2023. 12. 26. 17:40ㆍ전기자동차
지금 테슬라와 BYD는 여러 부문에서 경쟁 구도를 형성하고 있습니다.
전기차 세계 판매 1, 2위를 다투고 있는 가운데 수직 통합 전략 범위는 BYD가 약간 넓은 것 같고, 기술 혁신은 테슬라가 앞서 있다고 보입니다.
테슬라와 BYD는 열효율을 최고로 하기 위한 핵심 기술인 열관리 시스템에서도 기술 경쟁을 하고 있습니다.
노르웨이에서 0도에서 영하 10도까지의 윈터 조건에서 32대의 전기차의 항속거리를 평가한 결과가 있습니다.
테슬라의 모델 3 롱 레인지는 521km로 제일 긴 항속거리를 기록했습니다.
반면에 BYD의 SUV 당 (Tang)의 실제 항속 거리는 WLTP 인증 거리와 11%의 가장 작은 차이를 보여주었습니다.
이처럼 타사 대비 우수한 성능을 실현하는 요인 중에는 테슬라의 옥토밸브 (Octovalve)와 BYD의 나노밸브 (Nanovalve)라는 열 관리 모듈 부품이 있습니다.
이 두 가지 시스템의 구성과 작동 방식, 부품수, 코스트, 소비 전력에 중점을 두고 비교해 보겠습니다.
전기차의 열관리 시스템은 새로운 기술 분야로 전비와 항속거리에 큰 영향을 미칩니다. 이 시스템은 세 가지 서브 시스템으로 구성됩니다.
하나는 구동계 냉각 시스템으로 모터와 인버터에서 나오는 열을 냉각시킵니다.
두 번째는 구동용 배터리의 열 관리 시스템으로 냉각뿐만 아니라 저온 시의 가열도 합니다.
세 번째는 우리가 매일 쓰는 에어컨과 히터를 관리하는 공조 시스템입니다.
과거에는 공조와 배터리 등 부품별로 독립된 냉각/가온(加溫)을 해 왔습니다.
아우디는 e-Tron에 모터가 작동할 때 나는 열을 난방으로 활용할 수 있도록 회로를 구성했습니다.
테슬라와 BYD는 구동계, 배터리, 공조 세 가지를 통합하여 에너지 효율을 최적화하고 그 부품 코스트를 저감하는 핵심 기술을 타사보다 먼저 개발했습니다.
테슬라는 여기에 OTA를 통하여 업데이트할 수 있도록 개발했습니다. 테슬라는 2020년에 양산을 개시한 모델 Y에 옥토밸브를 적용하면서 자동차 업체에 충격을 주었습니다.
옥토밸브는 공조와 배터리, e-Axle, ECU처럼 냉각과 가온이 필요한 부품의 열을 관리하는 핵심 부품이라고 할 수 있습니다.
냉각이나 가온의 모든 회로를 옥토밸브에 연결시켜 열을 운반하는 냉각수가 흐르는 경로를 조건에 따라 전환하게 만듭니다.
옥토밸브의 내부에는 8개의 유로가 있는데 라틴어로 8을 의미하는 Octo에서 유래했기 때문에 옥토밸브라고 부르고 있습니다.
옥토밸브의 내부는 2층 구조로 각층은 냉각수를 네 방향으로 분배합니다.
여기에 연결되는 배관은 9개로 1개의 배관은 막힌 상태로 되어 있습니다.
옥토밸브에는 4개의 포지션이 있고 이것에 의해 12종류의 가온 모드와 세 종류의 냉각 모드를 조건에 따라 전환시킬 수 있습니다.
반면 BYD는 9개의 밸브를 갖춘 나노 밸브를 탑재하고 있습니다. 6개는 냉매 유로를 전환시킬 수 있는 개폐 밸브입니다.
이 개폐밸브로 공조의 난방 냉방과 배터리의 가온/냉각을 전환하거나 응축기와 열교환기에 연결된 회로를 개폐하기도 합니다.
나머지 3개는 냉매의 압력을 감압 조절하는 팽창 밸브로 각각 냉방용, 난방용, 배터리용입니다.
