집중기획
머리말
차량 개발은 수백 가지 기능 시스템의 성능을 최적화하고, 수만 개 기 능성 부품이 조합되며 생길 수 있는 문제점을 차량 단위에서 검증하는 과 정이다. 이때 모든 성능 최적화와 문제검증은 고객이 만날 수 있는 모든 조건을 포함하여야 한다. 차량 열관리 시스템 개발(파워트레인 냉각시스 권춘규
현대자동차 연구개발본부 냉각공조개발팀 책임 [email protected]
이강우
현대자동차 연구개발본부 냉각공조개발팀 책임
장기룡
현대자동차 연구개발본부 냉각공조개발팀 팀장 [email protected]
연비향상을 위한 차량 개발의 중요성이 커지며 효 율적인 최적 열관리 기술 개발도 활발해지고 있다.
본 기고에서는 차량 열관리시스템 개발과정과 세 계 기후조건 실차 검증을 위한 필수 대단위 공조설 비인 환경풍동시험실에 대해 소개하고 향후 과제를 생각해 보고자 한다.
차량 열관리 시스템 개발을 위한 실차 환경풍동시험실 소개
[그림 1] 실차 환경풍동시험실
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템 및 차량 HVAC)도 그러한 최적화 과정과 문제점 검증이 필요하며, 이러한 과정은 다른 어떤 시스템 보다 기후환경 조건에 영향을 많이 받는다. 따라서 차량 열관리 시스템 개발을 위해 세계 각지 가혹한 기후조건에서 다양한 검증평가가 이루어지고 있으 나, 시공간 제약을 많이 받게 된다. 이러한 제약을 제거하여 단기간에 최적화된 차량개발을 하기 위 한 시험설비가 실차 환경풍동시험실이며, 여기서 세계 각국의 기후 환경조건을 언제나 모사하는 것 이 가능하다. 본 기고에서는 이 대단위 공조설비에 대해 소개하고, 이 시험설비에 대한 우리의 기술 현 황과 향후 과제도 함께 생각해보고자 한다.
차량 열관리 시스템 개발 개요
차량 열관리 시스템이란?
차량은 열기관에 의해 동력이 만들어져 사람들 을 싣고 이동시키는 움직이는 거주공간이다. 따라서 차량 열관리 시스템이란 열기관의 열관리 시스템과 탑승객이 쾌적하도록 유지하는 차 실내 열관리 시스 템(차량 공조 시스템)으로 나뉘며 이 시스템의 최적 화 과정을 차량 열관리 시스템 개발이라고 한다.
파워트레인 열관리
파워트레인은 엔진과 변속기로 구분되며, 파워 트레인의 열관리는 엔진 냉각수, 엔진 오일 및 변속 기 오일온도를 관리하여 작동범위 밖에서 운전해 서 발생할 수 있는 파워트레인의 내구력 저하를 방 지할뿐 아니라, 파워트레인이 최적의 상태로 운전 되도록 하여 차량의 동력성능 및 연비개선에 직접 적인 영향을 준다.
또한, 엔진 배기열의 관리도 중요한 파워트레인 열관리의 한 기능으로 높은 배기열에 의한 주변 부 품이 열해(Heat damage)나 열손상, 화재가 발생하지 않도록 적절한 관리를 해줄 필요가 있다(그림 2).
차 실내 쾌적성 유지(차량HVAC)
차량이 이동하는 또 다른 거주공간의 개념으로 변화하고 있기 때문에 동력성능뿐 아니라 차 실내 쾌적성 개발도 매우 중요해지고 있으며, 탑승객이 쾌적하게 느낄 수 있도록 차 실내 온도와 풍속, 습도 를 유지해주기 위한 차량 공조 시스템의 개발이 중 요해지고 있다. 이에 따라 차량개발 상품성을 높이 기 위해 쾌적성 향상을 위한 많은 새로운 차량 공조 시스템과 제어(그림 3)가 개발되고 있으며 그 검증 평가에 대한 요구도 함께 증가하고 있다.
한편 차량 공조 시스템에 의한 실사용 연비가 주목받고 있으며, GHG(Green house gas) 규제에도
[그림 2] P/T 열관리 (b) 배기부 주변 열해 관리
엔진
냉각팬 라디에이터
콘덴서
변속기
(a) 파워트레인 냉각회로 열관리
[그림 3] 차 실내 Multizone 쾌적 공조 시스템
A/C 연비만 따로 언급하고 있을 정도로 공조 시스 템의 최적화는 차량 메이커의 주요 당면 과제가 되 고 있다. 특히, 친환경 차량에서는 파워트레인의 효 율화에 따라 공조 시스템의 소모동력이 상대적으 로 커져서 연비 및 잔존 주행거리에 큰 영향을 미치 는 요소가 되고 있으며, 이를 개선하기 위한 신기술 적용 및 검증도 필요성도 증가하고 있다(그림 4).
