반응형에서 선제형으로: 열 관리의 패러다임 전환

Helix 실리콘 카바이드 인버터. (이미지: Helix)

발열의 물리학: 전자와 원자의 충돌

전기 회로에서 흐르는 전자가 도체 내 원자들과 충돌하면 원자들이 진동합니다. 열에너지는 공간 영역 내 입자들의 총 운동에너지와 위치에너지이므로, 전자에서 입자로의 운동에너지 전달이 열로 나타납니다.

저항이 클수록 충돌이 더 빈번해져 더 많은 열이 발생합니다. 금속의 경우 열이 증가하면 저항도 더 커지는 악순환이 생깁니다.

열 관리의 임무는 이 열을 배출하는 경로를 찾아, 이 피드백 루프가 전기 효율과 시스템 성능을 크게 떨어뜨리지 않게 하는 것입니다. 또한 영구 자석의 수명에도 핵심적인데, 자성 물질 입자들이 너무 많은 운동에너지를 얻으면 자성 배열을 잃어버리기 때문입니다(탈자).

이 모든 것이 전기차(EV) 모터의 열 관리를 필수적으로 만듭니다. 하지만 기본적인 저항과 발열 문제 외에도, EV 모터는 고정자 철심의 와전류, 베어링의 점성 손실, 고속 스위칭 인버터에서 발생하는 고주파 손실 등 다른 발열원과도 맞서야 합니다.

실시간 지능의 필요성

온도와 저항의 피드백 루프(구리의 저항은 100도 온도 상승마다 40% 증가)뿐만 아니라, 고정자 권선 주변의 전기 절연체가 과열되면 급속히 열화된다는 사실도 문제입니다. 경험칙에 따르면 온도가 10도 오를 때마다 절연 저항이 절반으로 줄고, 어느 온도에서는 절연이 완전히 파괴됩니다.

이는 EV 모터 열 관리를 매우 복잡한 과제로 만들며, 초기에 대응해야 함을 의미합니다. 감지되지 않은 단일 핫스팟(hot spot)이 EV 모터를 엄청나게 빠르게 악화시켜 영구적인 결과를 초래할 수 있습니다.

따라서 EV 열 관리는 액티브 액체 냉각이 일반적이더라도, 모터 상태에 대한 실시간 지능을 필요로 합니다. 실제 모터 성능 향상뿐만 아니라 더 중요하게는 배터리 성능 향상에도 기여하며, 이러한 실시간 지능은 차량 전체 열 관리, 난방 및 냉방 혁신을 가능케 합니다. 테슬라 옥토밸브(Octovalve)처럼 여러 냉각수 및 난방 시스템을 통합하여 차량 전체의 열 관리를 중앙화하고 합리화하는 기술이 그 예입니다.

쿨런트 채널 유체 압력 등고선 플롯. (이미지: Helix)

하지만 이 실시간 지능은 정확히 어디서 오는 걸까요? EV 모터 전체의 정확한 열 측정값을 얻는 것은 쉬운 일이 아닙니다. 특히 핫스팟을 신속하고 정확하게 식별하는 데 필요한 해상도로는 더욱 그렇습니다. 모터 내부와 냉각수의 수많은 실시간 온도 측정값이 필요하며, 로터와 고정자 권선을 커버해야 합니다.

직접 측정법과 간접 측정법

이 온도 정보를 얻는 두 가지 방법이 있습니다. 첫째는 직접 측정법으로, 센서를 현장에 직접 배치하여 실시간 온도 측정을 하는 것입니다. 즉, 서미스터나 열전대 센서를 직접 접촉시키거나, 적외선 센서를 통한 로터 측정을 사용합니다. 이는 가장 직관적인 방법이지만 주요 복잡성이 따릅니다: 복잡성 증가, 고장 지점 증가, 센서 자체의 품질 비용 등입니다.

Helix 확장형 코어 기술 모터. (이미지: Helix)

모터 내부에 수많은 센서를 설치하고 배선하는 것은 배선, 패키징, 유지보수 과제를 안겨주며, 이를 해결하기 위해 상당한 추가 엔지니어링이 필요하고 효율과 성능 면에서 트레이드오프를 감수해야 할 수 있습니다. 단 하나의 센서 고장만으로도 잘못된 판독값이 열 관리 전략을 혼란에 빠뜨려 성능, 효율 저하와 고객 불만을 초래할 수 있습니다.

이것이 간접 측정법으로 이어집니다: 결합된 전자기-열 모델링의 활용입니다. 모터가 다양한 전기적, 열적 조건에서 어떻게 작동하는지에 대한 정교한 모델을 개발하면, 이미 모터 안팎에 배치된 센서들과 짝지을 수 있습니다. 예를 들어, 기능 안전 표준을 충족해야 하는 전류 및 위치 센서(어차피 필요함)와 단일 냉각수 온도 측정값을 결합할 수 있습니다. 이들로부터 실시간 모델을 통해 어느 시점에서든 시스템 전반의 열 분포가 어떻게 보이는지 추론할 수 있습니다.

전기열 모델링(Electrothermal Modeling)의 도전과 이점

센서 대신 전기열 모델링에 의존하는 것의 과제는 이것이 간접적 방법이라는 점입니다. 이는 이제 모델의 적용 가능성과 정확도에 의존하게 되며, 이는 بدوره 모델을 개발하고 개선하기 위한 충분한 테스트와, 모델을 실행하고 필요한 온도 추론을 수행할 충분한 연산 능력을 요구합니다.

고정자 온도 등고선 플롯. (이미지: Helix)

그 결과 이 접근법은 모터와 차량 뒤의 엔지니어링 팀의 정교함에 특히 크게 의존합니다. 또한 모든 측정 수단과 마찬가지로, 그 정확성을 이해하고 적절한 한계 설정이 필요합니다.

하지만 올바르게 수행된다면 이 접근법의 이점은 상당합니다. 모터 내외부의 센서와 배선을 수용하기 위한 트레이드오프가 필요 없어, 열 관리 데이터가 효율이나 성능을 저해하지 않습니다.

이 접근법은 모터와 EV의 고장 지점도 줄여줍니다. 결정적으로, 모델이 충분히 정교하다면 상당한 예측 능력도 갖추게 되어, 열 관리 시스템이 핫스팟 형성을 완전히 선제적으로 예방하고 모터를 지속적인 최적 성능의 안정 상태로 유지하도록 지시할 수 있습니다.

이러한 반응형에서 선제적(preemptive) 열 관리로의 전환은 성능, 효율, 수명 향상에 특히 중요합니다. 균일하고 안정적인 온도를 유지하고, 그러한 안정 상태에 대한 순간적인 작은 교란조차 최소화함으로써, 결합된 전기열 모델링에 기반한 열 관리 시스템이 EV 모터 품질의 한계를 넓히는 열쇠가 될 것입니다. 사실, 훌륭한 전기열 모델링의 열등한 대체재로 온도 센서를 생각하는 것보다, 온도 센서를 훌륭한 전기열 모델링의 열등한 대체재로 생각하는 것이 더 나을지도 모릅니다.

이 기사는 Andrew Cross, Helix 최고혁신책임자(밀턴 케인즈, 영국)가 작성했습니다. 자세한 정보는 여기를 방문하세요.