미래의 차량에 요구되는 열관리 솔루션
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미래의 차량에 요구되는 열관리 솔루션
  • 김종율 기자
  • 승인 2020.01.28 07:52
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자료제공 몰렉스

자동차 회사들은 소비자들에게 최적의 기능을 제공하기 위해 치열하게 경쟁하고 있다. 이를 위해 거의 매일 새로운 변화와 개선 활동을 하고 있다. 이에 따라 자동차 산업은 더 빠른 속도와 더 많은 컴퓨팅 성능을 필요로 하게 되었으며, 커넥티비티의 역할은 더욱 중요해지고 있다.

이러한 추세는 가속화되고 있으며 미래의 자동차는 그 어느 때보다 더 많은 것들과 연결될 것으로 판단된다. 이로 인해 새로운 자동차 설계에서는 방대한 양의 고속 데이터를 전송 및 처리할 수 있는 능력이 수반되어야만 하는 과제를 안고 있다.

시장조사기관인 매킨지의 최근 보고서에 따르면 자동차 이더넷 솔루션은 차내 및 V2X 커넥티비티의 미래를 대표하는 중요한 요소이다. 이에 따라 수요가 계속 증가할 것으로 추산되는 모든 신차의 85% 이상이 2025년에 커넥티드 카로 분류될 것으로 전망된다.

특히 유럽·미국·중국의 도로에는 4억 7천만대 이상의 커넥티드 카가 있을 것으로 예상된다. 이처럼 엄청난 수의 커넥티드 카는 증가하는 커넥티비티의 수준으로 인해 데이터 과부하를 일으킬 것으로 보인다.

이 보고서는 커넥티드 카가 시간당 최대 25GB의 데이터를 생성하는 반면, 자율 자동차는 시간당 최대 500GB의 데이터를 생성할 것으로 예측하고 있다(하루에 4000GB의 데이터). 이 데이터는 센서와 카메라, 음파탐지기 및 레이더, LIDAR 및 GPS 시스템, 다수의 안전, 보안 및 인포테인먼트에서 파생되는 수치들이다.

모듈·충전기·스위치·게이트웨이 등 자동차 연결 부품은 거의 실시간으로 데이터를 전달하고 처리해야만 한다. 이런 방대한 데이터를 처리하기 위해서는 전력이 필요하며, 여기에서 발생되는 열에너지는 매우 특별한 관리가 필요하다. 이를 위해 몰렉스는 모든 결합된 차내 커넥티비티 수요를 처리할 수 있는 업계 최고의 솔루션인 ‘10G 멀티 존 이더넷 네트워크 플랫폼’을 내놓았다.

몰렉스는 기기의 스펙을 준수하면서도 해당 기기 제조업체가 정의한 최대 전력 및 가장 효율적인 프로세스를 제공하는 차량 내 스마트 충전기를 설계한다. 이 솔루션들은 쇼트 및 과전류 상태로부터 기기를 보호하기 위한 보호회로가 내장되어 있다. 이로 인한 안전 보호와 엔지니어링은 운전자와 승객에게 보다 강력한 충전기와 빠르고 효과적인 충전을 보장한다.

몰렉스의 충전기 인터페이스는 열 모델링 및 환경 요구사항 분석, 그리고 추후에 실험실에서 성능을 테스트함으로써 고객사들이 요구하는 성능 및 패키지 사항을 충족시키도록 완전히 검증한다. 이 충전기용 열관리 솔루션은 최적의 열 및 전력 성능을 달성하기 위해 엔지니어들이 고민하는 기계, 전기, 소프트웨어 분야의 다양한 변수를 고려한다.

열관리 솔루션의 중요성
인텔의 보고서에 따르면 자율 주행 차량 한 대는 대략 3000명의 사람들이 사용하는 것과 동일한 양의 데이터를 사용한다. 그래서 몰렉스는 가장 작은 폼 팩터에서 고효율의 원가 절감형 솔루션을 만들기 위해 최신 자동차 기술과 열 관리 설계의 최신 기술들을 채택했다.

자율주행의 등장으로 자동차 회사들은 기본적으로 미래의 차량에 슈퍼컴퓨터나 엔터프라이즈 네트워크 스위치 류를 장착하고 있다. 열 발생을 최소화하고 열을 방출하는 최선의 전략을 결정하는 것은 모두 중요한 설계상의 구성 요소다. 자연 대류 냉각법은 능동적 또는 수동적 추가 구성 요소에 의존하지 않기 때문에 열 에너지를 소산하는 가장 이상적인 원가 절감형 솔루션이 된다.

