허윤구
(Yun Gu Heo)
1
제갈승현
(Seung Hyun Jegal)
1
김성철
(Sung Chul Kim)
2,†
-
영남대학교 공과대학 기계공학과 석사과정
(Master’s course student, School of Mechanical Engineering, Yeungnam University, Gyeongsan,
38541, Korea)
-
영남대학교 공과대학 기계공학부 교수
(Professor, School of Mechanical Engineering, Yeungnam University, Gyeongsan, 38541,
Korea)
Copyright © Society of Air-Conditioning and Refrigeration Engineers of Korea
키워드
전기 자동차, 간접 히트펌프, 과불화화합물, 프로판, 증기 분사
Key words
Electric vehicle, IDS-HP; Indirect heat pump, PFAS, R290, Vapor-Injection
기호설명
COP：
Coefficient of performance, 성적계수 [W/W]
Qhp：
Heating capacity, 난방 용량 [W]
ρair：
Air density, 공기 밀도 [W/(m2․K)]
Tair：
Indoor air temperature, 실내 공기 온도 [℃]
CTD：
Cycle total distance, 주행거리 [km]
CTT：
Cycle total time, 주행시간 [h]
Wtraction：
Average traction work, 주행 소비동력 [kW]
Cp：
Specific heat as constant pressure, 정압비열 [J/(kg․K)]
$\dot{V}_{air}$：
Air volumetric flow rate, 공기체적유량 [m3/h]
Wcomp：
Compressor power consumption, 압축기 소비동력 [W]
BC：
Battery capacity, 배터리 용량 [kWh]
1. 서 론
유럽화학물질청(ECHA)의 2025년 업데이트된 제안서에 따르면, PFAS 화합물에 대한 광범위한 사용 및 배출 제한 논의가 본격화되고 있다(1). 특히 기존 냉매인 HFO-1234yf가 대기 누출 시 분해되어 생성되는 PFAS 물질 중 하나인 TFA는 수계에 잔류할 뿐만 아니라, 최종적으로
인체에 유입되어 생식 및 간 독성을 유발하는 등 건강 위해성이 보고되었다(2). 이러한 환경 및 보건적 규제에 대응하기 위해 GWP가 3(3)에 불과한 친환경 자연 냉매 R290이 차량용 열관리 시스템의 유력한 대체 냉매로서 대두되고 있다. 그러나 R290은 A3 등급의 고가연성 물질이므로,
승객의 안전을 확보하기 위해 실내 공기와 냉매가 직접 열교환하는 방식은 배제되어야 하며, 물-에틸렌글리콜을 중간 열전달 매개체로 활용하는 간접 히트펌프
시스템(Indirect Heat Pump System, IDS) 채택이 필수적이다. 이러한 간접식 구조는 냉매가 실내와 직접적인 열교환을 하지 않아
안전성 측면에서 장점을 가진다.
최근 연구에서는 전기차 캐빈 난방을 위한 R290 기반 간접식 히트펌프 시스템의 적용 가능성이 점차 구체적으로 검토되고 있다. Kwon et al.(4)은 직접식 R1234yf 히트펌프와 간접식 R1234yf 및 R290 히트펌프 시스템을 비교하여, R290 간접식 시스템이 가연성 냉매 사용으로 인한
안전 문제를 고려할 때 현실적인 대안이 될 수 있으며 저온 조건에서도 경쟁력 있는 난방 성능을 확보할 수 있음을 보고하였다. 또한 Khader et
al.(5)의 해석 연구에서도 R290 기반 히트펌프는 R1234yf 대비 극저온 환경에서 더 높은 난방 용량과 시스템 효율을 나타낼 수 있음이 보고되었다.
한편 Vapor-Injection 기술은 저온 환경에서 히트펌프의 난방 성능을 향상시키기 위한 유망한 방법으로 활발히 연구되고 있다. Kim et
al.(6)은 전기차용 R134a 히트펌프에 내부 열교환기 기반 Vapor-Injection을 적용한 실험을 통해 Non-VI 시스템 대비 난방 용량 증가 및
COP 향상 효과를 보고하였으며, Yang et al.(7)은 전기차용 R290 Vapor-Injection 히트펌프 시스템 실험을 통해 저온 조건에서 난방 성능 향상과 시스템 안정성 개선 효과를 보고하였으며,
R290 기반 간접 히트펌프에 VI를 적용한 실험 연구에서도 저온 환경에서 난방 성능이 향상될 수 있음이 Wang et al.(8)의 실험 연구를 통해 확인되었다.
