전기차 충전 열 관리 솔루션

도로에서 전기차의 수가 증가함에 따라 충전소 건설이 빠르게 진행되고 있습니다. 더 빠른 충전 속도는 충전소 개발의 핵심 초점이 되고 있습니다.

잘 작동하고 효율적인 충전기는 충전 인프라의 활성화 형성에 있어 매우 중요합니다. 하지만 더 빠른 충전 속도는 더 높은 수준의 열을 발생시켜 충전 과정의 안전에 대한 도전을 제기합니다. 이 기사에서는 전기차 충전 기술의 발전과 충전 시 열 방출을 위한 냉각 시스템의 중요성, 그리고 설계를 위한 열 관리 솔루션에 대해 자세히 알아보세요.

차세대 전기차 충전을 위한 열 관리 기술

전기자동차가 주요 교통수단이 됨에 따라 배터리 주행거리와 더 빠른 충전 속도는 글로벌 경제적 실현 가능성을 위한 필수 요소가 될 것입니다. 이러한 전기자동차 충전 시스템의 개선은 열 관리 등 기술 전반에 걸친 발전이 필요합니다.   빠른 충전기 수요가 증가함에 따라 구현 방식에서도 다양한 변화가 일어나고 있습니다. 주목할 만한 변화 중 하나는 직류(DC) 충전기로의 전환입니다. 모든 배터리 시스템이 DC로 작동하기 때문에 이는 다소 혼란스럽게 들릴 수 있습니다. 그러나 중요한 차이점은 교류(AC)를 DC로 변환하는 과정이 어디에서 이루어지는지에 있습니다. 일반적인 주거환경에서 가장 흔한 방식은 통신, 여과 및 AC 전력을 차량으로 제어 흐름하는 데 사용되는 기존의 AC 충전기를 사용하는 것입니다. 이후 차량 내 장착된 DC 충전기가 이 전력을 정류하여 배터리를 충전합니다. 반면, DC 충전기는 전력을 높은 전압의 DC로 변환한 뒤 차량에 전달합니다. DC 충전기의 주요 장점 중 하나는 전력 조정 장비를 전기자동차에서 외부 구조물로 옮겨 무게와 크기 제약을 상당히 줄일 수 있다는 점입니다.   무게와 크기 제약이 사라짐에 따라 DC 충전기는 더 많은 구성 요소를 쉽게 통합할 수 있으며, 결과적으로 전류 처리량과 작동 전압을 높일 수 있습니다. 이러한 충전기는 전력 정류를 위해 최첨단 반도체 장치, 필터 및 전력 저항기를 활용하며, 이 모든 장치는 상당한 양의 열을 발생시킵니다. 필터 및 저항기는 상당한 열을 발생시키지만, 전기자동차 충전 시스템에서 열의 주요 원천은 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)입니다. 이 반도체 장치는 지난 수십 년 동안 널리 사용되어 왔습니다. 이 강력한 장치는 충전 분야에서 많은 가능성을 열었지만, 이를 적절히 냉각하는 것은 여전히 큰 과제로 남아 있습니다.   IGBT는 기본적으로 FET와 BJT의 특성을 결합한 장치로, 높은 전압을 견디고 낮은 온 저항과 빠른 스위칭 속도를 제공하며, 놀라운 열 내성을 자랑합니다. 이는 전기자동차 충전기와 같은 고출력 애플리케이션에 적합하게 만듭니다. IGBT는 이러한 충전 회로에서 정류기 또는 인버터로 역할을 하므로 빈번히 스위칭을 하며 상당한 열을 생성합니다. 오늘날 열 관리 분야의 도전 과제는 IGBT에 대한 열 분산 요구량이 30년 전의 1.2 kW에서 오늘날 12.5 kW를 초과했으며, 이는 10배 이상의 증가를 나타냅니다. 이 수요는 계속 증가할 것으로 예상됩니다.   IGBT 냉각에 기여하는 두 가지 요인이 있습니다. 첫째, IGBT의 표면적은 CPU의 약 두 배 정도입니다. 둘째, 이들은 더 높은 온도에서 작동할 수 있으며, 170°C의 작동 온도를 가지는 반면, 최신 CPU는 일반적으로 약 105°C에서 작동합니다. 그러나 가장 직접적이고 신뢰할 수 있는 열 관리 솔루션은 방열판과 강제 환기를 결합하는 것입니다.   IGBT와 같은 반도체 장치 내의 열 저항은 일반적으로 매우 낮지만, 장치와 주변 공기 간의 열 저항은 상대적으로 높습니다. 방열판을 추가하면 주변 공기로 열을 방출하는 데 사용 가능한 표면적이 크게 증가하여 열 저항을 줄여줍니다. 게다가 방열판 위에 공기를 통과시키면 그 효율성이 더욱 향상됩니다. 이 간단한 냉각 시스템의 장점은 적절히 설치되었을 경우, 수동 방열판은 절대 고장 나지 않으며, 팬은 성숙하고 매우 정제된 기술로 신뢰할 수 있는 것으로 알려져 있다는 점입니다.