구리는 탁월한 열 도체이므로 구리 선 내부의 열을 모델링하는 것은 상세하고도 정확한 데이터를 제공한다<br>
구리는 탁월한 열 도체이므로 구리 선 내부의 열을 모델링하는 것은 상세하고도 정확한 데이터를 제공한다

액체 냉각 방법은 매우 효과적이지만 추가적인 비용이 발생하며 별도의 처리(펌프, 유체 - 에틸렌 글리콜 또는 동결 방지 및 유체 전달을 한 폐쇄 시스템) 과정도 수반한다. 자율 차량의 열을 상쇄하기 위해 액체 냉각을 사용하게 되면 실용적이거나 장기적 사용이 원활하지 않게 되기 때문에 크기를 줄여야 하며 열 설계를 더욱 개선해야 하는 과제를 낳게 된다.

R&D 엔지니어는 냉각 방법을 지정하는 것 외에도 자동차 설계에 내재된 다음과 같은 여러 과제들을 해결해야 한다: 장착 및 기타 기계적 요건; 공간 제약사항; 사용자 정의 및 애플리케이션 별 설계 매개변수; 현재 사용 가능한 재료 및 구성 요소 등. 이러한 사항들은 모두 미래의 자동차 시스템에서 발생할 열을 처리해야 하는 공통점을 안고 있다.

온도 도표 작업은 핫스폿 등 기타 발열 부분을 찾아내는 데 도움이 된다<br>
온도 도표 작업은 핫스폿 등 기타 발열 부분을 찾아내는 데 도움이 된다

자동차 자체 뿐 아니라 그 설계에는 솔루션 기능, 위치 등과 같은 기본을 포함해 열 관리에 미치는 영향을 충분히 이해·고려·계획하는 것이 필수적이다. 여기에는 차량 공간 제약, 각 구성 요소 및 위치에 대한 전력 수준과 그 소모량, 사용 가능한 재료 최대 재료 온도 및 각 위치(최종 사용자 접촉 표면 대 설치 접촉 표면), 공기 흐름 유형(주변 구성 요소, 덕트, 하네스 등), 비용 시뮬레이션, 검증 도구 시뮬레이션 등이 포함된다. 고 신뢰도의 열 설계 모델의 검증은 정확도를 생성하는 데 중요한 단계이며 전체 자동차 설계에서 문제를 예측하고 해결하는 데 도움이 된다.

실험실 및 실제 상황에서의 모니터링 및 성능<br>
실험실 및 실제 상황에서의 모니터링 및 성능

보드 설계의 정확성은 절대적으로 중요한데 기술의 발전과 함께 그 설계 요건들이 그 어느 때보다 엄격해지고 있다. 시뮬레이션 결과가 경험적 데이터와 관련될 때까지 세부적인 테스트와 시뮬레이션이 반복적으로 수행된다.

모델링은 제조 단계에 도달하기 전에 이미 완성된 설계가 제대로 기능할 것이라는 안전성과 안정성을 모두 제공한다. 몰렉스는 엔지니어가 테스트하는 모든 솔루션에 대해 모델링, 물리학의 정확한 파악, 동력 수준, 구성 요소 배치, PCB 배치(구리 레이아웃) 등을 모두 수행한다. 구리는 열의 우수한 전도체로서 구리 트레이스에서 열을 모델링 하면 상세하고 정확한 온도 플롯을 통해 핫스팟 및 기타 관심 영역 식별에 도움이 된다.

과도 시뮬레이션 테스트 및 검증 뿐 아니라 열량 대 데이터 시트 등급, 차량 호스트 시스템이 모듈 설계에 미치는 영향 등도 모두 이 단계에서 수행된다. 이러한 솔루션은 정확한 모델링 외에 차량 내 어디에서 어떻게 포장되는지에 대한 고려 사항들을 포함하는데 그 효과에 따라 영향도 달라진다.

성공 스토리
세계 유수의 고급 자동차 회사들 중 한 곳이 최근 모듈 하나에 USB 충전 포트 2개를 장착하되 각 포트가 60W의 전력을 공급할 수 있어야 한다고 명시하면서 자사의 기존 모듈 중 하나에 인터페이스 온도를 낮추어달라는 요청을 해왔다. 이 회사는 모듈 전면 방향의 표면 온도가 섭씨 60도를 초과할 수 없다는 요구를 했다.

몰렉스는 심층 열 연구와 테스트를 통해 보드 레벨의 변화를 식별하고 구현함으로써 고객사가 요청한 인터페이스 온도를 낮추어주었다. 이에 따라 모듈이 최대 레벨에서 지속적으로 전력을 출력하는 동안 제품 자체에 운전자가 손을 터치해도 안전할 수 있게 되었다.

이 과제를 수행하는 동안 낮은 입력 전압에서의 효율 감소가 엄격한 테스트를 통해 확인, 설명되었다. 몰렉스는 이처럼 철저한 열 설계를 바탕으로 자동차 등급의 전력 공급 솔루션을 개발하는 데 성공했다. 이에 따라 몰렉스의 Open PCB Simulation IR의 Temperature Contour Plot은 미국의 Mollex, LLC의 상표로 등록되었다.


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