그러나 기존 연구들은 주로 R290 간접식 시스템의 성능 평가 또는 VI 적용 시스템의 성능 비교에 초점을 두고 있으며, 성능 타당성이 제시된 R290
IDS Baseline 시스템을 기반으로 VI 사이클을 개념적으로 확장 적용하여 그 성능 향상 가능성과 시스템 거동을 분석한 연구는 제한적인 상황이다.
특히 R290 IDS 시스템은 안전 확보를 위해 간접 히트펌프 구조를 채택해야 하므로 열교환 단계 증가와 추가 동력으로 인해 시스템 효율이 저하될
가능성이 있다.(4) 따라서 극한 저온 환경에서 요구되는 난방 성능을 확보하기 위해서는 간접식 구조의 성능 불이익을 보완할 수 있는 사이클 보강 기술의 적용 가능성을
함께 검토할 필요가 있다.
이에 본 연구에서는 GT-SUITE 기반의 1D 모델링을 통해 R290 IDS-HP 시스템을 구축하고, 문헌에서 성능 타당성이 제시된 Baseline
시스템을 기반으로 Vapor-Injection이 적용된 개념적 히트펌프 모델을 확장 구현하여, 극한 저온 조건에서 VI 적용에 따른 상대 성능 변화와
주요 성능 지표의 거동을 분석하고자 한다. 이를 통해 향후 R290 기반 전기차 히트펌프 시스템의 설계 및 실험 연구를 위한 기초 자료를 제공하고자
한다.
2. 연구방법
본 연구에서는 PFAS 규제 강화에 대응하기 위한 R290 기반 간접식 히트펌프(IDS-HP)의 타당성을 검토하고자, 차량용 열관리 해석에 최적화된
1D 시뮬레이션 소프트웨어인 GT-SUITE를 활용하여 냉매 종류 및 시스템 구조에 따른 비교 연구를 수행하였다. 우선 대조군으로서 현재 업계 표준인
R1234yf 시스템을 직접식(DS)과 간접식(IDS)으로 각각 구현하여 시스템 구조 변경이 성능에 미치는 영향을 파악하였으며, 이와 동시에 차세대
냉매인 R290 시스템을 간접식 구조로 설계하고 해당 시스템에 대해 Vapor-Injection(VI) 기술 적용 유무에 따른 성능 특성을 분석하였다.
모든 시뮬레이션은 실내 온도 20°C, 압축기 회전수 2,700 rpm의 동일 조건에서 수행되었으며, 외기 온도를 독립 변수로 설정하여 냉매 질량유량,
난방 용량 및 COP를 산출함으로써 기존 R1234yf 시스템 대비 R290 및 VI 적용 시스템의 효율 향상 효과를 정량적으로 분석하고 평가하였다.
3. 시뮬레이션 모델링
3.1 Heat pump 모델링 구성
3.1.1 Non-VI heat pump 모델링
본 연구에서 구축한 직접식(Direct System, DS) 및 간접식(Indirect System, IDS) 히트펌프 시스템의 구성도는 Fig. 1과 같다. 복잡한 유체 회로의 시인성을 높이기 위해 각 루프별로 색상을 구분하여 정의하였다. 파란색 선은 실외 공기 루프, 분홍색 선은 냉매 사이클을
나타내며, 빨간색 선은 냉각수(Water/EG)가 순환하는 이차 루프(Secondary loop)를, 살구색 선은 실내 공조용 공기 라인을 의미한다.
Fig. 1(a)의 DS 모델은 냉매가 실내외 열교환기와 직접 열을 교환하는 기본 사이클인 반면, Fig. 1(b)의 IDS 모델은 냉매와 냉각수 간의 열교환을 위한 판형 열교환기(PHX)가 추가된 형태이다. 시뮬레이션 모델의 정확도를 확보하기 위해 Table 1과 같이 실제 차량용 부품의 상세 제원을 바탕으로 각 컴포넌트를 모델링하였다. 특히 압축기와 열교환기는 프로그램에서 제공하는 성능 맵 및 기하학적
형상 정보를 반영하여 실제 작동 특성을 모사하도록 구성하였다.
