[CFD] 전기자동차 통합열관리의 중요성_2019

전기자동차 통합열관리의 중요성 칼럼에 관해 요약한다. 

연도 : 2019

저자 : 김민수

출간 : auto journal_전문가 칼럼 

 

  : 요구사항

  : 추세, 방향성  

  : 설명

---

엔진과 변속기로 대표되는 파워 트레인을 가진 내연기관 

vs 

모터, 전력변환장치, 배터리가 그 역할을 분담하여 동력발생, 변환, 저장하는 순수전기자동차

---

 전기 동력 전달시스템에서의 발열은 대부분 전류의 흐름에 의해 발생한다. 

-전력변환장치: 절연 게이트 바이폴라 트렌지스터 (IGBT, insulated Gate Bipolar Transistor)와 다이오드에서 국소 발열

-모터와 배터리 : 각각 구성품의 전체에서 전반적으로 열 발생

  --> 각 부품은 서로 상이한 비열, 밀도, 부피, 열저항 특성, 관리 온도 모두 다르다. 

 

 최근 전기자동차 주행거리 증대와 동력 성능의 향상으로 인해 주요 부품에서의 발열량 증가 추세

 열 관리를 위해 기존 공냉식에서 수냉각방식으로 열관리 시스템이 변경되어 가는 추세

 

 모든 구성품들은 적절한 온도유지를 위해 능동열관리(Active thermal management)가 요구됨

 

 각 부품들의 냉각시스템을 독립적 구성할 수도 있지만, 시스템의 가격, 무게, 크기 그리고 냉각성능을 모두 만족시키기 위해 각각의 독립적 열관리 시스템이 아닌 통합적으로 개발되고 있는 추세

 

 리튬-이온 배터리의 경우, 적정 운영온도가 20~40도이며, 여름철 배터리 온도를 외기온도보다 낮게 유지하기 위해 차량 실내 냉방을 위한 냉동 사이클과의 결합이 필수적으로 요구됨.

 

 파워트레인 수냉각시스템과 실내공조 그리고 배터리 열관리 시스템이 모두 열적으로 결합되어 있으며 열관리 대상의 온도를 적절하게 제어하기 위해서는 통합열관리 시스템의 적용이 요구됨.

 

 실내공조시스템 (HVAC)은 기술적 한계와 환경규제를 극복해야 한다. 

 전기자동차의 경우, 엔진 열원이 없어 겨울철 실내공간 난방을 위해 저항(PTC, Positive Temperature Coefficient) 히터를 이용하여 전기에너지를 열에너지로 변환하여 실내에 공급한다.

 

 PTC를 이용한 난방방식은 1회 충전주행가능거리를 줄이므로 전기자동차의 상품성을 저해시킬 수 있다.

 따라서 히트펌프(Heat Pump)와의 연동이 필수적이다. 

 

 히트펌프는 입력된 일에너지와 실외 공기열원으로부터 열에너지를 흡수하여 함께 실내에 공급하기 때문에 난방에 필요한 전기에너지 소모를 줄일 수 있다. 

 

 하지만, 히트펌프의 단점이 있다.

- 외기온도가 낮을 경우 충분한 난방용량을 확보하지 못할 수 있다. 

- 외기온도가 낮고 상대습도가 높은 경우, 외부 열교환기 표면에 성에(frost)가 착상하여 시스템 효율이 감소될 수 있다. 

 

 이를 극복하기 위해 기상냉매 중간주입(Vapor injection) 히트펌프 기술이 주목받는다.

 기상냉매 중간주입 히트펌프 기술이란, 겨울철 낮은 외기온도로 인해 냉매의 비체적이 감소하여 냉매의 유량이 저감되는 것을 보완하고자 압축기를 지난 뒤 응축기 출구에서 인위적으로 이상유동을 발생시키고 그 중 기상냉매를 압축기의 중간에 직접 주입하여 냉매 유량을 확보하고, 이를 통해 난방용량을 증대시키는 기술이다. 

 

 구성품에서의 발열량은 더욱 증대될 것이다. 

 열관리를 위해서는 기존의 냉각시스템(수냉각)이 아닌 유냉각(oil-cooling) 또는 증발 냉각 (boiling-cooling) 방식이 적용될 가능성이 높다.

 자율주행화에 따라 관련 기능을 수행하는 전자품(예 : LIDAR, RADAR 등)이 열관리 대상에 추가될 것이다.

 

 앞으로의 전기자동차 열관리는 수냉각시스템, 유냉각시스템, 증발냉각시스템과 HVAC의 열적 결합이 보다 강화된 통합열관리시스템으로 계속 발전될 것이다.