Nikkei Automotive_2021.7 특집 요약 (p36-45)

자동차의 열을 제어한다
분산에서 통합 제어로, 테슬라가 선두

지금까지 뒤에서 자동차를 지원해 온 열관리시스템이 전동화의 물결을 타고 단숨에 전면에 등장했다. 배터리나 모터 등을 최적 온도로 제어하면서 쾌적한 공조를 실현하는 통합형 시스템에 관심이 집중되는 가운데, 조기에 실용화에 성공한 곳이 미국 테슬라다. 독일 폭스바겐도 신세대 전기자동차(EV)에서 열 시스템을 쇄신하는 등의 현명한 열관리 경쟁이 치열해지기 시작했다.

Part 1. 열이야말로 EV의 주역
각 사, ‘통합형’으로 낭비 없이 전부 소진

짧은 항속거리에 긴 충전시간 등 과제가 점점 부각되고 있는 전기자동차(EV). 결점을 해소하는 수단으로서 주목을 받고 있는 것이 통합형 열관리시스템이다. 미국 테슬라가 일찍이 실용화에 성공, 일본과 유럽의 자동차기업이 뒤를 쫓고 있다. 열을 현명하게 관리함으로써 EV의 상품력을 높이기 위한 개발 경쟁이 가속화되고 있다.

테슬라의 일론 머스크 CEO가 EV ‘모델Y’에서 가장 중요한 부품 중 하나로 지목하는 부품이 있다. 자율주행 기능을 관장하는 차량탑재 컴퓨터도, 고용량의 리튬이온 배터리도 아니다.

머스크 CEO가 월등하다고 극찬한 것은, ‘옥토밸브(Octovalve)’라고 부르는 EV 열 관리시스템의 ‘사령탑’이다. 공조나 배터리, 파워트레인, 차량탑재 컴퓨터 등 냉각∙가온이 필요한 부품의 열관리를 통합 제어하는 부품이다. 어느 부품업체의 열기술자는 “이 정도로 복잡하고 똑똑한 시스템은 본 적이 없다”라며 놀란다. 그리고 “비용은 100만 엔 이상이다”라는 말도 덧붙였다

열관리에 대응하지 않으면 EV의 상품 가치를 높일 수 없다. 개발비를 포함해서 막대한 비용을 들여 테슬라가 만든 옥토밸브는 EV 시대의 경쟁 축을 부각시킨다.

엔진차는 파워트레인이나 공조 등 부품 별 열관리로 충분했다. 그러나 열원이 없는 EV는 “모든 부품에서 열을 긁어 모아서 사용하지 않으면, EV의 결점을 해소할 수 없다”(닛산자동차의 EV 기술자). 배터리나 모터 등을 최적 온도로 관리하면서 쾌적한 공조를 실현하는 통합형 열관리시스템이 필요해진다.

-- 이용하지 않는 20%의 배출 열이 ‘성장의 여지’로 --
통합형 열관리시스템으로 해결하려는 EV 과제는 (1) 항속거리의 확보, (2) 충전 시간의 단축, (3) 배터리 열화의 제어다. 이미 문제가 되고 있는 것은 항속거리의 확보다. 특히 겨울에 난방을 사용하면 카탈로그에 나온 수치의 절반으로 항속거리가 줄어드는 경우가 있다. 대용량 배터리를 탑재하면 항속거리는 확보할 수 있지만 비용이 커진다.

해결책으로서 각 사가 주목하는 것이 미사용 열 에너지다. “EV에 투입되는 에너지의 20%는 배출 열로서 버려지고 있다”(덴소). 모터나 인버터 등의 배출 열을 활용함으로써 “항속거리를 4~8% 연장할 수 있다”(독일 보쉬의 기술자).

남은 2개의 과제는 EV가 보급되면서 현재화되고 있다. 두 과제의 공통 해결책은 EV의 중핵 부품인 리튬이온 배터리의 열관리다.

앞으로 350kW와 같은 초급속 충전에 대한 대응이 진행될 것이다. 어려운 것이 발열 대책이다. 배터리는 충전 중에 열을 발산하기 때문에 열화가 가속되는 약 55도를 넘지 않도록 충전 속도를 조정한다. 급속 충전해도 냉각시스템이 불충분하면 배터리가 냉각되기를 기다리는 시간이 늘어나 본말전도가 된다. 배터리 열화 제어는 EV의 수명 연장이나 중고 배터리 재이용 시에 필수다.

