기존의 히트펌프 에어컨은 저온 환경에서 난방 효율이 낮고 난방 용량이 부족하여 전기 자동차의 적용 범위가 제한적입니다. 따라서 저온 환경에서 히트펌프 에어컨의 성능을 향상시키기 위한 다양한 방법들이 개발 및 적용되어 왔습니다. 전력 배터리와 모터 시스템을 냉각하는 과정에서 발생하는 잔여 열을 재활용하여 저온 환경에서 전기 자동차의 난방 용량을 향상시키는 2차 열교환 회로의 효율적인 증설이가 이루어졌습니다. 실험 결과, 폐열회수 히트펌프 에어컨의 난방 용량이 기존 히트펌프 에어컨에 비해 크게 향상되는 것으로 나타났습니다. 각 열 관리 하위 시스템과 차량 열 관리 시스템의 통합 정도가 높은 폐열회수 히트펌프가 테슬라 모델 Y, 폭스바겐 ID4 CROZZ 등 여러 모델에 적용되었습니다(오른쪽 그림 참조). 그러나 주변 온도가 더 낮고 폐열회수량이 적을 경우, 폐열회수만으로는 저온 환경에서의 난방 용량 수요를 충족할 수 없으며, 이러한 경우에는 PTC 히터를 사용하여 난방 용량 부족을 보완해야 합니다. 하지만 전기 자동차의 열 관리 통합 수준이 점차 향상됨에 따라 모터에서 발생하는 열을 적절히 증가시켜 폐열 회수량을 늘릴 수 있으며, 이를 통해 히트 펌프 시스템의 난방 용량과 COP를 향상시키고, 열교환기 사용을 피할 수 있게 된다.PTC 냉각수 히터/PTC 공기 히터이 기술은 열 관리 시스템의 공간 점유율을 더욱 낮추면서 저온 환경에서도 전기 자동차의 난방 수요를 충족합니다. 배터리와 모터 시스템에서 발생하는 폐열을 회수 및 활용하는 것 외에도, 환기구를 이용하는 것은 저온 환경에서 열 관리 시스템의 에너지 소비를 줄이는 효과적인 방법입니다. 연구 결과에 따르면, 저온 환경에서 환기구 활용을 적절히 조정하면 유리창의 김서림이나 성에 발생을 방지하면서 전기 자동차에 필요한 난방 용량을 46%에서 62%까지 줄일 수 있으며, 난방 에너지 소비량 또한 최대 40%까지 절감할 수 있습니다. 일본 덴소는 이러한 요구에 부응하는 이중층 환기구/신선 공기 구조를 개발하여 김서림을 방지하면서 환기로 인한 열 손실을 30%까지 줄일 수 있었습니다. 이처럼 극한 환경에서의 전기 자동차 열 관리 시스템의 환경 적응성은 점차 향상되고 있으며, 통합 및 친환경화 방향으로 발전하고 있습니다.
고출력 조건에서 배터리의 열 관리 효율을 더욱 향상시키고 열 관리의 복잡성을 줄이기 위해, 냉매를 배터리 팩에 직접 공급하여 열 교환하는 직접 냉각 및 직접 가열 방식의 배터리 온도 제어가 현재 기술 솔루션으로 주목받고 있습니다. 배터리 팩과 냉매 간의 직접 열 교환 방식의 열 관리 구성은 오른쪽 그림과 같습니다. 직접 냉각 기술은 열 교환 효율과 열 교환 속도를 향상시키고, 배터리 내부의 온도 분포를 더욱 균일하게 하며, 2차 루프를 줄이고 시스템의 폐열 회수를 증가시켜 배터리의 온도 제어 성능을 향상시킬 수 있습니다. 그러나 배터리와 냉매 간의 직접 열 교환 기술은 냉각 및 가열 과정에서 히트 펌프 시스템의 작동을 통해 온도를 높여야 하므로, 히트 펌프 시스템의 가동 및 정지에 따라 배터리 온도 제어에 제약이 생기고, 이는 냉매 루프의 성능에 영향을 미칠 수 있습니다. 한편으로는 환절기에 자연 냉방원의 활용을 제한하는 단점도 있으므로, 이 기술은 여전히 추가적인 연구, 개선 및 적용 가능성 평가가 필요합니다.
핵심 구성 요소 연구 진행 상황
전기 자동차 열 관리 시스템(HVCH열펌프 시스템은 주로 전기 압축기, 전자 밸브, 열교환기, 각종 배관 및 액체 저장 탱크 등 여러 구성 요소로 이루어져 있습니다. 그중 압축기, 전자 밸브, 열교환기는 열펌프 시스템의 핵심 부품입니다. 경량 전기 자동차에 대한 수요가 지속적으로 증가하고 시스템 통합 수준이 심화됨에 따라 전기 자동차의 열 관리 부품 또한 경량화, 통합화, 모듈화 방향으로 발전하고 있습니다. 극한 조건에서도 전기 자동차의 활용성을 높이기 위해 극한 조건에서도 정상적으로 작동하고 자동차 열 관리 성능 요구 사항을 충족하는 부품들이 개발 및 적용되고 있습니다.
게시 시간: 2023년 4월 4일
