Electric Vehicle에 대한 오해중 하나가 냉각 시스템이 필요 없다는 것입니다. 저도 전기자동차 앞쪽의 Intake 쪽(그릴)이 막혀 있어서 그렇게 생각했습니다. 게다가 Electric Vehicle이 연소 에너지를 사용하는 것도 아니고, TV나 세탁기 같은 가전제품에도 냉각 구조가 붙어 있지 않기 때문에 오해할 만합니다. 하지만 실제로는 전기로 작동하는 제품일수록 미묘한 온도 관리가 필요합니다. 그래서 Electric Vehicle에서도 라디에이터도 빼놓을 수 없습니다.
1. Battery를 냉각해야 합니다.
Li-ion Battery의 이상적인 작동 온도는 15℃~25℃입니다. 40℃를 넘는 시점부터 용량저하가 두드러지기 시작하면서, 80℃를 넘으면 전해액과 음극이 반응해 열폭주가 시작합니다. 대기온도와 차이가 없는 온도에다가, 좁은 온도 영역으로 가둠으로써 각 Cell의 온도를 균등화해야 한다는 점에서 ICE(내연기관) 냉각보다 섬세한 기술이 요구됩니다. 게다가 고출력을 낼수록 발열량은 커지기 때문에 냉각시스템 설계는 Battery 출력을 어디까지 사용할 수 있느냐에 따라서 잘하느냐 못하느냐로 좌우됩니다.
2. Battery와 Control system을 냉각하기 위해서
Battery electric Vehicle의 앞 그릴을 눈에 두드러지지 않도록 디자인 한 차량이 많습니다. 그러나 에너지원을 무엇으로 삼던지 간에 효율 100%가 되지 않는 한 손실분은 최종적으로 열로 바뀝니다. 특히 전기 같은 경우는 전기 저항이 발열로 나타납니다. 게다가 Electric Vehicle의 전기 부품은 ICE(내연기관)보다 열에 약한 것들이 많습니다. 가령 전류가 전압제어에 사용하는 반도체에는 온도가 150℃를 넘어서는 안됩니다. 그리고 모터에 사용하는 네오 자석은 일반적으로 320℃에서 큐리온도(자력을 상실해 식어도 원래대로 돌아가지 않는 온도)에 도달하는 것으로 알려져 있습니다. 에너지원인 Li-ion Battery도 80℃를 넘으면 열이 폭주할 가능성도 높습니다. 이런 점들 때문에 전기로 구동하는 부품에도 냉각 장치가 필수입니다. 그런데 ICE(내연기관) 보다 까다로운 점이 두 개나 더 있습니다.
1. 최적으로 관리해야 하는 온도가 부품별로 다르다는 점입니다. 즉 각각의 독립된 냉각제어가 필요합니다.
2. 관리해야 할 온도가 낮다는 점입니다. 열은 온도차가 클수록 효율적으로 이동하는데, 대기 온도가 큰 차이가 없는 온도로 관리할 필요가 있는 Li-ion Battery에서는 특히 냉각하기 어렵습니다.
