집중기획
권 춘 규 현대자동차 연구개발본부
책임연구원 ckkwon@hyundai.com 이 창 원 현대자동차 연구개발본부
책임연구원 peterlee@hyundai.com 김 기 원 현대자동차 연구개발본부
이사대우 kkw@hyundai.com
서 론
고유가나 온난화 방지와 같은 친환경화가 세계적인 이슈로 대두된 이래 차량 개발에 있어 저연비, 고효율화는 피할 수 없는 개발 목표가 되어왔다. 그런데 과거 차량 공조시스템은 하나의 선택사항이었으므 로, 차량 연비 및 환경규제의 예외사항이었으나, 현재 운전자의 쾌적성 및 안전운전을 위한 필수 항목이 되면서 차량 공조시스템에도 파워트 레인에 강조되던 효율화가 요구되기 시작하였다.
미국과 유럽에서는 차량 에어컨 관련 규제를 제정 진행 중에 있 는데, 유럽 집행위는 CO₂ 및 연비 측정 시에 차량용 에어컨 시스템
인간의 쾌적중심형 차량용 스마트 공조시스템 개발
[그림 1] 유럽 MAC 평가案(일정 미정)
고유가와 친환경 차량이 대두되면서 차량용 공조시스 템에도 고효율 저연비를 위한 시스템의 개선이 필요하 게 되었으며, 본 기고는 사람 중심의 차량 공조시스템 개발 사례를 통한 차량 공조시스템의 연비 향상 가능 성과 개발 방향에 대해 논의하고자 한다.
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의 영향을 측정하여 제작사가 저연비 저소모 동력의 에어컨 시스템을 개발하도록 유도하기 위해 MAC(Mobile Air Conditioning) 연비 시 험Cycle 및 시험 절차를 제정 중이며, 미국은
‘17MY(Model Year) 이후 GHG(Green House Gas)법규 제정에서 에어컨 관련 내용을 포함하 여 LEV3(Low Emission Vehicle) 및 GHG2 개정 논의 시 에어컨 효율 규정이 CARB(California Air Resource Board)에 제안된 상태이다.
특히 전기차의 경우 구동계가 효율이 높아짐 에 따라 차량 공조장치 작동에 따른 동력소모는 전기차 연비 악화에 큰 영향을 주고 있다. 따라서 전기차를 위한 차별화된 냉난방 공조시스템 기술 개발은 전기차 보급 활성화를 위한 필수적인 요 소이다(그림 2 참조).
현재 전기차는 도심 주행형 차량의 개념으
로 1회 충전 시 주행거리 목표 를 140~200 km로 설정하여 개발되고 있으나, 냉방을 위한 공조장치 작동 시 주행거리는 20~30% 감소된다. 난방을 위 한 공조장치 작동 시에는 엔진 폐열을 이용하는 내연기관 차 량과 달리, 상대적으로 폐열원 이 부족하여 전기 가열식 난방 장치가 필요하며 이때 주행거 리는 30~50%까지 감소된다 (그림 3 참조). 따라서 일반 내 연기관 차량과 환경 차량, 특히 전기차에서 공조시스템의 효율 향상을 위한 개발이 많이 진행 되고 있다. 시스템의 효율 증대 와 단열 및 차열을 통한 열부하 축소 노력이 주로 이루어지고 있다.
인간중심 공조시스템 개발 사례 : 탑승객 지향 개 별 공조시스템 (OZ HVAC)
일반적으로 공조시스템은 사람이 있는 공간 전체에 대해서 냉난방을 수행하도록 설계되어있 다. 하지만 전체 공간에 대해 냉난방을 실시하려 면 그만큼 공조부하가 커지고 에너지 소모가 많 아지게 된다. 이런 이유로 개별 공조시스템의 개 념이 등장하게 되었다. 건물 공조시스템에서도 물리적인 공간의 구분이 되어있는 곳에 별도의 실내기를 두어 개별적으로 공조를 실시하게 하거 나, 큰 공간에서 사람이 있는 곳을 감지하여 공간 별 공조 작동량을 조절하기도 한다. 하지만 건물 내 사람이 위치하는 곳이 항상 변할 수 있으며, 온 도제어에 오랜 시간이 걸리기 때문에 널리 보편 화되지는 않고 있다. 하지만 차량의 경우 탑승객
[그림 2] 전기차 구매 및 보급관련 인자별 중요도 조사(2010, DONLEN社조사)
[그림 3] 냉난방시 전기차 주행거리 축소율(iMEV, 2010 JSAE)
[그림 4] OZ HVAC 시스템 콘셉트
의 위치가 일정하고, 차 실내 온도변화가 큰 특성 때문에 빠른 온도제어에 적합하도록 공조시스템 이 설계되어 있어 차 실내 공간 중심 공조가 아닌, 차량에 탑승하는 사람중심, 즉 탑승객 존(Zone) 지향 개별공조 제어시스템이 공조에너지 축소에 도움이 될 수 있다. 이에 탑승객 지향 개별공조시 스템(OZ HVAC : Occupied Zone HVAC)을 개 발하였으며, 지금부터 그 개발 과정을 기술한다.
