전기차 충전을 위한 향상된 열 솔루션
(출처: saadulhaq / stock.adobe.com, AI로 생성)
전기차(EV)는 내연기관 자동차만큼이나 오래 전부터 존재했지만 최근에 들어서야 주류로 자리 잡기 시작했다. 전기차 기술이 크게 발전하고 정부 지원이 대폭 확대되면서 전기 자동차에 대한 수요가 급증하고 있다. EU의 2035년 내연기관 차량 금지 정책([1] )과 2025년 60km마다 고속 전기차 충전소 설치 의무화([2] )는 이 같은 수요 급증에 대한 기대치가 얼마나 높은 지 보여준다. 전기차가 주요 교통수단으로 자리 잡으면서 배터리 주행거리와 급속 충전은 글로벌 경제의 기능에 매우 중요한 요소가 될 것이다. 이처럼 전기차 충전 시스템을 개선하려면 다양한 분야, 특히 열 관리 분야의 기술 발전은 필수적이다.
전기차 충전에 있어서 AC 대 DC 비교
급속 EV 충전기에 대한 수요가 증가함에 따라 EV 충전기 설계 방식에도 크고 작은 다양한 변화가 있었다. 주목할 만한 변화 중 하나는 DC 충전기로의 전환이다. 모든 배터리 시스템은 DC 전기를 사용하지만, 이러한 시스템의 주요 차이점은 AC에서 DC로 전력을 정류하는 위치에 있다. 주거 환경에서 일반적으로 사용되는 기존의 AC 충전기는 주로 차량에 대한 AC 전력 흐름을 통신, 필터링 및 제어하는 커넥터 역할을 하며, 온보드 DC 충전기가 전력을 정류하고 배터리를 충전한다. 이와 달리 DC 충전기는 차량에 고전압 DC 전원을 공급하기 전에 외부에서 정류 과정을 수행한다. DC 충전기의 가장 큰 장점은 전력 조절 하드웨어를 전기차 외부의 외부 구조물로 재배치하여 무게와 크기 제한을 많이 상쇄한다는 점이다.
DC 충전기는 무게와 크기에 대한 제약을 없앰으로써 추가 부품을 통합하여 전류 처리량과 작동 전압을 모두 향상시킬 수 있다. 이러한 충전기는 전력을 정류하기 위해 향상된 반도체 소자와 필터 및 전력 저항기를 사용하며, 모두 상당한 열을 발생시킨다. 필터와 저항기도 열 발생에 어느 정도 기여하지만, 전기차 충전 시스템의 주요 열원은 지난 수십 년 동안 점점 더 널리 보급되고 있는 반도체 소자인 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)이다. 이 강력한 소자는 충전 환경에 있어 수많은 기회를 창출했지만, 이를 효과적으로 냉각하는 것은 여전히 중요한 과제이다.
IGBT는 전계 효과 트랜지스터(FET)와 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT)의 특징을 결합했다. 고전압 처리 능력, 낮은 온저항, 빠른 스위칭 속도, 뛰어난 열 견고성 덕분에 이는 EV 충전기와 같은 고전력 애플리케이션에 이상적이다. 이러한 충전 회로에서 IGBT는 정류기 또는 인버터 역할을 하며, 전원의 온오프가 빈번하기 때문에 상당한 열을 발생시킨다.
오늘날의 발열 관련 과제는 IGBT 열 방출량이 크게 증가한다는 점으로, 30년 전 1.2kW였던 발열량은 오늘날 12.5kW로 10배 이상 증가했으며, 향후에도 더욱 증가할 것으로 예상된다. 그림 1은 표면적 대비 전력 증가 추세를 보여준다. 이에 비해 오늘날 가장 높은 전력을 소비하는 CPU의 발열량은 약 0.18kW(약 7kW/cm2)에 불과하기에 여기엔 상당한 차이가 존재함을 알 수 있다.
그림 1: IGBT의 전력 밀도는 지난 30년 동안 크게 증가했다. (출처: Same Sky)
IGBT 냉각에 효율적인 두 가지 요소로는 표면적이 CPU의 약 2배에 달한다는 점, 그리고 최신 CPU의 105°C에 비해 최대 170°C의 높은 온도에서 작동할 수 있다는 점을 들 수 있다.
가장 간단하고 신뢰할 수 있는 열 관리 솔루션은 방열판과 강제 공기를 결합하는 것이다(그림 2). IGBT와 같은 반도체 소자 내의 열 저항은 일반적으로 매우 낮지만, 소자와 주변 공기 사이의 열 저항은 훨씬 더 높다. 볼 그리드 어레이(BGA) 소자에 방열판을 추가하면 열 방출에 사용할 수 있는 표면적이 크게 증가하여 열 저항이 감소한다. 방열판 위로 공기를 이동시키면 방열판의 효율성이 더욱 향상된다. 시스템에서 가장 큰 소자-공기 인터페이스의 열 저항을 줄이는 것도 중요하다. 패시브 방열판은 제대로 설치하면 고장이 나지 않으며, 이미 안정적이고 신뢰할 수 있는 기술인 팬을 사용하면 냉각 효율이 더욱 높아진다. Same Sky는 EV 충전 애플리케이션을 위해 최대 950mm x 350mm x 75mm 크기의 방열판을 설계했다. 이 방열판은 강제 공기를 사용하여 덜 까다로운 요구 사항을 수동적으로 처리하고, 더 까다로운 요구 사항에서는 능동적으로 처리할 수 있다. 그렇기에 Same Sky의 AC 팬 및 DC 팬 제품군 전체를 살펴보기를 권한다.