기타 기능성 검증
파워트레인 열관리 시스템 및 차 실내 공조 시 스템 최적화 개발 외에도 다양한 차량 기능성 최적 화도 또 다른 주요 차량 열관리 개발이 된다. 그중 대부분이 가혹한 기후조건에서 발생되는 경우가 많 은데, 예를 들면 운전과 정차를 반복할 때 엔진룸 및
차 실내 온도변화에 의한 다양한 물의 응결과 결빙이 발생하며 이 로 인한 심각한 품질문제가 발생 하기도 한다. 또한, 강우나 강설 조건에서 역시 유사한 문제가 발 생할 수 있기 때문에 모든 차량 기능성 시스템에 대한 성능 검증 이 필요하다.
차량개발 평가
이렇게 다양한 차량 열관리 개발에 대한 수요가 증가되고 있는데 과연 차량 열관리 개발은 어떻게 이루어질까? 차량 열관리 시스템은 세계 각국의 가 혹한 기후조건에 맞추어서 설계되며, 이를 위해 시 스템 단위 벤치시험을 통해 시스템을 선정한 후 차 량에 적용하여 다른 시스템들과의 조합 속에서 최 적화 검증을 수행하게 된다.
즉, 차량단위 실차 검증평가가 필요한데 필요한 기후환경 지역으로 차량을 이동하여 평가하는 필 드평가와 그 기후지역을 모사하는 시험설비(환경 풍동시험실)에서의 평가가 대표적인 차량 열관리 개발 방법이다.
[그림 5] 다양한 기후조건 CWT모사 [그림 4] 환경차 고효율 공조 시스템(소울EV)
(b) 히트펌프 (a) 개별공조
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세계 각지에서 가혹한 기후조건(온도, 습도)에 서 필드평가를 수행하는 것이 일반적인 방법이었 으나, 차량개발 기간이 점점 단축되고 있기 때문에 기후조건을 따라 검증할 수 있는 필드평가의 제한 된 기회와 현지주행(Field)평가 비용을 고려할 때 효율적인 실차 개발방법이 필요하였다. 이에 따라 세계 각지의 기후환경을 모사할 수 있는 실차 단위 의 평가설비인 실차 환경풍동시험실에서 평가가 차량 열관리 개발의 중심이 되고 있다(그림 5).
실차평가 환경풍동시험실(Climatic wind tunnel for Automotive test, CWT)
실차 환경풍동시험실은 차량이 주행상태에서 외부 기후를 그대로 재현할 수 있는 고용량 대형 공 조설비가 갖추어진 풍동으로, 온도와 습도만을 시 뮬레이션할 수 있는 일반 환경 챔버와는 기술적 차 이가 크며, 앞서 살펴본 것과 같이 차량 열관리 개 발을 위한 필수 평가설비이다.
역사 및 현황
실차 환경풍동시험실은 풍동(Wind tunnel)기 술 개발과 공조설비 기술개발이 함께 발전하며 개 발이 되었다.
최초의 풍동은 차량이 아닌 비행기 개발을 위 해 19세기 만들어졌다. 최초 풍동중 하나가 1871년 영국에 F.H. Wenham과 John Browning에 의해 만 들어졌으며, 이후 1890년대에 프랑스에서도 비행 기 날개 형상을 위한 연구가 풍동에서 진행되었다.
그리고 1899년에 기차에 최초로 풍동이 사용되었 다. 이후 1921년에 Edmund Rumpler에 의해 차량 공력연구에 풍동을 사용하였다. 즉, 1920년대에 들 어 독일, 영국, 이탈리아 및 미국에서 풍동설비를 사용한 차량연구가 수행하게 되었다. 주로 차량 공 력적인 연구가 풍동에서 진행되었으며, 이로 인한
혁신적인 디자인이 제안되기도 하였다(그림 6).4) 하지만 차량 개발에 있어 기후 및 주행에 대한 요소가 더 큰 비중을 차지하였기 때문에 차량개발 엔지니어의 관심은 항상 기후조건과 주행에 있었 으며 풍동설비를 단순한 풍동설비가 아닌 기후환 경 및 차량주행을 가능하게 하는 기능을 추가한 실 차 환경풍동시험실을 지속적으로 요구하였고, 1960 년대 실차 환경풍동시험실이 만들어지게 되었다.
