전기 자동차(EV)는 휘발유 자동차만큼 오래 전부터 존재해 왔지만, 전통적인 자동차를 대체하는 데 획기적인 진전을 보인 것은 최근 몇 년뿐입니다. 합리적으로 가능한 한 빨리 EV를 도로의 주요 차량으로 만들기 위한 노력이 있습니다. EU는 구체적으로 2035년까지 내연기관 차량을 금지하도록 의무화했는데, 이는 EU가 이 문제에 진심으로 임하고 있음을 보여 줍니다. EV 기술의 상당한 발전과 상당한 정부 지원으로 인해 EV에 대한 수요가 급증할 것으로 예상됩니다. EV가 주요 운송 수단이 되면서 배터리 주행 거리와 충전 속도를 향상시키는 것이 세계 경제에 중추적인 역할을 하게 될 것입니다. EV 충전 시스템의 진화에는 열관리를 포함한 다양한 영역의 발전도 필요합니다.
AC와 DC EV 충전기 비교
더 빠른 충전기에 대한 요구가 증가함에 따라 접근 방식에 몇 가지 눈에 띄는 변화가 있었습니다. 한 가지 중요한 변화는 DC 충전기로의 전환입니다. 모든 배터리 시스템은 DC 전기로 작동하지만 주요 차이점은 AC에서 DC로 전력 정류가 발생하는 위치에 있습니다. 주거용 또는 상업용 환경에서 흔히 볼 수 있는 기존 AC 충전기는 차량으로의 AC 전원 흐름을 조절하고 추적하는 커넥터 역할을 하지만 EV 자체에서 정류가 이루어질 수 있도록 합니다. 반면에 DC 충전기는 고정된 충전 장치에서 외부적으로 정류를 수행하여 고전압 DC 전력을 차량에 직접 공급합니다. 이러한 변화는 충전 회로가 이동성이 없거나 차량의 필수 부분이 아니기 때문에 전력 조절 하드웨어를 EV 외부로 재배치함으로써 많은 무게와 크기 제약을 해소합니다.
그림 1: DC 충전기는 훨씬 더 빠르지만 더 복잡하고 더 많은 열을 발생시킵니다(이미지 출처: CUI Devices).
이러한 제약이 해소되면 DC 충전기는 더 복잡해질 수 있고, 더 크고 많은 부품을 활용하여 전류 처리량과 작동 전압을 향상시킬 수 있습니다. 그러나 더 많은 양의 전력을 처리하는 이러한 충전기는 상당한 열을 발생시킵니다. 필터와 저항기가 열 발생에 기여하는 상황에서, EV 충전 시스템의 주요 방열 장치는 최근 수십 년 동안 점점 더 많이 사용되는 반도체 장치인 절연 게이트 양극 트랜지스터(IGBT)입니다. IGBT의 효과적인 냉각은 EV 충전 시스템에서 중대한 과제입니다.
반도체 열 발생 요인 및 열관리 솔루션
전계 효과 트랜지스터(FET)와 양극 접합 트랜지스터(BJT)의 하이브리드인 IGBT는 EV 충전기와 같은 고전력 응용 분야에서 매우 선호됩니다. IGBT의 구조를 통해 낮은 온 저항, 빠른 전환 속도 및 뛰어난 열 견고성을 유지하면서 높은 전압을 견딜 수 있습니다. 그러나 대부분의 현대 컴퓨터 중앙 처리장치(CPU)가 섭씨 105도를 견딜 수 있는 데 비해 섭씨 170도의 고온을 견딜 수 있음에도 불구하고, 적절한 냉각 없이는 섭씨 170도를 쉽게 초과할 수 있습니다. 대부분의 충전 회로에서 IGBT를 빈번하게 전환하는 부분이 포함되어 있으며, 이로 인해 상당한 열이 발생합니다. 실제로, 현재의 열 문제는 IGBT의 열 방출이 30년 전 1.2kW에서 현재 12.5kW로 기하급수적으로 증가한 데서 비롯되었으며 더 증가할 것으로 예상됩니다. 이 그래픽에서 볼 수 있듯이 제곱센티미터 표면당 전력 증가는 극적으로 진행되었으며, 이는 현대 CPU의 비교적 낮은 전력인 0.18kW 또는 제곱센티미터당 7kW와 비교할 때 가장 확연히 드러납니다.
그림 2: IGBT의 전력 밀도가 비약적으로 증가했습니다(이미지 출처: CUI Devices).
IGBT의 효과적인 냉각은 더 큰 표면적과 더 높은 온도에서 작동할 수 있는 능력의 두 가지 요인에 의해 지원됩니다. 이 더 큰 표면적은 사용 가능한 가장 신뢰할 수 있는 열관리 솔루션 중 하나인 열 흡수원과 강제 공기의 조합에 더 적합합니다. 열 흡수원은 IGBT와 주변 공기 사이의 열 저항을 크게 줄이는 반면, 팬이 제공하는 강제 공기는 자연 대류에 비해 열 저항을 더욱 줄여 줍니다. 경우에 따라 액체 냉각이 고려되는데, 액체 냉각 옵션은 훨씬 더 낮은 열 저항을 달성할 수 있지만 더 높은 비용과 복잡성으로 인해 열 흡수원과 팬을 사용한 직접 냉각이 더 바람직한 접근 방식입니다. 열 엔지니어가 수행하는 대부분의 활발한 연구는 IGBT의 공기 냉각 기술을 개선하는 데 중점을 둡니다. 실제로 CUI Devices에서는 EV 충전 응용 제품의 열 문제를 해결하기 위해 특별히 설계된 최대 950x350x75mm 크기의 열 흡수원을 개발했습니다.
