EV 충전 및 에너지 저장의 DC SPD: 청정 에너지 인프라의 미래 보호

DC SPD: 전 세계적으로 청정 에너지로의 전환이 가속화되면서 전기 자동차(EV) 충전 네트워크와 배터리 에너지 저장 시스템(BESS)은 현대 전력 인프라의 가장 중요한 두 축이 되었습니다. 충전 통로, 그리드 규모의 저장 시설, 분산형 에너지 자원에 수십억 달러가 투자되고 있지만 이러한 인프라에 가장 간과되는 위협 중 하나는 과도 전압 서지라는 가장 파괴적인 위협이기도 합니다. 단 한 번의 낙뢰나 스위칭 이벤트로 수만 볼트의 서지 전압이 밀리초 내에 발생하여 수십만 달러에 달하는 인버터, 배터리 관리 시스템, 충전 컨트롤러를 소리 없이 파괴할 수 있습니다. 이것이 바로 DC SPD - DC 서지 보호 장치 - 모든 심각한 청정 에너지 설비에 없어서는 안 될 구성 요소가 되었습니다.

란 무엇인가요? DC SPD 그리고 이것이 중요한 이유는 무엇인가요?

A DC 서지 보호기 는 DC 전원 회로와 병렬로 연결된 장치로, 과도 과전압이 민감한 다운스트림 장비에 도달하기 전에 이를 감지하고 전환하도록 설계되었습니다. AC 시스템과 달리 DC 회로는 전류 파형에 자연적인 제로 크로싱 포인트가 없기 때문에 아크 억제가 본질적으로 더 어렵고, 지속적인 DC 전압은 AC 환경보다 훨씬 오래 고장 아크를 지속할 수 있다는 점에서 고유한 보호 과제를 안고 있습니다. 특별히 설계된 DC 서지 보호 장치 는 특수 배리스터(MOV) 기술, 가스 방전관(GDT), 직류 애플리케이션을 위해 특별히 설계된 아크-퀀칭 메커니즘을 통해 이러한 문제를 해결합니다.

DC 시스템에서 서지 전파의 물리학은 매우 까다롭습니다. 번개로 인한 서지가 옥상 태양광 어레이를 1층 배터리 저장 장치에 연결하는 케이블을 따라 이동하거나 고출력 DC 고속 충전기가 공유 DC 버스에서 부하를 빠르게 전환할 때 발생하는 전압 스파이크는 1마이크로초 이내에 연결된 전자기기의 절연 내전압을 초과할 수 있습니다. 적절한 정격 DC SPD 제자리에 있으면 에너지가 전력을 공급해야 하는 바로 그 부품을 통하지 않고는 에너지가 갈 곳이 없습니다.

현대 서지 보호 장치 DC 애플리케이션용은 저전압 DC 배전 시스템에서 사용하기 위한 SPD를 관리하는 국제 표준인 IEC/EN 61643-31에 따라 분류됩니다. 이 표준은 전압 보호 수준(Up), 공칭 방전 전류(In), 최대 연속 작동 전압(Ucpv) 및 단락 전류 정격(SCCR)에 대한 성능 요구 사항을 정의하며, 모든 파라미터는 EV 충전 및 에너지 저장 애플리케이션의 특정 DC 전압 및 전류 특성에 신중하게 일치해야 합니다.

EV 충전 인프라의 DC SPD

전기 자동차 충전소, 특히 150kW, 350kW 이상에서 작동하는 DC 고속 충전기(DCFC)는 서지 보호에 가장 까다로운 환경 중 하나입니다. 이러한 시스템은 높은 DC 버스 전압(일반적으로 400V~1,000V), 전력 전자 장치의 상당한 스위칭 과도 상태, 직간접적인 낙뢰가 지속적으로 위협이 되는 실외 환경에 노출되어 있습니다.

일반적인 DC 고속 충전소 아키텍처에는 그리드에 연결된 AC/DC 정류기, DC 배전 버스, 개별 충전 모듈, 통신/제어 전자 장치가 포함됩니다. 이러한 각 하위 시스템은 서로 다른 지점에서 서지 손상에 취약합니다. AC 입력 측에는 AC SPD가 필요하지만 충전 캐비닛과 차량 커넥터 사이의 DC 버스와 케이블은 전용이 필요합니다. DC 서지 보호기 시스템의 전체 DC 작동 전압에 정격입니다.