이에 1961년에 폭스바겐에서 실차 환경풍동시험실 (공력시험도 가능)을 기획하게 되었고, 1963년 착 공하여 1965년에 완공하게 되었다.1)
폭스바겐(이하 VW) 환경풍동시험실은 37.5 ㎡ 노즐크기에 외기온 -30℃에서 50℃까지 가능하고, 최고속 150 kph까지 주행모사가 가능하였다. 이 시 험실 제작에는 풍동시스템, 냉동시스템, 다이나모 시스템, 그리고 시험자동화 및 데이터 자동화 시스 템이 포함되어 있었다.
1980년대에는 영국, 이탈리아, 미국, 독일 등 여 러 풍동에서의 Correlation 검증이 많이 이루어졌으 며, V/W 환경풍동시험실이 공력 및 차량 열관리 개 발을 복합수행 할 수 있도록 대규모로 지었지만 이후 시험실 제작 및 시험비용 최적화를 위해 시험부 크기 및 노즐사이즈를 최적화하여 제작하고 있다.2, 3, 5)
현재 이 시험설비의 활용도가 매우 크고, 차량 개발에 필수적이기 때문에 주요 차량제작 및 차량 용 공조부품업체뿐 아니라 다수 대학 및 자동차 연 구기관에서 보유 운영하는 등 그 수요는 풍동에 비 해 훨씬 크다.
[그림 6] 풍동을 이용한 자동차 컨셉(1920년)
환경풍동시험실(CWT) 종류
실차 환경풍동시험실의 풍동은 폐루프로 되어 있으며, 수직형(Vertical) 타입과 수평형(Horizontal) 타입이 있다(그림 7). Full scale의 복합 환경풍동시 험실의 경우 팬이 크기 때문에 수평형 타입으로 가 기도 하지만 차량 열관리 개발에 사용되는 대부분 의 실차 환경풍동시험실은 공간 활용성을 고려하 여 수직형 타입으로 제작되어 있다. 그리고 사용되 는 냉동시스템도 친환경 규제에 발맞추어 친환경 냉매를 사용하는 추세이다.
제원 및 핵심기술
실차 환경풍동시험실은 크게 차량을 평가하는 Test section과 제어실, 풍속을 모사하는 풍동(Wind tunnel), 기후재현 시스템(온도 및 습도제어 냉동시 스템 및 일사, 지열재현 시스템), 그리고 차량의 주 행상태를 시뮬레이션해 줄 수 있는 다이나모미터 로 구성된다.
실차 환경풍동시험실의 제원은 시험부에서 평 가되는 차량에 적용되는 외기온, 습도, 풍속, 일사, 지열 및 주행부하 제어 범위로 결정된다. 풍속범위 는 정차(Idle)상태부터 최고속 주행까지 모사가능 해야 하며, 정차상태에서는 온도는 유지되면서 주 차상태의 유동조건이 모사되어야 한다. 일반적으 로 외기온은 한랭조건에서 혹서조건까지 ±0.5℃
오차범위로 관리되며, 습도는 일반적으로 5% RH 오차범위로 관리된다. 또한, 일사 및 지열도 현장 조건과 상사될 수 있도록 한다. 마지막으로 평지주 행, 구배 경사주행 등을 모사 가능하도록 차량부하 재현 제어시스템과 로드셀로 제어되는 섀시다이나 모미터가 설치된다(표 1).
실차 환경풍동시험실은 풍동제작 기술과 공조 설비 설계 및 시공기술, 다이나모미터 기술이 조화 되며 발전해왔다. 따라서 실차 환경풍동시험실을 제작하기 위해서는 풍동과 공조설비, 일사 및 지열, 다이나모미터 각각에 대한 설계 및 제작 기술이 필 수적이며, 그에 앞서 전 시스템을 조화롭게 설계하 고 제어할 수 있는 시스템 엔지니어링과 설계능력 이 더욱 필요하다. 또한, 전체 시험실을 위한 건물 이 잘 설계될 수 있도록 하는 것도 매우 중요하다.
시험 효율화를 위한 자동화 제어구성 및 안전시스 템 구성도 역시 시스템 엔지니어링에 포함되어야 하는 중요한 핵심기술이다.