그림 3: 열 흡수원 및 팬은 IGBTs에 대한 효과적인 열관리 솔루션입니다(이미지 출처: CUI Devices).
부품 및 열 모니터링 배치
효율적인 냉각 시스템은 공기 흐름을 최적화하고 열 분포를 극대화하기 위해 부품을 전략적으로 배치하는 데 달려 있습니다. 부품 사이의 간격이 부적절하면 공기 흐름이 제한되고 사용할 수 있는 열 흡수원의 크기가 제한됩니다. 따라서 중요한 열 발생 부품은 효율적인 전체 냉각을 용이하게 하기 위해 시스템 내에 전략적으로 배치해야 합니다. 주요 열 발생 부품에 초점을 맞추는 것이 중요하지만, 특히 많은 지원 반도체 장치가 IGBT만큼 극도의 고온을 견디지 못하기 때문에 분석 시 전체 시스템을 대상에 포함해야 합니다.
마찬가지로, 열 센서의 배치는 효과적인 열관리를 위해 매우 중요합니다. DC EV 충전기와 같은 대형 시스템에서는 능동적인 열관리를 가능하게 하므로 실시간 온도 모니터링이 적극 권장됩니다. 팬 속도 또는 충전기 출력 제한과 같은 냉각 메커니즘의 자동 조정은 모두 성능을 최적화하고 과열을 방지하는 온도 판독값을 기반으로 합니다. 그러나 이러한 조정의 정확도는 적절하게 배치된 온도 센서의 입력 데이터 품질에 따라 달라집니다.
외부 요인 및 환경 고려 사항
이동 중 EV 충전소는 흔히 실외에 설치됩니다. 따라서 다양한 환경 조건에도 문제가 없도록 설계해야 합니다. 최적화된 냉각을 위한 적절한 환기를 제공하는 동시에 비 및 극한의 온도와 같은 요소에 대한 보호를 유지하는 방후성 인클로저는 차선적 열 조건으로부터 충전소를 보호하는 데 필수적입니다. 고려해야 할 또 다른 요소는 충전기 인클로저에 내리쬐는 햇빛으로 인한 태양열입니다. 이는 내부 주변 온도를 크게 증가시키기 때문에 상당한 우려 사항으로 떠오릅니다. 다행히도 적절한 공기 흐름을 가진 효과적인 차양을 사용하면 충전기의 주변 온도를 크게 낮출 수 있으며, 이는 문제를 해결하는 데 비교적 간단한 방법입니다.
그림 4: 직사광선으로부터 충전기를 보호하는 것은 저렴하고 효과적인 온도 제어 방법입니다(이미지 출처: CUI Devices).
예상되는 미래의 모습
최근 몇 년 동안 전기 자동차의 채택은 전 세계적으로 급증했으며 기술 발전과 함께 수요가 계속 증가하고 있습니다. EV가 도로에서 더 자주 보이게 됨에 따라 충전 인프라의 급증이 불가피해집니다. 과거에서 알 수 있듯이 나중에 해당 인프라를 업데이트하는 것이 어려울 수 있으므로 인프라에 대한 적절한 사전 투자가 중요합니다. EV와 충전기의 수가 증가할 뿐만 아니라 이를 뒷받침하는 기술의 지속적인 개선에 대한 기대도 있습니다. 충전 전력 및 용량의 잠재적 증가, 진화하는 소프트웨어 및 하드웨어 표준을 고려하고 예상치 못한 변화를 예측하는 열관리 시스템은 시간이 지남에 따라 진화하는 요구 사항에 적응해야 합니다. 품질이 우수하고, 효과적이며, 쉽게 업그레이드할 수 있고, 에너지 효율적인 충전기를 적절하게 설계함으로써, 성장하는 EV 충전 문제가 오늘 당장은 아니더라도 앞으로 몇 년에 걸쳐 문제를 해결해 나갈 것입니다.
전기 자동차 충전기는 다른 고밀도 고전력 전자 장치와 기본적인 열관리 문제를 공유합니다. IGBT의 높은 전력 밀도와 이에 대한 수요 증가는 독자적인 과제를 제시합니다. 충전 속도와 배터리 용량이 계속 증가함에 따라 효과적이고 안전한 충전기 설계에 대한 필요성이 커지면서 전기 엔지니어와 열관리 엔지니어 모두의 혁신이 요구되고 있습니다. CUI Devices의 다양한 열관리 부품과 업계 최고의 열 설계 서비스는 이러한 과제에 정면으로 맞섭니다.