Fig. 1 Heat pump schematic (a) DS heat pump (b) IDS heat pump (c) VI IDS heat pump.
Table 1 Specification of the heat pump components(4)
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Component
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Specification
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Compressor
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Type: Scroll compressor
Displacement: 25 cm3 rev-1
Rated frequency: 50 Hz
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Evaporator
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Type: Micro channel heat exchanger
Fin type: Louver fin
Effective area: 0.205 m2
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ICS
(Indoor Condenser)
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Type: Micro channel heat exchanger
Fin type: Louver fin
Effective area: 0.033 m2
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EEV
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Orifice diameter: 1.4 mm
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PHX
(Plate heat exchanger)
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Type: Offset stripe fin
Dimension: 220×75 mm
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Pump
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Centrifugal pump
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3.1.2 VI Heat pump 모델링
Fig. 1(c)은 R290 IDS-HP의 저온 성능 개선 잠재력을 정량적으로 분석하기 위해 구축한 Vapor-Injection(VI) 시스템의 개략도이다. 본 모델은
3.1.1절의 Non-VI IDS 모델을 기반으로, 구조 변경에 따른 추가 변수를 최소화한 상태에서 VI 적용 효과만을 비교할 수 있도록 구성한 개념적
모델이다.
VI 사이클 구현을 위해 기존 베이스 모델의 응축기 후단에 분기 회로와 판형 열교환기인 이코노마이저를 추가하였다. 주 회로에서 분기된 냉매는 보조
팽창밸브를 통해 중간 압력으로 팽창된 후 이코노마이저에서 주 회로의 고압 냉매와 열교환을 수행하며, 이 과정에서 주 회로 냉매는 추가 과냉각되고 분기된
냉매는 완전히 증발한 뒤 압축기 중간단으로 주입된다.
VI 시스템 구현을 위해 Baseline 모델의 단일 압축기는 동일 성능맵 기반의 2개 압축기로 직렬 연결하여 2단 압축 구조로 재구성하였으며, 두
압축기는 동일한 회전수 조건에서 운전되도록 설정하였다. 각 압축기의 압력비는 별도로 지정하지 않고 시스템의 압력 조건에 따라 결정되도록 하였다. 또한
두 압축기 사이로 주입되는 냉매는 인젝션 유입부에서 과열도 1 K를 갖도록 설정하였다. 따라서 본 VI 모델은 이코노마이저를 통한 액관 과냉각 효과와
중간단 냉매 주입 효과를 동시에 반영할 수 있도록 구성하였다.
3.1.3 데이터 산출
히트펌프 시스템의 열성능을 평가하기 위해 식(1)과 (2)을 사용하여 난방 용량 $Q_{hp}$와 COP를 각각 산출하였다. 난방 용량은 실내 공기의 질량유량과 실내 응축기(ICS) 전후의 온도 차를 기반으로
결정되었으며, $COP$는 투입된 소모 동력 $W_{comp}$ 대비 산출된 난방 용량의 비로 정의하였다.
압축기 소비 동력은 GT-POST에서 산출된 Average Power(Incl. Shaft if Modeled) 값을 사용하였다. Non-VI 조건에서는
단일 압축기의 값을 사용하였고, VI 조건에서는 2단 압축 구조를 구성하는 두 압축기의 Average Power를 합산하여 시스템 전체 압축기 소비
동력으로 정의하였다. 또한 모든 소비 동력 값은 충분한 시뮬레이션 시간 이후의 Steady-state 값을 사용하였다. VI 조건에서는 각 외기 온도에서
Non-VI 시스템의 Steady-state 토출 질량유량과 동일한 질량유량이 되도록 PID 제어를 통해 압축기 회전수를 조절함으로써, VI 적용에
따른 상대 성능 변화를 비교할 수 있도록 하였다.
