Chapter3

<메탈 클래드 저항기>

메탈 클래드 저항기의 모든 것

안정적인 전자 기기의 핵심, 메탈클래드 저항기!

고온 환경에서도 탁월한 성능과 내구성을 자랑하는 이 저항기는 산업용 기계, 그리고 전기 자동차에 이르기까지 현대 기술의 숨은 조력자입니다.

사용예시) 모터드라이브, 브레이킹 장치, 완충기 등 산업용 기기의 동력원 등에 사용된다.

1. 메탈클래드 저항기란?

메탈클래드 저항기는 열과 충격에 강한 저항기로, 보통 산업 환경에서 사용됩니다.

쉽게 말해, '금속 갑옷을 입은 저항기'라고 생각하시면 됩니다. 이 저항기는 전기가 가지는 전기 에너지를 열로 발산하여 회로를 보호할 뿐만 아니라, 외부 충격에도 쉽게 망가지지 않아요. 

메탈클래드 저항은 방열 효율이 높은 알루미늄 등의 금속 케이스 내부에 저항체를 삽입하고 몰딩한 저항으로 적절한 히트싱크(강제 냉각장치)를 구성하여 사용시 전력을 보다 크게 사용할 수 있다.

 

* 외부는 금속으로 감싸져 있고, 안에는 전기 흐름을 제한하는 저항체가 있습니다. 

왜 메탈 클래드 저항기를 사용할까?

1. 적절한 히트싱크 및 강제 냉각장치를 구성하여 사용 시 전력을 보다 크게 사용할 수 있다.

2. 금속 케이스를 사용하여 기계적 강도가 우수하다.

3. 외부 환경으로부터 보호를 받을 수 있는 구조로 내습성이 우수하다.

메탈 클래드 저항기는 내구성과 열 분산 효율이 뛰어난 특징을 가집니다. 이 저항기의 종류는 주로 저항 값과 전력 처리 용량에 따라 다르며, 용도에 맞게 선택됩니다.

2. 주요 종류

*모델명: 메탈클래드 저항기의 모델 이름입니다. 각 시리즈는 전력 범위와 용도에 따라 구분됩니다.

*전력 범위: 해당 저항기가 처리할 수 있는 전력의 크기(Watt, W)를 나타냅니다.

*저항 범위: 저항기의 저항값(Ω, 옴)의 범위를 표시합니다.

*주요 특징: 각 시리즈의 고유한 특성과 용도를 설명합니다.

메탈클래드 저항기는 회생 및 제동 저항(Braking resistor), 초기충전 저항 (Pre-Charge Reistor), 더미 저항(Dummy Resistance), 댐핑 저항(Damping resistor) 등 다양한 용도로 활용 가능합니다.

특히 짧은 시간 동안 높은 잉여 전기 에너지 소비가 필요한 회생 및 제동저항 혹은 초기 충전 저항 등에 주로 사용되며, 최근 전기차 시장 확대에 따라 전기 차용 초기 충전 저항으로도 사용되고 있습니다.

3. 주요 응용 분야

메탈클래드 저항기는 다음과 같은 다양한 산업 분야에서 중요한 역할을 수행합니다:

1. 자동차 산업

 - 돌입전류 제한용 프리차지 저항기

 - 친환경 자동차(EV, HEV, PHEV)의 배터리 안정성과 구동시스템의 안전성을 높이기 위한 PRA(Power Relay Assembly)용 충전저항

2. 재생 에너지

 - 풍력 터빈의 과부하 보호 시스템

 - 태양광 인버터의 전력 변환 회로

3. 산업 자동화

 - 모터 드라이브 및 제어 시스템

 - 용접 장비의 전류 제어

4. 철도 및 운송

 - 열차 제동 시스템의 에너지 소산

 - 엘리베이터 및 리프트 제어 시스템

5. 전력 분배

 - 전력 변환 장치

 - 고전압 전력선 보호 시스템

4. 친환경 자동차(EV, HEV, PHEV)에서 메탈클래드 저항기의 역할: 프리차지 저항기(Pre-Charge Resistor)

메탈 클래드 저항기(Metal-Clad Resistor)는 친환경 자동차(EV, HEV, PHEV)에서 프리차지 저항기(Pre-Charge Resistor)로 주로 사용됩니다. 이 저항기는 차량의 전력 시스템, 특히 고전압 배터리와 전기 모터를 연결할 때 발생하는 초기 돌입전류를 관리하는 데 필수적인 역할을 합니다.

아래에서 프리차지 저항기의 원리와 전기차 내에서 메탈 클래드 저항기가 수행하는 구체적인 역할을 자세히 알아보겠습니다.

메탈클래드 저항기, 전기자동차에서 왜 중요할까?

< 친환경 자동차의 PRA에서 메탈클래드 저항기의 역할 TOP 3 >

① 전기적 안정성 확보 (배터리의 안전성과 구동 시스템의 안정성 확보)

초기 충전 저항은 프리차지 회로를 통해 시스템의 돌입전류(Inrush Current)를 줄이는 역할을 합니다.

• 갑작스러운 전류 상승으로 인해 배터리, 커패시터, 배선 또는 전자 제어장치(ECU)가 손상되는 것을 방지합니다.

• 시스템이 안정화되기 전까지 전압과 전류를 제어하여 제어 회로가 정상 작동상태에 도달할 시간을 확보합니다.

② 보호 기능

초기 충전 저항은 전기적 스트레스가 전기 부품, 구동시스템에 가해지는 것을 완화합니다.