이러한 과제를 해결하는 수단으로 통합형 열관리시스템에 주목하는 것은 테슬라만이 아니다. 독일 폭스바겐은 EV 전용 플랫폼 ‘MEB’을 사용하는 ‘ID.3’부터 통합형으로 쇄신했다. ‘폭스바겐판 옥토밸브’라고 할 수 있는 시스템으로, 냉매 유로를 바꾸는 개폐 밸브를 8개 갖추고 있다.

통합형 열관리의 과제는 복잡한 시스템과 큰 비용이다. 옥토밸브처럼 고가면 보급차에 탑재는 어렵다. 부품업체는 25년 무렵의 채용을 전망해서 제안을 가속시킨다. 오랫동안 뒤에서 차량을 지원해 온 ‘열’이 차세대 차량의 상품 가치를 좌우하는 존재로서 전면에 나서게 되었다.

Part 2. 테슬라, 열관리를 OTA 대응으로
열의 사령탑 ‘옥토밸브’의 진가

테슬라가 20년에 차량에 탑재하기 시작한 ‘옥토밸브’. 그 역할은 EV의 열관리시스템의 ‘사령탑’이다. 일단은 복잡한 기구에 눈이 가지만, 옥토밸브의 진가는 자동차를 구입한 후의 진화에 있다. 소프트웨어 시대의 열관리시스템의 존재 방식을 시사하는 중요 부품의 전체상이 가시화됐다.

“이런 부품은 본 적이 없다”. 연간 약 80대의 신형 차량을 분해∙조사하는 벤치마킹업체 프랑스 A2Mac1의 일본법인의 니나가와(蜷川) 매니징 디렉터는 놀라움을 감추지 않는다. 1997년에 창업한 A2Mac1은 900대 이상의 차량을 분해한 경험이 있다. 20년에 분해한 차량에서 나온 부품 가운데 유독 뛰어난 것이 테슬라가 20년에 양산을 시작한 EV ‘모델 Y’에 탑재된 옥토밸브였다.

옥토밸브는 공조나 리튬이온 배터리, 파워트레인, ECU(전자제어유닛) 등 냉각∙가온이 필요한 부품의 열관리의 중핵을 담당하는 부품이다. 모든 냉각∙가온 회로를 옥토밸브와 연결해, 열을 운반하는 물(냉각수)이 흐르는 경로를 조건에 따라서 바꾼다. 모델 Y에 이어 ‘모델 3’도 20년의 부분 개량으로 옥토밸브를 채용했다.

자동차는 일반적으로 공조나 리튬이온 배터리 등 부품 별로 독립적인 냉각∙가온 회로를 갖추고 있다. 모터의 배출 열을 난방에 활용할 수 있도록 회로를 만든 사례로 독일 아우디의 EV ‘e-tron’을 들 수 있다. 그러나 차량의 시스템 전체에서 열을 최적 관리하는 구성은 과거에는 사례가 없었다고 한다.

옥토밸브 내부에는 8개의 유로가 있다. 그 이름이 라틴어로 ‘8’을 의미하는 ‘옥토’에서 유래하는 것은 이 때문이다. 옥토밸브의 내부는 2층 구조로, 각 층은 냉각수를 4방향으로 분배한다. 여기에 연결되는 배관은 9개로, 1개의 배관은 닫힌 상태가 된다. 옥토밸브에는 4개의 포지션(위치)이 있고, 이를 통해 12종류의 가온 모드와 3종류의 냉각 모드를 바꿀 수 있다.

예를 들면, 기온이 낮은 기후에서 주행할 때는 전동 엑셀이나 리튬이온 배터리에서 발생하는 열을 난방으로 전달하도록 한다. 정차해서 급속 충전을 할 때는 배터리가 과열되지 않도록 열을 라디에이터로 보내 외부로 방출한다. 기온이나 각 부품의 온도 상황에 따라 구분해서 사용하는 15종류의 가온∙냉각 모터를 옥토밸브의 위치에 따라서 제어하는 것이다.

중앙집중형인 옥토밸브를 사용한 열관리시스템의 이점 중 하나는 적은 부품 개수다. 모델Y의 열관리시스템을 구성하는 부품은 72개, 질량은 33.1kg이다. 폭스바겐의 EV ‘ID.3’의 부품은 78개, 질량은 42.5kg이므로 이보다도 부품 수가 적고 가볍다.

