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전기차 충전 응용 제품의 열 문제 이해하기

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글/Jeff Smoot 애플리케이션 엔지니어링 및 동작 제어 부문 부사장, CUI Devices

전기 자동차(EV)는 가솔린 자동차만큼이나 오래 전에 소개되었던 개념이지만 널리 보급된 것은 불과 몇 년 되지 않았다. 이렇게 전기차의 인기가 급부상한 것은 전기차 기술의 비약적인 발전과 정부의 대대적인 지원 덕분이다. 예를 들어, 2035년까지 내연 차량을 금지하고, 2025년까지 60킬로미터마다 고속 전기차 충전소를 의무화하기로 한 유럽연합의 결정이 이러한 수요 급증에 영향을 미친 것은 확실하다.

전기차가 지배적인 운송 수단으로 부상함에 따라, 배터리 수명 및 더 빠른 충전 속도와 같은 요소가 세계 경제를 유지하는 데 중추적인 역할을 할 것이다. 전기차 충전 인프라가 향상됨에 따라 다양한 영역에서 개선이 필요한데, 그 중에서도 열 관리는 기술 개선 필요한 핵심 분야로 주목되고 있다.

AC 및 DC 전기차 충전기 - 어떤 차이가 있나?

더 빠른 충전 솔루션에 대한 수요가 증가함에 따라, 이에 대한 접근 방식에 점진적이고 혁신적인 변화가 있었다. 주목할 만한 변화 중 하나는 모든 배터리 시스템이 본질적으로 DC 전기로 작동하므로 처음에는 모호하게 느껴질 수 있는 용어인 ‘DC 충전기’의 채택이 증가하고 있다는 점이다. 그러나 중요한 차이점은 이러한 시스템 내에서 AC에서 DC로의 변환이 발생하는 위치에 있다.

통상적으로 주거 환경에서 흔히 사용되는 기존의 AC 충전기는 주로 통신, 필터링, 차량에 대한 AC 전력의 흐름 조절을 담당하는 정교한 인터페이스 역할을 한다. 그 후, 차량 내 온보드 DC 충전기가 이 전력을 정류하여 배터리를 충전한다. 반면, DC 충전기는 차량에 전력을 공급하기 전에 정류 작업을 수행하여 고전압 DC 소스로 전송한다.

DC 충전기의 주요 장점은 전력 컨디셔닝 부품을 전기차에서 외부 구조물로 재배치함으로써 무게와 크기와 관련된 많은 제약을 제거할 수 있다는 점이다.

무게와 크기 제약이 없는 DC 충전기는 추가 부품을 원활하게 통합하여 전류 처리량 및 작동 전압 모두를 향상시킬 수 있다. 이러한 충전기는 전력을 정류하는 최첨단 반도체 장치, 필터 및 전력 저항을 활용하며, 이 모두는 작동 중에 상당한 열을 발생시킨다. 열 방출에 대한 필터와 저항의 기여도 중요하지만, 전기차 충전 시스템의 주요 열 방출원은 최근 수십 년간 그 채택이 증가하고 있는 반도체 장치인 절연 게이트 양극 트랜지스터(IGBT)이다. 이 견고한 부품은 충전 영역에서 수많은 가능성을 열어주었지만, 적절한 냉각을 보장하는 것은 여전히 중요한 문제이다.

열 관련 문제 해결

절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)는 기본적으로 전계 효과 트랜지스터(FET)와 양극 접합 트랜지스터(BJT)의 하이브리드 역할을 한다. 고전압을 견딜 수 있는 용량, 최소 온저항, 빠른 스위칭 속도, 뛰어난 열 복원력으로 유명한 IGBT는 전기차 충전기와 같은 고전력 시나리오에서 최적의 활용도를 제공한다.