냉각 시스템 구성 요소 및 열 모니터링 배치 기술

어떤 냉각 시스템에서든 필수 구성 요소 중 하나는 공기 흐름을 최적화하고 열 방출을 극대화하기 위해 구성 요소들이 어떻게 배치되는가입니다. 구성 요소 간의 간격이 부족하면 공기 흐름이 제한되고 사용 가능한 히트싱크의 크기도 제한될 수 있습니다. 따라서 중요한 열 발생 구성 요소들은 전체적인 효과적인 냉각을 촉진하기 위해 시스템 전반에 전략적으로 배치되어야 합니다.   열 발생 구성 요소의 신중한 배치가 필요하긴 하지만, 열 센서의 배치 또한 똑같이 중요합니다. DC 전기차 충전기와 같은 대형 시스템에서는 실시간으로 온도 수준을 모니터링할 수 있는 제어 시스템이 능동적인 열 관리 기능을 가능하게 합니다. 온도 측정값에 따라 냉각 메커니즘을 자동으로 조정하면 성능을 최적화하고, 전류 출력을 제한하거나 팬 속도를 조정하여 과열을 방지할 수 있습니다. 그러나 이러한 자동 조정은 입력 데이터의 품질에 의존합니다. 온도 센서가 부정확하게 배치되면 시스템의 반응도 이에 따라 부정확해질 수 있습니다.   전기차 충전소는 일반적으로 실외에 설치되어 다양한 환경 조건에 노출됩니다. 비와 극한 온도를 견딜 수 있으면서도 충분한 환기를 제공하는 방수형 인클로저를 설계하는 것은 최적의 열적 조건을 유지하는 데 매우 중요합니다. 공기 흐름 경로와 통풍구의 설계는 공기 흐름을 제한하지 않으면서도 물이 침투하지 않도록 해야 합니다.   가장 우려되는 외부 요인 중 하나는 충전기 외함에 태양광이 직접적으로 닿아 발생하는 태양열입니다. 이는 내부 온도를 크게 상승시킬 수 있습니다. 이러한 우려가 있을 수 있지만, 가장 효과적인 해결책은 종종 간단하면서도 직접적인 접근 방식을 포함합니다. 신중히 설계된 차광 장치를 사용하고, 차광 장치와 충전기 유닛 사이에 충분한 공기 흐름을 확보하면 충전기 주변의 환경 온도를 크게 낮출 수 있습니다.

다양한 옵션과 맞춤형 기능을 갖춘 DC 팬 및 원심 송풍기

Same Sky는 다양한 냉각 요구를 충족시키기 위해 설계된 폭넓은 DC 팬과 원심 송풍기를 제공합니다. 이 제품군은 크기 20mm에서 172mm까지의 프레임과 0.33 CFM에서 382 CFM까지의 공기 흐름을 제공하는 축류 팬과 원심 송풍기를 포함합니다. Same Sky의 DC 팬은 자동 재시작 보호 기능이 기본 장착되어 있으며, 볼 베어링, 슬리브 베어링 또는 Same Sky의 혁신적인 omniCOOL™ 시스템 구조를 사용합니다. 또한, 다양한 옵션과 맞춤형 기능을 제공하여 열 방출을 위한 강제 공기 냉각 솔루션에 이상적입니다.   Same Sky의 DC 축류 팬은 5, 12, 24, 48 Vdc로 정격화되어 있으며, 타코미터 신호, 회전 감지기, 그리고 PWM 제어 신호에 대한 옵션을 제공합니다. 이 팬은 최대 25,000 RPM의 속도에 도달할 수 있으며, IP68 보호 등급 모델이 있어 가혹한 환경에서도 적합합니다.   Same Sky는 프레임 크기가 35mm에서 120mm에 이르는 원심 송풍기를 제공합니다. 이러한 송풍기는 볼 베어링, 슬리브 베어링, 또는 omniCOOL™ 시스템 구조를 특징으로 하며, 5, 12, 24 Vdc의 정격 전압을 가집니다. 자동 재시작 보호 기능이 포함되어 있으며, 0.57 CFM에서 44.2 CFM까지의 공기 흐름과 최대 20,000 RPM의 다양한 속도 옵션을 제공합니다. 이는 높은 역압 애플리케이션에 이상적입니다.