3.2 시뮬레이션 모델 보정 및 신뢰성 검증
3.2.1 실험 데이터 기반 Non-VI 시스템 베이스 모델 보정
시뮬레이션 모델의 신뢰성을 확보하기 위해 Kwon et al.(4)의 실험 데이터를 활용하여 Non-VI IDS 히트펌프의 베이스라인 보정을 수행하였다. 보정 과정은 실제 시스템에서 발생하는 물리적 비효율성과 열전달
손실을 시뮬레이션에 반영하는 것에 중점을 두었으며, 외기 온도 -20℃에서 7℃ 범위의 데이터를 기준으로 하였다. 실험 데이터와 시뮬레이션 모델 결과
간의 정합성을 높이기 위해 열교환기의 Heat Transfer Multiplier를 설정하였고, 압축기의 Isentropic efficiency와
Mass flow rate에 보정 계수를 조정하였다. 보정 결과, R290 냉매의 질량유량은 Fig. 2(b)에서 보이듯이 실험값 대비 -1.1%~4.3%의 오차를 보였으며, R1234yf는 Fig. 2(d)에서 보이듯이 -0.2%~0.4%의 오차를 보였다.
시스템의 최종 성능 지표인 COP의 경우 R290 냉매는 Fig. 2(a)에서 보이듯이 -4.0%~3.5%의 오차를 보였고, R1234yf 냉매의 COP는 Fig. 2(c)에서 보이듯이 -4.5%~9.9%의 오차를 보였다. R290 히트펌프는 일반적인 모델 검증 허용 기준인 5%를 하회하는 수치로, 본 연구에서 집중하고자
하는 R290 히트펌프 모델이 저온 및 상온 조건 모두에서 시스템의 실제 거동을 매우 정밀하게 포착하고 있음을 입증한다.
Fig. 2 Validation of simulation result
(a) IDS R290 COP (b) IDS R290 Mass flow rate (c) IDS R1234yf COP (d) IDS R1234yf Mass
flow rate.
3.2.2 VI 사이클 해석 방법 및 검증 범위
본 연구의 VI 해석은 3.2.1절에서 실험 데이터 기반으로 보정된 R290 Non-VI IDS Baseline 모델을 기준으로 수행되었으며, 동일한
시스템 틀 내에서 VI 도입 전후의 상대 성능 변화와 작동 특성을 비교․분석하는 것을 목적으로 하였다. 다만 본 VI 모델은 독립적인 VI 실험 데이터에
대해 직접 보정된 모델은 아니며, Yang et al.(7) 및 Wang et al.(8)의 R290 기반 간접 히트펌프 VI 실험 연구에서 보고된 저온 성능 향상 경향을 바탕으로 VI 사이클의 성능 변화 방향에 대한 타당성을 검토하였다.
또한 본 연구에서는 저온 조건에서 VI 적용에 따른 난방 성능 및 COP 향상 여부를 주요 타당성 판단 기준으로 설정하였다. 따라서 본 연구의 VI
해석 결과는 VI 시스템의 절대 성능을 직접 재현한 값이라기보다, 검증된 Baseline 모델을 기준으로 VI 적용의 기술적 가능성과 상대 성능 향상
특성을 탐색적으로 평가한 결과로 해석하였다.
4. 평가 지표 분석
4.1 분석 개요
본 연구에서는 구축된 1D 시뮬레이션 모델을 이용하여 시스템의 열역학적 거동과 차량 레벨에서의 에너지 소비 특성을 분석한다. 우선 시스템 측면의 성능
지표로 냉매 질량유량, 난방 용량, 압축기 소비 동력, 그리고 COP를 선정하여 외기 온도 및 VI 적용 유무에 따른 정량적 데이터를 비교하였다.
아울러, 이러한 시스템 효율 향상이 실제 전기차 운용에 미치는 영향을 고찰하기 위해, 난방 부하를 전적으로 전기에너지로 감당하는 PTC 히터 시스템을
기준으로 설정하고, 이에 대비한 주행거리(Driving range) 개선 효과를 추가적인 분석 지표로 포함하였다.
4.2 평가 지표 구성
본 연구에서는 R290 적용 IDS-HP 시스템의 최적 운전 조건 도출 및 VI 효과 검증을 위해, 시스템 차원의 열역학적 성능과 차량 차원의 에너지
효율성을 포괄하는 5가지 핵심 지표를 선정하여 분석하였다.
우선, 사이클의 열역학적 거동을 규명하기 위해 냉매 질량유량, 난방 성능, 그리고 압축기 소비 동력을 기초 분석 항목으로 설정하였다. 냉매 질량유량은
VI 유로를 통한 유입량과 전체 순환량을 확인하는 지표이며 시스템의 열전달 특성을 결정짓는 주요 인자이다. 이를 바탕으로 혹한기 차량 실내의 열 쾌적성
확보 여부를 판단하는 난방 성능과, 제한된 배터리 전력을 사용하는 전기차 환경에서의 에너지 소모량을 나타내는 압축기 소비 동력을 정량적으로 산출하였다.