냉매 회로에는 10개의 냉매 배관이 접속되어 있습니다. 각각의 컴프레서, 차 실외 콘덴서, 공조 시스템 내에 콘덴서와 에바퍼레이터, 그리고 배터리의 5가지 컴포넌트에 연결돼 있는 인 아웃 배관입니다.
공조와 배터리는 히트펌프 시스템으로 온도를 제어합니다.
배터리의 가온/냉각에는 배터리 아랫부분에 붙어 있는 냉각판에 R134a 냉매를 이용하고 있습니다.
인버터와 모터 같은 구동계는 독립된 냉각수 회로로 수냉하는 방식입니다.
인버터나 제어기판 등이 들어있는 케이스 안으로 냉각수가 들어가 냉각시킵니다.
그 후 감속기 외측에 장착된 플레이트 열교환기를 통하여 모터 냉각용 오일을 냉각하는 구조입니다.
인버터와 모터를 냉각시켜 온도가 상승한 냉각수는 다시 나노 밸브의 플레이트 열 교환기나 자동차의 프런트 부분에 장착된 라디에이타이에 의해 냉각됩니다.
한편 냉매 측에서 보면 인버터나 모터의 열을 얻게 되는데 이 열을 난방이나 배터리의 가온에 활용할 수 있게 됩니다.
냉매 회로와 냉각수 회로를 통합한 BYD의 열 관리 시스템은 나노 밸브의 개폐 조작에 의해 공조 또는 배터리만을 가온/냉각하는 4가지 모드와 공조와 배터리를 동시에 가온/냉각하는 조합에 4가지 모두에 대응하고 있습니다. 단지 난방 시에는 냉매의 열과 공조 시스템 내에 설치된 PTC 히터를 병용하고 있습니다.
위에서 살펴본 바와 같이 테슬라와 BYD의 열관리 시스템은 크게 다릅니다.
가장 큰 차이는 배터리 냉각 또는 가온시키는 방식입니다.
BYD는 냉매 직냉 방식인데 반해 테슬라는 냉각수로 배터리를 냉각하고 있습니다.
최근에는 테슬라처럼 열관리를 냉각수 회로로 집중하는 시스템이 전기차 열 관리의 주류가 되고 있습니다.
그렇다면 왜 BYD는 배터리를 냉매로 냉각시키고 있을까요?
냉각수 집중형은 워터펌프나 전원 밸브 등의 부품이 늘어납니다. 반면 냉매 회로방식은 시스템을 경량 콤팩트하게 정리할 수 있습니다.
코스트 측면에서도 냉각수를 이용한 회로가 비싸지는 경향이 있습니다.
반면 냉매에 비해 연료 용량이 큰 냉각수는 배터리 등의 급격한 발열에 강한 이점이 있습니다.
전기차에 탑재되는 배터리 용량은 해마다 증가하고 있기 때문에 냉각수 집중형이 주류가 되고 있습니다.
부품 수량에서 테슬라의 옥토밸브는 40개, BYD의 나노 밸브는 42개로 BYD가 5% 많지만 큰 차이는 아닙니다.
그러나 그 내역에는 큰 차이가 있는 편입니다. 냉매회로의 부품 수는 BYD가 28개로 테슬라의 19개보다 많지만 냉각수 회로의 부품 수는 BYD가 6개로 테슬라의 13개보다 적습니다.
코스트는 BOM설계 원가 기준 상대 비교한 결과 BYD의 나노 밸브가 테슬라의 옥토밸브에 비해 14% 비싼 것으로 나타났습니다.
코스트 차이가 부품 수 차이보다 더 큰 원인은 BYD가 많이 쓰고 있는 냉매 측 부품 코스트가 비싸기 때문입니다.
냉매 측 부품은 동일한 기능의 냉각수용 밸브나 배관, 커넥터류 등의 부품에 비해 4배에서 10배로 높은 설계 압력이 요구됩니다.
냉매용 부품은 기체를 취급하기 때문에 기밀 요건도 엄격합니다.
유로를 전환하는 냉매용 개폐 밸브 코스트는 냉각수용보다 1.8배가량 비쌉니다. 이 외에 PTC 히터의 선택에도 양사에서 차이가 있습니다.