자연 대류 또는 강제 공기 냉각 시스템에 적합한 최고의 히트 싱크

Same Sky는 보드 레벨 및 볼 그리드 배열(BGA) 설계를 위한 다양한 히트싱크를 제공합니다. 알루미늄 및 구리로 제작된 Same Sky 히트싱크는 TO-218, TO-220, TO-252 및 TO-263 트랜지스터 패키지뿐만 아니라 BGA 패키지와도 호환됩니다. 이러한 히트싱크는 자연 대류 또는 강제 공냉 시스템에 최적의 히트싱크를 쉽게 선택할 수 있도록 네 가지 조건에서 열 저항을 측정합니다.   Same Sky의 히트싱크 유형에는 BGA 히트싱크와 보드 레벨 히트싱크가 포함됩니다. BGA 히트싱크는 BGA 장치와 호환되며, 알루미늄 또는 구리로 제작되고, 블랙 아노다이징(black anodized) 또는 클린 마감(clean finish)으로 제공되며, 접착식과 PCB 장착 옵션이 가능합니다. Same Sky의 BGA 히트싱크는 8.5 x 8.5 mm에서 69.7 x 69.7 mm까지 다양한 크기를 지원하며, 높이는 5mm에서 25mm까지 가능합니다. 네 가지 열 저항 조건에서 측정된 Same Sky의 BGA 히트싱크는 75°C에서 1.92~21.74 W의 전력 소산률을 제공합니다.   Same Sky의 보드 레벨 히트싱크는 다양한 표준 압출 및 스탬핑 설계로 제작되어 TO-218, TO-220, TO-252 및 TO-263 트랜지스터 패키지와 호환됩니다. 이러한 히트싱크는 알루미늄 또는 구리로 만들어졌으며, 블랙 아노다이징, 블루 아노다이징(blue anodized), 또는 주석 도금(tin-plated) 마감재를 특징으로 합니다. 또한 크기는 8mm에서 70mm까지, 프로필은 4mm에서 45mm까지의 다양한 표준 형태와 크기를 지원합니다.   Same Sky의 보드 레벨 히트싱크는 압출 히트싱크와 스탬프 히트싱크로 다시 나뉩니다. Same Sky의 압출 히트싱크는 더 큰 표면적을 제공하는 알루미늄 핀 구조를 통해 고출력 응용 분야에서 열 방출을 강화합니다. 네 가지 열 저항 조건에서 측정된 Same Sky의 압출 히트싱크는 75°C에서 1.93~16.7 W의 전력 소산률을 제공합니다. 이러한 압출 히트싱크는 알루미늄으로 제작되었으며, 블랙 또는 블루 아노다이징 마감을 특징으로 하며, TO-218 및 TO-220 트랜지스터 패키지와 호환됩니다.   Same Sky의 스탬프 히트싱크는 알루미늄 또는 구리로 제작되었으며, 블랙 아노다이징 또는 주석 도금 마감을 특징으로 하여 저출력 PCB 냉각 응용 분야에 이상적입니다. 이러한 스탬프 히트싱크는 8~50.8mm 너비와 4~25.4mm 높이의 다양한 트랜지스터 패키지를 지원합니다. 네 가지 열 저항 조건에서 측정된 Same Sky의 스탬프 히트싱크는 75°C에서 2.1~10.29 W의 전력 소산률을 제공합니다.

결론

전기차와 충전기의 수가 계속 증가함에 따라, 이들이 의존하는 기술 또한 발전하고 개선될 것입니다. 충전 전력과 용량의 잠재적인 증가를 고려할 때, 열 관리 시스템이 시간에 따라 변화하는 요구에 적응할 수 있도록 보장하는 것이 중요합니다. 전기차 충전기에 사용되는 IGBT의 전력 밀도가 급격히 증가함에 따라 열 관리 측면에서 독특한 과제가 생겨나고 있습니다. 이 충전기를 효과적이고 안전하게 제조하기 위한 요구 사항은 점점 더 엄격해지고 있으며, 지금보다 더 높은 수준의 열 관리가 필요할 것입니다. Same Sky는 다양한 열 관리 구성 요소와 업계 최고 수준의 열 설계 서비스를 제공하여 고객이 언제든 필요할 때 요구 사항을 해결할 수 있도록 지원합니다!