AEGLOSLAB 무인항공과 첨단항공모빌리티

제1부 비행체 기술 기반

1.25 열관리: 배터리·모터·인버터·항공전자 냉각

1.25.1 이 장에서 배우는 것 / 선수 지식 / 특히 중요한 독자

전기 추진은 손실이 곧 열이다. 효율 0.88의 체인은 호버에서 전력의 12 %를 열로 버리고, 그 열을 내보내는 속도가 연속 출력을 정한다. 1.17.4가 "호버가 열 설계점"이라는 결론을 이미 얻었다. 이 장은 그 열이 어떤 경로로 어디까지 가고, 온도가 얼마로 오르며, 무엇이 그것을 막는지를 숫자로 따라간다.

배우는 것:

  • 발열원과 크기 — 배터리·모터·인버터·항공전자의 열, 호버와 순항의 3.8배 차이, 배터리 발열 가정의 차이.
  • 열저항 네트워크 — 온도 상승 $\Delta T=PR$, 시간 상수 $\tau=RC$, 대류가 밀도와 풍속에 의존하는 방식. 열 용량이 호버의 몇 분을 흡수한다.
  • 냉각 방식 — 자연·강제 공랭, 액체 냉각, 상변화 재료, 히트파이프, 전도 냉각과 액체 냉각의 사이징 계산.
  • 호버·순항·고도·온도 — 같은 모터가 호버에서 약 5~6분 만에 한계에 닿는 조건, 고도에서 공랭이 나빠지는 정도, 저온 예열.
  • 배터리 열 — 한 번의 임무가 올리는 온도, 급속 충전이 더 큰 열이라는 사실, 냉각과 열폭주 방호가 부딪치는 지점.
  • 신뢰성과 시험 — 아레니우스 관계, 부품별 온도 한계, 열 시험의 구성.

선수 지식: 추진 체인과 발열량은 1.17.4, 모터 손실은 1.18, 배터리는 1.21, 배터리 출력 능력은 1.22.6, 밀도 고도는 1.20.6과 1.1.3을 본다. 열폭주의 방호 설계 자체는 1.21.8과 15.5가 맡고 이 장은 냉각과의 관계만 작성한다.

특히 중요한 독자: 엔지니어는 1.25.4~1.25.7의 모형과 계산을, 인증 담당자는 1.25.9·1.25.12를, 운항·정비 담당자는 1.25.7의 호버 열 버짓과 1.25.8의 충전 열을, 군 연구자는 1.25.11을 본다.

기준 시점과 정직성. 이 장은 2026년 10월을 기준으로 작성한 기술 장이고, 사용된 지식은 2026년 중반까지다. 계산은 가정한 모터와 가상 eVTOL에 대한 교육용 모형이며 열 용량·열저항·열전달 계수는 가정이거나 경험식이다. 배터리 발열은 두 장의 가정에서 값이 다르다. 1.17.4는 배터리 효율 0.96을 가정해 호버 발열을 14.5 kW로, 1.21.6은 고출력 셀 모형(호버 4.5C에서 효율 0.94, 낮은 충전 상태에서 0.92)으로 약 23 kW로 보았다. 차이는 배터리 효율·방전율(C-rate)·충전 상태의 가정에서 오며 어느 쪽이 틀린 것이 아니다. 이 장은 1.17.4의 값에서 출발하고 1.21.6의 값을 상한 쪽 대안으로 함께 보인다. 경험 범위는 (경험 범위), 확인하지 못한 것은 (확인 필요)로 표시했다.

1.25.2 개념·직관 — 열은 효율의 이면이다

손실은 열이 되고, 열은 세 가지를 정한다. 연속 출력(냉각이 따라가는 만큼만 계속 낼 수 있다), 수명(온도가 열화 속도를 지수로 키운다), 안전(배터리 열폭주). 온도는 열량이 아니라 열량과 방열 능력의 비로 정해지고, 열 용량은 그 사이에서 시간을 번다. 짧은 호버는 열 용량이 삼키고, 긴 호버는 방열 능력이 감당해야 한다.

세 축에서 요구는 이렇게 다르다.

  • 군용 드론은 극한 온도(사막·한대)에서 견디고 열 시그니처를 줄여야 한다. 냉각 흡기와 방열이 적외선 시그니처와 부딪친다(5.6).
  • 민간 UAS는 소형 모터·전자 변속기(ESC)를 대개 자연·강제 공랭으로 식힌다. 여름 지상 대기와 직사광선이 문제다.
  • AAM은 고출력과 장시간 호버 요건 때문에 액체 냉각을 사용하는 경우가 많고, 냉각 계통이 안전 필수 장비가 된다. 승객이 있으므로 한계 온도의 입증이 인증 대상이다(15.5·17.14).

