작성자: Jeff Smoot, Same Sky
전기차는 내연기관차만큼 오랜 기간 존재했지만, 주류로 자리 잡은 지는 불과 몇 년이 채 되지 않았습니다. 전기차 기술이 상당 부분 향상되고 정부의 대규모 지원이 따르는 가운데, 전기차의 수요 증가 폭은 천정부지로 증가했습니다.
EU가 2035년부터 내연기관차를 금지하고 2025년에는 고속 EV 충전소를 60km마다 설치하도록 요구한 사실은 이러한 수요 증가의 전망이 반영된 한 가지 지표라 할 수 있습니다. EV가 주된 운송 수단으로 자리함에 따라, 배터리의 주행 가능 거리와 더욱 빠른 충전 성능은 세계 경제가 원활히 돌아가는 데 있어 중요한 부분을 차지할 것입니다.
이러한 EV 충전 시스템을 향상하기 위해선 열 관리를 포함한 여러 분야의 기술 발전이 필요할 것입니다.
AC 및 DC 전기차 충전기의 차이점
더 빠른 충전기의 수요가 커짐에 따라, 크고 작은 변화가 접근법에 반영되었습니다. 그중 한 가지는 DC 충전기로의 전환인데, 모든 배터리 시스템은 DC 전력으로 작동하므로 이 말은 다소 혼란스러울 수 있을 겁니다. 하지만 이 시스템의 중요한 차이점은 AC에서 DC로의 정류 지점이 다르다는 데 있습니다.
가정용에서 가장 자주 보이는 일반 AC 충전기는 크게 과장된 인식과 달리 차량으로의 AC 전력 흐름을 전달, 필터링 및 제어하는 커넥터일 뿐이며, 그 이후에 내부의 DC 충전기에서 전력 정류와 배터리 충전이 진행됩니다.
이와 반대로 DC 충전기는 전력을 차량에 전달하기 전에 고전압 DC 전원으로서 정류를 수행합니다. DC 충전기의 가장 큰 이점은 전력 변환 하드웨어를 EV 외부의 구조물로 옮기므로 무게와 크기에 있어서 여러 제약이 해소된다는 데 있습니다.
도로변에서의 이동 중 급속 충전에 이상적인 DC 충전기
무게와 크기의 제약이 사라짐에 따라, DC 충전기는 더 많은 구성품을 간편히 통합하여 전류 처리량과 운전 전압 모두를 늘릴 수 있습니다. 이러한 충전기는 최첨단 반도체 소자로 전력을 정류하고 필터와 전력 저항기도 사용하므로, 이 모든 요소로 인한 발열량이 상당합니다.
필터와 저항기도 만만찮은 열원이지만, EV 충전 시스템에서 열 방출이 가장 큰 장치는 최근 수십 년간 사용이 대폭 증가한 반도체 소자인 IGBT입니다. IGBT는 강력한 성능으로 충전 부문에서 수많은 기회를 창출했지만, 이 소자를 충분히 냉각하기란 결코 가볍게 볼 일이 아닙니다.
열 생성기 및 방출 시스템
절연 게이트 양극성 트랜지스터, 즉 IGBT는 기본적으로 FET와 BJT의 특성이 결합되어 있습니다. IGBT는 높은 전압을 견딜 수 있고 ON 저항이 낮으며 스위칭 속도도 빠른 데다 열 내구성도 놀랍도록 우수하므로 EV 충전기 같은 고전력 기기에 이상적입니다. IGBT는 이러한 EV 충전 회로의 정류기나 인버터로 쓰이면서 스위치 온오프를 빈번하게 수행하여 다량의 열을 생성합니다.
현재 우리가 마주한 열 관련 문제는 IGBT의 방열량이 30년 전의 1.2kW에서 12.5kW까지 10배 이상 증가했다는 것이고, 이 수치는 계속 늘어날 것으로 예상됩니다. 아래 그림에서는 그 증가세를 표면적당 전력으로 보여줍니다. 여기에 비하면 현재 가장 좋은 성능의 CPU도 대략 0.18kW 정도나 7kW/cm2 수준에 불과합니다. 정말 엄청난 차이죠!
수년간의 IGBT 전력 밀도 향상 추이
IGBT 냉각에 도움이 되는 요소로는 두 가지가 있습니다. 하나는 표면적이 CPU의 약 2배에 달한다는 것이고, 다른 하나는 작동 가능 온도가 더 높아서 최신 CPU도 105°C에 불과한 데 반해 IGBT는 170°C에 달한다는 것입니다.
가장 간단하고 신뢰할 만한 열 관리 해법은 히트 싱크와 강제 공랭을 결합하는 것입니다. 일반적으로 IGBT 같은 반도체 소자 내에서 확인되는 열 저항은 극도로 낮지만, 이와 비교해서 소자와 주변 공기 사이의 열 저항은 극도로 높습니다. 히트 싱크를 추가하면 열을 외부 공기로 방출할 수 있는 표면적이 크게 늘어서 열 저항이 낮아지며, 히트 싱크에 공기를 흘려보내면 히트 싱크의 효과가 더욱 향상됩니다.
이처럼 소자와 공기의 접점에서 시스템의 열 저항이 가장 크게 발생하므로 그 부분을 최대한 줄이는 일이 무엇보다 중요합니다. 이렇게 간단한 시스템은 수동형 히트 싱크를 제대로 설치만 했다면 결코 고장 나지 않는다는 이점이 있고, 팬 또한 고도로 개발되어 확실히 검증된 기술로서 상당히 믿을 만합니다.
