기존 차량의 앞유리(windshield) 성에 제거 방식은 내연기관(Internal Combustion Engine, ICE)에서 발생하는 풍부한 폐열을 앞유리로 전달하는 구조다. 이 방식은 유리 표면에 열을 균일하게 전달하지 못해 에너지 효율이 낮고 성에 제거 속도에도 한계가 있다. 전기차(EV) 보급이 확대되고 있음에도 불구하고, 배터리로 구동하는 실내 공조 시스템은 이러한 구식 방식을 그대로 답습하고 있다. 더욱이 전기차 실내는 소음 저감을 위해 밀폐성이 강화되면서 김서림 문제가 더욱 심각하다. 영하의 기온에서는 주행 중에도 앞유리에 성에가 빠르게 형성돼 운전자의 시야를 위협할 수 있다. 이로 인해 전기차 환경에서는 기존 HVAC(공기조화기술) 방식의 앞유리 성에 제거 방식이 효율성과 효과 측면에서 모두 한계를 드러내고 있으며, 근본적인 접근 방식의 재검토가 요구된다.
베터프로스트(Betterfrost Technology)는 이러한 성에 제거 문제를 해결하기 위한 새로운 성에 제거 기술을 개발했다. 독자적인 전력 제어 알고리즘과 고밀도 전력 변환 모듈을 사용해 펄스 전력을 유리에 직접 공급함으로써 승용차와 트럭의 유리창 성에를 기존 HVAC 방식 대비 20배 적은 에너지로 60초 만에 제거할 수 있다.
[그림 1] 베터프로스트 기술은 펄스 전력과 고밀도 전력 모듈을 활용해 에너지 사용량을
20분의 1로 줄이면서도 60초 이내에 자동차 앞유리의 성에를 제거한다.
특히, 전동화 전환이 가속화되면서 내연기관 차량에서 사실상 ‘무료’로 활용되던 폐열은 더 이상 사용할 수 없게 됐다. 전기차는 성에 제거와 김서림 방지를 위해 주 배터리에서 에너지를 끌어와야 한다. 이는 주행에 필요한 전력을 소모하는 것이다.
2015년 미국 다트머스 대학(Dartmouth College)의 빙하·기후·환경(Ice, Climate and Environment, ICE) 연구소에서 출범한 베터프로스트는 앞유리 성에를 제거하기 위해서 얼음을 완전히 녹일 필요가 없다는 것을 발견했다. 베터프로스트는 얼음과 유리 사이의 ‘계면층’ 결합만 약화시켜도 얼음이 쉽게 분리될 수 있다는 사실에 주목했다.
베터프로스트는 짧고 정밀하게 제어된 전력 펄스를 유리 표면에 전달하여 얼음 아래에 얇은 준액체층을 형성시킴으로써 유리 전체를 가열하지 않고도 얼음이 즉시 분리되도록 구현했다.
독자적 전력 알고리즘으로 획기적인 성능 실현
대부분의 앞유리와 글라스루프에는 은(Ag) 또는 인듐 주석 산화물(Indium Tin Oxide, ITO)과 같은 저방사(low-emissivity, low-E) 전도성 코팅이 적용돼 있다. 베터프로스트는 이 코팅을 전기 경로로 사용해 독자적인 전력 제어 알고리즘을 구현했다. 이 알고리즘은 기존 HVAC 시스템이 약 25분 이상 소요되는 것과 달리, 1분 이내에 얼음으로 덮인 앞유리의 성에를 제거할 수 있다. 에너지 사용량은 내연기관 차량 대비 약 95% 수준까지 줄어든다. 또한, 표면 전체를 균일하게 가열함으로써 국부적인 열응력을 줄여 유리 균열 위험도 낮춘다.
영하 20°C 환경에서는 실내 난방 수요를 최대 27%까지 낮춰, 전기차 주행거리 확보에도 직접적인 기여를 한다. 아울러 소음이 큰 송풍 모터와 부피가 큰 에어덕트를 제거함으로써 승객 편의성이 향상되고, 차량 설계 측면에서도 활용 가능한 공간이 늘어난다.
베터프로스트 기술은 자동차 외에도 항공기 날개의 성에 제거에 사용되는 고가의 글리콜 스프레이를 대체할 수 있으며, 풍력 터빈 블레이드에 발생하는 결빙을 제거하거나 에너지 효율적인 성에 제거 사이클을 가능하게 해 냉동 창고의 운영 비용을 낮출 수 있다.
소형 고밀도 컨버터 모듈, 유리에 정밀한 48V 전력 공급
베터프로스트 솔루션의 핵심은 48V 중심의 전력 공급 네트워크다. 이를 위해 베터프로스트는 고밀도 자동차 등급(automotive-qualified) 800V 및 400V-48V 고정 비율 바이코(Vicor) BCM 버스 컨버터를 적용해 유리 표면에 안전하고 효율적인 고속 전력 펄스를 전달한다.
[그림 2] 전력 공급 네트워크. 바이코 BCM은 DC-DC 변압기로 기능한다. 고정 비율 컨버터는 초당 80 암페어의 속도로 전력 변화에 반응한다. 베터프로스트는 펄스 에너지를 사용하여 기존 HVAC 시스템의 25분과 비교해 1분 이내(최단 기록 42초)에 매우 얇은 계면 얼음층을 녹인다. 이 기술은 독자적 알고리즘을 사용하여 기존 방식 대비 20배 적은 에너지를 소비하면서 균일한 방식으로 얼음을 녹인다.
바이코 BCM6135는 3.4kW/in³의 업계 최고 전력 밀도를 제공하며 DC-DC 변압기로 기능한다. 고전압 입력단에 인가된 전압은 모듈의 변환 비율, 즉 K 팩터에 따라 저전압 측으로 변환된다. 예를 들어 K가 1/16이고 입력 전압이 800V일 경우, 출력 전압은 50V이다.
바이코 BCM 모듈은 기존 DC-DC 컨버터 대비 최대 90% 작은 소형 설치 면적으로 엄격한 연면 거리 및 공간거리 기준을 충족한다.
베터프로스트의 데릭 레딩(Derrick Redding) 최고경영자(CEO)는 “바이코는 과도한 크기나 중량 부담 없이 48V 전력 공급을 손쉽게 구현할 수 있게 해준다. 이 수준의 효율성과 전력 밀도를 제공하는 곳은 바이코뿐”이라고 말했다.
적용 확대를 향한 다음 단계
베터프로스트는 자동차 제조사, 1차 공급업체, 차량 운영업체와 적극적으로 협력하고 있으며, 상용 트럭과 프리미엄 전기차 분야의 얼리어답터와도 긴밀히 교류하고 있다. 회사는 향후 3~5년 내 전기차 및 하이브리드 플랫폼으로 자동차 적용을 확대할 계획이다. 연구실에서 나온 아이디어를 바탕으로, 베터프로스트는 바이코와 같은 파트너와 함께 생태계를 구축하여 겨울철 가장 흔하면서도 위험한 문제 중 하나를 차량이 해결하는 방식을 재정의하고 있다.
AEM(오토모티브일렉트로닉스매거진)
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