1.25.3 발열원과 크기

열원은 네 가지다. 배터리는 내부 저항에 전류의 제곱을 곱한 줄 발열 $I^2R$(여기에 반응의 엔트로피 열)을 낸다. 모터는 동손($I^2R$), 철손(자속의 변화 주파수), 기계 손실을 낸다. 인버터는 도통 손실(스위치 저항에 전류 제곱)과 스위칭 손실(스위칭 때 전압과 전류가 중첩되는 시간, 스위칭 주파수에 비례)을 낸다. 항공전자는 소비 전력이 거의 전부 열이 된다.

1.17.4의 가상 eVTOL(로터 한 개 호버 20 kW, 순항 8 kW, 16개)의 열이다. 호버 값은 1.17.4 표에서 가져왔고, 순항의 배전·인버터는 같은 장의 순항 단계 효율(0.995·0.980)로 이 장에서 계산했다(파이썬).

열원호버, 로터 1개 [kW]순항, 로터 1개 [kW]16개 합 호버·순항 [kW]
배터리(1.17.4의 효율 0.96)0.910.1714.6 · 2.7
직류 배전0.220.043.5 · 0.7
인버터0.540.178.6 · 2.7
모터1.050.3316.8 · 5.3
합계2.720.7243.5 · 11.5
항공전자(가정)상시 1~3 kW, 호버·순항과 무관

호버가 순항의 3.8배다. 모터(16.8 kW)와 배터리(14.6 kW, 1.17은 14.5 kW로 반올림했다)가 가장 큰 두 덩어리다. 앞의 정직성 문단의 두 가정을 나란히 놓으면 다음과 같다.

가정배터리 효율호버 배터리 열(16개 합)설명
1.17.40.96약 14.5 kW체인 단계 효율의 가정 범위(0.93~0.99) 안의 값
1.21.6, 충전 상태 50 %0.94(호버 4.5C)약 23 kW고출력 셀의 저항 11 mΩ에 방전율 4.5C를 적용
1.21.6, 낮은 충전 상태0.92더 크다개방전압이 내려가 같은 전력에 전류가 는다(1.22.6의 검산이 같은 값)

같은 호버인데 값이 다른 것은 배터리 효율, 방전율, 충전 상태를 다르게 가정했기 때문이다. 이 장의 모터·인버터 계산은 둘에 영향을 받지 않고, 배터리 계산(1.25.8)은 두 값을 모두 사용한다.

1.25.4 열 경로와 열저항 네트워크

열이 열원에서 대기까지 가는 길은 직렬로 이어진 열저항의 사슬이다. 아래 그림은 네 열원의 경로를 보이고, 아래 칸은 호버와 순항의 대비를 요약한다.

배터리 셀 → 냉각판 (전도) 인버터 소자 → 방열판 (전도) 모터 권선 → 고정자 → 하우징 항공전자 보드 → 섀시 (전도) 냉각수 루프 (펌프) 방열기 → 대기 공기(강제 공랭) 팬·램에어 호버: 열원이 가장 크고 상대풍이 없다 → 가장 가혹한 열 설계점 순항: 열원이 작고 상대풍이 크다 → 열 용량이 식을 시간
열 경로의 개념도 — 열은 열원에서 열저항을 지나 냉각 매질로, 방열기에서 대기로 간다. 호버와 순항은 같은 경로에 서로 다른 열량과 기류를 흘려 보낸다. 주황 화살표는 열의 흐름이다

집중 정수 모델. 정상 상태에서는 전도·대류 저항을 더하면 온도 상승이 나온다. 과도에서는 열 용량 $C$가 시간 지연을 만든다.

$$\Delta T=P\,R_{th},\qquad R_{th}=\sum_i R_i,\qquad T(t)=T_a+P\,R_{th}\left(1-e^{-t/\tau}\right),\quad \tau=R_{th}\,C$$

기호뜻
$P$열원이 내는 열 [W]
$R_{th}$열저항 [K/W]. 전도는 $L/(kA)$, 대류는 $1/(hA)$
$C$열 용량 [J/K] = 질량 × 비열
$\tau$시간 상수. 정상 상태의 약 63 %에 이르는 시간이고 약 $3\tau$면 95 %다

결론: 호버가 $\tau$보다 훨씬 짧으면 온도는 정상 상태에 닿지 못한다. 열 용량이 호버를 삼키는 것이다. 그러나 호버가 $\tau$의 몇 배로 이어지면 정상 상태의 높은 온도에 이른다.

대류는 풍속과 밀도에 의존한다. 공기 쪽 열전달 계수는 평판 위 난류 대류의 거친 경험식으로 어림한다($V$는 m/s, $\rho/\rho_0$는 해면 대비 밀도비).

$$h\approx 7\left(\frac{\rho}{\rho_0}\,V\right)^{0.8}\ \mathrm{W/(m^2\,K)}$$

냉각 방식열전달 계수 [$\mathrm{W/(m^2\,K)}$] (경험 범위)
자연 대류(공기)약 5~10
강제 대류(공기)약 20~100
강제 대류(액체)약 500~5,000
비등약 2,000~10,000 이상

호버에서는 상대풍이 없고 밀도가 낮은 곳에서는 $h$가 더 줄어든다. 이것이 호버의 열이 가혹한 두 번째 이유다. 첫째는 열원이 크다는 것이다.

