혁신 복합재로 EV 대시보드 온도 46% 낮춰 효율 증대

신규 폴리머 복합재가 미래 EV에서 다기능·다용도 소재로 활용 가능.
출처: https://xeric.eu/wp-content/uploads/4_Steiner.pdf

독일에서 전동화가 탄력 받고 있다. 프라운호퍼 구조 내구성 및 시스템 신뢰성 연구소(Fraunhofer LBF, 다름슈타트, 독일) 7월 보고에 따르면 2017년 전기차(EV) 수가 93,000대로 거의 2배 증가. "전기차 판매를 더 늘리려면 주행거리 같은 성능 최적화뿐만 아니라 탑승자 편의 향상도 필요합니다. 이엔 차량 실내 합리적이고 고객 지향적 열관리 포함됩니다."라고 프라운호퍼 LBF의 최적화 에너지 관리 및 활용(OPTEMUS) 연구 프로젝트 책임자 파울 베커(Paul Becker)는 말한다.

OPTEMUS 프로젝트

대규모 기업 컨소시엄이 지원하는 EU 펀딩 프로젝트 OPTEMUS는 전기차 광범위 보급의 최대 장벽 중 하나인 전기 배터리 제한된 저장 용량으로 인한 주행거리 한계 극복 목표. 2015년 6월 시작해 내년 2월 마무리 예정. 다수 혁신 핵심 기술과 보완 기술 지능적 제어와 결합 개발 의도.

출처: 프라운호퍼 LBF

시연체는 A세그먼트 EV(피아트 500e). 아래 나열 기술 가상 프로토타이핑과 결합한 실물 프로토타입으로 다음 목표 시연:

• 부품 냉방 에너지 소비 최소 32% 절감, 승객 편의 60% 절감
• 견인용 추가 15% 에너지 절감 가능
• 에너지 절감으로 극한 기후 조건에서 주행거리 증가: 고온 환경 >44km(38%), 저온 환경 63km(70%)

출처: www.optemus.eu

상변화 물질(PCM)로서 복합재

상변화 물질(Phase Change Materials, PCMs)은 10년 이상 건물, 전자기기, 이제 자동차용으로 개발돼옴. PCM은 특정 온도에서 녹고 굳으며 상변화 동안 대량 에너지 저장·방출 가능. 고체-기체, 액체-기체 PCM도 연구됨. PCM은 유기/무기 화합물이나 전형적으로 전도성 필러 포함, 여기서 흑연이 등장. 다른 PCM은 탄소 나노튜브(CNTs) 사용.

흑연, 그래핀, 다중벽 탄소 나노튜브(MWCNTs) 활용 복합재 PCM 개발 중.
출처: steemkr.com/science(좌) 및 International Journal of Heat and Mass Transfer, Volume 120, May 2018, Pages 33-41 at ScienceDirect.com(우).

프라운호퍼 LBF 연구진은 질화붕소, 흑연 등 다양한 캐리어 소재와 필러 실험. 폴리에틸렌(PE) 기판과 흑연 필러 조합으로 결정. 자동차 내장재에 이미 흔히 쓰이는 폴리머인 폴리에틸렌 기판에 흑연이 매우 우수한 열전도도와 빠른 열소산, 우수한 에너지 저장 제공.

'스마트 커버 패널(Smart Cover Panel)' 파트에서 흑연/PE 복합재 PCM 작동 원리 완성. 신소재 이점 시연 위해 피아트 500e 프로토타입 대시보드에 적용해 가열·냉각 사이클 반복. 냉각은 펠티어 소자(Peltier elements, 전기열 변환기)로, 외부 팬으로 냉각. 펠티어 소자와 EV 라디에이터 에너지는 태양광 전지로 충전된 추가 12볼트 배터리에서 공급.

흑연/폴리프로필렌 복합재 PCM이 피아트 500e 프로토타입 차량 대시보드에 장착됨.
출처: 프라운호퍼 LBF

LBF 연구진은 가열과 냉각 간 상전이 중 방출되는 에너지를 이용해 펠티어 소자를 일정 시간만 작동시킴. 팬이 지속 최대 전력으로 돌지 않음. 냉각 시스템은 적절한 제어로 소재 온도와 연동. 프라운호퍼는 전자 부품 수명 연장 기대. 스마트 커버 패널은 실제 햇빛으로 제어돼 더운 여름날만 냉각 시작, 겨울엔 따뜻함 대시보드에 유지.

프라운호퍼 LBF 신규 복합재 PCM을 기존 대시보드용 폴리프로필렌-탈크 컴파운드와 실험 비교. 1200 W/m² 복사 전력 1000초 노출 후 시편 표면 온도 차 약 41°C, 46% 온도 저감 효과.

프라운호퍼 LBF, 신규('neu') 흑연/PE 복합재 PCM 대시보드 적용으로 기존 폴리프로필렌-탈크 대시보드 컴파운드 대비 46% 온도 저감 달성. 출처: 프라운호퍼 LBF.