효율, 지속 가능성, 저소음, 편의성 등 EV의 절대적인 이점은 잘 알려져 있으며, 기본 기술이 성숙해짐에 따라 더욱 명확해질 것입니다. 그러나 모든 혁신적인 제품에는 항상 개선의 여지가 있습니다. 예를 들어 전원 회로의 계전기를 생각해 보십시오. 신중하게 선택하고 설계에 통합하지 않으면 실패하거나 더 나쁜 상황이 발생할 위험이 있습니다. Littelfuse의 이 문서에서는 배경, 현재 설계 사례, 보호 기능 등을 포함하여 EV 응용 분야의 DC 컨택터 계전기를 살펴봅니다.
시장 출시 속도는 글로벌 전기 자동차 시장에서 회사의 경쟁 기회를 성사시키거나 깨뜨릴 수 있습니다. 하지만, 진입을 서두르는 과정에서 품질과 기능성은 뒤처질 수 없습니다. 고전압 DC 계전기에서 해야 할 사항과 하지 말아야 할 사항을 깊이 이해하면 예방 가능한 문제를 미연에 방지하고 고객 만족을 이끌어 내는 고성능 설계를 구현할 수 있습니다. 계전기를 선택할 때 다음 주요 요소를 고려하십시오.
서론
차량 설계를 전기화하려는 경쟁에서 엔지니어는 이전에 보았던 것보다 더 높은 DC 전압을 갖는 응용 분야에 직면할 수 있습니다. 이렇게 적당히 높은 전압(48~1,800V)에서 적절하게 선택된 컨택터 전기 계전기는 치명적인 실패와 성공의 차이를 의미할 수 있습니다. 적절한 시스템 설계는 계전기 폭발, 화재 발생 또는 중요한 기능 비활성화의 위험을 줄여줍니다. 고려 사항에는 계전기 기술, 주요 사양 및 고전압 DC 응용 분야의 특수 문제가 포함됩니다.
공중부양
부양은 일반적인 차량 전압의 AC 시스템에서는 드물기 때문에 대부분의 차량 엔지니어가 계획할 필요가 없었던 현상입니다. 전기 자동차 및 전기 자동차 시스템에서 더 높은 수준의 DC 전력을 전환하면 컨택터 계전기의 부양 위험이 증가합니다. 전류에 의해 생성된 자기장이 너무 강해서 움직이는 접점을 고정 접점에서 밀어내어 아크와 채터링을 생성하는 과전류 조건에서 부양이 발생할 수 있습니다. 이로 인해 계전기가 심각한 고장을 일으킬 정도로 손상될 수 있습니다.
이 위험한 상황은 계전기 사양을 초과하는 전류로 인해 발생합니다. 엔지니어는 부양을 유발할 수 있는 전류 수준을 알고 있어야 하며, 전류가 해당 지점에 도달하기 전에 회로가 끊어지도록 해야 합니다. 계전기의 부양을 방지할 수 있을 만큼 충분히 빠르게 작동하는 업스트림 회로 보호를 지정하십시오.
작동하는 데 시간이 걸리는 열 장치인 표준 퓨즈 대신 불꽃 안전 모듈(PSM)이 고속을 제공하며 더 나은 옵션이 될 수 있습니다. 비용이 더 높기 때문에 PSM은 일반적으로 주 배터리 분리를 보호하는 것으로 제한됩니다.
그림 1: 비즈니스/산업을 위한 샘플 장면 설정 이미지
조정된 회로 보호
회로 보호가 계전기와 적절하게 조정되면 불필요한 트리핑과 과도한 접점 아크 사이의 균형을 구현할 수 있습니다. 그러나 일반적인 4~5밀리초 차동은 일부 고전압 응용 분야에서 충분히 빠르지 않을 수 있습니다. 엔지니어는 계전기 및 퓨즈 공급업체로부터 적절한 데이터를 얻고 계전기와 회로 보호를 신중하게 조정해야 합니다.
또한 계전기와 퓨즈 조합에 대한 테스트를 수행하여 불필요한 트리핑 없이 강력한 보호 기능이 확보되는지 확인해야 합니다. Littelfuse와 같은 일부 부품 공급업체는 고객에게 자기 모델링 및 물리적 테스트를 제공할 수 있는 시설과 전문 지식을 보유하고 있습니다.
조정을 보장하는 가장 쉬운 방법은 계전기와 회로 보호 장치를 모두 제조하는 공급업체의 조언을 구하는 것입니다. Littelfuse는 많은 고객 구현 경험을 바탕으로 검증된 페어링을 추천할 수 있습니다.
분극화 고전압 컨택터
분극화 컨택터 계전기는 아크 담금질을 최대화하는 최적화된 자기 분출을 가지고 있습니다. 접촉 챔버의 측면에 있는 영구 자석은 아크를 구부리는 자기장을 생성합니다. 아크가 더 먼 거리를 이동하도록 하면 저항이 증가하고 아크가 더 빨리 꺼집니다.
