전기차 열관리 시스템의 모든 것: 원리부터 기업과 최신 기술까지 완벽 정리

    전기차 보급이 빠르게 확대되면서 열관리 시스템의 중요성도 함께 부각되고 있습니다.

전기차 열관리 시스템(Thermal Management System, TMS)은 전기차의 배터리, 모터, 인버터, 그리고 실내 공조를 효율적으로 관리하여 주행 거리와 성능을 최적화하는 핵심 기술입니다.

특히 전기차는 기존 내연기관 차량과 달리 배터리의 온도 관리가 성능 및 안전성, 효율성에 직결되기 때문에 열관리 시스템은 필수적인 핵심 기술로 자리 잡고 있습니다.

이 글에서는 전기차 열관리 시스템의 개념부터 중요성, 핵심 구성 요소, 최신 기술 동향, 글로벌 시장 동향 및 미래 전망까지 상세히 다루어 보겠습니다.

목차

1. 전기차 열관리 시스템이란?

    전기차 열관리 시스템(Thermal Management System, TMS)은 차량 내 주요 부품의 온도를 최적의 상태로 유지해 성능과 효율을 극대화하는 기술입니다.

전기차에서 열관리 시스템은 배터리, 전기모터, 인버터 등 주요 부품의 온도를 관리하여 차량의 전반적인 성능과 안정성을 유지합니다.

(1)  열관리가 전기차 성능에 미치는 영향

    전기차의 열관리는 배터리 성능 유지, 차량 안전성 확보, 주행거리 향상, 충전 속도 증가 등 차량의 성능과 사용자 경험에 광범위한 영향을 미칩니다.

 

2. 전기차 열관리의 중요성

    전기차의 열관리는 단순히 부품의 온도를 관리하는 것을 넘어 차량의 전반적인 성능 및 수명을 결정짓는 중요한 요소입니다.

2.1 배터리 수명과 성능 유지

    배터리는 전기차의 가장 핵심적인 부품으로, 온도가 적절히 유지되지 않으면 수명과 성능이 급격히 저하됩니다.

적절한 온도 관리는 배터리의 효율성을 높이고 수명을 연장하는 데 필수적입니다.

2.2 주행거리와 충전 속도의 연관성

    배터리 온도가 관리되지 않으면 에너지 효율이 떨어지고, 이는 주행거리를 단축시키며 충전 시간 또한 늘어나는 부정적인 영향을 미칩니다.

2.3 차량 안전성과의 관계

    과열이나 저온 상태의 배터리는 성능 저하뿐만 아니라 화재나 고장 등 차량 안전에도 심각한 위협을 가할 수 있습니다. 따라서 열관리는 전기차의 안전과 직결됩니다.

 

3. 전기차 열관리 시스템 주요 구성 요소

​    전기차의 성능과 안전성, 효율성을 유지하기 위해서는 효과적인 열관리 시스템이 필수적입니다. 

이러한 시스템은 주요 구성 요소인 배터리, 모터 및 인버터, 그리고 차량 공조시스템의 열 관리를 통해 최적의 운행 환경을 제공합니다. 

아래에서는 각 구성 요소별로 상세하게 살펴보겠습니다

3.1 배터리 열관리 시스템(BTMS)

    배터리 열관리 시스템은 전기차의 핵심 부품인 배터리의 온도를 적절하게 유지하여 성능과 수명을 극대화하는 역할을 수행합니다. 

배터리의 온도는 약 25℃에서 최적의 충전 속도와 효율을 보입니다. 

외부 온도가 너무 높거나 낮을 경우 배터리 성능이 저하되고 충전 속도가 느려질 수 있으므로, 일정한 온도 관리가 중요합니다.

