고속 충전이 EV 충전 환경을 변화시키는 방식

EV 대중화의 열쇠, 고속 DC 충전

전기차(EV)의 고속 DC 충전은 많은 사람들이 EV 채택을 제한한다고 믿는 주행거리 불안을 완화하는 열쇠가 될 수 있습니다. 4시간이 아닌 20분 만에 배터리 충전을 가능하게 하는 견고한 충전 인프라가 갖춰지면, EV 충전은 내연기관(ICE) 차량 주유 경험에 훨씬 더 가까워집니다.

이 인프라는 아직 완전히 개발되지 않았지만 성장하고 있으며 더 많은 차량이 이용할 수 있게 되고 있습니다. 여러 EV 제조사가 최근 테슬라 EV 충전 커넥터를 채택했으며, 테슬라는 현재 고속 충전 포트 배치 시장을 선도하고 있습니다. Sensience가 의뢰한 연구에 따르면 DC 고속 충전은 2030년까지 전 세계 공공 충전의 70% 이상을 차지할 것으로 예상됩니다(그림 1).

그림 1. 2030년까지 DC 고속 충전 예상 성장률. (이미지: Sensience)

고속 충전이 열 관리에 미치는 영향

고속 충전이 EV 시장의 성장을 견인할 수 있지만, EV 충전 체인 전반의 열 관리 기준도 높입니다. DC 고속 충전기는 50~350kW의 전력을 출력하는 반면, 레벨 2 충전기는 일반적으로 7~19kW입니다. DC 고속 충전기에서 흔히 쓰이는 높은 전압에서도 이 포트들은 레벨 2 충전 포트보다 훨씬 더 많은 열을 발생시킵니다. 따라서 배터리 수명 단축, 충전 효율 저하, 안전 위험 초래할 수 있는 온도를 방지하기 위해 효과적인 열 관리가 그 어느 때보다 중요해졌습니다.

효과적인 열 관리의 한 구성요소인 온도 센서 사양은 때때로 설계 프로세스 후반까지 간과되곤 합니다. 이 센서들은 배터리 및 차량 관리 시스템이 차량 충전 체인 전반의 온도 변화에 빠르고 지능적으로 대응할 수 있게 해줍니다.

EV 충전 체인에서 온도 센서의 역할

센서는 충전 체인 전반에 사용됩니다. 가장 명백한 적용은 열 관리가 최우선인 배터리 내부입니다. 배터리 내 센서 배치는 배터리 설계와 크기에 따라 결정되지만, 단일 센서는 일반적으로 고속 충전 중 셀이나 모듈에서 발생할 수 있는 핫존을 감지하지 못할 수 있어 불충분합니다. 이상적으로는 배터리 셀 온도를 여러 위치에서 직접 모니터링하고 전체 팩 내 열 분포를 이해하는 능력이 필요합니다.

온보드 충전기는 온도 센서에 있어 더 단순하지만 여전히 중요한 환경입니다. 센서 모니터링이 고속 충전 중 열을 관리하는 데 필요한 냉각 시스템을 트리거합니다. 구성요소 전체에서 온도 변동성이 적으므로 더 적은 센서가 필요합니다.

차량의 충전 포트는 충전 체인에서 온도 센서의 또 다른 중요한 적용처입니다. 온도 센서는 차량의 충전 입구와 충전 건 모두에 사용되어 전기 단자의 온도를 모니터링합니다. 이 피드백은 단자의 손상이나 오염으로 인한 의도치 않은 현상이 발생할 경우 안전 정지 기능을 제공합니다. 고속 충전 중에는 충전 입구에서 온도가 가장 높을 수 있으므로 이 애플리케이션에 사용되는 센서 사양에 특별한 주의를 기울여야 합니다.

마찬가지로 배터리, 온보드 충전기, 파워 일렉트로닉스를 과열로부터 보호하는 냉각 시스템과 통합된 센서도 똑같이 중요합니다. EV에 통합된 지능형 냉각 시스템은 이를 지원하는 센서만큼만 효과적입니다.

EV 충전 체인용 센서 사양 결정

높은 정확도는 모든 온도 감지 애플리케이션에서 필수적이지만, 배터리가 최고 속도로 충전될 수 있는 좁은 온도 창 때문에 EV 충전 체인에서 특히 중요합니다. 낮은 센서 정확도는 실제 온도가 원하는 범위 내에 있더라도 센서의 오차 범위를 보상하기 위해 충전 속도를 늦춰야 하므로 충전 효율을 떨어뜨릴 수 있습니다. 더 높은 정확도의 센서는 차량 시스템이 센서 부정확성을 보정해야 하는 정도를 줄여 더 오랜 시간 더 빠른 충전을 가능하게 할 수 있습니다.

