전기차 모터의 냉각 기술 동향 [Air Cooling, Liquid Cooling]

 

 

 최근 EV가 대세화 되면서 전기차 구동 모터의 효율적인 작동과 긴 수명을 위해 적절한 냉각 기술이 필수적이 되었다 실제로 자석을 큐리온도내에서 유지하는 방식이다 온도유지는 굉장히 중요한 파트로 많은 연구자들이 관심 있게 보는 분야다. 모터의 냉각 기술은 크게 공기 냉각(Air Cooling)과 액체 냉각(Liquid Cooling)으로 구분되는데 컴퓨터의 수냉시스템과 공냉시스템이 존재하며 두 개의 효율 중 수냉시스템이 더 뛰어나다는 생각에서 이야기를 출발해 보자 세부적인 사항들은 다음글에서 다루고 오늘은 간단하게 개념정도만 소개하겠다.

Air Cooling

강제 공기 냉각 (Forced Air Cooling)

출처-Review on cooling techniques and analysis methods of an electric vehicle motor

 

 블로워 팬을 사용하여 모터 내부로 공기를 강제로 순환시켜 열을 제거하는 방식으로, 모터 내부의 열을 효과적으로 제거할 수 있지만 팬 모듈이 추가되어 복잡성과 소음이 증가하며 NVH적 요소에서 문제가 많이 발생한다. 주로 열 밀도가 낮은 모터에서 사용되며, Nissan Leaf의 초기 모델이 이 방식을 사용하여 모터의 열을 관리했습니다. 다만 초기모델에서 사용한 만큼 실제 시물레이션 결과를 보면 생각보다 효율이 낮은 측면이 존재한다.

출처-닛산

 

자연 공기 냉각 (Natural Air Cooling)

 모터 외부 표면에서 자연적으로 발생하는 공기 흐름을 통해 열을 제거하는 방식으로, 추가적인 전력 소모 없이 자연 대류를 이용할 수 있으나 열 전달 효율이 상대적으로 낮아 고열 밀도 모터에는 적합하지 않다. 주로 열 밀도가 낮은 모터에서 사용되며, 하우징 외부에 핀을 부착하여 열전달 면적을 증가시키며 실제로 많은 모터에서 사용하고는 있지만 고열로 가는 EV에서는 사용하지 못한다고 생각하자

 

이외에도 팬을 활용할때 어떠한 팬설계를 하느냐에 따른 유체역학적인 접근이 존재하지만 실제 전기차 시장에서는 사용하지 않는 기술이니 공기냉각방식은 이 정도만 다루고 넘어가자

Liquid Cooling

오일 스프레이 냉각 (Oil Spray Cooling)

출처-Review on cooling techniques and analysis methods of an electric vehicle motor

 

 현대의 EV 구동 모터 냉각방식중 가장 널리 쓰인다고 생각하면 된다. 오일을 모터 부품에 직접 분사하여 열을 제거하는 방법으로, 열을 빠르게 제거할 수 있지만 시스템이 복잡해지고 유지 관리가 필요하다. 물론 현대차의 EV6나 E-GMP기반의 전기모터나 Tesla Model S가 이 방식을 채택하고 있다. 실제 연구 결과를 확인해 보면 , 35kW 인휠 모터의 성능을 오일 스프레이 기술을 사용하여 분석한 논문들이 있는데, 최적화 설계를 통해 권선의 최대 온도를 200 °C 에서 138.1°C로 낮출 수 있는 기록이 있는 만큼 굉장히 뛰어난 기술지만 문제점들도 존재한다.

 

 고속으로 회전하는 모터에서는 Cavitation (공동 현상)이 가장큰 문제로 조금 쉽게 설명하면 오일 내에 기포가 형성되어 충격을 주는 현상이나 고온과 물리적 충격으로 인한 Viscosity Breakdown (점도 저하)의 문제가 있는 것은 사실이지만 지금도 이문제를 전용오일로 개선하려는 노력이 진행 중이다.(어느정도 해결했고 말이다)

 

 사실 뭐 계속 엔진오일 또한 계속해서 폭발충격을 받는 크랭크축에서의 문제도 해결했는데 연구자들이 연구를 한다면 충분히 해결될 수 있는 문제로 예상되는바 어떠한 기술들이 나올지 기대해 보자

재킷 냉각 (Jacket Cooling)

출처-Review on cooling techniques and analysis methods of an electric vehicle motor

 

 모터 외부에 재킷을 설치하고 그 안에 유체를 순환시켜 열을 제거하는 방법으로, 재킷 내부를 순환하는 유체가 모터의 열을 효과적으로 흡수하고 제거하지만 설치와 유지 관리가 복잡할 수 있다. 조금 더 직관적으로 말하면 하우징 냉각방식을 떠올리면 된다. 중간에서 높은 열 밀도를 가진 모터에서 사용되며, BMW i3가 이 방식을 사용한다.

실제로 EV 기종중 125kW BMW i3 PMSM 모터에 재킷 액체 냉각을 적용하여 모터 권선 온도를 효과적으로 컨트롤한 논문을 찾아볼 수 있다.

 

 물론 이러한 재킷냉각방식 자체가 널리 쓰이는 방식은 아닌 것이 무게가 증가하는 데다가 여타 방식에 비해 효율이 떨어지고(냉각수량 대비를 말하는 거다) 유체순환이나 흐름에서 장애를 받는 경우에 전체적인 진동문제를 야기할수 있기에 다른 방식을 사용하는 경우 또한 존재한다,

 

이중 수로 경로 (Dual Waterway Paths)

출처-Review on cooling techniques and analysis methods of an electric vehicle motor

 

 모터 내에 두 개의 수로를 설치하여 유체를 순환시켜 열을 제거하는 방법으로, 냉각 효과와 제조 난이도 측면에서 효율적이다. 다만 그만큼 제조가 복잡해진다. 실제  현대차의 칼럼을 보면 직접오일 냉각 반식을 사용한다 나와있긴 하지만 이러한 데이터 또한 확인할 수 있다.

출처- 현대자동차

 

당시의 칼럼을 보면 E-GMP의 모터 시스템에는 냉각파이프를 통한 오일 직접 분사 방식을 활용해 냉각 성능을 크게 개선했다는 자료를 찾아볼 수 있는데 문제점 또한 산제해 있는 것이 이러한 파이프방식의 냉각순환은 곧 재료적 측면에서 전체적인 자속의 불균형을 야기할 수 있기에  그걸 고려해 설계해야 하고 또한 모터의 양산 시간증가와 동일한 말을 의미한다. 많은 업체들이 직접분사 방식을 택한 이유도 이러한 간접냉각 방식의 한계를 느끼기에 바꾼 것이라 예상된다

직접 권선 열교환기 (Direct Winding Heat Exchanger, DWHX)

출처-Review on cooling techniques and analysis methods of an electric vehicle motor

 

 권선에 직접 열교환기를 설치하여 유체를 순환시켜 열을 제거하는 방법으로, 높은 대류 표면적과 낮은 열 저항 덕분에 효과적이다. 다만 이는곧 점적률의 감소와 동일한 말로 판단할 수 있기에 모터의 중량이 커지고 소형화와 경량화를 목숨으로 하는 전기차 모터와는 어울리지 않는 방식이다.