(1) BTMS의 주요 기능

• 온도 유지 : 배터리 셀의 온도를 일정하게 유지하여 성능 저하를 방지합니다.​
• 온도 균일화 : 배터리 팩 내 셀 간 온도 차이를 최소화하여 효율성과 안전성을 확보합니다.
• 과열 방지 : 과도한 열로 인한 배터리 손상이나 화재를 예방합니다.​

(2) BTMS의 냉각 방식

• 공기 냉각 : 자연 대류나 강제 대류를 통해 배터리를 냉각합니다. 시스템 구조가 단순하고 비용이 적게 들지만, 공기의 낮은 열용량으로 인해 냉각 효율이 제한적일 수 있습니다. ​
• 액체 냉각 : 액체의 높은 열전도율과 열용량을 활용하여 배터리를 냉각합니다. 이는 배터리 팩 내 온도 분포 개선에 효과적이며, Tesla Model X, Model 3, GM Chevrolet Bolt 등 여러 전기차 모델에 적용되고 있습니다. ​
• 상변화 물질(PCM) 냉각 : 상변화 물질이 상변화 시 흡수하거나 방출하는 열을 이용하여 배터리를 냉각합니다. 이는 에너지 저장 및 열 보호 용도로 활용되며, 전기차의 충·방전 과정에서 배터리 팩을 열적으로 안정시키는 데 기여합니다. ​

3.2 모터 및 인버터 열관리 시스템(PE-TMS)

    모터 및 인버터는 전기차의 구동을 담당하며, 작동 시 상당한 열이 발생합니다.

이러한 열을 효과적으로 관리하지 않으면 효율 저하, 부품 손상, 심지어 차량 고장으로 이어질 수 있습니다.​

(1) PE-TMS의 주요 기능

• 발열 제어 : 모터와 인버터 작동 시 발생하는 열을 효율적으로 방출하여 안정적인 운행을 지원합니다.​
• 온도 최적화 : 구성 요소들이 최적의 온도 범위에서 작동하도록 유지하여 효율성과 수명을 향상시킵니다.​

(2) PE-TMS의 냉각 방식

• 공기 냉각 : 자연 대류나 팬을 이용한 강제 대류로 열을 방출합니다. 구조가 단순하고 비용이 적게 들지만, 냉각 효율이 제한적일 수 있습니다.​
• 액체 냉각 : 냉각수를 순환시켜 열을 흡수하고 방출합니다. 이는 높은 열전도율로 인해 효과적인 냉각을 제공하며, 고성능 전기차에 주로 적용됩니다.

3.3 차량 공조시스템(HVAC-TMS)

    차량 공조시스템은 실내 온도와 습도를 조절하여 승객의 쾌적성을 보장하며, 배터리 및 기타 부품의 열 관리와도 연계되어 전체적인 에너지 효율을 향상시킵니다.​

(1) HVAC-TMS의 주요 기능

• 실내 온도 조절 : 냉난방을 통해 승객에게 쾌적한 환경을 제공합니다.​
• 습도 관리 : 적절한 습도를 유지하여 승객의 편안함을 증대시킵니다.​
• 열 에너지 재활용 : 배터리나 모터에서 발생하는 폐열을 활용하여 난방에 이용함으로써 에너지 효율을 높입니다.​

(2) HVAC-TMS의 기술 동향

• 히트펌프 시스템 : 전기차의 난방 효율을 높이기 위해 히트펌프 시스템이 도입되고 있습니다. 이는 전기 에너지를 효율적으로 활용하여 실내 난방을 제공하며, 배터리 소모를 줄여 주행거리를 향상시킵니다. ​
• 통합 열관리 시스템 : 배터리, 모터, 공조 시스템 등을 하나의 시스템으로 통합하여 효율성을 극대화하는 방향으로 발전하고 있습니다. 이는 전체적인 에너지 관리 효율을 향상시키고, 부품 수를 줄여 차량 경량화에도 기여합니다. ​

이처럼 전기차의 열관리 시스템은 각 구성 요소의 효율적인 열 관리를 통해 차량의 성능과 안전성을 보장하며, 지속적인 기술 발전을 통해 더욱 효율적이고 통합된 시스템으로 진화하고 있습니다.