1.25.5 수치 예시 — 모터 권선의 온도는 어디까지 오르나

1.17.4의 모터(호버 손실 1.05 kW, 순항 0.33 kW)를 4 kg급 모터로 두고 권선과 하우징의 2절점 네트워크로 풀었다(파이썬, 양의 오일러 적분). 가정은 다음과 같다.

항목가정
열 용량권선(구리 0.9 kg) 346 J/K, 고정자·하우징(3.1 kg) 1,860 J/K
열저항권선→하우징 0.050 K/W. 하우징→공기는 $1/(hA)$, 핀 면적 0.5 $\mathrm{m^2}$
유효 풍속호버 4.8 m/s(로터 후류의 일부), 순항 30 m/s(나셀 안 기류)
손실 분배호버: 동손 800 W·철손 250 W, 상승 560·240 W, 순항 120·210 W, 하강 45·105 W
절연 한계등급 F 155 °C(IEC 60085의 열 등급, 1.25.12)
임무이륙 호버 1분, 상승 3분, 순항 25분, 하강 3분, 착륙 호버 1.5분
두 조건기준(외기 25 °C, 해면)과 고온·고지(해발 1.5 km, 35 °C, 밀도비 0.78)

고온·고지는 1.20.6 워크스루의 조건(밀도 고도 약 2,510 m)과 같다. 정상 상태 온도는 다음과 같다.

운전기준 권선 / 하우징 [°C]고온·고지 권선 / 하우징 [°C]하우징→공기 저항 [K/W]
호버151 / 111179 / 1390.082 / 0.099
상승118 / 90142 / 1140.082 / 0.099
순항37 / 3149 / 430.019 / 0.023

시간 상수는 호버에서 하우징이 약 180초, 순항에서 약 41초이고 권선과 하우징 사이는 약 17초다. 아래 그림이 임무 프로파일의 응답이다.

0 10 20 30 50 100 150 시간 [분] 권선 온도 [°C] 절연 등급 F 한계 155 °C 임무(25 °C, 해면) 임무(35 °C, 해발 1.5 km) 연속 호버(35 °C, 해발 1.5 km)
모터 권선 온도 — 임무에서는 호버 몇 분 동안 오른 온도가 순항에서 외기 가까이 식어 한계(155 °C)에 닿지 않는다(고온·고지에서도 최고 115 °C). 같은 호버를 쉬지 않고 이으면 약 6분 뒤 한계를 넘고 정상 상태는 179 °C에 이른다. 열 용량이 짧은 호버를 흡수하는 것이다. 가정한 모터의 2절점 모형이며 실측이 아니다
시점기준 권선 [°C]고온·고지 권선 [°C]
이륙 호버 끝(1분)7888
상승 끝(4분)100115
순항 끝(29분)3749
착륙 호버 끝(33.5분)91103

읽을 것 네 가지.

  1. 정격은 정상 상태가 아니라 임무 프로파일로 정한다. 호버의 정상 상태 권선 온도는 고온·고지에서 179 °C로 한계(155 °C)를 넘지만, 임무에서는 최고 115 °C에 그친다. 열 용량이 호버의 몇 분을 흡수하고 순항이 식힌다. 1.17.4가 "정격은 연속이 아니라 호버 구간의 열 용량으로 정한다"고 한 결론의 계산이다.
  2. 연속 호버의 한계는 약 6분이다. 고온·고지에서 외기 온도로 식은 모터가 쉬지 않고 호버하면 352초(약 5.9분) 만에 155 °C에 닿고, 순항을 마친 직후에서 시작하면 334초다. 기준 조건에서는 정상 상태가 151 °C라 한계에 닿지 않지만 여유가 4 K뿐이다. 호버 대기(착륙 허가 지연)·복행·회항 때의 열 버짓이 비행 한계가 된다(15.14·16.5).
  3. 고온·고지는 정상 상태를 28 K 올린다. 하우징 열저항이 $(\rho/\rho_0)^{-0.8}$로 늘고(1.22배) 외기도 10 K 높기 때문이다. 같은 임무의 최고 온도는 100에서 115 °C로 오르는 데 그친다. 한계의 여유는 55 K에서 40 K로 줄었다.
  4. 순항이 식히는 속도가 호버 반복의 간격을 정한다. 하우징의 순항 시간 상수가 약 41초라 순항 몇 분이면 외기 가까이 식는다. 호버 직후 순항 없이 두 번째 호버(복행)에 들어가면 시작 온도가 높아 여유가 줄어든다.