나아가 투입된 에너지 대비 출력 성능을 나타내는 성능 계수(COP)를 산출하여 시스템의 종합적인 효율을 평가하였다. 이는 소비 동력 대비 난방 성능의
비로 정의되며, 동일한 외기 및 제어 조건하에서 VI 기술의 도입이 시스템의 효율 향상에 기여하는 정도를 비교하는 척도로 활용하였다.
마지막으로, 히트펌프 시스템의 효율 개선이 실제 전기차 운용에 미치는 실질적 효용성을 입증하기 위해 주행거리를 최종 평가 지표로 도입하였다. 본 연구에서는
기존 전기 가열식 PTC 히터 사용 조건을 대조군으로 설정하였으며, 히트펌프 적용에 따른 난방 소비 전력 저감이 배터리 에너지 보존 및 주행거리 연장에
미치는 영향을 분석하여 시스템의 차량 탑재 타당성을 검증하였다.
5. 결과 분석
5.1 질량유량
본 시뮬레이션은 객관적 비교를 위해 토출 질량유량을 동일하게 제어하였으며, 해석 결과 Fig. 3(a)에 나타나듯이 Non-VI와 VI 모델 간 유량 차이는 평균 0.5% 미만으로 나타났다. 이는 후술할 성능 변화가 단순 유량 증대가 아닌 VI에 의한
엔탈피 변화 및 효율 개선에 기인함을 시사한다.
한편, -35℃에서 대조군인 IDS-R1234yf 대비 VI_IDS-R290은 약 27.4% 낮은 유량을 기록하였다. 이는 두 냉매의 열역학적 물성치를
비교했을 때, R290의 증발 잠열은 동일 온도 조건에서 R1234yf 대비 약 2.5배 이상 크게 형성된다. 이는 R290이 현저히 적은 질량유량만으로도
시스템 내에서 훨씬 더 큰 단위 질량당 열에너지를 흡수 및 방출할 수 있음을 의미한다. 결과적으로 이러한 R290의 우수한 열역학적 특성은 냉매 순환량을
감소시켜 관로 내 유체 마찰 손실을 저감시키고, 장기적으로 배관 및 부품의 소형화 측면에서 유리한 물리적 근거가 된다.
5.2 난방 성능
VI 시스템은 인젝션 포트를 통해 유입된 중압의 냉매가 압축 과정에서 혼합되며 토출 가스의 엔탈피를 변화시키고, 과냉각(Subcooling)의 증대를
통해 응축기 측의 난방 효과를 개선한다. 시뮬레이션 결과, Fig. 3(b)에 나타나듯이 VI 시스템은 Non-VI 대비 전 구간에서 뚜렷한 난방 용량 향상을 보였다.
극한 저온에서는 최대 약 7.7%의 난방 성능 향상이 관찰되어, 혹한기 난방 부족 현상을 완화할 수 있음을 확인하였다. 저온 구간에서는 성능 향상
폭이 가장 두드러지게 나타난 구간으로는 -30℃에서 최대 9.01%, -25℃에서 8.92%, -20℃에서 8.61%의 난방 성능 증대를 기록하였다.
상온에 인접한 구간인 7℃에서는 외기 온도가 상승함에 따라 성능 차이는 다소 줄어들었으나, 여전히 7.25% 수준의 유의미한 성능 격차를 유지하였다.
특히 기존 냉매인 R1234yf 시스템과의 비교에서 성능 격차는 더욱 두드러진다. 이는 R1234yf 대비 우수한 단위 체적당 난방 용량을 지니고
있어, 극저온 환경에서 필연적으로 발생하는 냉매 밀도 저하 및 이에 따른 절대적인 열량 감소 현상을 효과적으로 방어하기 때문이다. -35℃ 조건에서
VI_IDS-R290의 난방 용량은 IDS-R1234yf와 비교하여 약 83.6% 더 높은 압도적인 난방 성능을 발휘하였다. -30℃ 조건에서도 IDS-R1234yf
대비 VI_IDS-R290은 약 79.8% 높은 용량을 나타냈다.
이는 기존 R1234yf 시스템이 겪는 저온 난방 능력 부족 문제를 R290 VI 시스템이 효과적으로 해결할 수 있음을 정량적으로 입증한다.