4. 최신 열관리 기술 트렌드

    전기차의 성능과 효율성을 향상시키기 위해 최신 열관리 기술이 지속적으로 발전하고 있습니다. 

특히, 통합 열관리 시스템(I-TMS)과 히트펌프 시스템은 전기차의 에너지 효율을 높이는 핵심 기술로 주목받고 있습니다. 

아래에서는 이러한 최신 기술 트렌드와 주요 적용 사례를 상세히 살펴보겠습니다.​

4.1 통합 열관리 시스템(I-TMS)의 등장과 발전

    전기차의 열관리 시스템은 배터리, 모터, 인버터, 차량 공조 시스템 등 다양한 부품의 열을 효율적으로 관리하는 것이 중요합니다. 

기존에는 각 부품별로 개별적인 열관리 시스템이 적용되었으나, 최근에는 이러한 시스템을 하나로 통합한 통합 열관리 시스템(I-TMS)이 개발되어 에너지 효율을 극대화하고 있습니다.

​

(1) I-TMS의 주요 특징

• 효율성 향상 : 각 부품의 열관리 시스템을 통합함으로써 에너지 손실을 최소화하고, 전체적인 효율성을 높입니다.​
• 경량화 : 시스템 통합으로 부품 수를 줄여 차량의 무게를 감소시키고, 이는 주행거리 향상에 기여합니다.​
• 공간 활용 : 통합된 시스템은 차량 내부 공간 활용도를 높여 디자인 및 설계의 유연성을 제공합니다.

4.2 히트펌프 시스템의 작동 원리와 장점

    히트펌프 시스템은 전기차의 난방 효율을 크게 향상시키는 기술로, 배터리 소모를 최소화하는 데 기여합니다.​

 

(1) 히트펌프 시스템의 작동 원리

    히트펌프는 냉매를 이용하여 외부의 열을 흡수하고 이를 실내로 전달하는 장치입니다. 

전기차에서는 배터리, 모터 등에서 발생하는 폐열을 활용하여 실내 난방에 이용하며, 이는 전력 소비를 줄이고 주행거리를 늘리는 데 도움을 줍니다.

 

(2) 히트펌프 시스템의 장점

• 에너지 효율성 : 전통적인 전기 히터 대비 에너지 소비를 줄여 배터리 사용량을 절감합니다.​
• 주행거리 향상 : 에너지 효율 향상으로 동일한 배터리 용량으로 더 긴 주행거리를 확보할 수 있습니다.​
• 친환경성 : 에너지 소비 감소로 탄소 배출을 줄여 환경 보호에 기여합니다.

4.3 최신 기술 적용 사례 및 효과

     글로벌 자동차 제조사들은 최신 열관리 기술을 적극 도입하여 전기차의 성능과 효율성을 향상시키고 있습니다.​

 

(1) 현대자동차의 통합 열관리 시스템

    현대자동차는 전기차의 열관리를 통합 관리하는 시스템을 도입하였습니다. 

이 시스템은 배터리의 성능을 극대화하고 안전성을 확보하기 위한 핵심 기술로, 다양한 부품과 기능을 통합하여 효율적으로 열을 관리하며, 특히 배터리의 온도를 제어하는 데 집중하고 있습니다.

 

(2) 한온시스템의 4세대 히트펌프 시스템

    한온시스템은 세계 최초로 4세대 히트펌프 시스템을 개발하여 2024년 7월부터 상용화하였습니다. 

이 시스템은 외부 공기의 열과 모터, 배터리에서 발생한 폐열을 동시에 활용하는 병렬 열원 회수 방식을 최초로 적용하였으며, 회수된 열은 냉난방 및 배터리 온도 관리에 활용되어 전기차 주행거리 개선에 도움을 줍니다.

 

(3) 테슬라의 히트펌프 시스템

    테슬라는 모델 Y부터 히트펌프 시스템을 도입하여 전기차의 난방 효율을 향상시켰습니다. 

