빠른 충전이 EV 충전 환경을 어떻게 변화시키는가

전기 자동차(EV)의 고속 DC 충전은 많은 사람들이 EV 채택을 제한하고 있다고 생각하는 주행 거리 불안을 완화하는 데 핵심이 될 수 있습니다. 4시간이 아닌 20분 만에 배터리 충전이 가능한 강력한 충전 인프라를 통해 EV 충전은 운전자가 내연기관(ICE) 차량에 주유할 때 익숙한 경험에 훨씬 더 가까워졌습니다.

해당 인프라는 현재 완전히 개발되지 않았지만 성장하고 있으며 더 많은 차량에 액세스할 수 있게 되었습니다. 최근 여러 EV 제조업체가 Tesla EV 충전 커넥터를 채택했으며 Tesla는 현재 고속 충전 포트 배포 분야에서 시장을 선도하고 있습니다. Sensience가 의뢰한 연구에서는 2030년까지 DC 고속 충전이 전 세계 공공 충전의 70% 이상을 차지할 것으로 예측합니다(그림 1).

그림 1. 2030년까지 DC 고속 충전의 예상 성장. (이미지:Sensience)

고속 충전은 EV 시장의 성장을 촉진할 수 있을 뿐만 아니라 EV 충전 체인 전반에 걸쳐 열 관리에 대한 기준을 높입니다. 레벨 2 충전기의 일반적인 7~19kW에 비해 DC 고속 충전기는 50~350kW의 전력을 출력합니다. DC 고속 충전기에서 흔히 볼 수 있는 더 높은 전압에서도 이 포트는 레벨 2 충전 포트보다 훨씬 더 많은 열을 발생시킵니다. 따라서 배터리 수명을 단축하고 충전 효율성을 저하시키며 안전 위험을 초래할 수 있는 온도를 방지하기 위해서는 효과적인 열 관리가 그 어느 때보다 중요해졌습니다.

설계 프로세스 후반까지 때때로 간과되는 효과적인 열 관리의 한 구성 요소는 배터리 및 차량 관리 시스템이 차량 충전 체인 전체의 온도 변화에 신속하고 지능적으로 대응할 수 있게 해주는 온도 센서의 사양입니다.

EV 충전 체인에서 온도 센서의 역할

센서는 충전 체인 전반에 걸쳐 사용됩니다. 가장 확실한 응용 분야는 열 관리가 가장 중요한 배터리 자체입니다. 배터리 내의 센서 배치는 배터리 설계 및 크기에 따라 결정되지만 단일 센서는 일반적으로 고속 충전 중에 셀이나 모듈에서 발생할 수 있는 핫존을 감지하지 못할 수 있으므로 부적절한 것으로 판명됩니다. 이상적으로는 여러 위치에서 배터리 셀 온도를 직접 모니터링하고 전체 팩 내의 열 분포를 이해할 수 있는 기능이 필요합니다.

온보드 충전기는 센서 모니터링이 고속 충전 중에 열을 관리하는 데 필요한 냉각 시스템을 트리거하므로 온도 센서에 대한 간단하지만 여전히 중요한 환경을 나타냅니다. 구성 요소 전반에 걸쳐 온도 변동이 적기 때문에 필요한 센서 수도 적습니다.

차량의 충전 포트는 충전 체인의 온도 센서를 위한 또 다른 중요한 애플리케이션입니다. 온도 센서는 차량의 충전 입구와 충전 건 모두에 사용되어 전기 단자 온도를 모니터링합니다. 이 피드백은 프롱의 손상이나 오염으로 인해 의도하지 않은 현상이 발생할 경우 안전 정지를 제공합니다. 고속 충전 중에는 충전 입구의 온도가 가장 높을 수 있으므로 이 애플리케이션에 사용되는 센서의 사양에 특별한 주의를 기울여야 합니다.

배터리, 온보드 충전기 및 전력 전자 장치를 과열로부터 보호하는 냉각 시스템과 통합된 센서도 마찬가지로 중요합니다. EV에 통합된 지능형 냉각 시스템은 이를 지원하는 센서만큼 효과적입니다.

EV 충전 체인용 센서 지정

높은 정확도는 모든 온도 감지 애플리케이션에 필수적이지만, 배터리를 최고 속도로 충전할 수 있는 온도 범위가 좁기 때문에 EV 충전 체인에서는 특히 중요합니다. 실제 온도가 원하는 범위 내에 있더라도 센서의 오차 범위를 보상하기 위해 충전 속도를 줄여야 할 수 있으므로 센서 정확도가 낮으면 충전 효율이 낮아질 수 있습니다. 센서 정확도가 높을수록 차량 시스템이 센서 부정확성을 고려해야 하는 정도가 줄어들고 더 오랜 시간 동안 더 빠르게 충전할 수 있습니다.