IGBT가 정류기 또는 인버터 역할을 하는 전기차 충전 회로에서는 잦은 스위칭 작업으로 인해 상당한 열이 발생한다. 현재 가장 큰 열 문제는 IGBT와 관련된 열 방출이 크게 증가하는 것과 관련이 있다. 지난 30년간 열 방출량은 1.2kW에서 12.5kW로 10배 이상 급증했으며, 앞으로 더 증가할 것으로 예상된다. 아래 그림 2는 단위 표면적당 전력의 측면에서 이러한 추세를 보여준다.

이를 원근법으로 설명하자면, 최신 CPU는 약 0.18kW의 전력 수준을 달성하며 이는 7kW/cm2에 해당한다. 이 엄청난 차이로 인해 고전력 응용 제품에서 IGBT가 직면한 열 관리 문제가 심각하다는 것을 알 수 있다.

IGBT의 냉각 성능을 향상시키는 데는 두 가지 요인이 중요한 역할을 한다. 첫째, IGBT의 표면적은 CPU의 약 2배에 달한다 둘째, 최신 CPU가 통상적으로 +105℃에서만 작동하는 반면, IGBT는 최대 +170℃의 더 높은 작동 온도를 견딜 수 있다.

열 상태를 관리하는 가장 효과적인 방법은 방열판과 강제 공기를 함께 사용하는 것이다. IGBT와 같은 반도체 장치는 통상적으로 내부 열 저항이 매우 낮은 반면, 장치와 주변 공기 사이의 열 저항은 상대적으로 높다. 방열판을 통합하면 주변 공기로 열을 방출할 수 있는 표면적이 크게 증가하여 열 저항을 줄일 수 있다. 또한 방열판 위로 공기의 흐름을 유도하면 방열판의 효율성이 더욱 향상된다. 장치와 공기 간 인터페이스는 시스템에서 가장 중요한 열 저항을 발생시키므로, 이를 최소화하는 것이 중요하다. 이 간단한 접근 방식의 장점은 패시브 방열판의 신뢰성과 잘 정립된 팬(fan) 기술이다.

CUI Devices는 최대 950 x 350 x 75mm 크기의 전기차 충전 응용 제품을 위한 맞춤형 방열판을 제공한다. 이러한 방열판은 덜 까다로운 요구 사항을 수동적으로 처리하거나, 강제 공기를 사용하여 더 까다로운 시나리오를 능동적으로 관리할 수 있다.

공랭식 냉각 방식 외에도, 액체 냉각은 IGBT와 같은 고전력 부품의 열을 방출하는 대안이 될 수 있다. 수냉식 냉각 시스템은 가장 낮은 열 저항을 달성할 수 있다는 점에서 매력이 있지만, 공랭식 솔루션에 비해 비용이 더 많이 들고 복잡성이 증가한다. 수냉식 설정에서도 방열판과 팬은 시스템에서 열을 효과적으로 제거하기 위한 필수 부품이라는 사실도 중요하다.

관련 비용과 복잡성을 고려할 때, 방열판과 팬을 사용하여 IGBT를 직접 냉각하는 것이 여전히 선호되는 방식이다. 지속적인 연구 노력은 IGBT 응용 제품에 특화된 공기 냉각 기술을 향상시키는 데 초점을 맞추고 있다. 이 활발한 연구는 액체 냉각 방식과 관련된 비용과 시스템 복잡성을 최소화하면서 열 방출을 최적화하는 것을 목표로 한다.

열 시스템 설계 고려 사항

모든 냉각 시스템의 효율성은 공기 흐름을 최적화하고 열 분배를 개선하기 위한 부품의 전략적 배치에 크게 좌우된다. 부품 사이의 간격이 충분하지 않으면 공기 흐름이 방해되고, 활용할 수 있는 방열판의 크기가 제한될 수 있다. 따라서, 효율적인 냉각을 위해서는 전체 시스템에서 주요 열 발생 부품을 전략적으로 배치하는 것이 중요하다.