이 시스템은 기존의 전기 히터 대비 에너지 소비를 줄여 배터리 사용량을 절감하고, 주행거리를 늘리는 데 기여하고 있습니다.​

이처럼 최신 열관리 기술의 발전과 적용은 전기차의 성능과 효율성을 향상시키는 데 크게 기여하고 있으며, 앞으로도 이러한 기술의 발전은 전기차 산업의 성장과 함께 지속될 것으로 예상됩니다.

 

5. 글로벌 전기차 시장에서의 열관리 시스템 동향

5.1 전기차 열관리 시스템 관련 국내 기업

5.1.1 한온시스템

    한온시스템은 세계 2위의 자동차 열관리 시스템 공급업체로, 전기차 열관리 분야에서 선도적인 역할을 하고 있습니다. 2015년 폐열 회수 방식의 히트펌프 시스템을 최초로 양산하였으며, 2018년에는 배터리 열관리 기능을 추가한 통합 열관리 시스템을 개발하였습니다.

2021년에는 800V 시스템 전기차 전용 플랫폼에 적용되는 3세대 히트펌프 시스템을 선보였으며, 2024년 7월에는 세계 최초로 4세대 히트펌프 시스템을 상용화하였습니다.

이 시스템은 외부 공기의 열과 모터, 배터리에서 발생한 폐열을 동시에 활용하는 병렬 열원 회수 방식을 적용하여 전기차 주행거리 개선에 기여하고 있습니다. ​

또한, 한온시스템은 2024년 10월 한국타이어앤테크놀로지의 모회사인 한국앤컴퍼니그룹에 인수되며, 그룹의 종합 자동차 부품사로서의 입지를 강화하였습니다. ​

5.1.2 현대위아

    현대위아는 전기차 열관리 시스템 분야에서 빠르게 성장하고 있는 기업입니다.

2018년 열관리 시스템을 미래 사업으로 선정하고, 2021년 1월에는 '냉각수 분배·공급 통합 모듈'을 국내 최초로 개발하였습니다.

이 모듈은 배터리, 구동장치, 전장부품의 열을 효율적으로 관리하며, 부품 수를 줄이고 엔진룸의 공간 활용도를 높이는 데 기여하고 있습니다.

현대위아는 이러한 기술력을 바탕으로 현대자동차의 전기차 전용 플랫폼인 'E-GMP'에 해당 모듈을 공급하고 있으며, 코나 일렉트릭과 기아의 대형 전기 SUV인 EV9에도 열에너지 관리 부품을 납품하였습니다.

향후 출시될 중형 전기차 EV4에도 부품 공급이 예정되어 있습니다. ​

5.1.3 우리산업

    우리산업은 전기차 열관리 시스템 분야에서 주목받는 기업으로, 한온시스템과 현대위아의 주요 고객사로서 열관리 시스템 부품을 공급하고 있습니다.

특히 2022년부터는 스텔란티스, BMW 등 해외 완성차 업체로도 납품을 확대하며 글로벌 시장에서의 입지를 강화하고 있습니다. ​

5.1.4 두원공조

    현대차와 기아에 공조 제품을 공급하며 국내 시장에서 입지를 다진 중견 부품사입니다.

전기차 배터리 냉각 및 공조 시스템에 특화된 기술을 보유하고 있습니다.

한온시스템과 함께 현대·기아차 공급망에서 중요한 역할을 하지만, 글로벌 시장보다는 국내에 집중된 편입니다.

5.2 전기차 열관리 시스템 관련 국외 회사

5.2.1 덴소 (Denso, 일본)

    세계 최대 자동차 부품사 중 하나로, 전기차 열관리 시장 점유율 약 30%를 차지하며 업계 1위입니다.

전기차의 배터리와 실내 온도를 통합 관리하며, 에너지 효율성을 극대화하는 히트펌프 시스템과 환경 규제에 대응한 저탄소 냉매 기술을 보유하고 있습니다.

토요타를 비롯한 일본 완성차 업체와 글로벌 OEM에 공급하며, 전기차 열관리 기술의 표준을 선도하고 있습니다.