EV용 온도 센서의 또 다른 중요한 특성은 응답 시간, 즉 온도가 측정된 시점과 온도가 전달되어 조치를 취할 수 있는 시점 사이의 시간입니다. 센서 유형마다 응답 특성이 다르며 각 유형 내에서 센서 구성을 통해 응답 시간을 최적화할 수 있습니다.

예를 들어, NTC(부온도 계수) 서미스터에서 금속 본체는 향상된 전도성으로 인해 플라스틱 본체보다 더 빠른 응답을 가능하게 합니다. 그러나 금속 본체는 센서 비용을 추가하므로 이러한 비용은 특정 응용 분야에서 더 빠른 응답의 가치와 균형을 이루어야 합니다. EV 충전 체인의 주요 구성 요소와 같이 온도가 그다지 높지 않거나 냉각 시스템으로 관리되는 경우 가능한 가장 빠른 응답 시간을 달성하기 위한 비용 증가가 보장되지 않을 수 있습니다. 예외는 충전 인렛으로, 응답 시간 최적화가 더 높은 우선순위로 간주되어야 합니다.

센서 선택 시 고려해야 할 또 다른 요소는 서비스 가능성 또는 서비스 가능성의 부족입니다. 센서는 일반적으로 오류가 발생할 경우 교체가 불가능하도록 EV 충전 체인에 설계됩니다. 센서에 오류가 발생하면 전체 구성 요소를 교체해야 합니다. 따라서 EV 충전 체인 전반에 걸쳐 사용되는 온도 센서의 가장 중요한 특성은 신뢰성입니다.

다행스럽게도 EV와 ICE의 온도 센서 적용 분야는 다르지만 사용되는 센서 기술은 유사합니다. 이러한 기술의 제조 공정은 성숙되어 있으며 일관된 품질을 가능하게 하는 자동화의 이점을 누리고 있습니다. 테스트 및 보정 프로세스도 잘 이해되어 있으며 이 애플리케이션에서 예측 가능한 신뢰성과 성능을 보장하는 데 도움이 될 수 있습니다.

EV 충전 체인용 센서 기술 평가

그림 2. EV 배터리에서는 온도가 배터리 전체에 걸쳐 달라질 수 있으므로 센서 배치가 특히 중요합니다.

일반적으로 EV에는 열전대, NTC 서미스터, 저항 온도 감지기(RTD)라는 세 가지 온도 감지 기술이 고려됩니다.

열전대는 온도 변화에 비례하는 온도 변화에 반응하여 작은 전압을 생성합니다. 이러한 센서는 일반적으로 저렴하지만 EV 충전 체인에는 적합하지 않습니다. EV 배터리와 같은 고전압 환경에서 테스트 엔지니어에게 안전 위험을 초래할 수 있고, 전기 소음으로 인해 정확도가 저하될 수 있으며, 응답 시간이 일반적으로 필요한 것보다 느립니다.

NTC 서미스터에서는 온도가 증가함에 따라 저항이 감소합니다. 이 기술은 좁은 공간에 통합할 수 있는 컴팩트한 크기로 우수한 정확성을 제공합니다. NTC 서미스터의 응답 시간과 저항 온도 곡선은 충전 체인 내의 다양한 구성 요소 요구 사항을 포함하여 광범위한 애플리케이션 요구 사항을 충족하도록 구성할 수도 있습니다. 결과적으로 설계 요구 사항을 효율적으로 충족하도록 구성할 수 있고 수십 년 동안 자동차 애플리케이션에서 입증되었기 때문에 이러한 애플리케이션에 이상적인 솔루션을 나타냅니다.

RTD에서는 온도가 증가함에 따라 저항이 증가합니다. 이러한 센서는 일반적으로 NTC보다 더 나은 정확도를 제공하고 작동 범위가 더 넓습니다. 그러나 가격도 더 비싸며, 이 기술의 장점은 일반적으로 EV 충전 체인 애플리케이션에 추가적인 가치를 제공하지 않습니다. 비용 절감에 대한 끊임없는 압박으로 인해 설계자는 NTC 서미스터를 사용하여 더 낮은 비용으로 필요한 성능을 달성할 수 있습니다.

정확성과 신뢰성을 고려한 설계

고속 충전이 더욱 일반화됨에 따라 배터리 기술이 발전하더라도 충전 체인 전반에 걸쳐 정확하고 안정적인 온도 감지는 여전히 중요합니다. 온도 센서를 새로운 설계에 효과적이고 비용 효율적으로 통합하는 열쇠는 프로토타입 개발 중에 사양을 개발하고 공급업체를 선택하는 것입니다. 이를 통해 더욱 간소화된 프로세스가 가능하고, 센서가 응용 분야 요구 사항을 비용 효율적으로 충족하도록 보장하며, 설계가 프로토타입에서 생산으로 진행될 때 수정이 필요할 위험을 완화합니다.

이 기사는 Sensience 운송 부문 제품 관리자인 Phil Thibodeau(오하이오주 웨스터윌)가 작성했습니다. 자세한 내용을 보려면 여기를 방문하세요.  .