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열관리 시스템의 현재와 미래: 미래 모빌리티 사회와 열관리 기술

한국자동차공학회
2024-12-15
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동차 산업은 환경 보호와 에너지 효율 및 주행 성능 향상을 목표로 빠르게 발전하고 있다. 이를 위한 배기 및 환경 규제를 통해 친환경차 보급과 활용을 위한 광범위한 기술 도입을 통해서 향상 발전된 시스템을 확인할 수 있다. 이 중에서도 열관리 시스템은 모빌리티 뿐만 아니라 에너지 관리 및 운영을 위한 핵심 기술로서 성능 안정성와 시스템 안전성, 효율성을 모두 결정하는 중요한 역할을 담당한다. 본문에서는 자동차 열관리 시스템의 현재 기술을 분석하고 향후 적용될 기술 방향에 대해서 살펴보고자 한다.



열관리 시스템은 왜 중요한가?

자동차 시스템 구성에서 엔진, 배터리, 구동계, 전력계(PE, Power Electric system) 그리고 공조 시스템은 최적 성능이 요구되는 열관리에 민감한 부품들이 많고 이를 위한 외부 공기와 폐열원을 활용한 공랭식과 수냉식 열교환기를 적절히 배치하여 최적의 운영 조건으로 유지하고 있다.


한편, 차량 시스템 환경 및 외부 주행 환경에 따라 운전 성능 향상과 소모 에너지 최소화의 요구가 높아지고 친환경성에 대한 이슈를 만족하고자 기술 발전의 노력을 하고 있다. 이를 위해 대상 부품의 최고 성능을 발휘하고 신뢰/내구성을 확보할 수 있도록 열관리를 보다 정밀하게 제어하고 있다. 특히 EV와 HEV의 보급이 늘어나면서 배터리, 전력 및 구동 계통에 대한 열관리의 중요성이 커지고 있으며 이러한 부품들을 최적 상태로 유지시키는 핵심적인 역할을 담당하고 있다.


열관리 시스템의 최신 기술 동향

● 전기차(EV) 배터리 열관리

전기 에너지를 저장하는 배터리(이차전지)의 경우 온도에 가장 민감하며 성능과 수명이 급격히 저하되거나 안전상 문제가 발생할 수 있다. 이를 해결하기 위해서 액체를 이용한 직접 냉각시스템과 열전달 효율을 높이기 위한 상변환 물질(PCM) 연구를 활발히 진행하고 있으며 독립적 열관리를 위한 스마트 & AI 기술을 적용하고 있다.


● 하이브리드차(HEV) 및 변속기 열관리

고효율/친환경 내연기관(HEV T-GDI, 수소엔진, 암모니아 엔진, 혼소엔진)과 구동 계통 열원을 효과적으로 관리하는 기술이 중요하다. 이를 위해서는 컴팩트한 설계 제약과 다양한 가변 작동 조건과 같은 발열 부품 특성에 맞춘 능동적이고 정밀화된 열관리 기술의 필요성이 대두되고 있다.


이러한 열관리 기술에는 내연기관 온도를 실시간으로 조절할 수 있는 전자식 서모스탯이 필수적으로 적용되며 엔진 블록과 실린더 헤드 등의 구성 요소로는 높은 열전도성과 내구성을 갖춘 소재 및 코팅 기술을 적용하고 있다.


전자식 서모스탯은 내연기관 온도를 보다 효율적으로 관리하여 효율을 극대화하는 역할을 한다. 이 장치는 전자 제어를 통해 다양한 운전 조건에서 최적 온도를 유지함으로써 연료 소비를 줄이고 배출가스 생성을 최소화한다. 또한 높은 열전도성을 갖춘 소재와 코팅 기술은 열을 빠르게 전도, 분산시킴으로써 열적 안정성을 높인다. 실린더 벽면은 고열전도성 합금을 사용하고 특수 세라믹 코팅을 적용하여 열전달 효율을 극대화시켜 내구성 향상과 함께 장기적인 유지 보수 비용을 줄이는 효과를 제공한다.


