[전기차] 히트 펌프 (Heat Pump)

겨울에는 따뜻하게, 여름에는 시원하게! 전기차 히트 펌프

내연기관 차량의 엔진은 연료를 태워 동력을 만들어 냅니다. 이때 많은 열이 발생하죠. 그래서 이 열의 상당수를 냉각수를 통해서 식히죠. 이 뜨거워진 냉각수는 차량 실내의 히터 코어(Heater Core)라는 작은 라디에이터로 가게 되고, 이 열이 차량 실내로 전달되면서 따뜻한 바람이 나오게 됩니다. 이렇게 내연기관은 버려지는 열로 난방을 하기 때문에 난방에 추가적인 에너지 소모가 들어가지 않습니다. 하지만 전기차는 다르죠. 전기차는 남는 열이 없기 때문에 난방을 하려면 따로 에너지를 소모해서 열을 발생해야만 합니다. 여기서 생기는 큰 문제가 겨울철 주행거리가 난방으로 인해 대폭 감소한다는 것이죠. 그래서 히트 펌프가 필요합니다.

 

목차

• 히트 펌프
• 히트 펌프의 기능
• 히트 펌프의 종류
• 히트 펌프의 제조사별 명칭
• 히트 펌프 관련 약어
• 히트 펌프의 고장 증상
• 히트 펌프의 수리 비용
• 마치며

 

히트 펌프

히트 펌프는 외부의 열을 흡수해 압축한 뒤 실내료 이동시키는 방식으로 난방을 제공하는 시스템입니다. 전기 히터처럼 배터리 전기를 직접 열로 변환하지 않고, 열을 이동시키는 방식으로 에너지 효율이 매우 높죠. 에어컨의 원리를 역으로 사용하는 장치입니다.

히트 펌프 바깥쪽 열교환기에 압력이 매우 낮은 냉매가 존재(압력이 매우 낮아 끓는점이 매우 낮아진 상태로 영하 20도에서도 끓을수 있도록 설계)

• 이 냉매가 겨울철 외부로 부터 열을 흡수(냉매가 훨씬 낮은 온도에서 끓을 수 있게 되었기 때문에 가능합니다)
• 냉매가 끓으면서 기화되기 시작하고, 기체가 된 냉매를 압축기로 압축함(기체를 압축하면 온도가 매우 높아집니다)
• 고온, 고압이 된 냉매는 실내로 이동하여 실내 공기나 물에 열을 전달하고, 열을 전달한 냉매는 다시 액체로 변화함
• 액체가 된 냉매는 팽창 밸브를 거치면서 다시 온도와 압력이 낮아짐, 이 과정을 반복하면서 실내의 온도를 높임.
• 냉방에 이용될 때는 이 과정을 반대로 작동합니다. 실내에서 온도를 흡수해 냉매가 기체가 되고 외부에서 액체가 되는 것이죠.

파일명: Refrigerator-cycle.svg 원본 이미지 출처:commons.wikimedia-Own work 저작자:Keno 편집 및 수정: 차알 원본 링크:https://en.wikipedia.org/wiki/Heat_pump#/media/File:Refrigerator-cycle.svg 라이선스:GFDL

히트 펌프의 기능

히트 펌프의 주요 기능은 다음과 같습니다.

• 난방 기능 - 외부 공기나 부품에서 열을 흡수하여 실내의 온도를 높임.
• 제습, 냉방 - 계정에 따라 제습이나 냉방을 함
• 배터리 열관리와 연동 - 열원을 공유하여 배터리 예열 및 냉각에 기여.

 

 

히트 펌프의 종류

외부 열원에 따른 분류 (일반적인 히트 펌프 분류와 유사)

• 공기열원 히트 펌프 (Air Source Heat Pump): 전기차에 가장 보편적으로 사용되는 형태입니다. 차량 외부의 공기에서 열을 흡수하거나(난방 시) 외부로 열을 방출(냉방 시)합니다. 설치가 비교적 용이하다는 장점이 있습니다.
• (참고) 지열원/수열원: 건물용에서 사용되는 지열원이나 수열원 히트 펌프는 전기차와 같은 이동체에는 적용하기 어렵습니다. 다만, 특정 상용 전기차나 특수 목적 차량에서는 고려될 수 있을지는 모르나 일반 승용 전기차에서는 찾아보기 어렵습니다.

