이 글은 접촉기 시퀀스, 80kW 전기차 배터리 프리차지와 융착 검출 설계 시리즈의 2편입니다. 앞 편에 이어 기동 및 정상 운전 접촉기 투입 시퀀스, 접촉기 융착 검출 알고리즘과 진단 절차를 설명합니다.
기동 및 정상 운전 접촉기 투입 시퀀스
배터리 관리 시스템(BMS)과 차량 제어기(VCU)는 고전압 시스템의 안전한 연결을 위해 엄격하게 정해진 순서에 따라 접촉기를 제어합니다. 기동 시퀀스는 전압 불평형과 접점 아크를 방지하기 위해 5단계의 상태 천이 과정을 거칩니다.
첫 번째 단계는 음극 주 접촉기(Main-)의 투입입니다. 시스템의 기준 접지 전위를 고전압 회로에 먼저 안정적으로 연결합니다. 이때 양극 측 릴레이가 모두 개방되어 있으므로 회로에 전류는 흐르지 않습니다.
두 번째 단계는 프리차지 접촉기(Precharge Relay)의 투입입니다. 음극 접촉기가 닫힌 상태에서 프리차지 접촉기를 투입하면, 배터리 양극에서 프리차지 저항을 거쳐 DC 링크 커패시터로 제어된 돌입 전류가 유입되며 충전을 시작합니다.
세 번째 단계는 DC 링크 전압 모니터링 및 완료 판정입니다. BMS는 인버터 측 전압 센서로부터 V_dc를 실시간으로 수신하여 배터리 전압 V_bat과의 전압차를 식별합니다. 주 접촉기 투입 허용 조건은 식 (7)과 같습니다.
전압차 판정 기준인 식 (7)을 만족하여 V_dc가 380V(배터리 전압 400V의 95%) 이상에 도달하면 프리차지 충전이 정상적으로 완료된 것으로 판정합니다. 만약 설정된 제한 시간(예: 300ms) 이내에 식 (7)을 충족하지 못하면 프리차지 저항 개방 결함, 단락 고장 또는 과도 부하로 판단하고 시퀀스를 즉시 중단합니다.
네 번째 단계는 양극 주 접촉기(Main+)의 투입입니다. 커패시터 전압과 배터리 전압의 차이가 5% 이하(20V 미만)로 축소된 상태이므로, 접점 간 전압차가 작아 아크 발생 없이 주 접촉기를 안전하게 체결합니다.
다섯 번째 단계는 프리차지 접촉기의 개방입니다. Main+ 접촉기가 완전히 통전된 것을 확인한 후 수십 밀리초(ms) 이내에 프리차지 접촉기를 개방합니다. 이를 통해 프리차지 저항으로 지속적인 정상 전류가 우회되어 발생하는 불필요한 전력 손실과 과열을 방지하고 정상 고전압 운전 모드로 진입합니다.
접촉기 융착 검출 알고리즘과 진단 절차
접촉기의 기계적 접점이 고전압 아크나 과전류로 인해 달라붙는 융착(Welding) 현상은 치명적인 안전 위험을 초래합니다. 융착된 접촉기는 제어기가 차단 지령을 내려도 회로를 분리하지 못하므로, 정비 작업자 감전이나 주차 중 화재 위험을 유발합니다. 따라서 시스템은 기동 전과 정상 정지 직후에 전압 센서를 활용한 단계별 융착 진단 알고리즘을 반드시 실행합니다.
기동 전 융착 검출(Pre-drive Weld Check)은 모든 릴레이가 물리적으로 개방 상태를 유지하고 있는지 확인하는 절차입니다. 첫 번째 순서로 모든 접촉기(Main+, Main-, Precharge)에 개방 지령이 내려진 초기 상태에서 인버터 DC 링크 전압 V_dc를 측정합니다. 직전 운전의 방전 회로 동작에 의해 정상 상태라면 V_dc는 안전 전압인 10V 미만을 유지해야 합니다. 만약 이 상태에서 V_dc가 배터리 전압과 동일하게 측정된다면 Main+와 Main- 접촉기가 동시에 융착된 치명적 고장으로 판정합니다.
두 번째 순서로 개별 접촉기 융착 검출을 위해 Main- 접촉기만 단독으로 투입합니다. 이때 Main+ 및 Precharge 접촉기가 정상 개방 상태라면 V_dc는 여전히 0V 근처를 유지해야 합니다. 만약 Main- 투입 순간 V_dc가 배터리 전압으로 급상승한다면 Main+ 또는 Precharge 접촉기가 이미 융착되어 닫혀 있는 것으로 진단하고 즉시 Main-를 차단합니다.
세 번째 순서로 Main-를 개방하고 Main+만 단독으로 투입하여 전압을 확인합니다. Main-가 정상 분리되어 있다면 폐회로가 형성되지 않으므로 V_dc는 상승하지 않아야 합니다. 만약 이때 충전 전압이 관측된다면 Main- 접촉기가 융착된 것으로 판정합니다.
주행 종료 후 수행하는 정지 후 융착 검출(Post-drive Weld Check)은 릴레이 개방 지령 후 실제 접점이 기계적으로 분리되었는지 검증합니다. Main+와 Main-에 개방 지령을 인가한 후 인버터 내부의 능동 방전 회로를 동작시킵니다. 정상 분리 상태라면 DC 링크 전압은 급격히 감소해야 하며, 전압이 감쇠하지 않고 배터리 전압을 유지한다면 최소 하나 이상의 주 접촉기가 융착된 상태로 판단하여 고장 코드를 기록하고 재기동을 금지합니다.
다음 편에서는 이어지는 내용을 계속 설명합니다.