아침 저녁 제법 쌀쌀한 날씨에도 한 낮에는 여름을 방불케 하는 뜨거운 햇살로 운전중 에어컨을 켜는 일이 많아졌습니다. 자동차는 HVAC라고 불리는 냉ㆍ난방시스템을 갖추고 있는데 공조장치라고 부릅니다.
내연기관차 공조시스템은 난방과 냉방을 위한 여러 가지 장치로 구성돼 있어 에어컨을 많이 사용하는 여름철 엔진부하가 커져 연비가 떨어집니다. 전기차도 공조시스템이 고전압 배터리를 사용하기 때문에 추운 겨울은 물론 무더운 여름철 배터리 성능, 특히 주행거리에 많은 영향을 끼치게 됩니다.
특히 전기차 HVAC 시스템은 내연기관차와 동일한 냉방장치를 사용하지만 엔진과 같은 열원이 없어 추운 날씨에도 난방장치 대신 냉방장치를 사용합니다. 이러한 시스템을 히트펌프(Heat Pump)라고 하는데 에어컨의 작동원리와 반대로 에어컨 컴프레서를 구동시켜 압축된 뜨거운 열을 실외(라디에이터)가 아닌 실내에 내보내고 증발 잠열을 차량 외부로 방출합니다.
즉 에어컨 냉매의 순환경로를 변경해 고온, 고압의 냉매를 내연기관차의 엔진 열처럼 열원으로 사용하는 것이지요. 일부 전기차의 경우 히트펌프 대신 PTC 히터라는 전기난로를 사용기도 합니다. 전기차 HAVC 시스템은 내연기관차와 비슷하지만 훨씬 복잡한 시스템과 정밀한 온도제어가 필수적이라 할 수 있습니다.
예를 들면, 운전자들은 자동차 실내온도가 약 20℃ 전후일 때 가장 쾌적함을 느끼지만 전기차 전기모터는 최적의 성능을 발휘하기 위해선 약 80℃ 미만으로 유지해야 합니다. 또한 인버터나 충전시스템의 경우 120℃ 미만, 고전압 배터리의 경우 10~40℃에서 작동해야 합니다.
따라서 전기차 HVAC 시스템은 배터리시스템과 전기구동시스템의 냉각과 실내난방을 위해 3개의 냉난방시스템이 각각 또는 서로 유기적으로 제어되고 있습니다. 전기차 배터리는 배터리온도가 40°C 이상 올라갈 경우 배터리성능이 급격하게 저하되기 시작하므로 배터리 전용냉각수와 냉각팬 등으로 배터리 온도를 적절하게 냉각시켜야 합니다.
반대로 배터리가 너무 차가워지면 주행거리가 줄어들지요. 또한 차량을 주행하지 않을 때에도 배터리를 따뜻하게 유지해야 최적의 성능을 발휘할 수 있습니다. 따라서 배터리 관리시스템(BMS)이 각각의 배터리 셀마다 온도와 전압을 개별적으로 모니터링하고 있습니다.
또한 배터리 등 전기차 시스템의 정밀한 온도측정은 차량의 효율적인 운행을 위해서만 필요한 것이 아닙니다. 이는 안전과도 연결된 문제이기도 합니다. 전기차의 경우 시스템 특성상 열이 발생하는 것이 불가피한데요. 이러한 열을 제대로. 관리하지 않으면 축적된 열이 잠재적인 안전위험이 될 수 있기 때문입니다.
이 때문에 최근 자동차 회사들은 배터리의 성능저하를 최소화해 전기차의 주행거리를 늘리면서도 효율적인 냉난방을 위해 점점 최첨단 센서와 액추에이터를 기반으로 한 정교한 냉난방 및 공조시스템을 설계하고 있는 추세입니다.
최근 미국에서 열린 미국자동차공학회 세계 총회(WCX 2023)에서 캐나다 스타트기업은 기존 전기차의 HVAC 시스템보다 20배나 적은 전력으로 윈드실드의 성애 및 김서림을 제거하는 기술을 선보이기도 했습니다.
이 기술은 Low-e라고 불리는 저방사율의 윈드실드 유리로 은이나 불소 등이 도포된 주석산화물(FTO)이 유리표면에 전도성 투명층을 형성하고 있는 것이 특징입니다. 여기에 아주 미세한 전기를 흘려 일반적인 열선 유리처럼 열을 발생시킴으로써 성애나 김서림을 제거하는 기술입니다.
테스트 결과에 의하면 일반적인 HVAC 시스템이 성애를 제거하는데 20~25분 걸리는데 반해 이 시스템은 50~75초면 충분하다고 합니다. 이를 통해 혹한기에 전기차의 주행거리를 평균 38km까지 늘릴 수 있을 뿐 아니라 5.5kWh의 전기를 절약할 수 있다는 것이 회사 측이 설명입니다.
이렇게 전기차는 일반적인 시스템은 물론 공조장치를 작동하는 과정에서 단 1kWh의 전기라도 절약하기 위해서 다양한 기술을 사용하고 있습니다.