1.25.6 냉각 방식

방식원리장점단점용도
자연 공랭표면의 자연 대류와 복사질량·고장이 없다열전달이 작아 소출력만소형 UAS의 항전·ESC
강제 공랭팬·램에어·로터 후류로 공기를 흘린다단순하고 가볍다호버와 고도에서 약해진다소형~중형 모터·ESC
액체 냉각냉각수(글리콜 50 % 혼합)를 냉각판·재킷에 돌려 방열기로열전달이 크고 온도가 고르다펌프·배관·냉각수 질량, 누설 위험고출력 모터·인버터·배터리
상변화 재료(PCM)녹으며 잠열을 흡수(파라핀 계열 약 200 kJ/kg (경험 범위))짧은 첨두를 흡수한다열전도가 낮고 MJ당 약 5 kg짧은 호버·충전 첨두 완충
히트파이프·증기 챔버증발과 응축으로 열을 멀리 옮긴다유효 열전도가 구리의 수십 배 이상 (경험 범위)자세·가속에 따라 성능이 변한다소형 항전·열 퍼짐
전도 냉각섀시·기체 구조에 접촉해 열을 넘긴다밀폐·방진이 쉽다구조의 열 한계군용 밀폐 항전

액체 냉각을 사이징해 본다. 1.17.4의 로터 한 개의 인버터와 모터는 호버에서 합 1.59 kW를 낸다. 냉각수(비열 3.4 kJ/kg·K)가 10 K 오르게 하면 필요한 유량은 $\dot m=Q/(c\,\Delta T)=0.047$ kg/s, 곧 분당 약 2.6 L다. 기체 전체(16개)의 호버 열 43.5 kW를 한 루프로 보낸다고 상한을 잡으면(냉각수 65 °C·외기 40 °C, 평균 차 25 K 가정) 방열기가 감당할 열전달 능력은 $UA=Q/\Delta T\approx1.74$ kW/K다. 총괄 열전달 계수 60 $\mathrm{W/(m^2\,K)}$로 보면 핀 포함 면적이 약 29 $\mathrm{m^2}$다. 공기 쪽은 온도가 15 K 오르게 하면 유량이 2.9 kg/s(약 2.4 $\mathrm{m^3/s}$)이고, 호버에서 압력 상승 300 Pa·팬 효율 0.5이면 팬 전력이 약 1.4 kW(호버 열의 3 %)다. 순항에서는 팬 없이 램에어를 사용하고 열이 11.5 kW로 줄지만 냉각 항력이 붙는다(1.26의 성능 계산이 받는다).

1.25.7 호버와 순항, 고도, 고온, 저온

호버 대 순항. 위 모터 계산의 요약이다. 호버는 열이 3.2배(모터 1.05 대 0.33 kW)이고 상대풍이 없어 하우징 열저항이 4배 남짓(0.082 대 0.019 K/W), 정상 상태 권선의 외기 대비 상승이 126 K 대 12 K다. 시간 상수는 180초 대 41초다. 리프트+크루즈형에서 호버용 로터의 모터는 순항 중 정지해 열이 없지만 기류도 없다(1.11). 같은 모터를 호버와 순항에 사용하는 전환형은 위 표와 같다(1.12).

고도. 밀도가 줄면 공랭의 $h$가 $(\rho/\rho_0)^{0.8}$로 줄어 열저항이 늘어난다. 외기 온도를 25 °C로 고정해 밀도 효과만 분리하면(ISA 밀도, 1.1.3) 다음과 같다.

밀도 고도밀도비하우징 온도 상승 배율호버 정상 상태 권선 [°C]
0 m1.001.00151
1,000 m0.911.08157
2,000 m0.821.17165
3,000 m0.741.27174
4,000 m0.671.38183

해면에서 여유가 4 K였던 호버가 1,000 m에서 이미 한계(155 °C)를 넘는다. 표준대기에서는 고도가 오르면 기온이 내려 일부 상쇄되지만 뜨거운 날의 고지(밀도 고도가 높은 곳)에서는 그렇지 않다. 공랭이 약해지는 만큼 방열기와 팬이 커져야 하고, 이것이 고지·고온 운용 한계(1.32)가 열 한계에서 나오는 이유다.

고온. 정상 상태에서는 외기 온도가 그대로 더해진다(외기 +10 K이면 권선 +10 K). 직사광선 아래 지상 대기는 항전과 팩을 외기보다 높은 온도로 데워 운용 시작 온도를 올린다(열 소크).

저온. 모터와 전자는 저온이 오히려 유리하지만 배터리는 반대다. 0 °C에서 셀 저항이 약 3배가 되어 낼 수 있는 출력이 줄고(1.21.5), 충전 상태가 낮으면 호버 전력을 못 낸다(1.22.6: 0 °C의 신품 팩은 SoC 50 %에서 간신히 낸다). 충전은 약 0 °C 아래에서 리튬 석출 위험으로 금지된다(1.21.7). 그래서 저온 운용은 팩 예열이 필요하다(1.25.8).

