[전기차] 프리차지 회로 (Pre-Charge Circuit)

안정적인 고전압 시스템 연결을 위한 첫 단계, 프리차지 회로

전기차의 고전압 시스템은 차량 구동에 필요한 전력을 공급하기 위해 배터리와 각종 전력, 전자 장치들을 연결합니다. 이 과정에서 초기 전원이 연결될 때 순간적으로 과도한 전류가 흐르는 것을 방지해야 합니다. 쉽게 말하면 고전압 배터리가 작동을 시작할 때 시스템에 전원을 공급하는 과정에서 순간적으로 너무 과도한 전류가 나오면 여러 부품들에 손상을 주기도 하고 잘못하면 화재가 발생할 수도 있습니다. 이때 필요한 것이 프리차지 회로입니다.

 

목차

• 프리차지 회로
• 프리차지 회로의 기능
• 프리차지 회로의 종류
• 프리차지 회로의 제조사별 명칭
• 프리차지 회로 관련 약어
• 프리차지 회로의 고장 증상
• 프리차지 회로의 수리 비용
• 마치며

 

프리차지 회로

전기차에 시동을 걸면 고전압 배터리의 직류(DC)를 인버터를 통해 (AC)로 전환해야 합니다. 그래서 시동을 걸면 배터리는 인버터와 연결되는데요. 이 인버터는 직류를 교류로 변환해야 하기 때문에 많은 캐패시터(축전기, 전기를 잠시 저장해놓는 역할)가 존재합니다. 그런데 시동을 걸 때는 이 캐패시터가 텅 빈 상태죠. 이렇게 많고 텅 빈 캐패시터가 한 번에 전력을 과도하게 끌어당기게 되고, 그렇게 되면 시스템에 과부하가 걸려서 고장 나는 일이 빈번할 겁니다. 바로 이러한 과정에서 프리차지 회로는 과도한 전류가 흐르지 않도록 조절하는 역할을 하는 것이죠.

프리차지 회로는 주로 배터리에서 메인 릴레이(Main Relay, 자동 스위치라고 생각하시면 됩니다)로 이어지는 고전압 배선 중간에 설치되며, 프리차지 릴레이, 프리차지 저항, 전압 센서 등으로 구성 됩니다.

• 운전자가 시동을 걸면, 메인 릴레이 대신 프리차지 릴레이가 먼저 닫힘
• 프리차지 저항을 통해 제한된 전류가 인버터의 캐패시터로 천천히 공급됨
• 전압이 충분히 상승하면 메인 릴레이가 닫히고, 프리차지 릴레이는 개방됨

프리차지 회로 없을 때 발생하는 돌입 전류 곡선

프리차지 회로의 기능

• 과도한 전류 방지 - 대용량 캐패시터로 인해 과도한 전류가 흐르는 것을 방지합니다.
• 전력 부품 보호 - 인버터, OBC(차량 탑재형 충전기), DC-DC 컨버터등의 회로 손상 예방합니다.
• 안전성 확보 - 아크(전기 스파크) 발생 방지로 화재 및 감전 리스크를 낮춥니다.
• 시스템 안정화 - 초기 전원 공급 시 전압 변동을 최소화합니다.

 

프리차지 회로의 종류

 

저항 기반 프리차지 회로 (고정 저항형)

• 원리 - 고정된 저항을 사용하여 초기 전류의 흐름을 제한합니다.
• 특징 - 구조가 간단하고 비용이 저렴하며 내구성이 좋습니다. 전류를 일정 수준으로 제한합니다.

능동(액티브)/반도체 방식

• 원리 - 반도체 스위칭 소자(주로 MOSFET, IGBT)와 제어 회로를 사용하여 전류의 흐름을 능동적으로 조절합니다.
• 특징 - 초기 전류를 더 정밀하게 제어할 수 있고, 에너지 효율이 높을 수 있습니다. 회로가 복잡하고 비용이 높을 수 있습니다.

서미스터(NTC) 방식

• 원리 - 온도가 증가하면 저항이 감소하는 NTC 서미스터를 이용하여 초기에는 높은 저항으로 전류를 제한하고, 온도가 올라가면서 저항이 낮아져 충전 속도를 높입니다.
• 특징 - 고정 저항과 유사하지만, 저항값이 온도에 따라 변하는 특징이 있습니다.

가변 저항형

• 원리 - 가변 저항을 사용하여 프리차지 전류를 조절합니다. 초기에는 저항을 높게 설정하고, 시간이 지남에 따라 저항값을 낮춰 충전 속도를 높일 수 있습니다.
• 특징 - 전류를 능동적으로 조절할 수 있다는 장점이 있습니다. 기계식과 전자식 가변 저항 방식이 있을 수 있습니다.

 

프리차지 회로의 제조사별 명칭

프리차지 회로는 대부분 다른 모듈에 통합되어 있습니다.

제조사	통합 모듈	구성 요소
현대/기아	PE 시스템 (Power Electric System)	프리차지 회로 포함, 인버터/감속기 통합
테슬라	Rear Drive Inverter	프리차지 회로 포함, 단일 인버터 모듈 내 내장
BMW	eDrive 시스템	프리차지 제어 회로 포함, 인버터/모터 통합
GM	TPIM (Traction Power Inverter Module)	프리차지 회로 및 메인릴레이 내장
르노	PEB (Power Electronics Box)	프리차지 포함, OBC 및 DC-DC 통합 모듈

 

프리차지 회로 관련 약어

약자	풀네임	한국어
HV	High Voltage	고전압
OBC	On-Board Charger	차량 탑재형 충전기
DC	Direct Current	직류
AC	Alternating Current	교류
IGBT	Insulated Gate Bipolar Transistor	절연 게이트 양극성 트랜지스터
PE	Power Electric	전력 구동 시스템
PEB	Power Electronics Box	전력전자 통합 박스
TPIM	Traction Power Inverter Module	구동용 전력 인버터 모듈

 

프리차지 회로의 고장 증상

• 프리차지 회로가 고장 나면 시동계열에 문제가 생깁니다.
• 시동 불가 - 프리차지 릴레이 불량 또는 저항 단선으로 인해 전력 공급이 실패함
• 고전압 릴레이 차단 - 과도전류 발생으로 시스템이 자체적으로 릴레이를 차단
• EV 시스템 경고등 - 인버터 과전류 오류 코드가 발생함

 

프리차지 회로의 수리 비용

고장 증상	예상 원인	수리 방법	수리 비용
시동 불가	프리차지 릴레이 고장	릴레이 교체	20만 ~ 40만
경고등 점등	프리차지 저항 단선	저항 교체	10만 ~ 30만
고전압 시스템 차단	저항 또는 센서 이상	회로 점검 및 부품 교체	30만 ~ 70만

전기차 부품이 모듈화 되면서 수리비가 달라질 수 있습니다.

 

마치며

뭐든 급하면 체하는 법이죠. 프리차지 회로를 비유하자면 예전 바가지 물에 띄운 나뭇잎 같은 역할이라고 할 수 있을 겁니다. 급하게 서두르다 일뿐만 아니라 장치도 망치지 않게 한 번씩 적당히 천천히 진행하게 해 주니까요. 모든 일이 그럴 것 같습니다. 과유불급이라고 지나친 게 모자란 거보다 못하죠. 모든 일엔 순서가 있는 법이니 지금 마음이 급하고 초조해도 천천히 둘러보면서 해결해 나가시면 반드시 좋은 결과가 있을 겁니다.

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