전기자동차 구동모터는 왜 냉각해야 하는가? 열이 끼치는 영향은?

1.전기자동차 구동모터에 열에대한영향

 

 고전적인 자동차는 폭발로 실린더를 크랭크운동시켜 운전을한만큼 열이많이 발생하였고 부품 수명이 단축되었으며 엔진의 조기점화가 발생하는등 다량의 문제가 있었다. 

 

 하지만 최근 전기차시대로 넘어오면서  엔진 대신 배터리, 모터, 인버터, 컨버터와 같은 전력부품을 사용함에따라  엔진에 비해 열이 많이 나지는 않지만, 열관리 및 냉각을 하지 않을 수는 없다. 이전글에서 설명했듯이 모터에서 열이 발생하면 문제가 발생을하는데 오늘은 어떠한 문제가 발생하는지에 대해 조금더 자세하게 다루어 보고자한다. 

 

물론 단순히 문제의 발생으로만 접근하면 어려우니 냉각을 해야하는 이유정도로 접근해보자

 

전기자동차 모터 원리(9) [모터에 열이 발생하는 이유는? feat. 모터 손실 종류]

 

2.허용 전류의 상승

 

 이전 시간이 이야기했던 동손은 모터의 권선이나 전력변환부품에서 나는 열은 대부분 저항 성분에 의해 발생한다.

 

 기본적으로 여기서 이해해야하는건 저기서 저항의 값이 온도상승에따라 더증가한다는것다 이는 저항온도계수라는 개념으로 물질에 따라 다르지만 온도 증가에따라 저항상승이 있다정도의 개념을 가지고 출발을하면 결론적으로 온도가증가하게된다면 저항이증가하고 그에따라 동일전류가흐르더라고 더많은열이 발생하는 악순환이 발생한다.

 

 여기서 중요한개념자체는 허용전류라는 개념으로 쉽게접근하면 더차가운상태에서 더많은 전류 즉 더높은 허용전류를 흐르게하여 전력밀도가 높아진다의 개념으로 접근하는게 좋을것같다.

 물론 더높은전력밀도는 더강한자계를 구성하고 이에따라 더욱더 강력한 모터의 출력을 발생시킬수 있으므로 냉각이 얼마나 중요한지는 더말할필요가 없을것이다

3.부품의 내구성증가

일반적으로 인버터와 베어링의 개념으로 접근해보자지금 전기차 모터에서 크게 문제되고있는 주제중하나인 베어링의 전식은 사실상 전기적으로도 발생하지만 열로인하여 수명이 줄어드는것 또한 무시할수없고 그로인해 내구성이떨어지는것 또한 무시할수없다. 또한 기판을 사용하는 전기차에서는 열에 노출되었을때 급격하게 수명이 감소하는것에대한 이견은 사실 핸드폰을 사용해본 사람이라면 다이해할것이다

 

4.영구자석 성능증가 및 불가역 감자의 방지

Nd2-Fe14-b 온도에따른 감자비율

 

 

위그림은 차량에서 많이 사용되는 네오디뮴자석의 종류별 온도에따른 감자비율을 나타낸 그림이다.

 

영구자석형 모터의 경우 희토류 자석은 온도에 취약한 특성이 있다 특히 페라이트 자석보다 ND자석은 demagnetization 통칭 불가역감자라고 불리는 현상이 발생할수있는데 이에대한 원인론은 영구자석이 착자하는 이유와 방향에 대한 이해가 필요하므로 다음 글에서 다루기로 하고

 

중요하게 이해해야하는 부분은 한가지로 온도가 높아지면 자성이 떨어지는 경향성이 나타나고 특정한 온도이상으로 올라가게된다면 아예 특성을 잃어버리는 일까지도 생길수있다.

 

사실 이를방지하기위해 고유보자력이 큰 자석을사용한다면 6번처럼 더버틸수는 있다 정도의 개념을 넣어두도록하자

그리고 이것을 잃어버리는 온도자체를 큐리온도라고 칭하며

 

결국 전문용어를써서 말하자면 큐리온도 이상으로 올라가면 불가역감자가 일어난다 그에따라 이를 발생시키기지 않으려면 결국 냉각을 해야된다의 개념을 잡아두도록하자

​

5.그래서 어떤온도에서 운전을 해야하는데?

 

 

일반적으로 생각해보면 알겠지만 자동차는 기본적으로 3~4시간정도 운전한다 그시간마다 전기로 계속냉각을 할수도없을테고 특정기기들도보면 이온도를 유지해라 라고하는 허용온도가 있을것이라는 사실은 어렵지않게 추론할수있다.

 

그지점을 보통 열평형 상태라고 하는데 뭐 IEC 기준에대해서는 온도포화를 규정하고 어쩌고 약간 복잡한 개념들이 존재하지만 여기서는 그정도 깊이로 들어가는 것 보다는 결국 표면적과 냉각방식에따라 결정된다의 개념을 잡고가자

 

실제로 그에따라 달라지니 다음글은 좀더 세세한 냉각방식에 대하여 공부하여 보기로하고 냉각방식은 우선 넣어두고

 

전기차 구동모터 포화온도의 경우는 냉각수를 사용하기 떄문에 산업용 모터보다 더욱 높은 출력밀도를 얻고 또한 절연등급또한 높아 허용온도도 높고 고에너지 밀도의 영구자석을 사용하므로 출력밀도 또한 아주높다는 사실을 아는것이 제일 중요할듯하다.

 

다음기회에 깊이있게 다룰 내용이지만 허용온도와 허용온도 상승치가 아래와같있고 이는 또한 따로 공부해야함을 잊지말자

 

구분	B종	F종	H종	N종
허용 온도 (˚C)	130	155	180	200
허용 온도 상승 (˚C)	80	105	125	145

그럼 허용 온도란 개념자체를 넘어서면 안되는 거냐는 이야기를마지막으로 글을 마치려하는데

 

사실상 단한번 허용온도를 넘어가서 못쓰게되는건아니다. 실제로 낮은허용전류모터들도 2배정도의 온도는 되어야 실제로 타버리는 경향성을 볼수있다. 하지만 위 4에서 언급한 불가역감자의 온도를 넘게된다면 문제가 자석이 약해저버리는 문제를 가지고 있다 라는 사실정도는 머리속에 넣어두고 가도고록하자.

 

다만 중요한 모터에서 중히 쓰이는 개념으로  수명 10도 반감의 법칙이라고 칭해지는 법칙으로 실제로 10도가 올라갈때마다 기존 수명을 2만시간이라고가정하면 10도가올라가면 1만시간이되는이야기로 신뢰성 상의 가속 계수를 산출하는 아레니우스의 법칙에 준거하여 안정동장영역안에서 작동하는것이 좋다는 정도로 이야기를 마무리하고싶다.

 

물론 여기서 파생되어 공부해야하는  개념이 좀많은데

 

1.전기차의 냉각방식

2.출력밀도란?  

3.자석은 어떤방식으로 착자하는가?

4. 모터의 절연에대한 국제 표준 IEC 60034-1 은 뭐지?

 

 아래들은 기회가 되면 좀더 자세히 정리하여 링크를 달아보도록 하겠다.