분극화는 작동/차단 능력과 사이클 수명을 크게 향상시킵니다. 분극화 컨택터는 고전압 계전기 응용 분야에서 비분극화 컨택터보다 두 배의 사이클 수명을 갖습니다.
분극화 접점은 양극 입력에서 음극 출력으로 흐르는 전류와 함께 작동하도록 설계되었습니다. 전류가 역전된 회로에서 계전기가 열리면 사이클 수명이 크게 단축됩니다. 따라서 무분극화 도체는 전류가 역방향으로 자주 흐르는 응용 분야에 적합합니다. 그럼에도 불구하고 분극화 DC 컨택터는 일반적으로 사이클 수명이 더 길기 때문에 350V 이상의 고전압 전기차용 응용 분야에서 더 나은 선택입니다.
이 주제 및 컨택터 설계의 다른 점에 대한 자세한 내용은 응용 분야 참고 사항 "고전압 전기 자동차용 컨택터"에서 확인할 수 있습니다.
그림 1: 분극화 컨택터 계전기는 자석을 사용하여 아크 전류를 구부리며, 이때 아크 전류가 더 먼 거리를 이동하기 때문에 저항이 증가합니다. 또한 한 쌍의 컨택터가 아크 전류를 반으로 나눕니다.
솔레노이드 계전기의 종류
솔레노이드 스타일 계전기는 다양한 코일 유형과 옵션으로 제공됩니다. 최적의 유형은 차량 내의 응용 분야와 고전압 DC 시스템의 특별한 우려 사항에 따라 다릅니다.
단안정성 계전기(일반적으로 열림 계전기라고도 함)는 코일이 켜져 있을 때 켜지고 코일이 꺼져 있을 때 꺼집니다. 코일이 꺼질 때 돌아가는 위치(보통 꺼짐)가 하나입니다. 이 유형의 계전기는 일반적으로 차량에서 필요에 따라 켜지고 꺼지는 특정 부하를 제어하도록 설계되었습니다.
양안정성 계전기(또는 래치 계전기)는 전원이 공급되지 않는 상태에서 켜짐 또는 꺼짐 위치를 유지하도록 설계되었습니다. 계전기의 플런저는 기계식 또는 마그네틱 래치로 제자리에 고정됩니다.
기계식 래치의 친숙한 예는 버튼을 누르면 볼펜심이 나왔다 들어갔다 하는 볼펜의 메커니즘으로, 사용자가 볼펜심을 하우징 밖으로 밀어내고 다시 눌러 볼펜심을 집어넣는 방식입니다. 볼펜심은 사용자가 작동기를 누를 때까지 두 안정 상태 사이를 유지합니다.
표준 솔레노이드 또는 계전기에서는 플런저를 On 위치에 유지하기 위해 제어 전류를 유지해야 합니다. 쌍안정 계전기에서 제어 전류는 Off와 On의 두 상태 사이를 변경할 때만 적용됩니다. On 또는 Off 상태에서 전류가 사용되지 않기 때문에 쌍안정 계전기는 더 적은 열을 발생시키고 더 적은 전력을 소비합니다.
이코노마이저는 인쇄 회로 기판에서 전자 장치로 구성된 회로로서, 단일 코일 계전기에 추가하는 형태입니다. 솔레노이드에 대한 동력의 흐름을 제어하여 큰 전류는 스프링의 힘을 극복해 플런저를 움직이고, 작은 전류는 솔레노이드를 제자리에 고정하도록 합니다. 이 전략은 에너지 소비를 줄입니다.
이중 코일 계전기는 두 개의 코일을 사용하여 동일한 결과를 얻습니다: 하나는 스프링의 힘을 극복하기 위한 것이고 다른 하나는 유지를 위한 것입니다. 홀딩 코일은 더 적은 전력을 사용합니다.
이코노마이저와 이중 코일 계전기는 간헐적 작동이 아닌 지속적으로 작동하는 계전기를 위해 설계되었습니다. 연속 사용 시 이코노마이저 또는 이중 코일 설계가 없는 계전기는 전체 전류가 지속적으로 적용되기 때문에 정상 작동 중에 뜨거워집니다. 이 열은 에너지 손실의 신호입니다.
고전압 응용 분야에서는 양안정성(래치) 계전기 사용을 피할 것
내연기관의 경우 생성된 전기는 다른 공정의 부산물이기 때문에 거의 '무료'입니다. 전기 자동차나 하이브리드 전기 자동차를 설계할 때 접근 방식은 매우 다릅니다. 많은 엔지니어링이 에너지 효율과 관련되어 있습니다. 당연히 설계 엔지니어는 에너지 소비를 최소화하는 계전기를 선택하고 싶어합니다. 그러나 고전압 응용 분야에서 양안정성(래치) 계전기를 선택하는 것은 위험한 전략입니다.