개발 개념
탑승존 개별공조 기술(이하 OZ HVAC)은 실 내 공간 전체를 대상으로 공조장치를 작동하여 불필요한 에너지 소비가 과다 발생하는 기존 차 량 공조기술과는 달리, 승객 탑승 유무에 따라 존 별로 공조장치를 작동하여 공조 소모동력을 현저 히 저감할 수 있는 기술이다(그림 4 참조).
OZ HVAC 시스템 구현을 위해 하드웨어적으 로 탑승존 이외의 존으로 바람이 토출되지 않도
록 제어 가능한 HVAC 개발이 필요하였으며, 소프 트웨어적으로 탑승존 선택 또는 인지에 따른 풍 량 및 토출온도 제어 알고리즘 개발이 필요하다.
실내 전체 온도를 제어하는 기존 공조시스템 과는 달리 개별공조는 공기유동이 탑승 존으로만 발생하므로 기존 특정위치의 실내온도 센서 온도 를 제어를 위한 대표 피드백값으로 사용하지 못 하는 문제도 발생된다. 이에 탑승존 대표온도를 위한 실내온도 피드백 제어 보정 기술개발 또한 필요하다.
HVAC 하드웨어 개발
개발 개념을 구현하기 위해서 기존 차량용 HVAC에 대한 최소한의 변경이 필요하다. 변경범 위는 아래와 같다.
1. 선택존만으로 토출풍량이 공급되도록 제어 하는 풍량조절댐퍼 및 Actuator 추가
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[그림 5] OZ HVAC H/W 개발
[그림 6] 개별 존간 열 및 유동출입
2. HVAC내부 선택되지 않은 존으로 토출풍량 이 공급되지 않도록 모드도어 분리
상기 변경 범위를 반영한 부품을 추가하여 기 존 차량용 HVAC에서 각 존의 풍량 및 풍배 조절 을 통한 토출온도 제어가 가능한 OZ HVAC으로 하드웨어 변경을 할 수 있다.
이렇게 변경된 하드웨어는 OZ HVAC의 기능 을 수행할 수 있도록 하면서, 동시에 기존 하드웨 어의 변경을 최소화하기 위한 최적화된 HVAC이 라고 할 수 있다.
OZ HVAC 제어 개발
OZ HVAC 시스템의 운전 전략에 해당하는 제 어 알고리즘 개발은 하드웨어 개발보다는 좀 더
어렵고 복잡하지만 중요하다.
먼저 차량 공조시스템의 기본 알고리즘을 보 면 차량 전체 열부하에 기반을 둔 비례 제어와 차 실내 온도 피드백제어 알고리즘을 바탕으로 풍량 과 토출온도를 HVAC을 통해 구현한다. 이때 차 량 열부하는 일사에 의한 복사열 취득, 외기온과 차 실내 온도차 및 엔진룸과 온도차에 의한 열손 실, 환기손실 및 내장재 축열에 의한 열손실을 기 반으로 하며 시험적으로 그 값을 Mapping한다.
이렇게 Mapping된 열부하를 이용하여 Steady State 제어를 수행하게 되며, 차 실내 대표 온도 값을 피드백하여 탑승객이 설정한 목표온도와의 오차값을 반영하여 Transient 상태의 응답성 및 제어성을 향상시키도록 되어있다(그림 7 a) 참 조).
탑승존 개별공조 제어를 기본 제어로직에 적 용하기 위해서는 개별존 열부하 모델과 각 존별 실내온도 피드백이 필요하다. 개념적으로 개별존 의 열부하는 전체 공간 중 개별 존이 차지하는 비 율이 되어야하지만, 개별 존은 차 실내 가상의 구 분선으로, 실제로는 존간 열 및 유동 출입이 자유 로워 각 개별존의 열부하가 커플되어 있다. 따라 서 전체 열부하와 달리 존별 열부하 모델을 예측 하기 어렵다(그림 6 참조).
특히 존 간 열출입에 대한 고려를 위한 별도 열모델 식을 고려해보면 존을 3개로 나눈다고 가
a) 기존 HVAC 시스템 제어
b) OZ HVAC 시스템 제어 [그림 7] 기존 제어와 OZ HVAC제어 비교
[그림 8] 개별존 열부하 해석 및 검증
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정할 경우에도 식은 3배로 많아지고, 각 존 간에 열부하 식이 커플되어 있어 별도 열부하식을 이 용한 제어로직을 개발하는 것은 상당히 어려운 개발이 된다. 따라서 본 개발에서는 기존 제어로 직에서 전체 열부하에 대한 개별 존 열부하의 비 율(ZEER : Zonal Energy Efficiency Ratio)을 정 의하고, 해석을 통해 그 값을 정하였다(그림 7 b) 참조).