상업용 주차 시설에서 여러 충전 지점에 서비스를 제공하는 400V DC 충전 버스를 생각해 보세요. 근처에 낙뢰가 발생하여 DC 케이블 인프라에 10kA의 서지 전류가 유입되면 버스 전체에 수천 볼트의 전압 스파이크가 발생하여 각 충전기 내부의 전력 전자 장치의 고장 임계값인 600V 또는 800V를 훨씬 초과할 수 있습니다. A 유형 2 DC SPD DC 배전반에 설치된 정격 방전 전류(In) 20kA, 전압 보호 레벨(Up) ≤2.0kV의 DC 배전반은 나노초 이내에 이 과도 상태를 클램핑하여 서지 에너지를 보호 접지 도체로 안전하게 전환하고 해당 버스에 연결된 모든 충전기의 무결성을 보존합니다.

낙뢰 보호 외에도 DC 고속 충전기는 자체적으로 내부 스위칭 서지를 생성합니다. IGBT 트랜지스터의 빠른 온/오프 사이클링과 케이블 하네스에 저장된 유도 에너지로 인해 반복적인 저에너지 과도 상태가 발생하여 시간이 지남에 따라 MOV 기반 보호 구성 요소가 저하됩니다. 그렇기 때문에 DC 서지 보호 장치 서지 이벤트가 연간 수천 번 발생할 수 있는 EV 충전 애플리케이션에는 높은 최대 방전 전류(Imax) 정격(단순히 높은 In이 아니라)이 매우 중요합니다.

DC SPD로 배터리 에너지 저장 시스템 보호

배터리 에너지 저장 시스템은 다르지만 똑같이 심각한 서지 보호 요구 사항을 도입합니다. 그리드 규모의 BESS 설치는 일반적으로 직렬/병렬 스트링으로 연결된 배터리 모듈로 구성되어 600V, 800V 또는 1,500V DC의 시스템 전압을 달성하고 그리드 상호 연결을 위해 양방향 DC/AC 인버터에 공급됩니다. 배터리 랙, 인버터, 스위치 기어 사이에 케이블이 수백 미터에 이르는 이러한 시스템의 엄청난 규모 때문에 번개에 의한 서지에 매우 취약한 광범위한 안테나형 구조가 만들어집니다.

배터리 관리 시스템(BMS)은 모든 에너지 저장 장치의 두뇌 역할을 하며 셀 전압, 온도, 충전 상태를 지속적으로 모니터링합니다. 또한 전체 시스템에서 서지에 가장 민감한 구성 요소 중 하나입니다. 보호 기능을 우회하여 BMS 통신 버스 또는 측정 회로에 도달하는 서지 이벤트는 펌웨어를 손상시키거나 아날로그 프런트 엔드 IC를 파괴하거나 전체 스토리지 시스템을 오프라인 상태로 만드는 잘못된 오류 조건을 트리거할 수 있습니다. 설치 DC SPD 배터리 스트링과 DC 버스 사이, DC 버스와 인버터 사이, 모든 신호 및 통신 라인 등 모든 인터페이스 지점에서 고전력 회로와 민감한 제어 전자 장치를 동시에 보호하는 계층화된 방어 기능을 생성합니다.

리튬 이온 기반 BESS 설치의 경우 서지 보호에 대한 추가적인 화재 안전 차원이 있습니다. 배터리 셀에 도달하는 과전압 이벤트는 일단 시작되면 끄기가 매우 어려운 자생적 발열 반응인 열 폭주를 유발할 수 있습니다. 동안 DC 서지 보호 장치 는 적절한 배터리 열 관리를 대체하는 것이 아니라 치명적인 고장 모드의 주요 전기적 트리거 중 하나를 제거하므로 책임감 있는 BESS 안전 아키텍처의 필수 구성 요소입니다.

유형 2 DC SPD: 청정 에너지 보호의 주력 제품

다양한 등급의 DC 서지 보호 장치 중에서 유형 2 DC SPD 는 전기차 충전 및 에너지 저장 애플리케이션에서 가장 널리 배포되는 솔루션으로 부상했습니다. IEC/EN 61643-31에 따라 8/20 μs 전류 파형으로 테스트된 장치로 분류되는 유형 2 장치는 주 서비스 입구의 다운스트림이지만 민감한 부하 및 장비의 업스트림에 있는 배전 레벨에 설치하도록 설계되었습니다.