1.25.8 배터리 열관리와 열폭주 방호

1.25.8.1 한 번의 임무가 올리는 온도

팩 500 kg, 셀·팩의 평균 비열 1,000 J/(kg·K)이면 열 용량 $C=5.0\times10^{5}$ J/K다(1.21.6의 팩과 같은 규모). 앞의 임무(호버 1분, 상승 3분, 순항 25분, 하강 3분, 착륙 호버 1.5분)에서 열이 전류의 제곱에 비례해 달라진다고 두고 열을 단열로 모으면 다음과 같다(파이썬).

배터리 발열 가정호버 열순항 열임무 열단열 온도 상승
1.17.4(효율 0.96)14.5 kW2.8 kW(1.17.4)8.2 MJ16 K
1.21.6(고출력 셀, 효율 0.94)23.2 kW3.4 kW(전류 제곱 비례)11.5 MJ23 K

읽을 것: 한 번의 임무는 팩 질량이 흡수하는 열이다. 시작 25 °C에서 끝 온도는 41 °C(1.17.4 가정) 또는 48 °C(1.21.6 가정)다. 단열은 상한이라 팩 표면에서 일부가 빠져나가지만, 충전 상한(약 45 °C, 1.25.9의 표)을 기준으로 보면 두 가정에서 결론이 달라진다. 41 °C는 바로 충전할 수 있고 48 °C는 식힌 뒤에야 충전할 수 있다. 두 가정의 7 K 차이가 회전 시간에 닿는다. 그래서 임무 중 배터리 냉각은 열이 한계에 가는 일이 아니라 임무 사이에 식혀 충전 시작 온도를 맞추는 일이다.

1.25.8.2 급속 충전이 더 큰 열이다

충전은 같은 저항을 지나는 전류가 크고 시간이 길다. 1.22.6의 팩(107 mΩ, 108 Ah)으로 정전류 충전의 줄 발열 $I^{2}R$만 계산했다(엔트로피 열과 종단 전압 구간은 뺐다).

충전율전류충전 시간열(신품 / 수명 말 ×1.6)열량(신품 / 수명 말)단열 상승(신품 / 수명 말)
1C108 A60분1.3 / 2.0 kW4.5 / 7.2 MJ9 / 14 K
2C216 A30분5.0 / 8.0 kW9.0 / 14.4 MJ18 / 29 K
3C324 A20분11.2 / 18.0 kW13.5 / 21.6 MJ27 / 43 K

열량은 $I^{2}Rt\propto C^{2}\cdot(1/C)=C$로 충전율에 비례한다. 2C 충전의 열(9.0 MJ)은 한 번의 임무 열(8.2~11.5 MJ)과 같은 크기이고, 3C·수명 말이면 임무의 2배다. 충전 중 온도 상승을 10 K로 묶으려면 2C에서 약 2.2 kW, 수명 말 3C에서 약 14 kW를 냉각수로 빼야 한다. 급속 충전의 열이 배터리 냉각의 설계점이 되는 이유이고, 충전 시간이 열 설계의 결과다(15.9).

1.25.8.3 예열

저온에서는 팩을 데워야 한다. −5 °C의 팩을 25 °C로 올리려면 $C\Delta T=5.0\times10^{5}\times30=15$ MJ, 곧 4.2 kWh(명판 84 kWh의 5.0 %)가 든다. 10 kW 히터로 25분, 20 kW로 12분이다. 충전 전원이 있는 지상에서는 지상 전력으로 데우고, 비행 중 저온이면 배터리의 자체 발열과 단열이 함께 사용된다. 예열은 BMS와 지상 지원이 묶이는 임무다(1.22.6·14.27).

1.25.8.4 냉각과 열폭주 방호가 부딪친다

냉각은 셀의 열을 빨리 빼야 하고, 열폭주 방호는 한 셀의 열을 이웃으로 보내지 않아야 한다. 두 요구가 열전도율에서 반대 방향이다. 1.21.8.2의 계산에서 직접 접촉(약 1 W/m·K)은 이웃 셀이 5초 안에 한계에 닿고, 단열 격벽은 207~1,035초가 걸렸다. 열을 잘 빼는 구조는 열을 잘 옮긴다. 방호 설계의 원리 수준 해법은 다음과 같다(1.21.8.3).

  • 이방성 열 경로. 셀에서 냉각판으로는 높은 전도, 셀과 셀 사이에는 낮은 전도가 되도록 경로를 나눈다.
  • 국소 상변화 방벽. 폭주 열을 흡수하는 재료를 셀 사이에 둔다. 그러나 전부 흡수하려 들면 무겁다. 21700 셀 하나의 전기 에너지가 18 Wh(65 kJ, 1.21.8)이고 PCM이 약 200 kJ/kg이면 셀당 0.33 kg이 든다. 5,184개 셀이면 1,700 kg으로 팩 질량의 3배를 넘는다. 폭주 에너지 전부를 PCM으로 흡수하는 것은 불가능하고, 전파를 늦추는 용도로만 사용한다.
  • 배기 경로와 냉각수 격리. 분출 가스가 냉각 계통을 뚫지 않게 하고, 냉각수 누설이 고전압 절연을 해치지 않게 한다(1.19).