-- 타사보다 먼저 열관리를 OTA 대응으로 --
그러나 부품 개수의 삭감이 옥토밸브의 본질은 아니다. 진가를 발휘하는 것은 소프트웨어의 원격 업데이트로 성능을 향상시키는 ‘OTA(Over The Air)’와 조합했을 때다.

자동차업체들은 자율주행 기능이나 차량탑재 인포테인먼트 시스템을 OTA에 대응시켜, 차량의 구입 후에도 소프트의 업데이트를 통해 기능을 확장시키는 시스템의 확립을 목표한다.

소프트의 중요성이 높아지는 점에 의심의 여지는 없지만 하드웨어를 경시하는 이유는 되지 못한다. 뛰어난 제어알고리즘을 표현할 수 있는 하드도 역시 차세대 차량에 필수다.

옥토밸브를 통해 알 수 있는 것은 열관리 영역에까지 OTA를 도입하려는 자세다. 타사보다 앞서서 이 영역에 OTA를 도입했다는 점에서 테슬라의 선견성을 볼 수 있다.

테슬라가 모델Y부터 도입한 중앙집중형 열관리시스템은, 그 사령탑인 옥토밸브를 제어하는 ECU를 OTA로 소프트 업데이트해서 기능을 높여 나갈 수 있다. 이에 대해 공조나 파워트레인 등 기능 별로 독립적인 냉각∙가온 회로를 갖추고 있는 기존의 시스템에서는 각 ECU 자체의 업데이트가 필요해진다.

-- ‘낭비가 많은’ 테슬라의 배터리 관리 --
OTA를 통해 업데이트하는 열관리에서 가장 먼저 생각할 수 있는 것은 배터리 관리 시스템이다. 모델Y의 실제 차량을 사용해서 배터리의 냉각 로직을 추정한 결과, 낭비가 많다는 것을 알 수 있었다.

배터리 셀의 온도가 상승해서 48도를 넘으면, 펌프의 유량이 13L/분 정도까지 증가. 이 펌프 유량에서 10분간 냉각수가 돌았지만 배터리 셀의 온도 상승은 멈추지 않았다. 그 후에 유량은 17L/분 정도까지 상승, 15분간 작동을 계속했다. 그 결과, 배터리 셀의 온도는 실험 전보다도 낮은 43도 이하가 되었다. 이 결과를 통해 테슬라의 배터리냉각시스템은 10분이나 15분 단위의 타이머 설정으로 펌프 유량을 제어하고 있을 것으로 추측할 수 있다.

결과 그래프를 보면 펌프 유량이 17L/분 정도의 상태는 5분 정도로 충분했다고 할 수 있다. 지금 현재로서는 배터리의 안전성이나 열화를 생각해서 확실하게 냉각하는 제어알고리즘을 채용한 것으로 보인다. 그러나 필요 없는 에너지 손실이 있었던 것도 사실이다.

테슬라는 아마도 보다 효율적으로 배터리를 냉각하는 제어 알고리즘을 개발하는 대로 OTA를 통해 소프트를 업데이트해 나갈 것이다. 이때 열관리 회로를 옥토밸브로 집약한 이점이 발휘될 것이다.

Part 3. 덴소의 열관리, 2025년에 통합형으로
부품업체의 개발 경쟁

분산에서 통합제어로, 큰 전환기를 맞이하는 EV의 열관리시스템. 일본과 유럽의 대형 자동차업체부터 중국의 신흥 EV 업체까지 모두 열관리에 대응하기 시작했다. 부품업체는 이러한 변화를 좋은 기회로 만들기 위해 새로운 시스템이나 기술 제안을 서두른다. 덴소나 마렐리(Marelli)는 2025년 무렵에 통합형 시스템의 실용화를 목표한다.

“계속 뒤에서 활동했지만 드디어 전면에 나설 기회가 찾아 왔다”(어느 부품업체의 열기술자). 짧은 항속거리나 긴 충전시간 등 부각된 EV의 과제가 ‘기술의 우선 순위’를 점점 바꾸고 있다고 한다. 항상 뒤로 미루었던 열 대책이 EV의 상품력을 좌우하는 중요 부품으로 자리잡기 시작했다.

