전기차 모터 냉각에 대해 알아보자(3)

 전기차 모터에서 발생하는 열은 얼마나 될까요?

 

 전기차 모터의 출력이 100kW(현대의 전기차 아이오닉이 이 정도 되네요)이고 모터의 효율이 90%면 나머지 10%는 대략 발생하는 열이라 생각해 봅시다. 10kW가 열을 발생시키는데 이는 가스렌지 대신 주방에 설치된 동그랗게 생긴 전기쿡탑을 생각하시면 이해가 빠를 것 같습니다. 동그랗게 생긴 쿡탑 하나가 보통 1~2kW 가량 열을 발생시키는데요. 그와 같은 동그란 쿡탑이 전기차 모터 내부에 5개 이상 포함되어 있다고 상상해보세요. 엄청난 열이 아니겠습니까.

 

 전기차 모터에서 발생하는 열로 요리를 하지는 않을테고, 자~ 이 열을 어떻게 처리할까요?

 아래 그림과 같이 전기차 냉각시스템의 구성은 차량 열관리(thermal management) 관점에서 크게 라디에이터(radiator)와 냉각수 펌프(coolant pump)로 구성된 차량시스템의 열관리 파트와 인버터 (inverter), 모터, 오일쿨러(oil cooler), 오일 펌프(oil pump)로 구성된 구동계의 열관리 파트로 구성됩니다. 

 

 

그림 : 전기차 모터와 인버터를 냉각하기위한 계통도

 

 

 일반적인 전기자동차 모터 냉각방식은 수냉 방식입니다. 수냉 방식은 구동계 파트인 모터 하우징에 유로(water jacket)를 만들고  차량 시스템 파트의 라디에이터와 연결된 유로에 연결한 후 냉각수를 순환시켜 모터를 간접적으로 냉각하게 됩니다.  아래 그림은 일반적인 전기차 모터에 수냉 방식을 적용한 경우 대표적인 온도분포의 예시를 보여줍니다. 붉은 색은 온도가 아주 높은 영역이고 파란색은 아주 낮은 영역입니다. 모터의 코일에 아주 높은 온도가 관찰되는 것을 확인할 수 있습니다.

 

 

그림 : 전기차가 고속-고토크로 계속운행하는 경우 전기차 모터 단면의 온도분포(빨강 : 매우 높은 온도, 파랑색 : 아주 낮은 온도)

 

 

 그림에서 보여주는 모터의 열 생성 상황을 설명하면 인버터의 스위칭 소자 IGBT(insulated-gate bipolar transistor)를 통한 전원이 모터에 인가되면 모터에 감긴 코일에 전류가 흐르고 이 때 전류의 제곱과 저항의 곱으로 코일에서 동 손실(copper loss)에 의한 열이 발생하며, 로터와 스테이터에는 철 손실(iron loss)에 의한 열도 발생합니다. 
 그림에 표시된 열의 분포(전도와 대류에 의한 이동)와 같이 코일 부에 발생된 열은 코일을 감싸고 있는 절연지의 열 저항을 통과한 후 스테이터를 지나 냉각수가 흐르고 있는 하우징을 통해 외부로 이동합니다.
 모터의 냉각은 하우징 내측에서 순환하고 있는 냉각수에 의해 간접 냉각되며, 냉각기능을 수행한 후 상승된 냉각수는 라디에이터에서 열교환을 수행한 후 냉각수 펌프에 의해 연속 재순환 됩니다.

 

 높은 온도로 빨갛게 표시된 코일의 온도는 어떻게 되는 걸까요?

 

 

 

참고 문헌 :

Numerical study on the heat transfer in an electric motor with oil water cooling to achieve an enhanced cooling performance, 학위논문(박사) -- 韓國航空大學校 大學院 航空宇宙 및 機械工學科 2019