차세대 열관리 시뮬레이션

과도한 설계와 부품 손상을 막는 열 위험 예측 솔루션

고객 소개

Myway Plus Corporation은 일본 가나가와현 요코하마에 본사를 둔 전력전자 및 전기에너지 솔루션 분야의 글로벌 기업입니다. 이 회사는 모터 평가, 전력전자, 에너지 관리 시스템 분야에서 친환경 기술을 바탕으로 다양한 산업에 특화된 하드웨어 및 소프트웨어 솔루션을 제공하고 있으며, 고객이 더욱 지속 가능하고 효율적인 운영 방식을 채택할 수 있도록 지원합니다. Myway는 일본에서 알테어의 오랜 채널 파트너로서 재생에너지 응용 분야의 기술 개발에 앞장서고 있습니다.

 
고객 과제

Myway는 Rohm Co. Ltd.의 실리콘 카바이드(SiC)를 적용한 인버터를 대상으로, 알테어의 열관리 시뮬레이션 결과와 실제 온도시험 데이터를 비교하는 프로젝트를 수행했습니다. 목표는 알테어의 시뮬레이션 솔루션이 실제 온도 측정값과 얼마나 일치하는지를 검증하는 것이었습니다.

인버터는 전기차(EV) 충전 및 에너지 관리 시스템에서 핵심 부품으로, 적절한 열관리가 이루어지지 않으면 열 폭주와 같은 문제가 발생해 차량 부품이나 배터리, 심지어 안전까지 위협할 수 있습니다.

성공적인 열관리를 위해 해결해야 할 두 가지 주요 과제는 다음과 같습니다:

  • 열손실 계산: 온도에 따라 달라지는 파워 모듈의 열손실을 정밀하게 계산
  • 열경로 및 공기 흐름 제어: 복잡한 인버터 형상을 고려한 공기 흐름 및 열전달 경로 설계

알테어의 솔루션이 이 두 가지 과제를 정확히 해결하고, 실제 데이터와 시뮬레이션 결과가 일치한다면 Myway는 차세대 인버터 개발 과정에 해당 솔루션을 적극 도입할 계획이었습니다. 이를 통해 과도한 설계 비용을 줄이고, 초기 단계에서 시스템 결함을 예방하고자 했습니다.

 
알테어의 솔루션

알테어 엔지니어는 Altair® HyperWorks®의 고급 열관리 및 전력전자 시뮬레이션 솔루션을 활용해 Rohm의 SiC 모듈이 적용된 인버터를 분석했습니다. 정밀한 인버터 모델을 기반으로 상세한 시뮬레이션을 진행하고, 결과를 실제 측정 데이터와 비교하는 방식으로 접근했습니다.

특히 Altair® SimLab®과 Altair® PSIM™을 사용하여 인버터 내부의 전력 손실과 온도 분포를 정밀하게 분석했습니다. 이 워크플로우는 SiC 모듈의 열손실뿐만 아니라 주변 온도 변화에 따른 열 거동까지 반영하여 시뮬레이션 정확도를 높였습니다.

  • PSIM: SiC 모듈의 온도를 반영하여 열손실을 계산
  • SimLab: PSIM에서 도출한 열손실을 기반으로 공기 흐름, 열전달, 온도 분포 시뮬레이션

실측 검증을 위해, Myway는 SiC 모듈 근처 히트싱크에 온도 센서를 부착하여 실제 온도 상승 값을 측정했습니다. 또한 공기 흐름과 열전달을 포함한 전산 유체 역학(CFD) 해석도 수행되었습니다.

정확한 열손실값이 사전에 알려지지 않았기 때문에, 엔지니어는 PSIM을 통해 주파수 40kHz, 전압 800V 조건에서 디바이스의 실제 손실값을 시뮬레이션으로 추출했습니다. 케이스 온도는 60°C로 가정하여 초기값을 설정했습니다. PSIM에서 도출된 열손실값은 SimLab으로 전달되어 온도 분포를 예측하는 데 활용되었고, 이 과정을 반복하며 실제 데이터와의 오차를 최소화했습니다.

 
결과

Altair HyperWorks의 고정밀 열관리 시뮬레이션 솔루션은 인버터의 전력 손실 및 온도 프로파일을 정밀하게 계산해주었으며, PSIM과 SimLab을 연동한 통합 워크플로우는 실제 측정값과 매우 일치하는 예측 결과를 제공했습니다. 이를 통해 Myway는 개발 시간을 단축하고 설계 효율을 극대화할 수 있었습니다.

기존 방식처럼 열손실을 대략적으로 추정할 경우, 온도 예측 오차가 발생하여 과도 설계 또는 심각한 열 손상이 유발될 수 있습니다. 반면 알테어 솔루션은 뛰어난 예측 정확도를 통해 불필요한 비용을 유발하는 과도한 설계를 줄이고, 물리적 프로토타입 제작 횟수까지 줄일 수 있다는 점에서 큰 장점을 보였습니다.

결론적으로 PSIM과 SimLab은 복잡한 인버터 시스템 개발에 매우 효과적인 열관리 솔루션임이 입증되었습니다. 알테어의 시뮬레이션 기반 접근 방식은 설계 초기 단계에서 과열 위험과 같은 문제를 초반에 감지해, 설계 기간 단축, 제품 안전성 향상, 후속 제조 문제 예방 등에 기여합니다.

“알테어의 PSIM–SimLab 워크플로우는 시뮬레이션 정밀도를 획기적으로 높여 성능, 비용, 개발 기간, 안전성을 모두 고려한 최적의 인버터 설계를 가능하게 합니다. 또한 이 직관적이고 손쉽게 활용 가능한 솔루션은 전력전자 엔지니어와 열 해석 엔지니어 모두가 효율적으로 사용할 수 있습니다.”
– Kan Yamagishi, Systems Department Director, Myway

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