오랜 공조 기술 노하우를 바탕으로 전기차 전환에 성공적으로 적응하며, 한온시스템의 강력한 경쟁자입니다.

5.2.2 발레오 (Valeo, 프랑스)

    유럽을 대표하는 자동차 부품사로, 전동화와 열관리 솔루션에 강점을 보유하고 있습니다.

공랭식과 수랭식을 결합한 하이브리드 냉각 기술을 보유하고 있으며 센서와 소프트웨어를 활용해 실시간 온도 최적화를 수행하고 있습니다.

유럽 완성차 업체(폭스바겐, PSA 등)에 공급하며, 전기차와 자율주행차 열관리 시장에서 입지를 넓히고 있습니다.

5.2.3 마흘 (Mahle, 독일)

내연기관 부품으로 유명했으나, 전기차 열관리로 사업을 확장 중인 독일 부품사입니다.

배터리, 모터, 실내 공조를 하나의 시스템으로 관리하는 통합 열관리 모듈과 CO2 기반 냉매로 지속 가능성을 강조한 친환경 냉매을 개발하였습니다. .

BMW, 아우디 등 독일 완성차와 협력하며 유럽 시장에서 경쟁력 강화하고 있습니다.

5.2.4 테슬라 (Tesla, 미국)

완성차 업체지만 독자적인 열관리 기술을 개발해 주목받고 있습니다.

모델 3 롱레인지에 적용되어 주행 거리를 9.3% 증가시킨 3세대 열관리 시스템과 배터리와 모터의 열을 정밀하게 관리하는 혁신적인 설계인 옥타밸브 시스템을 보유하고 있습니다.

부품 업체가 아닌 자체 기술 개발로 경쟁력을 확보하며, 열관리 시장에 새로운 기준을 제시하고 있습니다.

5.2.5 콘티넨탈 (Continental,독일)

    타이어와 전자 시스템으로 유명하며, 열관리 솔루션으로 전기차 시장에 진출하였습니다.

배터리와 전장 부품의 온도를 실시간으로 조절하는 전자 제어 열관리 기술과 에너지 효율성을 높이는 기술인 폐열 회수 시스템을 개발하였습니다.

현대 유럽과 북미 시장에서 점유율을 확대하고 있습니다.

 

5.3 각국의 정책적 지원과 시장 성장 전망

5.3.1 중국

    중국은 전기차 교체를 장려하는 정부의 보조금 및 세제 혜택을 지속적으로 확대하고 있으며, 대형 자동차 제조업체들이 해외 시장 진출을 본격화하고 있습니다.

이에 따라 중국의 전기차 판매량은 지속적으로 증가하고 있으며, 2025년에는 전 세계 전기차 판매량의 상당 부분을 차지할 것으로 예상됩니다. ​

5.3.2 유럽연합(EU)

    EU는 2025년부터 배출가스 규제를 강화하면서 자동차 제조업체들은 친환경 차량 판매를 늘려야 할 필요성이 커졌습니다.

이러한 규제는 전기차 시장의 성장을 촉진할 것으로 예상되며, 2025년에는 전 세계 전기차 판매량이 2,000만 대를 돌파할 것으로 전망됩니다.

5.3.3 미국

    미국에서는 인플레이션 감축법(IRA)에 따른 세액 공제 제도와 주요 모델의 가격 인하가 전기차 시장 성장세를 촉진하고 있습니다.

2023년에는 전기차 판매량이 전년 대비 40% 증가하였으며, 이러한 성장세는 앞으로도 지속될 것으로 예상됩니다. ​

5.3.4 한국

    한국은 전기차 보급을 위해 다양한 정책적 지원을 시행하고 있으며, 특히 전기차의 효율적인 열관리 시스템 개발에 주력하고 있습니다.

이는 전기차의 주행거리 향상과 효율성 증대에 기여하고 있습니다.