하이브리드 엔진과 변속기 열관리는 구동 모터 및 배터리 열관리를 포함하며 전력 구동 계통와 유기적으로 통합되어 전체 시스템의 열적 균형을 유지함으로써 차량의 전반적인 성능과 효율을 극대화하는 데 중요한 역할을 한다.


● 열 에너지 폐열회수 기술

전기차(EV) 및 하이브리드차(HEV)에서 폐열 회수 기술은 시스템에서 발생하는 폐열을 회수하고 이를 재활용하여 에너지 효율을 극대화하는 것을 목표로 한다. 이 기술은 배터리 시스템, 구동 시스템, 전장 시스템 등 다양한 부품에서 발생하는 열을 효과적으로 관리, 제어할 수 있도록 시스템을 구성한다. 배터리 시스템 폐열은 수냉식 열교환기 부품을 통해 회수하여 온도를 일정하게 유지한다. 구동 시스템 및 전력 전자 소자에서 발생하는 폐열의 경우 통합 모듈형 수냉식 칠러를 통해 회수되어 적절히 분산, 제어한다. 히트 펌프 시스템은 회수된 폐열을 차량 난방에 재활용하여 E-압축기 소비 전력을 최소화시키고 겨울철 난방 효율을 크게 높인다.


상기 내용으로서 통합형 열관리 시스템(ITMS, Integrated Thermal Management System)은 차량의 다양한 열원을 효과적으로 통합하여 관리 및 운영하는 시스템으로써 주요 기술로는 기능통합형 고효율 열교환기, 스마트 열/온도 센서 및 제어기, 복합열원 히트 펌프 시스템 등이 있다.


열관리 시스템에 대한 새로운 도전

● 극한 환경 대응 실시간 최적 성능 유지

극한 환경에서 실시간으로 최적 성능에 맞춰 빠르게 유지, 제어하도록 고효율 히트펌프, 배터리 열폭주 방지, 고온 내구 소재 기술 적용이 필요하다. 저온 환경에서도 열 회수가 가능한 히트 펌프, 열폭주 방지, 예지하기 위한 독립 배터리팩 냉각 케이스, 더욱 정밀하고 빠른 전자식 액추에이터와 내열 내한 강화 소재 기술을 접목하여 극한 환경에서의 안정성을 도모한다.


● 차량 플랫폼 및 시스템 적용을 위한 경량화

전기차 열관리 시스템의 경량화를 위한 핵심 기술은 동일 성능을 유지하면서 열관리 부품을 통합, 소형화하는 것이다. 펌프, 히터, 밸브, 냉각팬, 라디에이터, 오일 쿨러, 압축기 등 구성품 기능을 통합하고 고강도 복합 소재와 플라스틱을 적용하여 부품의 무게와 크기를 줄이는 기술이 중요하다.


이외 실시간 제어와 최적 운전 모드를 위한 소프트웨어와 AI 기반 예측 유지 보수 기술이 필요하며 열관리 제어 알고리즘은 차량 내 다양한 센서를 통해 최적의 냉각 및 난방 조건을 스스로 설정하고 상태를 예측, 계획함으로써 열관리 시스템의 효율성을 향상시킨다.


글로벌 기술 동향 및 냉매 가스 규제

각국은 친환경차 열관리 시스템에 대한 규제를 강화하고 있다. 특히, 유럽연합(EU)과 미국을 기준으로 크게 차이를 보이며 모두 엄격한 환경 기준을 통해 에너지 효율성과 연비 향상을 목표로 하고 있다.


● 유럽연합(EU)의 F-Gas Regulation PFAS 단계적 법안 규제

유럽연합(EU)은 F-Gas 규정을 통해 고GWP(지구 온난화 지수) 냉매 사용을 점진적으로 제한하고 있다. GWP 150을 초과하는 냉매 사용이 금지되며 차량 공조 시스템에서 주로 사용되던 R134a(R134a, GWP 약 1,300)는 2022년 이후 단계적으로 금지하고 있다. 이에 따라 자동차 제조업체는 GWP가 낮은(≤4) R1234yf와 같은 대체 냉매를 도입하고 있다.


