도심항공교통(UAM)의 경제성을 결정짓는 가장 핵심적인 지표는 ‘Turnaround Time(회항 준비 시간)’입니다. 버티포트(Vertiport)에 착륙한 eVTOL 기체가 승객을 하차시키고 다음 비행을 위해 충전을 완료하는 시간이 10~15분 이내로 단축되어야만 운용 효율성과 수익성을 확보할 수 있습니다.
이를 위해 도입되는 기술이 바로 MW(메가와트)급 초고속 충전 시스템(MCS, Megawatt Charging System)입니다. 그러나 1MW(1,000kW) 이상의 대전력이 단 수 분 만에 기체로 주입될 때 발생하는 극심한 발열(Joule Heating)은 충전 케이블, 커넥터, 그리고 기체 배터리 시스템 전체의 안전성을 위협하는 최대 기술 난제로 꼽힙니다.
1. 줄열(Joule Heating)의 물리적 압박: 왜 열관리가 극도로 어려운가?
충전 시 발생하는 발열량은 도체 저항($R$)과 전류의 제곱($I^2$)에 비례합니다($P = I^2 R$). 전기차(EV) 충전 대비 UAM 충전이 요구하는 전류 수준과 줄열 발생량을 비교하면 다음과 같습니다.
① 전기차(CCS) vs UAM(MCS) 전력 수치 비교
- 기존 승용 전기차(CCS2): 약 350kW (400A @ 800V) 수준
- UAM 전용 MCS 표준: 1.2MW ~ 3.0MW (1,200A~3,000A @ 1,000V~1,250V)
전류량이 400A에서 1,200A로 3배 증가할 때, 충전 계통에서 발생하는 발열량은 $3^2 = 9\text{배}$로 급증합니다.
이러한 막대한 열을 제어하지 못하면 케이블 절연체 피복이 용융되거나, 커넥터 핀의 산화 및 팽창, 나아가 기체 내부 배터리 셀의 열폭주(Thermal Runaway)로 이어질 수 있습니다.
2. 버티포트 충전 계통의 3대 핵심 열관리 솔루션
MW급 충전 시 발생하는 열을 즉각적으로 냉각하기 위해 버티포트 충전기(EVSE)와 케이블, 커넥터 영역에는 첨단 열관리 공학 기술이 적용됩니다.
[버티포트 냉각 유닛 (Chiller)] ──액체 냉매 순환──> [액냉식 MCS 케이블 & 커넥터]
│ (최대 3,000A 주입)
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[UAM 배터리팩 BTMS] ──BTMS 직접 연동 수냉판──> [기체 배터리 셀 (20℃~35℃ 유지)]
① 케이블 및 커넥터의 수냉식(Liquid Cooling) 유체 순환
공랭식(Air Cooling)으로는 500A 이상의 전류에서 발생하는 열을 식히는 것이 불가능합니다. MCS 규격 케이블 내부에는 고전압 전선과 함께 냉매 유로(Cooling Channel)가 들어있습니다.
- 냉매 매체: 글리콜-수용액 또는 유전체 액체(Dielectric Fluid)를 사용합니다.
- 커넥터 핀 냉각: 전류가 집중되는 커넥터 터미널 핀 바로 밑까지 유체가 직접 순환하도록 3D 프린팅 기반 미세 유로(Micro-channel)를 설계하여 커넥터 접촉부 온도를 90℃ 이하로 제한합니다.
② 수용성 유연 케이블 경량화 설계
유체 냉각 유로가 들어가면 케이블이 두꺼워지고 무게가 수십 kg에 달해 작업자가 기체에 충전기를 연결하기 어려워집니다. 이를 극복하기 위해 중공형(Hollow) 도체 구조와 고열전도성 고분자 피복재를 도입하여 유연성과 방열 성능을 동시에 확보하는 연구가 진행 중입니다.
③ 충전 시 기체 BTMS(배터리 열관리 시스템) 직접 연동
충전기 케이블뿐만 아니라 기체 내부 배터리 셀의 발열 제어도 필수적입니다. 초고속 충전 중 셀 내부 온도가 45℃를 초과하면 리튬 이온 배터리의 덴드라이트 형성 및 열화가 가속화됩니다.
- 외부 냉매 루프 연동 (Off-board Cooling): 기체의 자체 BTMS 무게를 줄이기 위해, 버티포트 충전 커넥터에 전력선과 냉매 커플러를 동시에 연결하는 하이브리드 포트를 채택합니다. 충전 중에 버티포트의 외부 칠러(Chiller)가 기체 배터리 쿨링 플레이트로 직접 냉매를 순환시켜 셀 온도를 최적 범위(20℃~35℃)로 강제 유지합니다.
3. 전력망(Grid) 부하 제어를 위한 ESS 연계 BESS 열관리
버티포트가 MW급 충전기 여러 대를 동시에 가동할 경우, 지역 전력망(Grid)에 과도한 피크 부하가 발생합니다. 이를 완충하기 위해 버티포트 현장에 배터리 에너저 저장 시스템(BESS)을 필수적으로 구축합니다.
| 분류 | BESS 충전 단계 (Grid → BESS) | UAM 초고속 충전 단계 (BESS → UAM) |
| 운용 방식 | 심야 또는 심야 전력을 활용해 완속 충전 | UAM 착륙 시 1MW 이상 방전으로 기체 공급 |
| 열관리 이슈 | 완속 충전으로 발열량이 낮음 | C-rate 3C~5C 이상 고방전에 따른 BESS 셀 과열 |
| 적용 기술 | 일반 공랭식/수냉식 | 액침 냉각(Immersion Cooling) 기술 적용 |
BESS가 순간적으로 메가와트급 전력을 UAM으로 방전할 때 BESS 자체에서도 대량의 열이 발생하므로, 최근 버티포트 인프라에는 BESS 배터리 셀을 절연유에 직접 침전시켜 식히는 액침 냉각(Immersion Cooling) 방식이 적극 검토되고 있습니다.
결론: MW급 충전 열관리가 UAM 회항률을 결정한다
UAM 상용화의 핵심은 ‘얼마나 빨리 안전하게 충전하여 다시 날려 보낼 것인가’에 달려 있습니다.
MW급 초고속 충전 기술은 단순한 고전력 전원 공급장치의 문제가 아닌, 케이블 유체 냉각, 기체 BTMS 외부 연동, BESS 액침 냉각이 완벽히 통합된 ‘종합 열공학(Thermal Engineering) 인프라’입니다. 버티포트 충전 인프라의 열관리 기술력이 곧 UAM 산업의 운용 효율성을 결정짓는 핵심 경쟁력이 될 것입니다.