행을 위해서는 전력 배터리의 온도 제어가 매우 중요합니다. 온도가 너무 높으면 액상 누출이나 자연 발화가 발생하여 주행 안전에 악영향을 미치고, 온도가 너무 낮으면 배터리의 충방전 용량이 일정 수준 저하됩니다. 리튬 배터리는 높은 에너지 밀도와 가벼운 무게 덕분에 전기차에 가장 널리 사용되는 전력 배터리입니다. 표 2는 문헌을 참고하여 추정한 리튬 배터리의 온도 제어 요구 사항과 다양한 조건에서의 배터리 열 부하를 보여줍니다. 전력 배터리의 에너지 밀도가 점차 증가하고, 작동 환경의 온도 범위가 확대되며, 고속 충전 속도가 향상됨에 따라 열 관리 시스템에서 전력 배터리 온도 제어의 중요성이 더욱 커지고 있습니다. 이는 다양한 주행 조건과 충방전 모드에 대응하기 위한 필수적인 요소입니다. 차량의 작동 조건에 따른 온도 제어 부하 변화, 배터리 팩 간 온도 분포의 균일성, 열폭주 방지 및 제어는 물론, 극한의 추위, 고온다습한 지역, 무더운 여름, 추운 겨울 등 다양한 환경 조건에서의 모든 온도 제어 요구 사항을 충족해야 합니다.
2. 1단계 PTC 가열
전기 자동차 산업화 초기 단계에서 핵심 기술은 기본적으로 배터리, 모터 및 기타 동력 시스템의 교체를 기반으로 점진적으로 개선되어 왔습니다. 순수 전기 자동차의 에어컨과 연료 자동차의 에어컨은 모두 증기 압축 사이클을 통해 냉방 기능을 구현합니다. 두 시스템의 차이점은 연료 자동차의 에어컨 압축기는 벨트를 통해 엔진에 의해 간접적으로 구동되는 반면, 순수 전기 자동차는 전기 구동 압축기를 직접 사용하여 냉방 사이클을 구동한다는 것입니다. 연료 자동차는 겨울철 난방 시 엔진의 폐열을 추가 열원 없이 직접 사용하여 승객실을 난방합니다. 그러나 순수 전기 자동차의 모터 폐열은 겨울철 난방 수요를 충족할 수 없습니다. 따라서 겨울철 난방은 순수 전기 자동차가 해결해야 할 과제입니다. PTC(Positive Temperature Coefficient) 히터는 PTC 세라믹 발열체와 알루미늄 튜브로 구성됩니다.PTC 냉각수 히터/PTC 공기 히터증기압축냉동사이클은 열저항이 작고 열전달 효율이 높은 장점을 가지고 있어 연료 자동차의 차체 하부에 사용됩니다. 따라서 초기 전기 자동차는 승객실의 열 관리를 위해 증기압축냉동사이클 냉동 방식과 PTC 가열 방식을 결합했습니다.
2.1 2단계에서의 열펌프 기술 적용
실제 주행 환경에서 전기차는 겨울철 난방에 많은 에너지를 소비합니다. 열역학적 관점에서 PTC 난방의 성능 계수(COP)는 항상 1보다 작기 때문에 전력 소비가 높고 에너지 이용률이 낮아 전기차의 주행 거리를 심각하게 제한합니다. 히트펌프 기술은 증기 압축 사이클을 이용하여 주변의 저온 열을 활용하며, 이론적인 난방 시 COP는 1보다 큽니다. 따라서 PTC 대신 히트펌프 시스템을 사용하면 난방 조건에서 전기차의 주행 거리를 늘릴 수 있습니다. 파워 배터리의 용량과 출력이 향상됨에 따라 파워 배터리 작동 중 열 부하도 점차 증가하고 있습니다. 기존의 공랭식 구조로는 파워 배터리의 온도 제어 요구 사항을 충족할 수 없으므로 액체 냉각이 배터리 온도 제어의 주요 방식으로 자리 잡았습니다. 또한 인체가 쾌적하게 느끼는 온도는 파워 배터리가 정상적으로 작동하는 온도와 유사하므로, 실내 히트펌프 시스템에서 열교환기를 병렬로 연결하면 실내와 파워 배터리의 냉방 요구 사항을 동시에 충족할 수 있습니다. 전력 배터리의 열은 열교환기와 2차 냉각을 통해 간접적으로 제거되며, 이를 통해 전기차 열 관리 시스템의 통합 수준이 향상되었습니다. 그러나 통합 수준이 향상되었음에도 불구하고, 현재 단계의 열 관리 시스템은 배터리와 승객실의 냉각만을 단순히 통합한 수준에 그치고 있으며, 배터리와 모터의 폐열을 효과적으로 활용하지 못하고 있습니다.
게시 시간: 2023년 4월 4일