EV용 온도 센서의 또 다른 중요한 특성은 응답 시간, 즉 온도가 측정되어 통신되고 조치될 수 있을 때까지의 시간입니다. 서로 다른 센서 유형은 서로 다른 응답 특성을 가지며, 각 유형 내에서도 센서 구성으로 응답 시간을 최적화할 수 있습니다.

예를 들어, 음온도 계수(NTC) 서미스터에서 금속 바디는 향상된 전도성 덕분에 플라스틱 바디보다 더 빠른 응답을 가능하게 합니다. 그러나 금속 바디는 센서 비용을 증가시키며, 이 비용을 특정 애플리케이션에서 더 빠른 응답의 가치와 균형을 맞춰야 합니다. 온도가 그렇게 높지 않거나 냉각 시스템에 의해 관리되는 경우(이것이 EV 충전 체인의 주요 구성요소 경우), 가장 빠른 응답 시간을 달성하기 위해 비용을 늘리는 것은 타당하지 않을 수 있습니다. 예외는 충전 입구로, 여기서는 응답 시간 최적화를 더 높은 우선순위로 고려해야 합니다.

센서 선택 시 고려해야 할 또 다른 요소는 서비스 가능성, 또는 그 부재입니다. 센서는 일반적으로 EV 충전 체인에 고장 시 교체하기 비현실적인 방식으로 설계되어 있습니다. 센서가 고장 나면 전체 구성요소를 교체해야 합니다. 이로 인해 신뢰성이 EV 충전 체인 전반에 사용되는 온도 센서의 가장 중요한 속성이 됩니다.

다행히 EV에서 온도 센서의 애플리케이션은 ICE와 다르지만, 사용되는 센서 기술은 유사합니다. 이러한 기술의 제조 공정은 성숙해 있으며 자동화의 혜택을 받아 일관된 품질을 제공합니다. 테스트 및 보정 공정도 잘 이해되어 있어 이 애플리케이션에서 예측 가능한 신뢰성과 성능을 보장하는 데 도움이 됩니다.

EV 충전 체인용 센서 기술 평가

그림 2. EV 배터리에서 센서 배치가 특히 중요한 이유: 배터리 전체에서 온도가 달라질 수 있음.

EV용으로 일반적으로 고려되는 세 가지 온도 감지 기술은 열전대, NTC 서미스터, 저항 온도 검출기(RTD)입니다.

열전대: 온도 변화에 비례하는 미세 전압을 생성합니다. 이 센서들은 일반적으로 저렴하지만 EV 충전 체인에는 적합하지 않습니다. EV 배터리 같은 고전압 환경에서 테스트 엔지니어에게 안전 위험을 초래할 수 있고, 정확도가 전기 노이즈에 의해 저하될 수 있으며, 응답 시간이 일반적으로 요구되는 것보다 느립니다.

NTC 서미스터: 온도가 상승하면 저항이 감소합니다. 이 기술은 좁은 공간에 통합 가능한 컴팩트한 크기로 좋은 정확도를 제공합니다. NTC 서미스터의 응답 시간과 저항-온도 곡선도 충전 체인 내 다양한 구성요소의 요구사항을 포함한 광범위한 애플리케이션 요구사항을 충족하도록 구성할 수 있습니다. 따라서 설계 요구사항을 효율적으로 충족하도록 구성 가능하고 수십 년간 자동차 애플리케이션에서 입증되었기 때문에 이 애플리케이션에 이상적인 솔루션입니다.

RTD: 온도가 상승하면 저항이 증가합니다. 이 센서들은 일반적으로 NTC보다 더 나은 정확도를 제공하고 더 넓은 동작 범위를 가지지만, 더 비싸며 이 기술의 이점이 일반적으로 EV 충전 체인 애플리케이션에서 추가 가치를 제공하지 않습니다. 비용 절감 압력이 지속되는 상황에서 설계자들은 NTC 서미스터로 더 낮은 비용에 요구 성능을 달성할 수 있음을 발견할 수 있습니다.

정확성과 신뢰성을 고려한 설계

고속 충전이 보편화됨에 따라 충전 체인 전반에 걸친 정밀하고 신뢰할 수 있는 온도 감지는 배터리 기술이 진화하더라도 여전히 중요할 것입니다. 새로운 설계에 온도 센서를 효과적이고 비용 효율적으로 통합하는 열쇠는 프로토타입 개발 단계에서 사양을 개발하고 공급업체를 선택하는 것입니다. 이를 통해 더 간소화된 프로세스가 가능하고, 센서가 애플리케이션 요구사항을 비용 효율적으로 충족하도록 보장하며, 설계가 프로토타입에서 양산으로 넘어갈 때 수정이 필요할 위험을 완화할 수 있습니다.

이 기사는 Sensience(오하이오주 웨스터빌)의 제품 매니저 Phil Thibodeau가 작성했습니다. 자세한 정보는 여기를 방문하세요.