 

6. 전기차 열관리 시스템의 미래 전망

    전기차의 성능과 효율성을 향상시키기 위해 열관리 시스템은 지속적으로 발전하고 있습니다. 

특히, 차세대 배터리 기술과 인공지능(AI), 사물인터넷(IoT) 기술의 융합은 열관리 시스템의 혁신을 이끌고 있습니다. 

아래에서는 이러한 기술 발전이 열관리 시스템에 미치는 영향을 상세하게 살펴보겠습니다.​

6.1 차세대 배터리 기술과 열관리 시스템의 변화

6.1.1 전고체 배터리(Solid-State Battery)

    전고체 배터리는 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용하는 배터리로, 안전성과 에너지 밀도의 향상이 기대됩니다. 

고체 전해질은 구조적으로 단단하고 안정적이어서 폭발 위험성을 줄이고, 외부 충격에도 형태를 유지할 수 있습니다. 

이러한 특성으로 인해 전고체 배터리는 기존 리튬이온 배터리보다 열 안정성이 높아, 열폭주 위험이 감소합니다. 

따라서, 전고체 배터리를 사용하는 전기차에서는 열관리 시스템의 복잡성이 감소하고, 시스템의 경량화와 효율성 향상이 가능합니다.​

6.1.2 리튬황 배터리(Lithium-Sulfur Battery)

    리튬황 배터리는 높은 에너지 밀도와 낮은 제조 비용으로 주목받고 있는 차세대 배터리입니다. 

그러나 충·방전 시 부피 변화와 전도성 문제 등으로 인해 열관리 측면에서 새로운 도전과제를 제시합니다. 

이러한 특성을 고려하여, 리튬황 배터리에 적합한 열관리 시스템의 개발이 필요하며, 이는 배터리의 수명과 성능을 향상시키는 데 중요합니다.

6.2 AI 및 IoT 융합을 통한 열관리 시스템의 고도화

  인공지능(AI)과 사물인터넷(IoT) 기술의 발전은 전기차 열관리 시스템의 혁신을 이끌고 있습니다.​

6.2.1 모델 예측 제어(MPC)와 강화 학습

    컴퓨팅 능력과 AI 기술의 발전으로, 자동차 열 에너지 관리 시스템에 최적화 기법이나 인공지능을 이용한 제어 전략이 다양하게 제시되고 있습니다. 

예를 들어, 모델 예측 제어(MPC)는 예측 모델을 사용하여 시스템의 미래 동작을 예측하고, 이를 기반으로 제어량을 최적화하는 방법입니다. 

또한, 강화 학습을 통한 제어 전략은 다양한 환경 조건에서 최적의 열관리 방안을 도출하는 데 활용되고 있습니다. ​

6.2.1 배터리 클라우드와 고급 알고리즘

    배터리 클라우드는 클라우드 컴퓨팅을 활용하여 배터리 데이터를 수집하고, 고급 알고리즘을 적용하여 배터리의 안전성, 성능, 경제성을 향상시키는 시스템입니다. 

예를 들어, 원격 차량 데이터를 활용하여 인공신경망을 통해 배터리 팩의 상태를 추정하고, 이를 기반으로 열관리 전략을 최적화할 수 있습니다. ​

이처럼 차세대 배터리 기술과 AI, IoT의 융합은 전기차 열관리 시스템의 효율성과 안정성을 크게 향상시키고 있으며, 이는 전기차의 성능 향상과 보급 확대에 기여할 것으로 전망됩니다.

 

7. 결론 및 제언

    효율적인 열관리 시스템 구축이 전기차의 성능과 안전성을 좌우합니다.

소비자와 기업이 주목해야 할 열관리 시스템의 핵 심 포인트를 정리하며, 앞으로의 시장 변화를 대비하기 위한 제언을 드렸습니다.

이 글을 통해 전기차 열관리 시스템의 중요성을 깊이 이해하고, 최신 기술 트렌드와 미래 발전 방향을 명확히 파악할 수 있기를 바랍니다.