그리고 유형 2 DC SPD 는 서지 에너지 처리 용량과 전압 보호 수준 간에 이상적인 균형을 제공하여 대부분의 EV 충전 및 BESS 애플리케이션에 적합합니다. 이러한 애플리케이션에서 잘 지정된 유형 2 디바이스의 주요 성능 매개변수에는 일반적으로 다음이 포함됩니다:

모던한 모듈식 디자인 유형 2 DC SPD 또한 전체 시스템의 전원을 차단하지 않고 현장에서 개별 보호 모듈을 교체할 수 있어 1시간의 가동 중단이 매출 손실로 이어지는 상업용 전기차 충전 운영에서 가동 중단 시간을 최소화할 수 있다는 상당한 운영상의 이점도 제공합니다.

애플리케이션 시나리오: 통합 EV 충전 및 에너지 저장 허브

다음 다이어그램은 태양광 발전, 배터리 에너지 저장, DC 고속 충전을 결합한 실제 배포 시나리오를 보여 주는데, 고속도로 휴게소, 상업용 차량 차고지, 도심 모빌리티 허브에서 점점 더 보편화되고 있는 구성입니다.

그림 1: 태양광 PV, BESS, DC 고속 충전이 결합된 통합 DC 전력 아키텍처와 각 DC 인터페이스에 DC SPD 보호 지점이 있습니다. 모든 중요 노드에 KUANGYA DC 서지 보호기를 배치하여 시스템 전반의 과도 보호를 보장합니다.

이 아키텍처에서는, DC 서지 보호기 네 개의 중요한 보호 지점에 배포됩니다:

포인트 1 - 태양광 어레이 출력: PV 스트링의 개방 회로 전압(일반적으로 1,000V 또는 1,500V DC)에 정격화된 유형 1+2 DC SPD는 옥상 어레이의 직간접적인 낙뢰로부터 컴바이너 박스 및 DC 케이블을 보호합니다.

포인트 2 - 배터리 스토리지 DC 버스: A 유형 2 DC SPD BESS 시스템 전압(600V 또는 800V DC) 정격은 배터리 스트링 케이블을 따라 전파되는 서지로부터 배터리 관리 시스템, 셀 모니터링 회로 및 DC/AC 양방향 인버터를 보호합니다.

포인트 3 - DC 고속 충전기 입력: A 유형 2 DC SPD 충전소에 전력을 공급하는 DC 배전반에 설치되어 공유 DC 버스의 서지로부터 모든 충전기 전원 전자 장치와 통신 시스템을 보호합니다.

포인트 4 - 차량 커넥터 인터페이스: 유형 3 DC SPD는 충전 건 인터페이스에서 사용 시점 보호 기능을 제공하여 차량 연결 및 분리 시 잔류 서지 및 정전기 방전 이벤트를 방지합니다.

이 조율된 다단계 보호 전략은 다음을 결합합니다. DC 서지 보호 장치 모든 인터페이스에서 서지 이벤트의 출처나 규모에 관계없이 단일 서지 이벤트가 시스템을 통해 전파되어 연쇄적인 장비 장애를 일으키지 않도록 보장합니다.

표준, 인증 및 선택 기준

오른쪽 선택 DC SPD EV 충전 또는 에너지 저장 애플리케이션의 경우 국제 표준과 애플리케이션별 매개변수 모두에 세심한 주의를 기울여야 합니다. 주요 관리 표준은 다음과 같습니다. IEC/EN 61643-31, 는 최대 1,500V DC의 저전압 배전 시스템에 사용되는 DC SPD에 대한 테스트 방법, 성능 요구 사항 및 표시 요구 사항을 정의합니다.

전기차 충전 및 BESS 애플리케이션과 관련된 추가 표준은 다음과 같습니다:

• IEC 62485-3: 2차 리튬 전지 및 배터리에 대한 안전 요구 사항, 배터리 설치에 대한 SPD 요구 사항 참조
• IEC 61851-1: 충전 장비에 대한 과전압 보호 요구 사항을 지정하는 EV 전도성 충전 시스템에 대한 일반 요구 사항
• UL 1449(4판): 서지 보호 장치에 대한 북미 표준으로, 미국과 캐나다에 설치하는 데 필요합니다.
• GB/T 18802.31: IEC 61643-31과 조화를 이루는 DC SPD에 대한 중국 국가 표준

평가할 때 DC 서지 보호기 특정 프로젝트의 경우 엔지니어는 선택한 디바이스가 공인 시험기관(TÜV, UL, CE 또는 이에 준하는 기관)에서 해당 표준에 대한 제3자 인증을 받았는지 확인해야 합니다. 독립적인 인증 없이 자체적으로 선언한 규정 준수는 서지 조건에서 실제 성능을 보장하지 않습니다.