Same Sky는 EV 충전용으로 950mm x 350mm x 75mm에 달하는 히트 싱크를 설계했으며, 그 크기는 발열이 덜하면 수동형으로 처리하고 심하면 강제 공랭 방식으로 적극 대응하기에 충분한 수준입니다. Same Sky의 AC 팬 및 DC 팬 전체 제품군을 확인해 보세요.
히트 싱크와 팬의 결합: 효과가 입증된 냉각 솔루션
또한 액체 냉각 방식도 IGBT 같은 고밀도 열원의 냉각 솔루션으로서 고려해 볼 수 있습니다. 액체 냉각 시스템은 최저 열 저항을 달성하므로 매력적일 수 있습니다. 하지만 비용과 복잡성이 더 큰 데다가 무엇보다도 히트 싱크와 팬을 여전히 시스템 전반의 주된 열 제거 방식으로 활용한다는 단점이 있습니다.
그 때문에 히트 싱크와 팬을 이용한 IGBT 직접 냉각이 좀 더 바람직한 접근법으로 꼽히며, IGBT 공랭 기술 향상법을 찾기 위한 연구가 활발히 진행되고 있습니다.
구성품 및 열 모니터링 배치
공기 흐름 최적화와 열 분배 극대화를 위한 구성품 배치 방법은 냉각 시스템이 효과를 내는 데 있어서 필수적인 부분을 차지합니다. 배치된 구성품 사이의 공간이 불충분하면 공기의 흐름과 사용 가능한 히트 싱크의 크기 모두가 제한됩니다. 따라서 열을 생성하는 중요 구성품은 전체적 냉각 효율 증진을 위해 시스템 내부 전반에 걸쳐 전략적으로 배치해야 합니다.
열을 생성하는 구성품은 하나하나 주의해서 배치해야 하며, 열 센서 배치도 그만큼 매우 신중해야 합니다. DC EV 충전기만큼 큰 시스템에서는 실시간 온도 모니터링을 위한 제어 시스템으로 능동형 열 관리를 수행할 수 있습니다. 온도 판독값에 기반한 냉각 메커니즘 자동 조정 방식은 전류 출력을 제한하거나 팬의 속도를 조정하여 성능을 최적화하고 과열을 방지할 수
있습니다. 그러나 이와 같은 자동 조정은 입력 데이터의 품질에 크게 좌우됩니다. 부적절한 배치로 인해 온도 센서가 정확하지 않으면 시스템의 대응도 그에 따라 부정확해집니다.
외부 요인 및 환경적 고려 사항
EV 충전소는 야외에 설치되는 경우가 많아서 다양한 환경 조건에 노출됩니다. 최적의 열 조건을 유지하기 위해선 충분히 환기되면서 비와 극단적 온도 같은 요소로부터 보호되는 내후성 인클로저 설계가 꼭 필요하죠. 누수를 막으면서도 공기 흐름을 제한하지 않도록 공기 흐름의 경로와 환풍을 설계해야 합니다.
신경이 가장 쓰이는 외부 요인은 충전기 인클로저를 내리쬐는 태양열로서, 기기 내부의 주변 온도를 크게 높이곤 합니다. 그런데 상당한 고민거리인데도 제일 효과적인 해법은 매우 간단합니다. 바로 잘 설계된 차양막을 두고 충전기와 차양막 사이에 공기가 충분히 흐르게 하면 충전기의 주변 온도를 대폭 줄일 수 있다는 것이죠.
향후 전망
최근 수년간 세계 곳곳에서는 모든 부문의 기술과 더불어 전기차 수요가 끊임없이 급증함에 따라 그 도입 또한 놀랍도록 증가했습니다. 도로 위에 EV가 늘어나면 충전기 도입도 그만큼 늘겠죠. 이처럼 활발히 틀을 갖추어 가는 충전 인프라엔 성능과 효율이 우수한 충전기가 꼭 필요합니다. 비용도 개인과 기업이 이러한 충전기를 가정과 직장에 얼마나 신속히 통합할지에 있어서 무시할 수 없는 부면이기에 가성비도 뛰어나야 할 것입니다.
전망에 따르면 EV와 충전기의 수는 꾸준히 늘어날 것이고 그 기반 기술도 발전할 것으로 보입니다. 충전 전력과 용량이 증가할 가능성과 날로 변하는 소프트웨어 및 하드웨어 표준을 심사숙고하는 데 더해 완전히 새롭고 예측하기 어려운 변화에 대응할 수 있도록 사고의 유연성도 확보한다면 열 관리 시스템은 끊임없이 변하는 수요에 계속 적응할 수 있을 것입니다.
전기차 충전기의 열 관리 문제는 가장 기본적인 수준에서 보면 다른 고밀도 고전력 전자 기기와 동일합니다. 하지만 그 내부에 사용되는 IGBT의 전력 밀도와 급증하는 수요로 인해 문제가 이례적인 양상을 띠게 됩니다.
충전 속도와 배터리 용량이 계속 급증함에 따라 충전기를 안전하고 효과적으로 개발하기 위한 요건도 훨씬 엄격해질 것이고, 열 관리 설계 담당자와 엔지니어의 부담도 그 어느 때보다 늘어날 것입니다. Same Sky의 열 관리 컴포넌트 제품군과 업계 최고의 열 설계 서비스는 바로 그 부분에서 도움을 드릴 수 있습니다