또한, 사용 냉매의 환경 영향을 최소화하기 위해 R744(이산화탄소)와 같은 천연 냉매 사용을 권장하고 있다. R744는 GWP가 1로 매우 낮고 특히 고온 지역에서 우수한 열효율을 보이는 특성을 갖는다. 이러한 노력은 냉매 기술 발전과 더불어 지속 가능한 친환경 냉매 전환을 가속화하고 있다.


● 미국의 저GWP 냉매 사용 EPA 규제

미국은 환경보호국(EPA)의 SNAP 프로그램을 통해 냉매로 사용되는 화학 물질을 규제하고 있다. SNAP은 고GWP(지구 온난화 지수) 냉매를 저GWP 대체 물질로 전환하도록 장려하며 산업계가 친환경 냉매 기술을 채택하도록 유도하고 있다. 또한, CAFE(Corporate Average Fuel Economy) 기준과 연계하여 연료 효율 향상과 배출 가스 감축을 목표로 냉매 사용을 효율적으로 관리하고 있다. 이에 따라 R134a와 같은 HFC 계열 고GWP 냉매의 사용이 점진적으로 줄어들고 있으며 R1234yf와 같은 대체 냉매를 권장하고 있다.


특히, 캘리포니아주는 연방 규제보다 더욱 엄격한 자체 규제를 시행하며 고GWP 냉매 사용을 강력히 제한하고 친환경 냉매로의 전환을 강력히 요구함으로써 환경에 미치는 영향을 줄이고 저GWP 냉매 도입을 촉진하며 냉매 산업의 지속 가능성을 높이고 있다.


기술의 융합과 새로운 가능성

● 스마트 도시와 연결

모빌리티 열관리 시스템이 스마트 도시 에너지 네트워크와 연동되어 차량과 도시 간 에너지 효율을 극대화하는 방식이 연구되고 있다. 차량이 주행하면서 축적한 열 에너지를 스마트 도시의 에너지 인프라에 전달하여 다른 건물이나 시스템에서 사용할 수 있는 방식이다. 스마트 도로와 차량 간 통신을 통해 차량의 열관리 시스템이 실시간으로 조정되며 도심지 온도 제어를 위해 수송 모빌리티의 열관리 시스템을 활용하여 열 에너지를 관리하도록 지원하는 기술은 도시 전체의 에너지 소비를 감소시키는데 기여할 수 있다.


● 차량과의 에너지 공유

차량 간 에너지를 공유하는 방식으로 기술 발전이 가능하다. 열이 과도하게 발생한 차량은 여분의 열을 인근 차량에 전달하여 에너지 효율을 높이는 방식으로써 이는 차량 간의 네트워크를 통해 가능한 기술이며 전기차 충전 중 열관리를 효율적으로 수행하기 위해 사용할 수 있다. 이런 형태의 에너지 공유는 개별 차량의 효율을 넘어 전체 교통 시스템의 효율을 높이는데 기여할 수 있다.


자동차 열관리 기술의 미래

열관리 기술은 단순히 모빌리티 성능을 높이고 유지하는 것을 넘어 에너지 절약과 환경 보호에 기여 가능한 기술이다. 앞으로 전기차와 자율주행차 보급 및 사용률이 증가함에 따라 본 기술의 중요성은 더욱 높아질 것으로 예상한다. 특히, AI 기반 통합 열관리 및 제어 시스템은 미래 자동차 산업을 이끌어갈 핵심 요소가 될 것이다.


모빌리티 열관리 시스템을 통한 교통 체계와 도시 인프라와 연계한 기술 융합은 새로운 에너지 사회로의 가능성을 열어 줄 것으로 판단한다. 열관리 기술은 생각보다 흥미롭고 우리의 삶에 큰 영향을 미친다. 이 기술이 미래에 어떤 모습으로 발전할지 기대한다.


* 출처: 한국자동차공학회 제공, 오토저널 2024년 12월호


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