Fig. 3 Comparative analysis of system performance characteristics according to ambient
temperature
(a) Mass flow rate (b) Heating capacity (c) Compressor input (d) COP.
5.3 압축기 소비 동력
일반적으로 VI 시스템은 추가적인 냉매를 압축해야 하므로 압축기 소비 동력이 증가하는 경향이 있다. 그러나 본 연구에서는 Non-VI와 VI 시스템의
토출 질량유량을 동일하게 제어하였기 때문에, VI 적용에 따른 소비 동력 증가는 크지 않게 나타났다. 분석 결과, Fig. 3(c)에 나타난 바와 같이 VI 적용 시 압축기 소비 동력은 Non-VI 대비 전 운전 영역에서 약 1.2%~2.0% 수준으로만 소폭 상승하였다. 이는
난방 성능 향상 폭에 비해 소비 동력 증가에 따른 Trade-off가 매우 제한적임을 의미하며, VI 기술이 R290 사이클에서 효율적으로 작동함을
보여준다.
한편 IDS-R1234yf 시스템과 비교하면, 절대적인 압축기 소비 동력은 R1234yf가 더 낮게 나타났다. 그러나 이는 냉매 고유의 비체적 및
체적 용량 차이에 기인한 결과로 해석할 수 있다. 압축기 소비 동력은 흡입 증기의 밀도에 큰 영향을 받는데, 극한 저온 조건(-35℃)에서 R1234yf는
비체적이 크게 증가하여 동일 체적을 압축하더라도 실제 순환하는 질량유량이 현저히 감소하게 된다. 그 결과 시스템의 총 압축 일이 작아져 소비 동력은
낮게 산출되지만, 동시에 생성되는 난방 열량 역시 R290 대비 절반 수준으로 감소한다. 즉, R290 시스템에서 나타나는 더 높은 소비 동력은 단순한
비효율의 결과가 아니라, 우수한 체적 난방 용량을 바탕으로 극한 저온 환경에서 요구되는 큰 난방 부하를 감당하기 위해 투입되는 필수적인 열역학적 에너지로
해석할 수 있다.
5.4 COP(성능 계수)
시스템의 종합적인 성능 지표를 나타내는 COP는 앞서 분석한 난방 성능의 증가율이 압축기 소비 동력을 상회함에 따라, 전 구간에서 뚜렷한 개선 효과를
보였다. Fig. 3(d)에 나타나듯이 -35℃에서는 COP가 약 5.88% 향상되었으며 최대 효율 개선 구간 -30℃~-25℃에서는 COP가 최대 7.49% 향상되어 VI의
효율 개선 효과가 극대화됨을 확인하였다. 또한 -20℃ 이상의 조건에서도 5.5%~7.3%의 고른 COP 상승을 기록하였다.
대조군과의 효율 비교에서도 R290 VI 시스템의 우수성이 확인되었다. -35℃ 극한 저온에서 IDS-R1234yf의 COP는 1.60에 머물렀으나,
VI_IDS-R290은 1.86을 기록하여 약 16.2% 더 높은 효율을 보였다. -30℃ 조건에서도 IDS-R1234yf 대비 VI_IDS-R290은
약 15.9% 우수한 효율을 나타냈다. 결론적으로 R290 VI 시스템은 단순히 열량만 높은 것이 아니라, 투입 전력 대비 산출 열량 효율 측면에서도
기존 R1234yf 시스템을 크게 상회한다.
5.5 1회 충전 주행거리(Driving range)
전기차의 동절기 주행거리는 히트펌프 시스템의 효율과 난방 능력에 직접적인 영향을 받는다. 본 연구에서는 Kwon et al.(4)이 제시한 주행거리 식(3)을 이용하여 IDS-R1234yf, Non-VI R290, 그리고 VI_IDS-R290 시스템 적용 시의 주행 가능 거리를 비교 분석하였다. 이때
주행거리 평가는 WLTC 1회 주행을 기준으로 수행하였으며, 사이클 총 주행거리는 23.26 km, 사이클 총 시간은 0.5 h를 적용하였다. 또한
평균 구동 동력은 7.9 kW, 배터리 용량은 16 kWh로 설정하였으며, 이 값들 역시 Kwon et al.(4)에서 사용된 값을 동일하게 적용하였다. 여기서 주행거리 계산에 반영된 소비 전력은 압축기 소비 전력과 PTC 히터 소비 전력을 포함한다.