결론: 냉각 설계와 방호 설계는 따로 풀 수 없다. 배터리 열 경로는 두 요구를 함께 만족하는 방향성으로 설계하고 입증한다(15.5).

1.25.9 신뢰성과 시험

온도는 열화 속도를 아레니우스 식으로 키운다. 기준 온도 대비 상대 속도는 다음과 같다.

$$\frac{\text{속도}(T)}{\text{속도}(T_{\mathrm{ref}})}=\exp\!\left[\frac{E_a}{k_B}\left(\frac{1}{T_{\mathrm{ref}}}-\frac{1}{T}\right)\right]$$

$E_a$는 활성화 에너지, $k_B$는 볼츠만 상수, $T$는 절대 온도다. 아래 그림은 배터리 열화 속도를 25 °C 기준으로 보인다. 활성화 에너지 50 kJ/mol(1.21.7의 가정)이면 35 °C에서 약 1.9배, 45 °C에서 약 3.6배, 60 °C에서 약 8배다.

0 20 40 60 1 10 배터리 온도 [°C] 상대 열화 속도(25 °C = 1) 35 °C: 1.9배 45 °C: 3.6배 60 °C: 8.3배 Ea = 34 kJ/mol Ea = 50 kJ/mol Ea = 68 kJ/mol
배터리 열화 속도의 온도 의존 — 25 °C 기준으로 35 °C에서 약 1.9배, 45 °C에서 약 3.6배, 60 °C에서 약 8배다(중간 곡선). 활성화 에너지가 34에서 68 kJ/mol로 달라지면 45 °C의 배율이 2.4배에서 5.6배로 넓게 퍼진다. 고온에 머무는 시간이 수명을 정하며, 이는 10 K마다 약 2배라는 경험칙의 뒤에 있는 식이다

모터 절연은 흔히 10 K 오를 때마다 수명이 절반이라는 경험칙으로 어림한다(활성화 에너지로는 약 1.1 eV에 해당한다). 같은 식이 배터리 캘린더 열화(10 K에 약 1.9배)와 전해 커패시터에도 대략 맞는다. 고온에 머무는 시간이 수명을 정한다. 호버 몇 분의 높은 온도는 수명에 적게 들어가고, 뜨거운 날 오래 서 있는 지상 대기가 크게 들어간다.

부품온도가 정하는 것대표 한계 (경험 범위)
권선 절연열 등급과 수명등급 B 130 °C, F 155 °C, H 180 °C(IEC 60085)
영구자석불가역 감자등급에 따라 약 80~200 °C 이상. 보증 온도는 제조사 확인
전력 반도체접합 온도소자 데이터시트의 최대 접합 온도(대표 약 150~175 °C)
전해 커패시터수명(10 K 규칙)정격 105~125 °C급 (확인 필요)
솔더·접합부온도 변화 폭에 의한 피로호버와 순항이 바뀔 때마다 한 사이클
배터리 셀성능·수명·안전방전 약 −20~60 °C, 충전 약 0~45 °C(셀 데이터시트)

시험. 열 시험은 네 가지로 나눈다. ① 정상 열 시험(일정 부하에서 열저항 측정), ② 과도 열 시험(시간 상수·열 용량), ③ 임무 프로파일 시험(호버·순항 반복과 호버 지속 한계 확인), ④ 환경 시험(고온·저온·고도·열 충격). 측정은 열전대와 열화상(적외선)이다. 환경 시험의 규격은 RTCA DO-160의 온도·고도·온도 변화 절과 MIL-STD-810의 고온·저온·저압·온도 충격·태양 복사 방법이 있고 상세는 8.9가 다룬다(1.25.12).

1.25.10 설계 트레이드오프

냉각 방식을 정하는 세 갈래가 있다.

① 열 용량과 공랭에 의존한다. 정격을 임무 프로파일로 정하고 자연·강제 공랭을 사용한다. 장점: 가볍고 고장이 적다. 단점: 호버 지속 시간이 비행 한계가 되고 고온·고지에서 여유가 줄어든다. 이 입장을 취하는 쪽: 소형 UAS와 호버가 짧은 임무의 개발자.

② 전 계통을 액체 냉각한다. 장점: 온도가 균일하고 지속 호버와 급속 충전을 감당한다. 단점: 펌프·배관·냉각수 질량, 누설과 고장 모드, 호버 방열기의 팬. 이 입장을 취하는 쪽: 대형 eVTOL 개발자.

