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[오토저널] 자동차공학에서의 열 관리 기술

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글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2020-09-02 12:20:37

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자동차의 상품성을 결정하는 요인에는 성능, 연비, 안전성, 내구성, 친환경성, 편의성, 디자인 등 다양한 인자 등이 있는데 시대적 요구에 따라 그 중요도를 달리하며 소비자들에게 인식되어 왔다. 전 세계적인 지구 온난화와 화석연료 사용에 의한 대기 오염 문제 등이 최근 들어 더욱 심각한 문제로 대두됨에 따라 자동차 산업에서도 이런 경향에 능동적으로 대응하기 위해 CO2 배출 감소(친환경성)와 자동차의 연비 향상과 관련된 다양한 기술을 개발 적용하기 위한 지속적인 노력을 진행해 오고 있다.

자동차는 다양한 동력원으로부터 에너지 공급을 받아 작동되는 장치로 동력 발생시의 효율과 차량 작동 시 효율이 CO2 배출과 연비에 직접 영향을 미친다. 즉 효율 개선이 가장 중요한 과제이다. 내연기관의 경우 최대 효율은 카르노 사이클에 의해 제한을 받는데 효율 증대를 위해서는 작동시 발생되는 손실(배기, 냉각, 마찰 손실 등)을 가급적 줄이는 것이 가장 합리적인 방법으로 파악되고 있다.

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그림 1은 새시 동력계에서 시험된 내연기관 자동차의 연료 에너지 소비 분포와 연료 가용 에너지 분포를 비교하여 나타낸 것이다. 열역학 제2법칙에 의한 분석에서 배기가스의 가용 에너지가 제동 일과 거의 같은 비율을 차지함을 알 수 있는데, 이는 엔진에서 배출되는 배기가스에 엔진의 전체 효율을 높일 수 있는 충분한 가용 에너지가 존재함을 나타내는 것이다.

즉, 내연기관 자동차에서는 배기가스로 방출되는 에너지를 회수하여 이를 히팅 혹은 기계적, 전기적인 일을 생성하는 데 사용한다면 효율 및 연비 향상에 효과적인 방안이 됨을 의미한다. 따라서 최근 들어 엔진의 배기열 회수와 관련된 다양한 기술들이 개발되고 있는데 터보 컴파운딩(Turbo�compounding), 랜킨 사이클(Rankine Cycle), 유기 랜킨 사이클(ORC, Organic Rankine Cycle), 열전 발전 모듈(TEG, Thermoelectric Generator) 등이 그 대표적인 예이다.

배기열 회수와 관련 기술들은 각기 장·단점을 갖고 있어 효과적인 적용이 필요하며 각 기술들이 적용될 경우 엔진의 성능, 효율, 배기 특성 측면의 효과 분석이 체계적으로 이루어진다면 내연기관 자동차의 에너지 효율을 최대화하는데 기여할 수 있다.

자동차 동력원으로는 전통적인 내연기관과 더불어 최근 전동화 추세에 따라 전기 에너지가 많은 관심의 대상이 되고 있다. 다양한 종류의 전기동력자동차(HEV(Hybrid Electric Vehicle), BEV(Battery Electric Vehicle), FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle))에 전기에너지가 주요 혹은 보조 동력원으로 이용되고 있다. 전기동력자동차의 효율은 각 자동차의 특성에 따라 다소간 차이는 존재하지만 공급된 전기 에너지를 얼마나 효과적으로 자동차의 작동 및 상품성 향상에 활용하느냐의 문제로 귀결된다.

전기동력자동차의 주요 동력원에는 배터리, 연료전지 스택 등이 있는데 전기화학 반응에 의해 자동차에 전기를 공급하는 장치이다. 특히 배터리의 경우는 충전이 필수적이고 연료전지 스택은 수소를 연료로 공급해 주어야 하므로 전기동력자동차의 효율은 관련 인프라가 성숙되지 못한 상태에서 일 충전 주행거리와도 밀접한 관계를 가지게 된다. 이 장치들의 성능을 향상시키기 위해서는 재료 및 화학 측면(촉매, 전극, 막 등)의 다양한 기술들과 더불어 작동 시 시스템 차원의 열(냉각, 가열) 관리가 매우 중요하므로 관련 기술 연구 개발이 활발히 진행되고 있다.

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그림 2는 전기자동차 배터리 시스템에 적용되는 다양한 냉각 방법을 정리하여 나타낸 것이다. 공기 냉각, 액체 냉각, 냉매를 이용한 냉각, 상변화 물질(PCM, Phase Change Material) 혹은 히트 파이프(Heat Pipe)를 적용한 다양한 냉각 방법이 적용되고 있음을 알 수 있다.

