전기차의 수명을 연장하는 기술, 히트펌프 이용한 에너지 하베스팅(energy harvesting) 

미국 스포츠카의 자존심, 쉐보레 콜벳! 최근 미국의 자동차 업체인 제네럴모터스(GM)가 전기차 버전의 콜벳을 개발하고 있다는 소식이 전해졌습니다.

쉐보레에서 발표한 전기차 콜벳 Z06(https://www.youtube.com/watch?v=rVZ_HNDE2MY) © General Motors

전통적인 자동차 회사들이 테슬라와 경쟁하기 위해 미래차 개발에 박차를 가하는 가운데, GM은 전기차 판매에서 테슬라를 추월하기 위해 2025년까지 전기차와 자율주행차에 350억 달러(약 44조 7,650억 원)를 투자할 계획이라고 밝혔습니다.

GM은 ‘얼티엄(Ultium)’ 배터리라는 자체 기술을 보유하고 있는데요, 2019년부터는 LG에너지솔루션과 ‘얼티엄 셀즈(Ultium Cells)’라는 합작 법인을 세워 현재 전기차 배터리 양산을 눈앞에 두고 있습니다.

GM의 새로운 전기차 배터리 플랫폼, ‘얼티엄’. 자동차 기업들이 본격적으로 전기차 시장에 뛰어들면서 독자적인 배터리를 개발하고 있습니다. © General Motors

얼티엄 배터리는 컴팩트한 외형 덕분에 소형부터 대형차까지 차종을 가리지 않고 적용할 수 있으며, 설계상 사용이 끝난 후에도 배터리팩 전체가 아닌 부분 교체를 할 수 있어 비용이 절감된다는 장점이 있습니다.

하지만 무엇보다 이 배터리의 강점은 코발트 함량을 기존에 비해 70%까지 떨어뜨렸다는 점입니다. 코발트는 니켈, 망간과 함께 리튬-이온 배터리의 핵심 원자재로, 공급이 무척 까다로워 배터리 생산 비용을 높이는 요인 중 하나입니다.

한편, 배터리 외에도 전기차의 효율을 개선하는 기술이 있습니다. 바로 ‘히트펌프’인데요.

일단 전기차는 내연기관차보다 운행 시 버려지는 에너지의 양이 훨씬 적습니다. 일반 휘발유 자동차의 경우 발생하는 화학에너지의 약 25%만이 자동차의 실제 주행에 사용되고, 나머지는 ‘폐열’로 전환되어 라디에이터, 배기가스 등을 통해 차량 밖으로 새어 나옵니다. 이러한 열기는 차량 실내공기를 데울 때는 유리하지만, 오히려 차량 속도를 늦추는 원인이 되기도 되지요.

반면 전기차는 배터리로 내는 대부분의 에너지를 실제 주행에 사용하여 전체 효율이 90%에 육박합니다. 그렇다고 해서 전기차에서 폐열이 발생하지 않는 것은 아닌데요, 전기차의 히트펌프 기술은 영리하게도 전기차 특유의 낮은 난방 효율 문제를 배터리와 모터, 인버터 등에서 나오는 폐열을 접목하여 극복합니다.

자동차 히트펌프 시스템의 원리. 주행 중 모터, 인버터 등 구동부에서 발생하는 폐열을 활용해 실내 온도 조절과 배터리 충전에 활용합니다. © Bosch

전기차의 히트펌프는 에어컨과 마찬가지로 냉매의 압축과 응축, 팽창과 증발 원리를 이용합니다. 먼저 전장 부품에서 발생한 폐열이 액상의 냉매를 기화시킵니다. 그리고 기체 상태의 냉매가 압축기를 거쳐 고압 기체가 되면, 이를 다시 응축기로 전달해 액화시킵니다. 이렇게 냉매가 액화하는 과정에서 발생하는 열을 실내 난방에 사용하는 것이지요. 

이처럼 버려지는 에너지를 모아 다시 에너지원으로 쓸 수 있게 하는 기술을 ‘에너지 하베스팅(energy harvesting)’이라고 합니다. 매우 효율적이면서 친환경적이지요?

GM의 보도 자료에 따르면, 얼티엄 플랫폼의 히트펌프는 폐열을 회수하여 저장하는 시스템을 갖추고 있어 내연기관차보다 더 빠르게 실내 온도를 조정할 수 있다고 합니다. 새로운 얼티엄 플랫폼의 구체적인 원리가 아직 공개되지는 않았지만, 전문가들은 GM의 히트펌프가 배터리 효율을 높이기 위해 차량을 적정 온도로 유지하는 방식으로 작동할 것으로 추측하고 있습니다.

차 내부가 더우면 히트펌프가 에어컨처럼 작동해 사람의 체온을 포함한 실내 열기를 끌어낸 다음, 이를 냉각수 시스템에 저장해 배터리팩을 예열(프리컨디셔닝)하고, 반대로 실내가 추울 때는 정반대의 과정을 거치는 것이지요. 만약 차 내부와 배터리가 모두 뜨거우면 펌프는 양쪽의 열을 제거할 것입니다. 마찬가지로 둘 다 차가울 때는 펌프를 배터리 예열에 쓸 수 있습니다. 즉, 히트펌프는 이론적으로 어떤 상황에서든 에너지 효율을 높이는 방향으로 작동할 수 있습니다. 

최근 현대자동차는 개발 중인 대형 전기차 GV90의 차량 실내 공간에 ‘온돌’이 적용될 수 있다고 발표했는데요, 어떤 원리일지 이제 모두 짐작되시지요?

참고: https://cleantechnica.com/2022/05/17/gms-ultium-battery-system-scavenges-waste-heat/

https://m.post.naver.com/viewer/postView.nhn?volumeNo=30447050&memberNo=31245283&vType=VERTICAL

https://post.naver.com/viewer/postView.nhn?volumeNo=31359153&memberNo=21556957&vType=VERTICAL

https://brunch.co.kr/@hmgjournal/155

기아차 EV6 히트펌프 그림: https://auto.v.daum.net/v/20220124111014857

현대차 GV90 온돌: https://www.hankyung.com/car/article/2022051567681