③ 혼합한다. 배터리·인버터는 액체 냉각, 모터는 열 용량과 공랭, 첨두에는 상변화 재료를 사용한다.

견해: 대형 AAM에서는 ③이 질량과 고장 면에서 균형이 좋다고 본다. 근거는 두 계산이다. 첫째, 모터는 1.25.5에서 임무 최고 115 °C로 한계에 40 K 여유가 있어 열 용량과 공랭으로 정격을 정할 수 있었다. 둘째, 배터리는 급속 충전의 열(2C에서 9.0 MJ, 수명 말 3C에서 21.6 MJ)이 임무 열보다 커서 균일한 온도와 능동 냉각이 필요하다. 다만 ①로 정한 모터는 호버 지속 시간이 운용 한계가 되고 고온·고지에서 6분 안팎이라는 점을 운항 규정이 받아야 한다. 이는 가정한 모터에서의 판단이며 실제 설계는 열 시험으로 입증해야 한다.

1.25.11 세 축 비교

항목군용 드론민간 UASAAM
지배 요구극한 온도·열 시그니처·야전 견고성가격·단순성·여름 지상 대기고출력·장시간 호버·인증
주된 냉각전도·밀폐 공랭, 대형은 액체자연·강제 공랭액체 냉각이 흔함
열 설계점고온 사막 운용, 고고도호버 지속, 직사광선호버 지속·급속 충전
시그니처열 시그니처 저감이 요구(5.6)해당 없음해당 없음(소음이 중심)
한계 설정환경 규격 시험(8.9)제조사 운용 한계비행 교범의 온도·호버 한계
핵심 병목냉각 흡기와 시그니처의 충돌배터리 열화충전 열·냉각과 방호의 충돌
관련 장5.6·20.1914.2·14.415.5·15.9

군용에서는 냉각용 흡기와 방열기가 적외선 시그니처에 노출된다. 열을 숨기려고 냉각을 줄이면 한계 온도에 가까워지는 균형이 필요하다.

1.25.12 관련 규격·프로토콜

문서발행무엇을 정하나상세 장
RTCA DO-160G 제4절(온도·고도), 제5절(온도 변화) (판 확인 필요)RTCA항공 탑재 장비의 환경 시험8.9
MIL-STD-810H Method 500.6·501.7·502.7·503.7·505.7미 국방부저압(고도)·고온·저온·온도 충격·태양 복사 시험 (세부 확인 필요)8.9·9.3
IEC 60085IEC전기 절연의 열 평가와 등급(B 130, F 155, H 180 °C)1.18
IEC 60034-1IEC회전 전기 기기의 정격과 온도 상승 한계 (판 확인 필요)1.18
IEC 60529IEC보호 등급(IP) — 방수·방진이 냉각과 충돌한다1.32
ARINC 600(항공 전자 장비의 냉각 공기 요건 포함) (확인 필요)ARINC항공 전자 장비의 설치·냉각8.9
EASA SC-VTOLEASAeVTOL의 감항 기준(배터리 열 관리 포함)17.14·15.5

유료 규격은 요지만 다뤘고 판 기호를 확인하지 못한 것은 표시했다. 규격의 지형은 9.1에 있다.

1.25.13 관련 규제·인증 요구와의 연결

  • 환경 인증 — 고온·저온·고도 시험으로 장비의 열 한계를 입증한다(8.9).
  • eVTOL 배터리 — 열 관리와 열폭주 방호는 배터리 인증의 입증 항목이다(15.5·20.5).
  • 운용 한계 — 비행 교범의 최대 외기 온도, 밀도 고도, 호버 지속 시간 한계가 열 설계에서 나온다(1.32·16.5).
  • 회항과 대기 — 호버 대기와 복행의 열 버짓이 대체 착륙지·연료(에너지) 정책과 연결된다(15.14).
  • 지상 충전 — 충전 열과 냉각이 처리용량과 회전 시간을 정한다(15.9·14.27).
  • 정비와 계속감항 — 냉각수 누설, 팬·펌프 고장, 열 사이클 피로는 정비 항목이다(20.18·20.23).
  • 군 — 열 시그니처와 환경 규격이 요구다(5.6·20.19).

1.25.14 함정과 한계

오해실제더 볼 곳
"모터 정격은 연속 정격 하나다"호버 몇 분의 열은 열 용량이 삼키므로 임무 프로파일로 정한다1.25.5
"호버는 짧으니 열 걱정이 없다"고온·고지에서 연속 호버 한계가 약 6분이고, 대기·복행·회항이 그 한계를 사용한다1.25.5·1.25.7
"순항이 열을 가장 많이 낸다"호버가 3.8배다. 순항은 열이 작고 기류가 크다1.25.3
"고도에서는 공기가 차가워 공랭에 유리하다"$h$는 밀도에 따라 줄고 기온 하락은 일부만 상쇄한다1.25.7
"배터리 발열은 하나의 값이다"배터리 효율·방전율·충전 상태에 따라 14.5~23 kW로 달라진다1.25.3
"배터리 냉각의 설계점은 임무 중이다"급속 충전 열이 임무 열과 같거나 크다1.25.8.2
"냉각을 잘하면 열폭주도 막힌다"열을 잘 빼는 구조는 열을 잘 옮긴다. 방향을 나눠야 한다1.25.8.4

이 장의 한계를 밝힌다.

