전기모터, 전기차] 전기자동차 모터에 냉각시스템이 필요한 이유

 

- 전기차 모터에 냉각시스템이 필요한 이유

- 모터에 높은 열이 가해지면 (180도 이상?)

- 그러니 차량모터에 냉각시스템은 필수

 

 전기차 모터에 냉각시스템이 필요한 이유

 

내연기관이 감당했던 자동차의 운전구간의 높은 토크와 고속회전 특성을 만족시키기 위해 많은 전류가 인가된다.

큰 값으로 인가된 전류로 인해 매우 높은 열이 모터 내부 부품에 연속적으로 발생

= 모터시스템의 출력감소 및 효율저하 그리고 수명(life time)저감의 원인이 된다.

현대모비스

 

모터 냉각의 필요성, 모터의 냉각을 잘 하면

 

1. 고출력/높은 전류 인가 가능

• 열손실량은 전류의 제곱, 저항에 비례한다
• 모터시스템에서 전기가 흐르는 코일은 절연지에 감기어 스테이터(철)나 다른 상의 코일과의 직접적인 접촉을 방지한다
• 절연지는 한계온도(망가지기까지 버티는 온도)를 갖고
• 냉각이 잘 이뤄지지 않으면 위의 이유로 인가할 수 있는 전류량이 적어진다 (제한된 전기밀도)

mfgkr - 하얀 절연지

 

2. 재료비 또는 가공비를 줄일 수 있다

• 영구자석은 고가의 희토류 성분의 영구자석과 각종 코팅 물질과 절연지 사용
• 희토류: (중국 독점으로 가격 문제가 더 커져, 다른 곳에서의 공급망을 찾기 위해 노력하고 있다.)

환경신문 그린포스트코리아

• 이들은 한계온도(어느 온도까지 물성 변화나 파괴 없이 버티는지)가 높아질수록 비싸진다.

 

 

3. 모터의 신뢰성 및 수명을 향상시킬 수 있다.

• 신뢰성, 수명과 관련된 대표적인 부품은 베어링과 절연지/절연물질
• 냉각성능은 베어링의 수명을 좌우 (고온환경에 오랜 노출로 부품수명이 취약해진다)
• 냉각성능이 월등하다면 베어링 설계 등급을 조정하여 비용저감이 가능 (재질/열처리/윤활)

위키

 

4 모터의 효율 증가

• 고온이 아닌 저온에서의 효율이 증가 = 적은 용량의 배터리로 주행거리 연장 가능
• 자석은 고온에서 잔류자속밀도 감소 = 자력상실
• 자석의 자속밀도(단위 면적당 자기력선의 양=밀도), 보자력(자력을 지키려는 힘)은 고온으로 갈수록 감소
• 자기력 ~ 토크, 자기력이 감소하면 그만큼 토크 및 모터의 output감소로 효율 감소

 

 

 모터에 높은 열이 가해지면 (180도 이상?)

 

• 물질별로 허용 온도가 존재, 허용온도가 높은 물질은 고가 (기업은 하나의 제품을 만드는데 효율과 성능도 높여야 하지만 비용도 줄여야한다)
• 허용온도 이상으로 넘어가면 제품의 수명 급감이 발생, 특히 절연지의 절연성능이나 파괴가 일어나며 모터의 구동에 문제와 효율 극감이 일어날 수도.
• 착자된 자성이 줄어들 위험 ~ 효율 감소, 토크 감소

Design of IPMSM considering demagnetization using Sm2Co17 for urban railway traction application

네이버 블로그 - 국민자석

• 베어링 신뢰도 및 수명 감소 위험 ~ 모터의 소음(NVH), 삐걱임 및 기계적 손실 발생량 및 확률 증가
• 냉각수 추가 공급을 위한 고출력 펌프로 교환 (전력 추가로 더 먹음) - 배터리 부담 증가, 주행거리 감소
• 냉각을 위한 냉각수량이 많아져야 한다면 이또한 무게 부담으로 주행거리 감소

A Study on Cooling Performance of Electric Vehicle Motor for Different Cooling Channel Shapes

모터를 순환하는 냉각수만이 아닌, 냉각수 온도를 낮추기 위한 열교환기의 사이즈가 커질 수 있고

열교환기의 사이즈가 커짐에 따라 dP(Pressure drop, 압력강하, 수두손실)이 커져 사양 높은 펌프의 수요가 생길수도 있다.

scientific research

 

효율, 무게 감소, 사이즈 감소, 비용 감소가 모터를 판매하는 기업에서는 키 포인트

 

 

 그러니 차량 모터에 효율좋은 냉각시스템은 필수

 

그러므로 전기모터의 설계에 있어서 전자기(electro-magnetic)분야와 더불어 열전달(heat transfer) 기술을 활용한 냉각설계도 중요한 기술입니다.

 

고출력 --> 모터 발열에 의한 내부 온도 상승

출력 증가에 따른 온도 증가

고온 노출에 따른 부품 파괴

수명 단축에 따른 비용 증가 (한계온도가 높은 부품은 그만큼 비용이 올라가)

온도를 잡아주기 위한 냉각시스템의 개선으로 사용전력/무게/비용/사이즈 증가

 

 

마치며

 

내부 온도 잡기 위한 효율적인 모터냉각을 해주면

-      고출력 밀도 모터 구현 ~ 소비전력 감소, 장거리 주행 가능 (냉각시스템 무게/사이즈 감소 시 추가적으로)

-      구동계 down sizing

-      내부 자석의 자력 유지

-      모터 내부 부품 수명 향상