워터펌프란? 그리고 xEV에서 워터펌프의 역할

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워터펌프란 (Water Pump) ?

워터펌프란 물을 이송시키는 기계를 말합니다. 아래 사진의 기계도 사람의 힘을 동력원으로 하는 워터펌프라고 부를 수 있습니다.

내연기관 자동차에서 워터펌프

자동차에도 워터펌프가 들어간다는 얘기를 들어보셨을 거 같습니다. 자동차의 워터펌프는 냉각수를 순환 시키는 역할을 합니다. 기존 내연기관 (엔진) 자동차의 경우, 기본적으로 냉각수를 순환시켜 엔진을 냉각하는 역할을 합니다.

대부분 풀리에 연결되어 엔진회전수와 동일한 회전수를 가지는 기계식 워터펌프 (Mechanical Water Pump; MWP) 입니다.

일부 제조사에선 전기모터로 동작하는 전동식 워터펌프 (Electric Water Pump; EWP) 를 사용하기도 합니다. 전동식 워터펌프를 쓰게 될 경우, 전자제어로 엔진이 필요한 최적의 냉각유량만큼 워터펌프를 회전 시킬 수 있습니다. 그건 곧 엔진의 효율개선 즉, 연비개선으로 이어집니다. 아래는 토요타 프리우스에 적용된 엔진용 전동식 워터펌프 입니다. 관련 논문에 의하면 해당 전동식 워터펌프를 사용함으로써 2% 의 연비 개선 효과가 있다 합니다 [1].

xEV 자동차에서의 워터펌프

바야흐로 친환경차 - 하이브리드, 전기차 (+수소전기차) 의 시대입니다.

차량의 전동화가 진행되면서 엔진을 대신하는 구동모터가 존재하고 이를 제어하기 위한 인버터가 존재합니다.

또한 OBC, LDC 같은 전력변환 부품, 전동화 차량에서 큰 비중을 차지하는 배터리까지 구성이 되어있습니다.

이 부품들이 제기능을 하며 오랫동안 사용할 수 있으려면 일정한 수준의 제품 온도를 유지하는 것이 중요합니다.

제품의 온도를 유지하려면 필요할 땐 부품을 냉각하고 승온시킬 방법이 필요하죠. 이 온도의 상승 / 하강의 역할을 냉각수순환을 통해 구현합니다. 워터펌프의 역할은 냉각수를 순환시키는 것인 만큼 냉각해야할 부품들이 늘어났고 순환하는 거리 또한 많이 늘어났습니다. 따라서 보통은 PE부품 냉각용 1개, 배터리 냉각용 1개 혹은 2개를 사용합니다. 여기서는 냉각수 순환과 관련하여 PE 부품과 배터리 쿨링을 한다 정도로만 소개하고 세부적인건 추후 포스팅으로 미루겠습니다.

아래 그림은 폭스바겐 (Volkswagen) 사 ID.4 의 냉각회로와 구동모터 내부 냉각 원리 입니다. [2] 냉각회로를 보니 PE 냉각용 1개, 배터리 냉각용 1개를 썼음을 알 수 있습니다.

구동모터도 내부에 냉각수가 흐를 수 있는 유로(워터재킷) 가 형성 되어있어 냉각수를 통한 냉각을 할 수 있습니다. [3]

하이브리드 차량의 경우 엔진 워터펌프는 그대로 두고, PE부품 냉각용 워터펌프를 추가하여 운용합니다. 이 때 사용하는 워터펌프는 전동식 워터펌프 입니다.

배터리쪽은 냉각 용량이 작아 공랭식 (공기를 이용하여 냉각) 으로 사용합니다. 공랭식 방식을 채택할 경우 방열의 효과는 수랭식보단 떨어지지만, 비교적 쉬운 시스템 구성, 워터펌프 용량 축소 및 부가 호스류 구성 불요, 이를 통한 차량 패키지 축소등의 원가절감이 가능할 것입니다. (이건 컴퓨터 쿨러를 생각해보셔도 비슷합니다.)

아래는 토요타 프리우스의 배터리 냉각 시스템 구성입니다. 크게 입/출구 덕트, 쿨링팬으로 구성되어 있습니다. [4]