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[논문]전기자동차에서의 히트펌프 공조 및 열관리 기술 동향

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전기자동차에서의 히트펌프 공조 및 열관리 기술 동향

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“겨울에도 끄떡없죠” 전기차 오너들이 감탄한 기능의 정체는? : 네이버 포스트

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전기차 히트 펌프

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비즈한국

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전기차 히트펌프업체 ‘한온시스템’ 매각 둘러싼 국부유출 논란 전말

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현대·기아차가 개발한 전기차 ‘고효율 히트펌프 기술’ 다른 브랜드도 앞다퉈 도입하는 이유는?

Q. 고효율 히트펌프 기술을 개발하는 과정 중에 재미있는 에피소드가 있었나요?

고효율 히트펌프 기술은 공교롭게도 발상의 전환에서 시작됐습니다. 배터리 용량이 64kWh인 코나 일렉트릭을 개발할 당시, 주행 거리를 늘리기 위해 아이오닉 일렉트릭(38.3kWh) 대비 배터리 용량을 25.7kWh 더 늘렸습니다. 하지만 그에 따라 발열량도 더 증가했어요. 따라서 배터리를 효율적으로 냉각시키기 위한 방법을 고민하고 있었죠. 그 과정에서 ‘늘어난 배터리 발열을 히트펌프에 활용할 수 있지 않을까?’라는 아이디어가 떠올랐습니다. 말 그대로 역발상인 셈이죠. 결국 여러 차례의 연구개발 과정을 거듭하면서 배터리 열을 히트펌프 난방에 활용하는 방안을 도출했고, 코나 일렉트릭에 적용해 기존의 히트펌프보다 성능을 높일 수 있었습니다.

또한 히트펌프 개발 타당성에 대한 검증도 여러 차례 진행했습니다. 2017년까지 전기차의 주행 거리 측정은 상온에서만 이뤄졌으며, 별도의 저온 테스트나 소비자를 위한 지표조차 없었습니다. 게다가 히트펌프 기술을 적용한 전기차도 많지 않았어요. 예컨대 당시 전기차로서 가장 주행거리가 길었던 테슬라 모델 S조차 히트펌프를 적용하지 않았을 정도죠. 하지만 사계절이 있는 국내 기후와 글로벌 시장의 다양한 환경을 고려해 연구를 지속했고, 겨울철 전기차 운전자의 불안을 줄이고 불편 해소를 위해 히트펌프 개발에 매진하게 됐습니다. 그 결과, 국내외의 전기차 평가에서 현대·기아차가 두각을 드러냈고, 무엇보다 저온 주행 거리 평가가 전기차의 성능을 가늠하는 중요한 척도가 됐다는 점에서 큰 보람을 느낍니다.

韓 히트펌프, 테슬라·폭스바겐 전기차 뚫었다

추위에 약한 전기차 시장 특화 제품 잇따라 성공

글로벌 전기차 저온 주행 성능 향상에 국내 기업의 히트펌프 등 자동차 공조 시스템(HAVC) 기술력이 큰 영향을 미친다. 전기차는 열원이 부족하다. 차체 열관리를 제대로 하지 않으면 주행 효율이 떨어지는 문제가 있다.

‘국내 히트펌프 기업(K-히트펌프)’은 최근 공조시스템의 열관리 기술과 부품의 우수성 덕에 글로벌 납품량을 늘려간다. 폭스바겐이나 테슬라 등 글로벌 전기차 제조사는 K-히트펌프 기업의 제품을 수급해 차량에 장착 중이다.

국내 1위이자 글로벌 2위 공조시스템 분야 기업인 한온시스템의 전기차 열관리 시스템 안내 이미지 / 한온시스템

전기차는 모터로 구동되는 차량 특성상 엔진을 보유한 내연기관차보다 차체 발산되는 열의 양이 적다. 발산열이 적으면 순수하게 배터리 전력만으로 난방을 구동해야 하므로 실질적인 에너지 소모량이 늘어난다. 저온 환경에서는 배터리 전력이 열관리를 하는데 대량 소모돼 배터리 효율을 최대 40%까지 줄인다. 대부분 전기차가 저온에서 평균 주행거리에 못 미치는 성능을 보이는 이유다.

테슬라 등 글로벌 완성차 기업은 배터리 효율과 주행거리를 유지하는 히트펌프 등 공조시스템의 중요성에 집중한다. 내연기관 차량에서 공조시스템이 차지하는 비중은 낮았지만, 전기차 업체는 모터와 인버터 등 부품과 차체 내외부 난방에 요구되는 적정온도가 각기 달라 공조시스템의 정밀성과 고신뢰성을 중요하게 여긴다.