즉, 전체 차량에 대한 모델에서는 시험을 통해 열부하 식을 만들고 그 계수 값을 시험을 통해 구 할 수 있으나, 개별존 모델에서는 각 존간 특성값 을 시험적으로 산출하기도 어렵고, 시험 Case가 많아져서 시험비용도 많이 증가하게 된다. 이에 존에 대한 해석적 도출이 필요하다.
해석적 접근을 통해 열부하 Mapping을 구하 기 위해서, 각 존에 대한 해석은 상용 CFD툴과 차 량 열전달 해석 프로그램을 커플링 하여 차량 내 외부간의 열전달량 및 유동전달량을 계산하는 방 법으로 수행한다. 이때 차 실내는 개별 존의 열부
하를 각각 계산할 수 있는 수준으로 구분하여 모 델링을 한다. 그리고 각 환경조건(외기온,일사 등)별 개별존 HVAC 작동 시 차 실내 공조성능 을 해석한다. 해석 결과의 정확도를 위해 타당성 분석 후 전체 해석을 수행하였으며, 결과적으로 ZEER 값을 성공적으로 도출하여 제어로직 개발 을 완료하였다(그림 8 참조).
본 기술은 전기차 적용을 위한 시험을 마쳤으 며, 기존 대비 약20%의 공조 소모동력저감을 확인 하였고, 전기차뿐 아니라 일반 내연기관 에어컨 실 도로 연비향상을 위한 기술로 보급 예상된다.
인간중심 공조시스템 중장기 동향 : 분산형 차량 공조시스템
앞서 살펴본 기술과 유사하지만 보다 더 사람 만을 위한 공조시스템을 위해 많은 연구가 진행 중 이다. 그 대표적인 사례 몇 가지만 소개하려 한다.
그림 9는 인체 중심의 차량의 공조시스템으로 서 차량 부착형 공조 의복과 유사한 개념으로 차
b) 분산형 공조 시트와 공조 시트 벨트 개념도
[그림 9] 탑승객 중심 분산형 공조 시스템 (독일 드레스덴大, 베르트란드社) a) 인체 중심 분산형 공조시스템 개념
실내 온도는 제어하지 않고 탑승객의 체온만을 쾌적한 상태로 제어하는 것을 목표로 선행 개발 하고 있는 기술이다.
이 기술의 기본 발상은 공간이 작을수록 더 적 은 에너지가 쓰인다는 사실에 토대를 두었다. 즉, 냉난방을 탑승자 신체 주위의 좁은 영역에 집중 하도록 하여 주변공간으로의 손실을 최소화하는
것이다. 이를 위해 인체 전체 중 쾌적성에 영향을 주는 주요 부위(머리, 가슴, 팔, 다리 등 노출부) 에 대한 냉난방 된 기류를 형성시켜 줄 수 있는 시 스템을 개발하고, 쾌적성과 손실 최소화를 가능 하게 하는 Eco-Comfort 신체 부위를 연구하며, 그 위치에 가장 근접하는 곳으로 벤트 위치를 옮 기는 최적화 기술이 필요하다. 대표적인 예시 기
[그림 10] 쾌적성 향상을 위한 신개념 차량용 공조 시스템 개념(Visteon Concept)
[그림 11] 탑승객 온열감(쾌적성) 계측 및 평가법 개발 연구
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술이 냉난방 시트와 벨트이며, 도어 측 환기와 발 측 냉난방 장치도 검토되고 있다.
그 외에도 Visteon社에서는 탑승객의 쾌적성 향상을 위한 Vertical 공조시스템에 대한 개념도 내놓은 적이 있다(그림 10 참조).
이런 기술 모두 인간중심형 개발을 하기 때문 에 가능한 차량용 공조시스템으로 생각할 수 있다.
결 론
고효율 친환경 차량 시대가 도래됨에 따라 차 량용 공조시스템의 고효율화도 함께 강력히 요구 되고 있다. 시장의 요구에 따라 기존 시스템의 개 선을 지속적으로 추진하고 있지만, 공조시스템은 사람의 온열 쾌적성을 위한 장치임을 생각할 때 인간중심형 차량용 공조시스템에 대한 연구는 더 활발해질 전망이다. 상기 소개한 기술을 통해서 인간중심형 공조시스템의 적용이 고효율 친환경 차량 공조시스템의 대안이 될 수 있음을 확인해 주었다.
이에 따라 미래에는 더 많은 인간중심형 공조 시스템이 개발되리라 기대된다. 이를 위해서 공조 시스템 부품 및 시스템, 제어개발과 더불어 개발 의 대상이 되는 사람에 대한 연구가 더 이루어져 야 하리라고 생각한다(그림 11 참조). 즉, 인간의 복잡한 온열 감성쾌적성을 평가할 설비 및 인간의 감성생리학적인 기초 연구가 활발히 이루어져 더 좋은 인간중심형 공조시스템이 차량에 적용되기 를 기대한다.
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