BDU, 반도체 소자 더하니 스마트해졌네

배터리 전원 차단장치 시장, 전기차 시장과 동반 성장

2018년 09월호 지면기사  /  글│신 윤 오 기자 _ yoshin@autoelectronics.co.kr

전 세계 EV 시장이 2020년 약 1,300만 대를 넘어서, 2030년까지 판매비중이 60%를 초과할 것으로 예상되는 가운데, 배터리 전원 차단장치인 BDU 시장도 커지고 있다. BDU(Battery Disconnect unit)는 친환경 자동차의 전력 제어 부품의 하나로 배터리와 부하 사이에서 전력을 연결 또는 차단하는 부품을 통칭한다. 보통 친환경차 배터리 시스템을 구성하는 DC/DC 컨버터, 고전압 컨버터, OBC, BMS 등과 함께 중요한 역할을 한다. 이에 따라 배터리를 사용하는 친환경차에 BDU 적용도 확대되고 있다. 조사 기관(Navigant Reserach)에 따르면, BDU는 2015년 3,500억 원에서 2024년 9,520억 원으로 연간 11%의 성장률 기록이 예상된다.

BDU는 접점에서 발생 가능한 아크 방지용 특수 가스 충전식 릴레이(Relay)와 전류 제한용 프리차징(Pre-Charge) 저항을 적용하고 있다. 과전압 및 단락에 의한 시스템 보호가 주목적인 BDU의 주요 기능은 프리차징을 통한 안정적인 커패시터를 충전하도록 하고 배터리 전원의 안정적인 공급 및 차단을 위한 전원을 개폐한다.



BDU 주요 구성부품


BDU 동작 모드는 크게 프리차징 모드와 방전, 충전 모드로 나눈다. 프리차징 모드는 릴레이 구동 시 고전압 돌입전류에 의한 인버터 손상을 방지하기 위해서 프리차징 릴레이를 통해 커패시터에 초기 충전하는 모드이다. 방전 모드는 메인 릴레이가 구동하여 인버터에 고전력을 공급하는 모드이며, 충전 모드는 급속 충전 릴레이가 동작하여 DC 전압으로 급속 충전하는 모드이다.

BDU는 릴레이, 전류 센서, 저항 등으로 구성된다. BMS(배터리관리시스템)를 통해 제어되는 가스충전 고전압 릴레이는 배터리와 부하를 보호하며 프리차징용 고전압 릴레이는 고전압 돌입전류 방지를 위하여 커패시터 초기 충전 역할을 한다.

전류 센서는 배터리 충방전 전류를 모니터링하며 프리차징용 시멘트 저항은 커패시터 충전 시 돌입전류를 제한한다. 버스 바는 배터리, 부하 입출력을 연결하고, 하네스는 릴레이 제어 및 전류 센서 출력을 연결하는 역할을 한다.

하지만, 주행거리 확보를 위한 고전압 배터리 용량이 증가하면서 릴레이 중량과 크기가 커지고 있다. 이에 접점에서 발생 가능한 스파크 방지 위한 특수 가스 주입과 밀봉 구조가 필요하며, 프리차징용 시멘트 저항 크랙 발생으로 인한 필드 불량이 다량으로 발생하고 있다.

이처럼 가스 충전식 고전압 릴레이 중량과 크기 및 비용이 증가하면서 대체 솔루션이 필요하게 됐고 반도체 소자를 적용한 Smart BDU가 등장하게 되었다. Smart BDU는 온/오프 시퀀스 지능 제어를 통한 일반 릴레이를 활용하여 가격 절감과 품질 개선이라는 두 마리 토끼를 잡았다.

왜 Smart BDU인가

Smart BDU는 고압가스 충전 릴레이의 단점을 보완할 수 있는 일반 릴레이와 반도체 구성으로 대체된다. 고압가스 충전 릴레이와 일반 릴레이 + IGBT/MOSFET를 비교해 보면 반응시간, 동작 수명, 아크 제거 기능은 물론 무게와 소음 면에서 월등히 우수하다는 점을 알 수 있다.

기존 기계식 BDU가 프리차징 고전압 릴레이와 가스 충전식 고전압 릴레이로 구성되어 크기 및 중량을 줄이는 데 어려움을 겪었다면, Smart BDU는 전력용 반도체 소자와 대용량 일반 릴레이로 구성되어 경량화, 소형화는 물론 원가절감까지 가능하다. 여기에 자기진단 모드 기능까지 추가했다.

Smart BDU는 일반 릴레이, 반도체 소자, 메인 퓨즈, 전류센서, 버스바 등으로 구성되며 전기적 사양은 DC 450V/250A이다.
Smart BDU를 개발한 LS오토모티브의 이효철 이사는 “450V/250A급 Smart BDU 프로토타입을 개발하고 핵심 기능을 확인했다. 그리고 메인 전류 250A 차단 동작과 프리차지 전류 제어 동작을 확인했다”며, “국내 특허과 해외 특허 출원을 계기로 향후에는 PWM 및 전압 제안 등 양산 성능을 확보하여 프리차지 기능을 개선하고, 프로토타입 사양을 770V/400A급까지 개발할 계획이다”고 말했다.<끝>

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