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그림 3은 바람직한 배터리 시스템 열 관리를 위한 주요 기술 내용과 방향을 정리한 것이다. 또 하나는 이들 동력원을 이용하여 자동차를 구동하는 것 이외에 냉·난방, 공조, 냉각 장치 등 다양한 부가 장치들을 작동시켜야 하는 것이다. 내연기관에서 이용 가능한 배기열과 달리 전기에너지를 이용하여 장치를 작동시켜야 하므로 장치의 효율적인 작동이 전기자동차의 연비(전비)와 일 충전거리에 직접적인 영향을 미치므로 열 관리 기술을 적용한 전기동력자동차의 에너지 관리 기술 개발은 내연기관 자동차와 비교할 때 보다 필수불가결한 것임을 알 수 있다. 따라서 이의 구현을 위하여 냉·난방, 공조, 냉각 장치 관련 열공학, 유체공학 기반 기술들이 전기동력자동차의 도입이 활발해지면서 자동차 분야에 본격적으로 응용되는 추세이다. 

이런 기술이 자동차 분야에 적용될 경우 자동차의 작동 상태, 주행 조건, 외부 작동 환경 등이 상호 복합적으로 반영되어 그 효과가 나타난다. 따라서 이를 제대로 분석, 나아가서 예측하여 자동차에 적용하기 위해서는 차량 내 에너지 관련 시스템을 모두 포함한 통합 열관리 개념의 분석 및 시험 연구가 진행되어야 한다.

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최근 전기동력자동차의 통합 열관리 연구가 다양한 연구기관에서 적극적으로 진행되고 있는데 그림 4는 전기자동차의 통합 열관리 시스템 예를 나타내고 있다. 계절에 따른 작동 모드가 고려된 통합 열 관리 시스템의 구성을 포함되어 있음을 알 수 있다.

위와 같이 자동차에서의 열 관리 기술의 필요성에 대하여 간략히 소개된 바와 같이 열 관리 기술은 내연기관 자동차 및 전기동력자동차의 효율을 개선하는 데 핵심적인 역할을 한다. 열 관리 기술의 발전은 내연기관 자동차에서는 부가 동력을 저감하여 엔진, 변속기, 공조 장치 등을 보다 효율적인 작동을 가능하게 해 준다.

전기동력자동차의 경우 열 관리 기술 적용의 장점은 전기로 주행하는 거리를 증대시키고, 충전 횟수를 단축하고 모터나 배터리 등 동력 시스템의 가격, 부피, 질량 등을 효과적으로 저감할 수 있도록 하는 데 큰 가치가 있다. 그리고, 이런 에너지 절감의 효과와 더불어 승객 편의성을 개선하는 데 함께 적용되면 소비자에게도 좋은 인상을 줄 수 있다는 점도 함께 부가된다.

자동차 제작사에서는 다양한 종류의 열 관리 기술을 시판되는 자동차에 접목시키기 위한 노력을 진행하고 있는데 열 관리 기술이 자동차에 상용화되기 위해서는 기술 자체의 우수성도 중요하지만 기술적인 성숙도와 시장에의 파급 효과도 중요하다. 이와 같이 열 관리 기술을 다각도로 평가할 방향이 필요한데 표 1은 자동차 열 관리 기술에 대한 상용화와 기술 관점에서의 평가 결과를 제시한다.

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표 1에 제시된 평가 관점은 5개의 특성(효용성, 구현 가능성, 시장 파급도 장기 개발 비용, 기술적 성숙도)을 반영하여 이루어졌는데, 여기에 제시된 열 관리 기술들이 앞으로 시장에 판매될 자동차에 채택되어 표준이 될 가능성이 높을 것임을 시사한다.

본 고에서는 자동차에서 적용되는 열 관리 기술의 필요성과 의미를 최근 가장 주목받는 자동차의 상품성 중 친환경성, 연비와 관련된 효율 측면에서 간략히 살펴보았다. 자동차 열 관리 기술이 다양한 시스템 최적화 기술, 인공지능 기술 등과 접목되어 체계적으로 개발되어 적용된다면 자동차의 효율 및 승객 편의성을 효과적으로 향상시킬 수 있는 기술적 대안이 될 것으로 생각된다. 아울러 기술의 성숙도, 시장 파급성, 비용 대비 CO2 저감, 비용 대비 연비 저감 효과 등에 대한 종합적인 분석 연구 등도 기술 자체의 개발 못지않게 자동차 산업에서 열 관리 기술의 상용화를 위해서는 중요한 과제임도 알 수 있다.

글 / 김한상 (서울과학기술대학교)
출처 / 오토저널 2020년 3월호 (http://www.ksae.org)  
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