히트펌프는 전기차 난방효율을 높이는 기술이다. 모터 등 전장부품 발산열과 냉각과정의 방출열을 활용한다. 전기차의 냉매(차체 내부에서 열 전달 역할을 맡는 물질)는 액체·기체를 오가는 순환과정을 거친다. 액체에서 기체로 변화하며 주변의 열을 빼앗아 냉각효과를 가져오고, 기체에서 액체로 변환할때 열을 방출한다.

전기차 히트펌프 시스템은 이런 냉매의 상변화를 활용한다. 냉매를 액체에서 기체로 가열하는 데 전장 부품에서 발생한 내부열을 사용한 뒤, 내부열로 데워진 냉매가 기체 상태로 변하면 응축기·압축기로 기체 상태 냉매를 압축해 고압 기체로 만든다. 응축된 고압기체 형태의 냉매는 큰 열을 보유해 이를 냉각하면 막대한 열이 방출돼 전기차를 난방하는 구조다.

공조시스템 분야 한 전문가는 “과거 내연기관차에서는 에어컨을 제외하면 공조 시스템 비중이 높지 않았다”며 “전기차는 발산열이 적어 모터와 인버터·실내외 냉난방에 신경을 써야하는데 부품마다 배터리는 25℃·인버터는 60℃ 등 적정 온도가 상이해 히트펌프 등 공조시스템에 요구하는 게 많아졌다”고 설명했다.

우리산업에서 테슬라·BMW 등에 공급하는 전기차용 고전압 PTC히터 / 우리산업

[비즈한국] 한온시스템이 일본 등 해외 기업에 매각될 가능성이 높아지고 있다. 한온시스템은 겨울철 전기차 효율을 높이는 히트펌프를 제조하는 기업이다. 이 시장에서 점유율 세계 2위의 경쟁력을 갖췄다. 히트펌프 외에도 열 관리를 위한 기술을 개발하고 원천기술을 확보하고 있다. 일각에서는 유망한 기업이 해외에 매각되는 것에 우려를 표시한다.

한온시스템은 자동차용 에어컨(HVAC)과 파워트레인 쿨링(PTC), 압축기(COMP), 플루이드 트랜스포트(FT) 등 자동차 열 관리 시스템 부품을 생산하는 자동차 공조제품 전문 제조회사다. 공조제품은 전기차 시장이 급성장함에 따라 그 중요성이 높아지고 있다. 순수 전기차에서 실내 난방을 하려면 전기차 배터리를 사용해야 하는데, 히터를 켜면 차량 주행거리가 크게 떨어지기 때문이다.

이러한 이유로 한온시스템의 열 관리 시스템은 큰 주목을 받고 있다. 한온시스템의 히트펌프 덕분이다. 히트펌프는 냉매가 압축·응축·팽창·증발하며 순환하는 과정에서 발생하는 고온과 저온을 각각 활용해 히터와 에어컨을 구동하는 기술이다. 히트펌프 기술은 냉매 순환에 외부의 열을 활용한다. 특히 한온시스템의 히트펌프는 주행 시 발생하는 전기모터와 전장 장치의 열, 즉 폐열까지 사용한다. 적은 전력을 사용해 높은 난방 효과를 낸다.

한온시스템이 지난해 온라인으로 진행한 ‘버추얼 인베스트 데이’에서 발표한 자료에 따르면 현재 한온시스템은 현대자동차의 ‘E-GMP’, 폴크스바겐의 ‘MEB’ 등 전기차 전용 플랫폼에 열 관리 시스템을 공급하고 있다. 이 외에도 아우디, 포르셰, 메르세데스-벤츠, 포드, 피아트크라이슬러, 지프, 스코다, 리비안, 루시드모터스, 니오, 샤오펑 등 세계 각지의 완성차 제조업체들의 전기차에 열 관리 시스템을 공급할 예정이다.

한온시스템은 2019년 기준 이 분야에서 일본 덴소(28%)에 이어 시장점유율 13%로 세계 2위다. 전 세계 24개국에 총 49개의 계열사를 두고 있다. 지난해 매출 6조 8728억 원, 영업이익 3158억 원을 기록했다. 미국 자동차 전문지 Automotive News에 따르면 한온시스템의 지난해 매출액은 세계 100대 자동차부품업체 중 39위에 해당한다. 올해 매출은 3분기 기준 누적 5조 4253억 원으로 전년 동기(4조 7716억 원)보다 높다. 올해 3분기 기준 누적 영업이익(약 2650억 원)도 전년 동기(약 1215억 원)보다 2배 가까이 높아졌다.