이러한 변화는 2021년 4월에 열린 ‘상하이 모터쇼 2021’에서도 확실하게 드러났다. 예를 들면 덴소는 EV 전체의 열이나 전력을 통합 관리하는 에너지관리시스템을 전시했다. 독일 말레(Mahle)는 리튬이온 배터리를 냉각하는 금속 플레이트를 비롯한 열대책 기술을 부스에 전시했다. 파워트레인을 통합해서 열 손실이나 배관을 줄이는 대책도 눈에 띄었다. 개별 부품의 부분 최적에서 통합제어로 변화하는 시대의 흐름을 읽고, 부품업체들은 새로운 기술 제안을 가속시킨다.

덴소가 개발 중인 에너지관리시스템은 파워트레인과 배터리, 공조의 열이나 전력을 통합 제어하는 것이다. “3개의 가치를 제공해, 25년 무렵의 실용화를 목표한다”(덴소 열관리시스템 개발부).

제1의 가치가 항속거리의 연장이다. 난방의 열원을 PTC 히터에서 고효율 히트펌프로 변경함으로써 난방을 많이 사용하는 겨울에 거리를 약 30% 연장할 수 있다고 한다. 또한 모터나 인버터의 배출 열을 재이용하면 5% 더 연장할 수 있다고 한다.

제2의 가치는 충전시간의 단축이다. 한 여름에 급속 충전을 해도 (배터리 보호를 위해) 충전이 멈추지 않도록 냉각 성능을 높여 시간을 기존의 1/3로 한다. 냉동 사이클과 연계시킴으로써 냉각 성능을 높이고 냉각 수온을 낮춰, 낮은 수온으로 배터리를 식히는 방법으로 냉각량을 늘린다.

제3의 가치가 배터리 수명의 연장으로, 열화의 원인이 되는 온도 상승과 일정하지 않은 냉각을 억제함으로써 20%의 연장을 목표한다. 배터리 팩은 10~40도의 온도 내에 들어가도록 냉각∙가온한다.

다양한 부품을 연동시켜 열이나 전력을 유효하게 이용하기 위해 덴소는 시스템 설계에 모델베이스개발(MBD)를 적용했다. 열의 움직임을 가시화함으로써 다양한 조건에서의 열 영향을 빠르게 판단할 수 있다. 정상(定常) 상태뿐 아니라 손으로 계산하기 어려웠던 과도적인 열 거동을 파악할 수 있다는 것도 큰 이점이다.

-- 파워트레인 통합에 지도 연계도 --
부품업체 마렐리도 25~26년의 양산을 목표로 통합형 열관리시스템을 개발한다. “배터리와 파워트레인, 실내 공조를 물(냉각수) 회로로 연결하는 시스템으로, 심플한 유로 형성을 중시한다”(마렐리 서멀솔루션 사업본부).

모터나 인버터 등의 배출 열의 이용처로서 마렐리가 생각하는 것이 히트펌프의 성능 유지다. 외부 기온이 낮으면, 대기에서 열을 흡수하는 실외 열교환기의 표면에 서리가 맺혀 난방 성능이 떨어진다. 엔진차는 서리를 녹이기 위해 엔진을 걸기도 하고, EV는 PTC 히터를 추가한다. 그러나 연비나 항속거리, 비용 면에서 영향이 나온다. 마렐리는 파워트레인의 배출 열을 활용해 서리가 맺히지 않는 시스템 구축을 목표한다.

열관리시스템의 간소화를 추진하기 위해 독일 보쉬가 주목한 것이 파워크레인의 가일층의 통합이다. 현재는 모터와 인버터, 감속기를 일체화한 전동 엑셀(e-Axle)이 주류다. 다음 단계로서 DC-DC 컨버터나 차량탑재 충전기 등도 통합하는 움직임이 있다. 냉각용 배관이 줄기 때문에 경량화에 의한 항속거리의 연장이나 배관을 통해 열이 손실되는 것을 줄이는 데 기여한다.

또한 보쉬는 지도 정보와의 연계도 중요하다고 지적한다. 목적은 배터리 온도의 상승 제어로, 급속 충전 시나 언덕길을 주행하기 직전에 배터리를 충분히 식혀 둔다. 앞에서 말한 대로 급속 충전하면 배터리 온도가 높아지면서 도중에 제한이 걸리기 쉽다. 카내비게이션의 루트 정보를 참고로 온도 상승을 예측해서 배터리를 냉각함으로써 충전 시간을 단축하고 열화를 제어한다.

-- ‘액침 배터리 팩’으로 6면을 냉각 --

 -- 끝 --

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