부품 배치와 더불어, 열 센서의 위치도 마찬가지로 중요하다. DC 전기차 충전기와 같은 대규모 시스템에서는 제어 시스템을 통한 실시간 온도 모니터링이 능동적인 열 관리에 중요한 역할을 한다. 온도 판독값을 기반으로 냉각 메커니즘을 자동으로 조정하면, 전류 출력을 조절하거나 팬 속도를 조정하여 시스템 성능을 최적화하고 과열을 방지할 수 있다. 그러나 이러한 자동 조정의 정확도는 온도 센서의 품질 및 정밀도에 따라 달라진다. 센서를 잘못 배치하면 온도 판독값이 부정확해져 시스템 응답이 제대로 이루어지지 않을 수 있다. 따라서 온도 모니터링 및 제어의 정확성과 신뢰성을 보장하기 위해 열 센서를 배치할 때 신중하게 고려해야 한다.

환경적 요인

전기차 충전소는 다양한 기상 조건에 영향을 받는 실외 환경에 설치되는 경우가 많다. 따라서 최적의 열 성능을 유지하려면 적절한 환기 기능 및 비나 극한의 온도와 같은 요소로부터 보호하는 내후성 인클로저를 설계하는 것이 필수적이다. 막힘없는 공기 흐름을 유지하면서 물의 유입이 방지되도록 공기 흐름 경로 및 환기 시스템을 설계하는 것이 대단히 중요하다.

외부 요인 중 직사광선으로 인한 태양열은 충전기 인클로저의 내부 주변 온도를 상당히 상승시키는 중대한 문제이다. 이는 충분히 우려할 만한 일이지만, 가장 효율적인 해결책은 비교적 간단하다. 차광막과 충전 장치 사이에 충분한 공기 흐름이 있는 잘 설계된 차광 구조를 구현하면, 태양열로 인한 발열을 효과적으로 완화하여 충전기 인클로저 내부의 주변 온도를 낮게 유지할 수 있다.

최근 몇 년간 전 세계적으로 전기 자동차의 도입이 눈에 띄게 급증하면서, 다양한 기술 분야에서 그 수요가 지속적이고 상당한 성장을 보이고 있다. 도로를 달리는 전기차의 수가 계속 증가함에 따라 충전 인프라의 확산도 급속도로 확대될 것으로 예상된다. 급성장하는 충전 인프라의 발전을 위해서는 충전기의 효과적인 운영과 효율성이 가장 중요하다. 개인과 기업이 이러한 충전기를 가정과 사업장에 통합하는 속도는 경제력에 따라 달라지므로, 비용 효율성도 중요한 요소이다.

전기차와 충전기의 지속적인 성장을 예상하기 위해서는 기반 기술의 진화하는 특성을 인정해야 한다. 이를 위해서는 충전 전력 및 용량의 잠재적 발전, 소프트웨어 및 하드웨어 표준의 진화, 예상치 못한 혁신에 대한 여지를 고려해야 한다. 이러한 사전 예방적 접근 방식은 열 관리 시스템이 시간이 지남에 따라 변화하는 수요에 적응할 수 있도록 보장한다.

전기 자동차 충전기는 다른 고밀도, 고전력 전자 장치와 유사한 열 관리 문제가 있다. 그러나, 전기차 충전기에 사용되는 절연 게이트 양극 트랜지스터(IGBT)의 전력 밀도와 이에 대한 수요 증가는 고유한 과제를 제기한다. 충전 속도와 배터리 용량이 계속 증가함에 따라 충전기를 효과적이고 안전하게 개발해야 하는 의무가 점점 더 강화되면서, 열 관리 설계자와 엔지니어에 대한 요구 사항이 그 어느 때보다 늘고 있다.

CUI Devices는 전기 자동차 충전 에코시스템의 진화하는 요구 사항을 지원하기 위해 업계 최고의 열 설계 서비스와 함께 포괄적인 열 관리 부품을 제공한다. 

leekh@seminet.co.kr
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