한온시스템의 몸값이 치솟는 상황에서 최대주주인 사모펀드(PEF) 운용사 한앤컴퍼니는 한온시스템 매각을 추진하고 있다. 한앤컴퍼니는 2014년 말 약 2조 8400억 원을 들여 지분 50.50%를 인수했다. 이번 매각은 모건스탠리와 에버코어가 주관하며, 전략적 투자자(SI)로 참여 중인 2대 주주 한국타이어앤테크놀로지도 지분 19.49%를 내놓아 총 69.99%를 매각한다. 한온시스템의 시가총액은 2일 종가 기준 약 7조 4732억 원이다. 지분 69.9%는 약 5조 2312억 원으로 경영권 프리미엄을 더하면 매각가는 6조~7조 원 이상일 것으로 점쳐진다.

업계에 따르면 한온시스템 매각 예비입찰에는 글로벌 사모펀드(PEF) 운용사인 칼라일그룹과 베인캐피털, 독일 말레와 프랑스 발레오 등 자동차 부품업체, 일본 모터 전문업체 일본전산(니덱) 등이 전략적 투자자로 참여한 것으로 알려졌다. 특히 일본전산이 매각 협상에서 가장 선두에 있다는 보도가 잇따랐다. 이에 대해 한온시스템은 “최대주주의 지분 매각 추진설과 관련해 특정 잠재 매수인과 합의를 마쳤다는 등의 구체적으로 결정되거나 확정된 사실은 없다”고 밝혔다.

해외 사모펀드나 기업들이 한온시스템에 관심을 보이는 것과는 다르게 국내 기업들은 6월부터 진행 중인 예비입찰에 참여하지 않은 것으로 보인다. 당초 참여할 것으로 예상됐던 SK그룹, LG그룹, 한라그룹 등 대기업은 불참했다. 일각에서는 국내 기업 불참 소식에 한온시스템이 해외 기업에 넘어가는 것 아니냐며 우려를 표하고 있다.

한온시스템은 히트펌프뿐만 아니라 원천기술 특허도 보유하고 있다. 한온시스템 노조는 수소차 관련 기술이 ‘산업기술보호법’상 국가 핵심기술에 해당하는 것으로 판단한다. 따라서 한온시스템이 해외 전략적 투자자들에 매각될 경우 국부가 유출될 수 있다고 주장한다.

김필수 대림대 자동차학과 교수는 “전기차의 가장 큰 단점은 겨울에 배터리 기능이 뚝 떨어진다는 점이다. 여기에 히터까지 틀면 주행거리가 30~40% 이상 줄어든다. 겨울철 배터리 효율을 높일 방안을 꾸준히 고민해야 하는데, 히트펌프가 거의 유일한 해결방안으로 꼽힌다. 게다가 한온시스템은 이 분야에서 가장 앞선 기술을 보유하고 있다”고 말했다.

김 교수는 “그러나 최대주주가 사모펀드다 보니 직원들은 기업의 귀속성이나 자부심을 느끼기 어려울 것이다. 안정적인 전략적 투자자를 만나는 게 회사 발전의 지름길이지만 돈 앞에는 장사 없다. 한온시스템은 열 관리 시스템 쪽에서 특화된 기술을 많이 보유하고 있는데, 돈의 논리에 따라 중국, 일본 등 해외에 매각될 경우 국부 유출이 우려되는 건 사실이다. 정부가 이 사안에 관심을 두고 들여다봐야 한다”고 조언했다.

류호정 정의당 의원도 10월 국정감사에서 한온시스템의 해외 기업 매각에 우려를 나타낸 바 있다. 류 의원은 “한온시스템이 외국계 사모펀드 또는 외국계 동종 부품사에 매각될 경우 글로벌 본부 지위를 잃을 가능성이 크고 우량한 국내 기업을 부실하게 만들어 국부가 유출될 것이 크게 우려된다”고 지적했다.

문승욱 산업통상자원부 장관은 “한온시스템이 수소차와 관련된 국가 핵심기술을 보유하고 있고, 국가 핵심기술에 대한 매각이 가능한지에 대한 승인심사를 산업부 차원에서 체크할 수 있도록 들여다보겠다”고 답했다.

박찬웅 기자 [email protected]

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