PTC 히터 소비전력은 외기 온도별 탑승자 요구 난방 용량을 기준으로 산정하였다. 먼저 외기 온도 조건에 따라 요구 난방 용량을 설정한 후, 해당
값에서 히트펌프 시스템이 공급하는 난방 용량을 차감하여 PTC가 보조적으로 제공해야 하는 열량을 계산하였다. 이후 PTC 효율을 0.95로 가정하고,
산출된 열량을 효율로 나누어 최종 PTC 소비전력을 결정하였다.
분석 결과는 Fig. 4에 나타내었다. 극한 저온 조건인 -35℃에서 IDS-R1234yf 시스템이 적용된 차량의 주행거리는 103.3 km로 나타났으며, VI_IDS-R290
시스템을 적용할 경우 106.3 km로 증가하여 약 2.9%의 주행거리 향상 효과를 보였다. 또한 -7℃ 조건에서 IDS-R1234yf 시스템의 주행거리는
140.3 km, Non-VI R290 시스템은 147.0 km, VI_IDS-R290 시스템은 149.7 km로 나타났다. 이는 기존 IDS-R1234yf
시스템 대비 약 6.7% (9.4 km)의 주행거리 향상을 의미한다.
Fig. 4 Comparison of driving ranges according to ambient temperature.
5.6 소결
R290 IDS-HP 시스템에 VI 기술을 적용하고 동일 토출 유량으로 제어한 결과, 1~2%의 미미한 동력 증가 대비 7~9%의 난방 성능 향상을
달성하여 사이클 효율이 극대화됨을 확인하였다. 특히 대조군인 IDS-R1234yf 대비 극한 저온에서도 압도적인 난방 용량과 16~18% 높은 COP를
기록하였으며, 이러한 열역학적 우위는 차량 단위의 효율 개선으로 이어져 혹한기 및 실용 영역에서 약 3~7%의 주행거리 증대 효과를 나타냈다. 결론적으로
R290 VI 시스템은 전기차의 동절기 난방 에너지 저감 및 주행거리 확보를 위한 실효성 높은 솔루션으로 판단된다.
6. 결 론
본 연구에서는 GT-SUITE 1D 시뮬레이션을 통해 R290 적용 간접식 히트펌프(IDS-HP)의 VI 기술 적용 효과를 분석하였다. 객관적 비교를
위해 압축기 토출 질량유량을 동일하게 제어하였으며, 외기 온도(-35℃~7℃)에 따른 주요 성능 지표 거동을 고찰하여 다음의 결론을 도출하였다.
(1) VI 시스템은 Non-VI 대비 소비 동력 증가 폭(1.2%~2.0%)은 미미한 반면, 난방 성능은 전 구간에서 7.2%~9.0% 크게 향상되었다.
특히 저온 조건(-30℃, -25℃)에서 각각 9.01%, 8.92%의 성능 증대를 기록하여, VI 적용이 엔탈피 이득을 통해 저온 난방 능력을 효과적으로
강화함을 확인하였다.
(2) 시스템 종합 효율인 COP는 전 운전 영역에서 개선되었으며, 특히 저온 구간(-30℃~-25℃)에서 최대 7.49%, 극한 저온(-35℃)에서
5.88% 향상되었다. 이는 VI 기술이 단순한 용량 증대를 넘어 R290 사이클의 열역학적 효율 최적화에 기여함을 입증한다.
(3) IDS-R1234yf 시스템과의 비교 결과, R290 VI 시스템은 -35℃ 조건에서 난방 용량 83.6%, COP 16.2%의 절대적 우위를
보였다. 이러한 성능 차이는 차량 주행거리 개선으로 직결되어, 혹한기(-20℃) 조건에서 IDS-R1234yf (112.26 km) 대비 4.2%
향상된 116.99 km를 달성함으로써, 겨울철 전기차 주행거리 감소 문제를 완화할 수 있음을 시사한다.
후 기
본 연구는 산업통상자원부의 지원을 받아 산업기술평가원(KEIT)의 연구비로 수행됨(RS-2024-00448767).
Data sharing and reproducibility
Data Available on Reasonable Request
The data that support the findings of this study are available from the corresponding
author, S. C. Kim, upon reasonable request.
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