제품 품질 보증 및 보증

쿠앙야에서는 모든 DC 서지 보호 장치 로지텍의 모든 제품은 엄격한 다단계 품질 보증 프로세스를 거쳐 출고됩니다. 신뢰성에 대한 당사의 노력은 국제적으로 인정받는 인증과 설치자와 최종 사용자가 제품의 장기적인 성능에 대해 완전한 확신을 가질 수 있도록 설계된 포괄적인 보증 프로그램을 통해 뒷받침됩니다.

그림 2 : KUANGYA DC SPD 제품 라인 - CE 및 TÜV 인증, IEC / EN 61643-31 준수, ISO 9001 품질 관리, 5 년 제품 보증. 모든 장치는 배송 전에 100% 전기 테스트를 거칩니다.

품질 보증 프레임워크는 다음과 같은 핵심 요소를 포함합니다:

재료 및 구성 요소 자격: KUANGYA에 사용되는 모든 금속 산화물 배리스터(MOV), 가스 방전관(GDT) 및 열 차단기 DC SPD 자격을 갖춘 공급업체로부터 공급받으며 정해진 전기 및 기계 사양에 따라 입고 검사를 거칩니다. 표준 이하의 부품은 생산 라인에 들어가지 않습니다.

프로세스 중 품질 관리: 모든 생산 배치는 국가 표준에 따라 추적 가능한 보정된 자동 테스트 장비를 사용하여 전압 보호 수준 검증, 절연 저항 측정, 연속성 테스트 등 100% 전기 테스트를 거칩니다.

유형 테스트 및 인증: 우리의 유형 2 DC SPD 제품군은 공인된 타사 연구소에서 IEC/EN 61643-31에 따라 형식 테스트를 거쳤으며, 유럽 안전 및 성능 요구 사항을 준수함을 확인하는 CE 마크와 TÜV 인증을 받았습니다.

5년 제품 보증: 쿠앙야는 모든 DC 서지 보호기 정상적인 작동 조건에서 자재 및 제작상의 결함에 대해 5년 제한 보증이 적용됩니다. 기술 지원팀은 제품 수명 주기 내내 설치 관련 질문, 사양 문의, 보증 청구에 대한 신속한 지원을 제공합니다.

자주 묻는 질문(FAQ)

Q1: 유형 1과 유형 2 DC SPD의 차이점은 무엇이며 EV 충전소에 어떤 것이 필요하나요?

A: 유형 1과 유형 2 DC SPD 는 각 디바이스가 처리하도록 설계된 서지 에너지의 크기와 디바이스를 설치해야 하는 전기 시스템 내 위치에 따라 결정됩니다.

A 유형 1 DC SPD 는 직접 낙뢰에 가까운 파형인 10/350 μs 전류 파형으로 테스트되었으며, 건물의 서비스 입구 또는 가공선이 지하 케이블로 전환되는 지점에서 발생하는 고에너지, 장시간 서지를 처리할 수 있는 등급입니다. 유형 1 장치는 직접 낙뢰 전류의 일부가 전기 설비로 전도될 수 있는 외부 낙뢰 보호 시스템(피뢰침)이 있는 설비에 의무적으로 설치해야 합니다.

A 유형 2 DC SPD, 8/20 μs 파형으로 테스트된 이 제품은 배전반, 컴바이너 박스 및 장비 인클로저 내부의 배전 레벨에 설치하도록 설계되어 건물의 전기 인프라 및 모든 업스트림 유형 1 보호에 의해 이미 부분적으로 감쇠된 잔류 서지로부터 보호합니다. 표준 그리드 연결이 있는 상업용 건물 또는 주차 구조물에 설치된 대부분의 EV 충전소의 경우 유형 2 DC SPD 충전기에 전원을 공급하는 DC 배전반에 설치하면 적절한 수준의 보호 기능을 제공합니다. 직접 가공선 연결, 노출된 옥상 장비 또는 낙뢰 발생률이 높은 지역에 위치한 설치의 경우, 서비스 입구에 유형 1 장치를 배치하고 서비스 입구에 유형 2 장치를 배치하는 조정된 유형 1 + 유형 2 접근 방식을 사용하는 것이 좋습니다. 유형 2 DC SPD 충전기 분전반에서.