  • 모터는 2절점 집중 정수 모델이고 유효 풍속·핀 면적·열 용량은 가정이다. 권선 내부의 온도 구배와 자석 온도는 넣지 않았다.
  • 대류 식 $h\approx7V^{0.8}$은 거친 경험식이다. 실제 핀·덕트 형상의 열전달은 해석과 시험으로 구해야 한다.
  • 배터리 열은 줄 발열만 보았고 반응의 엔트로피 열·온도 의존 저항·종단 전압 구간은 넣지 않았다. 팩 내부의 온도 구배도 다루지 않았다.
  • 인버터·항공전자의 냉각은 계산하지 않고 열량만 보았다.
  • 아레니우스의 활성화 에너지는 가정이고 부품마다 다르다.

1.25.15 체크포인트·연구 질문

체크포인트

  1. 1.17.4의 열 표에서 호버가 순항의 3.8배인 이유를 열원별로 설명하라.
  2. 1.17.4와 1.21.6의 배터리 호버 발열(14.5 kW 대 약 23 kW)이 다른 이유를 한 문장으로 말하라.
  3. 열저항 $R$과 열 용량 $C$로 $\tau=RC$를 구하고, 호버가 $\tau$보다 짧을 때 온도가 정상 상태에 닿지 못하는 이유를 설명하라.
  4. 고온·고지에서 연속 호버의 한계가 약 6분인 계산 과정을 따라가라. 해면 기준과 무엇이 다른가?
  5. 급속 충전의 열이 $C$-rate에 비례하는 이유는 무엇이고, 충전 중 온도 상승을 10 K로 묶으려면 몇 kW를 빼야 하는가?
  6. 냉각 설계와 열폭주 방호가 열전도율에서 왜 반대 요구를 하며, 이방성 열 경로가 어떻게 해결하는가?

연구 질문 — 이 장에서 파생되는 열린 주제(25.7에 모은다)

  1. 호버 열 버짓의 입증과 표기 — 연속 호버 한계 시간을 어떤 시험으로 입증하고, 비행 교범의 한계(외기 온도·밀도 고도별 호버 지속 시간)로 어떻게 표기할 것인가?
  2. 이방성 열 경로의 공개 설계 사례 — 냉각과 열폭주 전파 방호를 함께 만족하는 구조의 공개 시험 데이터는 어디까지 있는가?
  3. 밀도 고도에 따른 공랭 성능의 공개 시험 — 소형·중형 모터의 고도별 열저항 데이터는 이 장의 $(\rho/\rho_0)^{0.8}$ 모형과 얼마나 맞는가?
  4. 충전 열과 수명의 최적 프로파일 — 수명 말 저항에서 충전 열을 줄이면서 충전 시간을 충족하는 프로파일은 무엇인가?

1차 출처(이 장)

  • Incropera, F. P.; DeWitt, D. P.; Bergman, T. L.; Lavine, A. S., Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 7th ed., Wiley, 2011.
  • Lienhard IV, J. H.; Lienhard V, J. H., A Heat Transfer Textbook, Phlogiston Press (판 확인 필요).
  • Bernardi, D.; Pawlikowski, E.; Newman, J., "A general energy balance for battery systems," Journal of The Electrochemical Society, vol. 132, 1985.
  • Bandhauer, T. M.; Garimella, S.; Fuller, T. F., "A critical review of thermal issues in lithium-ion batteries," Journal of The Electrochemical Society, vol. 158, no. 3, 2011.
  • Boglietti, A.; Cavagnino, A.; Staton, D.; Shanel, M.; Mueller, M.; Mejuto, C., "Evolution and modern approaches for thermal analysis of electrical machines," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 56, no. 3, 2009.
  • Feng, X. 외, 열폭주 문헌 요약, Energy Storage Materials, 2018(1.21.8이 인용).
  • IEC 60085, IEC 60034-1, RTCA DO-160G, MIL-STD-810H.

출처를 찾고 판을 추적하는 방법은 0.9에서 다룬다. 배터리와 모터의 1차 출처는 1.21·1.18에 있다.


다음 장: 1.26에서 제1부의 기술을 임무 한 장으로 묶는다. 이륙에서 착륙까지 에너지 버짓을 세우고, 탑재량-항속 곡선과 바람·고도·온도의 영향, 불확실성과 마진을 계산한다. 이 장의 열 버짓(호버 지속 한계)과 1.22의 에너지 불확실성이 그 버짓의 항목으로 들어간다.