테슬라는 표준적인 저전압 제품으로 출력은 고도의 열회수를 가미해 BYD와 동등한 난방을 낼 수 있는 2~3kw로 설정했습니다.
한편 BYD는 고전압으로 출력이 5kw의 극 저온 환경에 대응할 수 있도록 설정했습니다.
PTC 히터와 연결하는 고전압 와이어 하네스를 포함하여 코스트가 높아진 요인이 되고 있습니다.
BYD는 배터리를 비롯한 많은 부품을 냉매로 온도 관리하는 방식을 채용하고 있고 폐열 회수도 한정적으로 하여 복잡한 제어를 실시하지 않도록 했습니다.
시스템의 간소화를 도모한 방침은 이해할 수 있지만 결과적으로는 냉매 측 부품이 비용에 영향을 주어 테슬라보다 코스트가 높게 되었습니다.
세 번째는 전기차 항속거리를 좌우하는 소비전력 관점에서의 평가하는 두 가지 평가인 4ATEC와 A2Mac1의 결과가 있습니다.
아래 표는 연간 소비전력 시뮬레이션을 실시하여 BYD와 테슬라의 시스템을 비교한 결과입니다. 평균적인 중간 기온은 도쿄, 더운 도시로는 오키나와, 저온 도시로 삿포로를 선정하여 세 지역에서 1년간 시뮬레이션한 결과입니다.
세 지역을 시뮬레이션한 결과 BYD는 전 지역에서의 소비 전력이 컸습니다.
특히 한냉지인 삿포로에서는 냉매 주체의 단순화 시스템으로 인해 냉각수에서의 PCS 열 회수 이용이 거의 안 되었습니다. 때문에 PTC 히터의 난방 사용 빈도가 높아져 테슬라와의 차이가 났습니다.
BYD도, 테슬라도 평균 기온에 비해 냉방 부하가 높은 고온 지역에서는 소비 전력이 증가하고 있고 난방부하가 높은 한냉지에서도 대폭적으로 소비 전력이 증가하고 있습니다.
테슬라는 BYD에 비해서 에너지 효율이 높다고 할 수 있습니다. 그러나 한냉지에서의 PTC히터의 보조적 사용이 소비전력의 절대치를 증가시키고 있기 때문에 개선의 여지가 있는 것으로 나타났습니다.
이를 뒷받침하듯 프랑스 분해 업체 A2Mac1이 모델 Y를 이용하여 배터리의 냉각 로직을 추정한 바에 따르면 테슬라의 열효율 로스가 아직도 많은 것으로 나타났습니다. 실험 결과를 보면 배터리 셀 온도가 상승하여 48도를 넘어가면 펌프의 유량이 분당 12리터 정도까지 증가했습니다.
이 펌프 유량으로 10분간 냉각수가 돌아갔지만 배터리 셀의 온도 상승은 멈추지 않았습니다. 그 후 유량은 분당 17리터까지 올라갔고 15분간 작동을 계속했습니다.
이 결과로부터 테슬라의 배터리 냉각 시스템은 10분과 15분 단위의 타이머 설정으로 펌프의 유량을 제어하고 있다고 추측할 수 있었다고 합니다.
결과를 나타낸 그래프를 보면 펌프 유량이 분당 17리터 정도의 상태는 5분 정도로 충분했다고 말할 수 있을 것 같습니다.
현재는 배터리의 안전성과 열화를 상정하여 확실하게 냉각하 제어 알고리즘을 채용했다고 볼 수 있습니다. 그러나 불필요한 에너지 손실이 있는 것은 분명하여 35% 정도 개선의 여지가 있다고 합니다.
테슬라는 아마 보다 효율적으로 배터리를 냉각하는 제어 알고리즘을 개발할 것이고, OTA로 소프트웨어를 갱신할 것입니다. 이때 열관리 회로를 옥토밸브로 집약한 이점이 생길 것입니다.
출처: 태슬라 옥토밸브, BYD 나노밸브, 열 매니지먼트 시스템(TMS)기술 경쟁의 승자는?
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