• 전기적 스트레스는 회로 열화와 물리적 손상을 유발할 수 있으며, 초기 충전 저항은 이를 줄여 부품의 수명을 연장시킵니다.

• 고전압 스파크 발생 가능성을 낮추어 배선 및 접점의 마모를 최소화합니다.

• 금속 외장이 저항기를 기계적 충격과 환경적 요인(예: 진동, 습기, 먼지, 혹은 충격)으로부터 보호합니다.

③ 내구성

• 금속으로 깜싸여 있는 외형으로 전기차의 운행 조건(고온/저온, 고진동 환경)에서도 뛰어난 내구성을 발휘하여 장기적인 신뢰성을 제공합니다.

• 메탈클래드 저항기의 경우 난연성 물질을 사용하여 고온 혹은 화재 등의 상황에서 비교적 안전합니다.

1. 프리차지 저항기의 필요성

전기차의 배터리는 고전압(보통 400V~800V 이상)을 제공합니다. 이러한 고전압 배터리는 DC-DC 컨버터, 인버터, 그리고 전기 모터와 연결되어 작동합니다.

전원을 처음 연결할 때(시동 시), 배터리와 전력 부품 사이에 큰 전압 차이가 존재합니다. 이로 인해 초기 돌입 전류가 흘러 전력 부품이 손상될 수 있습니다.

프리차지 저항기는 초기 전류를 제한하여 전력 시스템이 안전하게 작동하도록 돕는 장치입니다.

2. 프리차지 과정과 메탈클래드 저항기의 역할

(1) 프리차지 회로의 구성

프리차지 회로는 주로 아래와 같은 구성 요소로 이루어집니다:

• 메탈클래드 저항기(Pre-Charge Resistor)

• 릴레이(접촉기): 주 전원 릴레이와 프리차지 릴레이.

• 고전압 콘덴서

(2) 프리 차지 과정

1. 초기 단계 (프리차지 릴레이 작동)

 - 시동 시, 배터리와 고전압 시스템을 연결하기 전에 프리차지 릴레이가 먼저 작동합니다.

 - 메탈클래드 저항기를 통해 전류가 흐르며, 고전압 콘덴서가 천천히 충전됩니다.

2. 전압 평형

 - 콘덴서가 배터리 전압과 비슷한 수준으로 충전되면 배터리와 시스템 간의 전압 차이가 줄어듭니다.

 - 이로 인해 초기 전류로 인한 충격이 방지됩니다.

3. 주 릴레이 작동

 - 프리차지가 완료되면 주 릴레이가 작동해 배터리와 전력 시스템이 직접 연결됩니다.

 - 이때 메탈클래드 저항기는 회로에서 역할을 종료합니다.

3. 전기차에서 메탈클래드 저항기의 장점

프리차지 저항기로 사용되는 메탈클래드 저항기는 다음과 같은 특장점 때문에 전기차에 적합합니다:

(1) 순간 과부화 전력 처리 능력

• 전기차 배터리와 시스템 간의 초기 충전 과정에서 순간 과부하 전력을 처리해야 하므로, 순간 과부하 전력 처리 특성이 우수한 메탈클래드 저항기가 필수적입니다.

(2) 효율적인 방열 성능

• 저항체에서 발생하는 (J)열을 알루미늄 외장을 통해 효과적으로 방출한다.

(3) 신뢰성과 내구성

• 극한의 환경(진동, 충격, 온도 변화)에서도 안정적으로 작동하며, 전기차의 요구를 충족합니다.

(4) 소형화 가능성

• 전기차의 컴팩트한 설계에 맞추어 공간을 절약하면서도 높은 성능을 제공.

4. 프리차지 저항기의 중요성: 전기차 시스템 보호

(1) 부품 손상 방지

• 초기 전류로 인해 인버터, DC-DC 컨버터, 또는 기타 전력 전자 부품이 손상되지 않도록 보호합니다.

• 전력 부품의 수명을 연장하고, 유지보수 비용을 절감합니다.

(2) 안전성 향상

• 초기 돌입 전류로 인한 화재나 전기적 사고를 방지하여 차량의 안전성을 보장합니다.

(3) 시스템 효율 최적화

• 안정적인 프리차지 과정을 통해 전기 시스템이 최적의 조건에서 작동할 수 있도록 돕습니다.

5. 메탈클래드 저항기의 실제 응용 사례

(1) 인버터와 모터 연결

• 전기 모터의 정지 또는 속도 감속시 발생하는 회생에너지를 인버터 외부에 설치된 저항을 통해 열로 소비시켜 인버터 시스템 손상을 방지한다.

(2) 충전 스테이션과의 인터페이스

• 초기 충전 과정에서 발생하는 돌입전류를 제어합니다.

전기차 시스템의 필수 구성 요소, 메탈클래드 프리차지 저항기

메탈클래드 저항기는 전기차의 중요한 역할을 수행하는 프리차지 저항기로, 프리차지 회로에서 초기 돌입전류를 효과적으로 제어하며 시스템의 안정성과 효율성을 높입니다. 배터리, 인버터, 모터 등 핵심 부품을 보호하며, 전기차의 안전성과 신뢰성을 보장하는 숨은 조력자라 할 수 있습니다.

메탈클래드 저항기의 역할은 단순히 전류를 제한하는 것을 넘어, 전기차의 전체 전력 시스템을 보호하고 효율을 극대화하는 데 있습니다. 이를 통해 전기차 기술의 발전과 함께 메탈클래드 저항기의 중요성은 점점 더 커지고 있습니다.