그림 2: 팬과 함께 사용하는 방열판은 검증된 냉각 솔루션이다. (출처: Same Sky)
IGBT와 같은 고밀도 열원을 냉각하는 데에는 액체 냉각 옵션도 사용 가능하다. 수냉 시스템은 열 저항을 최소화할 수 있다는 점이 장점이다. 하지만 비용이 많이 들고 복잡하며, 전체 시스템의 열을 제거하기 위해 여전히 방열판과 팬에 의존해야 한다. 따라서 방열판과 팬을 사용하여 IGBT를 직접 냉각하는 방식이 여전히 선호되고 있다. 현재는 IGBT의 공기 냉각 기술을 개선하는 데 초점을 맞춘 연구가 진행되고 있다.
외부 및 환경적 요인
EV 충전소는 실외에 설치되는 경우가 많으며 다양한 환경 조건에 노출된다. 최적의 열 조건을 유지하려면 적절한 환기 기능을 갖추고, 비나 극한의 온도와 같은 요소로부터 보호할 수 있는 내후성 인클로저를 설계하는 것이 필수적이다. 공기가 흐르는 통로나 통풍구는 충분한 공기 흐름을 보장하면서 물의 유입을 방지할 수 있도록 신중하게 설계되어야 한다.
고려해야 할 주요 외부 요인으로는 태양열로, 이는 충전기 인클로저의 내부 주변 온도를 크게 높일 수 있다. 이는 심각한 우려를 일으키지만, 가장 효과적인 해결책은 비교적 간단한 편이다. 차광막과 충전 장치 사이에 적절한 공기 흐름이 유지되도록 적절히 설계된 차광막을 사용하면 충전기 주변의 주변 온도를 크게 낮출 수 있다.
향후 전망
최근 몇 년간 전 세계적으로 전기차(EV)의 보급률이 급증했으며, 다양한 기술 분야에서 수요가 지속적으로 빠르게 증가하고 있다. 전기차가 도로에서 더욱 보편화됨에 따라 충전소도 이에 따라 확산될 것이다. 효율적이고 안정적으로 작동하는 충전기는 강력한 충전 인프라를 구축하는 데 있어 필수적이다. 또한, 비용 효율성은 개인과 기업 차원 모두의 채택에 중요한 역할을 할 것이다.
전기차와 충전기의 수가 증가할 것으로 예상됨에 따라 기반 기술 또한 진화하고 개선될 것이다. 여기에는 충전 전력 및 용량의 잠재적 증가, 소프트웨어 및 하드웨어 표준의 발전, 예상치 못한 혁신에 대한 수용 등이 포함된다. 그렇기에 열 관리 시스템이 이러한 변화하는 요구 사항에 적응할 수 있도록 하는 것은 매우 중요하다.
전기차 충전기는 다른 고전력 전자 장치들과 마찬가지로 열 관리 문제에 직면해 있다. 그러나 이 같은 충전기에 사용되는 IGBT의 높은 전력 밀도와 증가하는 성능 요구 사항에는 고유한 과제가 따른다. 충전 속도와 배터리 용량이 지속적으로 발전함에 따라 효과적이고 안전한 충전기 설계의 필요성이 더욱 중요해질 것이며, 이는 열 관리 엔지니어 및 설계자들에게 더 큰 부담을 줄 것이다. Same Sky는 이 같은 부담을 줄이고 변화하는 요구 사항을 충족시키기 위한 포괄적인 열 관리 부품과 업계 최고의 열 설계 서비스를 제공한다.
차세대 전기차 충전을 위한 열 관리(제프 스무트(Jeff Smoot) 작성) 기고글은 저자 승인 하에 마우저에서 편집했습니다.
출처:
https://www.europarl.europa.eu/topics/en/article/20221019STO44572/eu-ban-on-sale-of-new-petrol-and-diesel-cars-from-2035-explained
https://www.weforum.org/agenda/2023/07/eus-law-mandates-fast-charging-stations-every-60-kilometers-along-highways-2025/
저자 소개
제프 스무트(Jeff Smoot)
엔지니어링 부사장, Same Sky
제프 스무트(Jeff Smoot)는 2004년 Same Sky에 입사한 이후 제품 개발, 지원 및 출시에 중점을 두고 회사의 품질 및 엔지니어링 부서에 활력을 불어넣었다. 또한 고객의 성공에 중점을 두고 설계 과정에서 엔지니어에게 향상된 필드 및 온라인 엔지니어링 설계와 기술 지원을 제공하기 위해 애플리케이션 엔지니어링 팀을 설립하는 데 앞장섰다.
기업 소개
Same Sky(구 CUI Devices)는 고객이 새로운 차원에 도달할 수 있도록 지원하는 전자 부품을 제조하며 혁신의 정신을 키우고 진화를 수용하며 총체적인 접근 방식을 취하는 데 전념하고 있다. 해당 기업은 오디오, 인터커넥트, 열 관리, 모션, 릴레이, 센서, 스위치 솔루션 등 끊임없이 확장되는 다양한 제품 기술을 전문으로 한다.