CWT관련 국내 기술 현황
실차 환경풍동시험실은 대규모 복합기능의 시
[그림 7] 풍동 종류
(b) Horizontal 타입 (a) Vertical 타입
<표 1> 실차 환경시험실 일반 제원
제원 환경풍동시험실
제원 비고
기후 제어
온도 -40~+60℃ 냉매(R 507 or 22 or 134a), 2차 냉매 (HC55, EG30 등) 습도 5~95% RH
풍속 최대 250 pph 노즐 면적 5~9 ㎡ 기타 강설, 강우 기능
주행 제어
다이나모 타입 4 WD/2 WD Dynamotive社 Froude hofmann社
등 Roller 직경 1.6 m
Motor Power Max 300 kW
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험설비로 고도의 신뢰성을 필요로 하는 설비로 대 부분 해외 시험설비 전문 업체에 의해 설계 제작되 어 왔다. 최근 국내 자동차 산업이 커지면서 그 수 요가 증가하고 있어, 해외 업체와 기술 및 자본제휴 를 통한 설립 업체에 의한 시공이 확대되고 시스템 개보수를 국내 업체가 진행하면서 기술 축적이 많 이 진행되고 있다. 또한, 설비 설계 후 각 부품의 제 작은 국내 업체에 의해 거의 이루어지고 있어 과거 에 비해 많은 부분이 국내기술로 전환된 상황이다.
하지만 아직 전체 시스템 설계 및 관리를 총괄 한 실적이 있는 국내 업체는 없으며 이는 전적으로 해외 업체에 의해 진행되고 있다.
결어 및 향후과제
국내 차량 생산은 몇 년째 세계 5위 규모를 유지 하며 괄목할만한 성장을 이루었으며, 대부분의 부 품도 국산화를 이룰 정도로 기술력의 내재화도 성 공적으로 이루었다. 하지만 기술 선도를 위한 인프 라 기초 기술은 아직 내재화가 이루어지지 않은 듯 하다. 실차 환경풍동시험실 기술이 그중 하나이다.
최근 만들어진 Mercedes Benz사의 실차 환경풍 동시험실은 기후조건(-40~60℃) 및 차속조건(Max 265 kph)을 확대하여 기후변화 및 고성능차에 대한 대응이 가능한 시험실을 만들었을 뿐 아니라, 차량 이송시스템도 추가하여 시험 효율화를 꾀하고 있다.
국내 자동차업체에서도 지속적인 성장을 위해 꾸준히 환경차 및 고성능 고부가 가치 차량 개발도 강화해가고 있으며, 효율적인 개발환경도 계속해 서 구축하려 한다. 즉, 친환경 자동차 및 고성능 상 품성 강화 기술 개발을 위해 차량 열관리의 최적화 가 매우 중요하며, 따라서 이를 위한 실차 환경풍동 시험실의 기능향상과 제작을 해나갈 것이다.
하지만 시험 효율화를 위한 IT기술 및 로봇기술 의 연계, 계측시스템의 통합 등을 이루고자 할 때 해외 업체와 계약하고 있으며, 국내에서 신뢰성있 는 관련 기술업체를 찾기 어려운 게 현실이다. 국 내에는 실차 환경풍동시험실에 대한 이해와 노하 우를 가진 시스템 엔지니어링 및 설계 인력이 전무 하기 때문이 아닌가 싶다. 차량 열관리 관련 기술 을 개발하는 담당자로서 차량 및 부품의 선도뿐 아 니라 차량 개발 인프라 기술도 우리나라에서 주도 하는 날이 오기를 바라며, 관련 통합시스템 제어 및 설계 인력의 육성이 진행되기를 희망한다.
참고문헌
1. Mörchen, W., 1968, The Climatic Wind Tunnel of Volkswagenwerk AG, SAE Technical Paper 680120, doi:10.4271/680120.
2. Buchheim, R., Unger, R., Carr, G., and Cogotti, A. et al., 1980, Comparison Tests Between Major European Automotive Wind Tunnels, SAE Technical Paper 800140, doi:10.4271/800140.
3. Costelli, A., Garrone, A., Visconti, A., and Buchheim, R. et al., 1981, FIAT Research Center Reference Car : Correlation Tests Between Four Full Scale European Wind Tunnels and Road, SAE Technical Paper 810187, doi:10.4271/810187.
4. Ludvigsen, K., 1970, The Time Tunnel - An Histori cal Survey of Automotive Aerodynamics, SAE Techni cal Paper 700035, doi:10.4271/700035.
5. Fosberry, R., White, R., and Carr, G., 1965, A British Automotive Wind Tunnel Installation and Its Application, SAE Technical Paper 650001, doi:10.4271/650001.