Q2: EV 충전 또는 에너지 저장 설비에서 DC 서지 보호기를 얼마나 자주 검사하거나 교체해야 합니까?

A: 회로 차단기나 퓨즈와 달리 DC 서지 보호 장치 는 정상 작동을 가시적으로 표시하지 않으며, 서지 이벤트가 발생할 때만 활성화됩니다. 따라서 정기적인 점검이 필수적입니다. DC 서지 보호기 반복적인 서지 이벤트로 인해 성능이 저하된 경우 실제로는 보호 기능이 거의 또는 전혀 제공되지 않는 것처럼 보일 수 있습니다.

가장 현대적인 DC SPD 내부 보호 부품이 소모되어 디바이스 교체가 필요한 경우 상태를 변경하는 내장 상태 표시기(일반적으로 녹색/빨간색 창 또는 원격 신호 접점)를 통합합니다. 이러한 표시기는 전기차 충전 또는 에너지 저장 시스템의 일상적인 유지보수의 일환으로 최소 분기별로 육안으로 점검해야 합니다. 낙뢰 위험이 높은 장소 또는 서지 이벤트(예: 인근 낙뢰)를 경험한 적이 있는 시설에서는 예정된 유지보수 간격에 관계없이 즉각적인 점검이 필요합니다.

사전 예방적 교체에 대한 업계의 합의는 다음과 같습니다. DC 서지 보호 장치 실외 또는 서지 노출이 많은 환경에서는 MOV 성능 저하가 장치가 거의 완전히 고장날 때까지 항상 표시기 상태에 반영되지 않는 누적 과정이므로 상태 표시기가 트리거되지 않았더라도 5~7년마다 교체해야 합니다. 쿠앙야의 5년 보증은 이 교체 주기와 일치하므로 보증 기간 동안 보장 대상 설비가 항상 정격 서지 보호 기능으로 작동할 수 있습니다.

결론: 결론: 보호에 투자하는 것은 가동 시간에 투자하는 것입니다.

전기차 충전 및 에너지 저장의 경제성은 기본적으로 가동 시간과 신뢰성에 달려 있습니다. 손상된 인버터를 수리하거나 교체하는 동안 2주간 오프라인 상태인 DC 고속 충전기는 수리 비용뿐 아니라 충전 수익 손실, 고객 불만, 잠재적인 계약 위약금 등을 의미합니다. 서지로 인한 BMS 오류로 인해 오프라인 상태가 되는 그리드 규모의 BESS는 이를 지원하기 위해 설치한 그리드 서비스 계약을 불안정하게 만들 수 있으며, 이는 이벤트를 방지할 수 있었던 보호 장비의 비용보다 더 큰 재정적 결과를 초래할 수 있습니다.

그리고 DC SPD 는 청정 에너지 인프라를 위한 사치스러운 액세서리가 아니라, 일반적으로 전체 시스템 비용의 1%에 불과한 비용이 장비 손상, 다운타임 및 책임 방지를 통해 몇 배로 정당화되는 기본적인 보호 구성 요소입니다. 800V EV 플랫폼과 1,500V BESS 아키텍처의 채택으로 DC 시스템 전압이 계속 증가함에 따라 적절하게 지정되고 인증된 인증의 중요성이 커지고 있습니다. DC 서지 보호 장치 는 계속 늘어날 것입니다.

쿠앙야의 다양한 DC 서지 보호기, 플래그십을 포함한 유형 2 DC SPD 시리즈는 차세대 EV 충전 및 에너지 저장 인프라의 까다로운 요구 사항을 충족하도록 설계되어 청정 에너지 전문가가 필요로 하는 보호, 신뢰성, 안심할 수 있는 기능을 제공합니다.

기술 사양, 애플리케이션 엔지니어링 지원 또는 제품 샘플을 요청하려면 KUANGYA 기술팀에 문의하세요.