내부 폐열 활용 및 시스템 통합 방식에 따른 분류

• 단순 공기열 시스템: 초기 전기차에 적용된 기본적인 형태로, 주로 외부 공기와의 열 교환에 의존합니다. 추운 겨울철에는 성능이 저하될 수 있습니다.
• 폐열 회수 통합 시스템: 구동 모터, 인버터, 배터리 등 전기차의 주요 부품에서 발생하는 열을 히트 펌프 사이클에 통합하여 활용하는 방식입니다. 특히 겨울철 배터리 및 실내 난방 시 외부 공기 외에 따뜻한 내부 폐열을 사용하여 효율을 크게 높일 수 있습니다. 대부분의 최신 전기차 히트 펌프는 이러한 폐열 회수 기능을 포함하고 있습니다.
• 통합 열 관리 시스템 (Integrated Thermal Management System): 히트 펌프 시스템이 실내 냉난방, 배터리 온도 관리, 구동계 냉각 등 차량 전체의 열 관리를 유기적으로 통합하여 제어하는 최신 형태입니다. 여러 개의 밸브와 열교환기를 복잡하게 제어하여 필요에 따라 열의 흐름을 최적화함으로써 에너지 효율을 극대화합니다. 이것이 현재 전기차 히트 펌프 기술의 발전 방향입니다.

• 전기차 히트 펌프의 핵심은 단순한 공기열원 시스템을 넘어, 차량 구동 중 발생하는 다양한 부품의 폐열을 적극적으로 활용하는 것입니다. 따라서 실제 전기차의 히트 펌프 시스템은 이러한 폐열 활용 및 시스템 통합 방식에 따라 성능과 특징이 달라집니다.

냉매 종류에 따른 분류 (기술적 특징)

• R134a 기반 히트 펌프: 기존 차량용 에어컨 등에 널리 사용되던 냉매(R134a)를 사용하는 시스템입니다. 보편적이지만 저온 성능에 한계가 있을 수 있습니다.
• CO2 (R744) 기반 히트 펌프: 이산화탄소(CO2)를 냉매로 사용하는 시스템입니다. R134a보다 더 낮은 온도에서도 효율적으로 작동하며, 특히 겨울철 저온 난방 성능이 우수하다는 장점이 있습니다. 하지만 시스템 구성이 더 복잡하고 고압에 견뎌야 하는 기술적 난이도가 있습니다. 일부 고성능 또는 최신 전기차에 적용되는 추세입니다.

 

히트 펌프의 제조사별 명칭

제조사	통합 모듈	구성
현대/기아	히트 펌프 시스템	냉매 순환 회로, EWP(전자식 워터 펌프), 전동 밸브 등 포함
테슬라	Octovalve & Heat Pump	전자식 8방향 밸브 + 통합 열교환 시스템 (Model Y부터 적용)
BMW	Integrated Thermal Management	히트 펌프 포함 통합 열관리 시스템
GM	Thermal Management System	히트 펌프 기반 열관리 + 배터리 온도 제어 시스템
르노	스마트 열관리 시스템	히트 펌프와 라디에이터 + 냉각회로 통합 설계
벤츠	Intelligent Thermal Management	히트 펌프와 배터리 프리컨디셔닝 통합 제어
아우디	e-thermal management system	히트 펌프 기반 통합 열관리 (배터리, 실내, 모터 일괄 제어)

 

히트 펌프 관련 약어

약자	풀네임	한국어
HVAC	Heating, Ventilation and Air Conditioning	난방, 환기 및 에어컨 시스템
TMS	Thermal Management System	열관리 시스템
EV	Electric Vehicle	전기차
COP	Coefficient of Performance	성능계수 (열펌프 효율성 지표)

 

히트 펌프의 고장 증상

• 난방 성능 저하 - 외부 온도가 낮을 때 실내가 잘 따뜻해지지 않음.
• 히터 작동 시 소음 발생 - 냉매 순환에 문제가 생기거나 압축기의 이상으로 발생.
• 주행 중 히터 꺼짐 현상 - 열전환 밸브 또는 전자식 제어의 문제로 발생

 

히트 펌프의 수리 비용

고장 증상	예상 원인	수리 방법	수리 비용
난방이 잘 되지 않음	히트 펌프 시스템 누설 또는 밸브 고장	냉매 재충전, 전자식 밸브 점검/교체	20만 ~ 40만
작동 중 소음 또는 진동	압축기 또는 EWP 고장	압축기 또는 워터펌프 교체	40만 ~ 80만
시스템 전반 이상	통합 열관리 시스템 모듈 이상	통합 열관리 모듈 전체 교체	100만 ~ 250만 (모듈 교체 시)

 

마치며

히트 펌프는 전기차의 효율에 아주 중요한 영향을 주는 장치입니다. 전기차에서 난방은 일종의 난관이었습니다. 난방으로 인해 배터리의 에너지를 많이 소모했기 때문이죠. 하지만 히트 펌프의 열을 이동시키는 원리를 이용해서 이 난관을 극복한 거죠. 그래서 특히 겨울철에 그 중요성이 아주 부각됩니다. 그리고 이제는 단순히 난방만 하는 것이 아닌 전기차 내부의 발생하는 폐열까지 통합적으로 관리하는 방향으로 발전하고 있어서 전기차의 효율성을 결정하는 중요한 기술로 자리 잡고 있습니다.

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