계전기에서 전원이 제거되면 접지가 먼저 분리될 수 있어서 래치가 닫힌 상태로 유지될 수 있습니다. 이로 인해 계전기에 의해 제어되는 기능이 중지되지 않거나 차량이 재시동될 때 계전기가 예기치 않게 켜짐 위치에 남아 있기 때문에 치명적인 상황이 발생할 수 있습니다.
이와 대조적으로 단안정 계전기는 전원이 제거되면 자동으로 열립니다. 고전압 DC 응용 분야에서는 다른 스타일의 계전기를 선택하는 것이 위험합니다.
작동/차단 차트
더 높은 전압 정격을 갖는 계전기는 더 큰 컨택터 표면적과 더 견고한 구조가 필요하기 때문에 비용이 더 많이 들고 물리적으로 더 큰 경향이 있습니다. 계전기가 정격보다 높은 전압을 거의 경험하지 않는 경우 엔지니어는 더 낮은 정격 또는 연속 정격의 계전기를 지정하여 계전기 비용과 크기를 줄일 수 있습니다. 이는 부하가 걸린 상태에서 계전기가 열리거나, 부하가 있는 상태에서 닫히거나, 일반적으로 계전기가 열리기 전에 차량이 정지되는 경우입니다.
예를 들어 설계 엔지니어는 작동 과정에서 1000V를 경험하는 경우가 몇 번에 불과한 경우 500V에서 수천 번 작동하는 대신 공칭 500V 또는 800V 계전기를 안전하게 지정할 수 있습니다. 실제 응용 사례에서 계전기는 전체 작동 수명 동안 1000V에서 연결을 작동하거나 차단하는 경우가 고작 50회에 그칠 수 있습니다.
계전기의 최대 전압 정격은 상한선이지만, 설계자는 듀티 사이클을 위해 전압 정격을 조정할 수 있습니다. 이 결정을 돕기 위해 설계자는 계전기 제조업체의 작동/차단 차트를 참조할 수 있습니다. 이 차트는 계전기가 각 전압에서 수행하는 개폐 주기 수를 보여줍니다.
그림 2: 작동/차단 차트 예시.
계전기 전압 정격이 중요한 이유
정격보다 높은 전압에서 계전기를 사용할 때 주요 문제는 아크 발생입니다. 전압이 높을수록 아크가 더 많이 발생하고 아크 발생이 더 오래 지속됩니다.
전기 아크는 본질적으로 태양 표면만큼 뜨겁습니다. 아크로 인해 발생한 열은 금속 접점을 손상시켜 점식을 유발합니다. 특정 횟수의 사이클이 지나면 금속의 점식이 심해져 계전기가 작동하지 않을 수 있습니다.
또한 아크는 접촉 챔버 측면에 금속 증기 증착물을 남기는 플라즈마를 발생시킵니다. 이로 인해 가동 접점에서 고정 접점으로 단락이 발생하는 "아크 트래킹"이라는 현상이 발생할 수 있습니다.
<>공칭 또는 연속 정격보다 높은 전압에서 계전기를 작동하면 점식 및 트래킹으로 인한 고장 위험이 높아집니다. 작동/차단 차트의 목적은 설계 엔지니어가 특정 계전기에서 더 높은 전압으로 작동할 수 있는 수를 확인하고, 각 예상 전압 수준에서 예상 수명 사이클 수에 대해 가장 낮은 정격 계전기를 지정할 수 있도록 하는 것입니다.
Littelfuse 소개
Littelfuse는 고객과 협력하여 보다 안전하고 친환경적이며 연결된 세상을 위해 보호, 제어, 감지하는 제품을 만드는 데 열정을 쏟고 있습니다.
Littelfuse는 상용차 제품(CVP) 사업부를 통해 전기 자동차 응용 분야 분야의 전문가입니다. 가장 광범위한 보조 부품 포트폴리오와 함께 점점 더 다양한 고전압 DC 컨택터 계전기를 제공하고 고전압 및 자동차 응용 분야에 대한 심층적인 지식을 적용함으로써 바쁜 엔지니어가 보다 안정적인 설계를 만들고 보다 빠르게 시장에 출시할 수 있도록 돕습니다.
고객은 한 공급업체로부터 여러 부품을 소싱하고 신속하게 답변을 받을 수 있으며 맞춤형 배전 장치와 같은 하위 어셈블리를 쉽게 소싱할 수 있습니다. 전환 계전기, 퓨즈, 센서 및 PSM을 맞춤형 하위 어셈블리에 쉽고 빠르게 통합하는 데 도움을 받으십시오.
자기 아크 소거, 코일 이코노마이저, 분극화 및 비분극화 옵션을 갖춘 Littelfuse 고전압 DC 컨택터는 안전하고 안정적이며 효율적입니다.