일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2021.8.27

폭스바겐 EV ‘ID.3’의 철저 분해
폭스바겐 버전의 옥토밸브
8개의 십자 부품이 열관리의 핵심

자세히 들여다 보니 지금까지 본 적이 없는 이상한 십자 모양의 부품이 8개 줄지어 있었다.

독일 폭스바겐의 전기자동차(EV) ‘ID.3’의 분해 프로젝트는, 드디어 ‘본진’을 조사하는 데까지 도달했다. 전동화의 물결을 타고 무대 뒤에서 전면으로 단번에 진출한 열관리 시스템이다. 엔진차와 같은 열원을 갖고 있지 않은 EV에게는 열의 활용이 상품 가치를 좌우한다.

배터리나 모터 등을 최적 온도로 제어하면서 쾌적한 공조를 실현하는 통합형 시스템에 대한 관심이 높아지는 가운데, 미국 테슬라가 선두를 달리고 있다. 공조나 배터리, 파워트레인, 차량탑재 컴퓨터 등 냉각∙가온이 필요한 부품의 열관리를 통합 제어하는 시스템을 ‘모델Y’나 ‘모델3’에 탑재했다. 그 ‘사령탑’ 역할을 담당하는 부품이 ‘옥토밸브’이다.

옥토밸브 내부에는 8개의 유로가 있다. 그 이름이 라틴어로 ‘8’을 뜻하는 ‘옥토’에서 유래한 것은 이 때문이다. 모든 냉각∙가온 회로를 옥토밸브와 연결해, 열을 운반하는 냉각수(쿨런트)가 흐르는 경로를 조건에 따라 전환한다.

옥토밸브로 대표되는 통합형 열관리 시스템으로 해결하고자 하는 EV의 과제는, (1) 항속거리 확보, (2) 충전시간 단축, (3) 배터리 열화 억제의 3가지이다. EV는 엔진차와 달리 특히 열원이 부족하다. (1)의 항속거리 확보를 위해서는 통합형 시스템을 통해 모든 부품에서 열을 끌어 모아 활용할 필요가 있다.

ID.3의 열관리 시스템은 프런트 후드 아래 공간을 점거할 정도로 컸었다. 일찍이 엔진이 자리를 잡았던 장소이다. 자동차 기술의 주역이 교체되는 발소리를 느끼며 분석에 나서기로 했다.

-- '익숙하지 않은' 폭스바겐의 열 시스템 --
ID.3의 열관리 시스템은, 라디에이터 유닛에서 배관된 냉각수를 순환시키는 부분과 냉매를 순환시키는 부분으로 구성되어 있다. “냉각수와 냉매의 배관이 복잡하게 얽혀 있어, 아직 익숙하지 않은 인상이다”(어느 자동차 부품업체의 열 기술자). 실제로 테슬라의 열관리 시스템보다도 배관은 길고, 시스템 전체의 질량으로 비교하면 10kg 가까이 무겁다.

차량에서 꺼낸 ID.3의 열관리 시스템 중 단연 눈길을 끈 것이 첫머리에 소개한 8개의 십자형 부품이었다. 조사한 결과, 냉매의 순환을 제어하기 위한 밸브라는 것을 알았다. 2개씩의 밸브 유닛으로서 집약하고 있었다.

ID.3는 CO₂(R744) 냉매에 의한 히트펌프 시스템을 탑재한다. 이 R744 냉매를 내보내는 히트펌프용 전동 컴프레서나 콘덴서, HVAC(냉난방 공조 장치), 어큐뮬레이터, 그리고 냉매와 냉각수의 열을 융통하기 위한 열교환기(칠러) 등의 각 부품을 8개의 십자 밸브 및 배관으로 연결하고 있었다.

8개의 십자 밸브 중 3개가 고압의 액체 냉매를 증발하기 쉬운 상태로 감압해 유량을 최적화하는 팽창 밸브였다. 남는 5개는 냉매의 유로를 개폐하는 차단 밸브였다. 밸브 유닛은 알루미늄(Al) 합금제 블록재에 유로를 트고, 상부에 배치한 모터의 스테이터와 같은 기구를 갖춘 부품으로 팽창이나 차단을 가능하게 하고 있다.

8개의 밸브 유닛과 전동 컴프레서 등 ID.3의 히트펌프 시스템은 한국 Hanon Systems가 일괄 공급한다. EV 전용의 열관리 시스템은 독일 보쉬나 일본 덴소 등 세계의 메가 공급업체도 제안을 강화하고 있던 영역이다. ID.3의 HMI(Human Machine Interface) 관련 부품은 한국 LG전자가 독점하고 있어, 새로운 경쟁 영역에서 한국 기업의 존재감이 두드러지는 형국이다.

테슬라의 시스템과의 차이는 ‘옥토’ 부품의 배치이다. 폭스바겐의 ID.3는 냉매의 흐름을 제어하기 위해서 8개의 밸브를 사용한다. 한편 테슬라는 옥토밸브로 냉각수를 8개 방향으로 분배함으로써 배터리나 파워트레인, 전자제어유닛(ECU) 등의 온도 관리를 실시한다.

“냉각수 제어라는 관점에서 양자를 비교하면 테슬라가 한 수 위라고 할 수 있다”(어느 자동차 부품업체의 열 기술자). 테슬라는 옥토밸브라는 1개의 부품으로 냉각수를 집중 제어하면서, 각 부품을 최적 온도를 유지할 수 있도록 독립된 유로를 마련하고 있다.

한편 폭스바겐의 ID.3는 복잡하다. 라디에이터로 냉각된 물은 강압용 DC-DC 컨버터에 들어가고, 그 후 혼합 밸브로 배터리팩 측과 모터 측으로 갈라진다. 배터리팩 측에는, 저온 하에서 배터리팩을 보온하기 위한 배터리팩 전용 히터(PTC)를 갖추고 있고, 순환하는 유로도 있다. 모터 측으로는, 우선 차량탑재 충전기로 들어가서 인버터와 모터를 통과한다. 배터리팩에서 라디에이터로 되돌아오는 물은 모터 측의 유로와 합류한다.

이 흐름을 제어하기 위해 혼합 밸브를 2개 탑재했다. 냉각수를 순환시키기 위한 전동 펌프도 2개나 있었다.

냉매와 냉각수에 관한 부품이나 배관이 복잡하게 얽혀 있던 ID.3의 열관리 시스템. 모터나 인버터의 배열을 난방이나 배터리의 온도 조정에 활용하는 등 통합 제어를 통합적으로 관리하고 싶은 폭스바겐의 의지가 반영되어 있었다. 한편, 최초로 강압형 DC-DC 컨버터를 냉각시킨 후, 배터리팩 측과 모터 측에 냉각수를 나누는 등 부품 배치 면에서는 아직 개량의 여지가 있다. 열을 현명하고 저비용으로 관리하기 위한 모색은 계속 될 것 같다.

 -- 끝 --