IPU(Intelligent Power Unit=Li-ion Battery 또는 ECU, 정션 보드를 일체화한 것) 냉각에는 수랭식을 사용합니다. 그래서 관리온도가 50℃까지 올라가지도 않습니다. 외부기관과의 온도차이가 작고, 냉각하기 어렵다는 점에 관해서는 라디에이터를 통과하는 냉각품의 풍속을 높이는 방식으로 대체하고 있습니다. 라디에이터는 소형자 정도의 제품을 장착합니다. 범퍼 아래 조그만 구멍을 통해 들어오는 공기를 라디에이터에 균등하게 부딪치도록 하기 위해서 도풍 덕트(Duct)를 설치했습니다. 다만 조건이 혹독한 것은 높은 기온 환경에서 고출력을 냈을 경우나 급속충전을 계속했을 경우입니다. 때문에 냉각시키는 것이 항상 힘든 것은 아닙니다. 반도체를 많이 사용하는 PCU(Power Control Unit)는 IPU(Interlligent Power Unit)와는 또 다른 냉각회로를 갖습니다. PCU 관리온도는 60℃~80℃로 IPU(intelligent Power Unit) 보다 높고 발열량이나 발열하는 조건도 다르기 때문에 냉각시스템도 따로 필요하지 않습니다. 냉각수는 ICE(내연기관)에 사용하는 것과 똑같은 Honda 순정 E-냉각수로, 열부하가 작아서 정기교환이 정해져 있지 않습니다. 제어시스템도 수랭식 방식이지만, 조금 더 높은 온도까지 허용할 수 있는 모터는 유냉식 방식입니다. 기어 박스와 Motor가 하나로 되어 있어서 동시에 식히는 유냉방식을 채택하고 있습니다. 중공으로 만든 Motor 축에 냉각유를 보내 원심력으로 Roter나 Bearing을 강제적으로 냉각 윤활하는 구조입니다. Oil pump는 디퍼렌셜과 같이 돌기 때문에 오르막길 도로등 저속, 고부하 주행에서 유량이 보족한 상황도 예상할 수 있기 때문에 백업으로 전동 Oil pump도 같이 사용합니다. Oil에는 CVT용과 같은 Honda 순정 ATF DW-1을 사용합니다. Motor에 열을 빼앗은 Oil은 외장형 Oil cooler로 냉각시킵니다. 감자방지와 권선을 보호하기 위해서 관리온도는 약 70℃로 설정하고 있습니다. 다만 온도가 너무 낮아도 Oil점도가 높아지고, 기어 박스 쪽 저항이 커져서 전비에 영향을 끼치기 때문에 일단 크게 한 Oil cooler를 다시 작게 하는 등, 사소한 튜닝을 했습니다. Oil Cooler는 전동 Pan이 아니라 주행풍만으로만 냉각할 수 있습니다. Oil cooler는 세울 수가 없어서 바닥 아래에 배치하여서 최대한 바람이 잘 부딪치도록 각도나 Duct 크기를 미세하게 튜닝했습니다. 또 한 가지, 급속충전을 할 때도 발열이 있는데 여기에 대해서는 어떻게 대응하고 있는지도 물어보았습니다.
고출력으로 급속 충전을 하면 분명 열 문제가 발생합니다. Honda -E 같은 경우는 강제로 냉각하는 장치가 없기 때문에, 자연스러운 방열로 허용범위 내에 들어가도록 전선을 굵게 하는 식으로 대처합니다. 굵게 하면 표면적이 늘어나기 때문에 방열량도 높아지는 것은 커넥터나 릴레이 등의 전기접점 부분인데, 이런 부분은 직접 냉각하는 것이 어렵기 때문에 굵게 한 전선의 열전도를 이용해 열을 분산시킵니다. Electric Vehicle에 있어서 냉각 시스템이 ICE(내연기관) 이상으로 중요하다는 사실을 이해할 수 있습니다.
3. PCU 냉각
반도체를 많이 사용하는 Interter나 승압 Conterter도 발열량이 많은 부품입니다. 실리콘 반도체는 150℃를 넘는 것이 금기이기 때문에 그 이하로 관리해야 합니다. 대전류를 사용할수록 발열량은 커지기 때문에, 냉각성능은 최고출력을 좌우합니다. 특히 급가속할 때나 오르막길을 오를 때 발열량이 급증하기 때문에 응답성 좋게 냉각할 필요가 있는데, 공랭식은 대응이 어렵습니다. 때문에 대부분의 메이커가 독립적인 수랭식 회로를 채택하고 있습니다.
4. Motor 냉각
모터에 사용하는 네오 자석은 영구자석 중에서는 자력이 강해서 높은 Torque를 쉽게 얻을 수 있는 반면에, 큐리온도가 낮다는 특징이 있습니다. 큐리온도를 높이려면 디스프로슘이나 테르븀을 첨가하는 방법이 있습니다. 하지만 이들 중 희토류를 사용하지 않으려고 합니다. 그 관건이 냉각성능으로, 현재는 중공 샤프트에서 원심력으로 냉각유를 Roter로 보내는 축방식 냉각 방식이 요새 트렌드입니다.
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