초록 ▼

1. 최종 목표
(1) BDS(Battery Disconnecting System) 구성부품인 Current Sensor, Pre-charge Resistor, Busbar, Wire Harness, EV-Relay의 신뢰성 향상 및 가속수명시험법 개발
- BDS의 정상 사용조건에서 평균수명(MTBF) 15년 15만마일 이상
- BDS 구성부품인 Current Sensor의 평균수명(MTBF) 30년 30만마일 이상
- BDS 구성부품인 Pre-Charge Resistor의 평균수명(MTBF) 30년 30만 마

1. 최종 목표
(1) BDS(Battery Disconnecting System) 구성부품인 Current Sensor, Pre-charge Resistor, Busbar, Wire Harness, EV-Relay의 신뢰성 향상 및 가속수명시험법 개발
- BDS의 정상 사용조건에서 평균수명(MTBF) 15년 15만마일 이상
- BDS 구성부품인 Current Sensor의 평균수명(MTBF) 30년 30만마일 이상
- BDS 구성부품인 Pre-Charge Resistor의 평균수명(MTBF) 30년 30만 마일 이상
- BDS 구성부품인 Busbar의 평균수명(MTBF) 30년 30만 마일 이상
- BDS 구성부품인 Wire Harness의 평균수명(MTBF) 30년 30만 마일 이상
- BDS 구성부품인 EV-Relay의 평균수명(MTBF) 30년 30만 마일이상
(2) 신뢰성 향상
- BDS 본체 케이스 : Resistor를 고정하는 Hook 안쪽이 변형에 의하여 Resistor에 유동이 발생. → 안쪽으로 들어가는 변형량 만큼 Hook 부 높이를 0.7 mm만큼 보상 가공함.
- BDS 본체 Hook : Resistor를 고정하는 편측 Hook의 높이가 낮아서 Resistor에 유동이 발생. → 편측 Hook의 높이를 1 mm 정도 높여 가공함.
- BDS 본체 Hook : 본체 케이스 조립시 접합부의 Hook부위가 안걸리는 현상 발생. → Hook 높이를 높이기 위해 5개소의 높이를 0.2 mm 씩 높임.
- BDS 본체 삽입 볼트 : 삽입 볼트 부분의 두께가 너무 얇아서 BDS의 삽입 상태가 헐거워짐. → 삽입 볼트 부분의 두께를 0.2mm 더 두껍게 하여 가공함.
- BDS 본체 케이스 : 케이스의 변형 및 비틀림 현상 발생. → 게이트 구조 및 사출조건을 개선하여 케이스의 변형을 방지함.
- BDS 본체 Cover Charge : Cover Charge 조립시 좌우 유동 발생.
→ Slide RIB 높이를 양쪽 각각 0.5 mm 높여 유동을 방지함.
- BDS 본체 직각형상 부위 : 케이스 내부중 직각형상 부위의 변형 발생. → 직각부분의 변형방지를 위해 RIB 12개소를 추가하고 사각 RIB 1개를 추가하여 직각형상 부위의 변형을 방지함.
- BDS 본체 케이스 밑판 : 케이스의 사각 밑핀의 단차 발생으로BDS본체 고정시 헐거워 지는 현상 발생. → 사각 밑핀부의 단차를 0 또는 마이너스로 수정하여 기계적 공차를 최소화 시켜 헐거워 지는 현상을 방지함.
- BDS 본체 케이스 볼트 : 케이스 조립시 M4 Screw 헛도는 현상발생. → 현제품 기준으로 홀 지름 사이즈를 0.1 mm 줄임
- BDS 표면 GATE 부가 돌출되어 Busbar에 간섭함. → GATE LAND 길이를 0.3 이상에서 0.3 이하로 줄여 관리함.
- 전류센서 : 배터리 충, 방전 후 전류센서 Zero Offset 값의 오차가 발생함. Zero Offset 값 오차로 인하여 SOC 계산치 오차가 발생함. 코어(규소강판)의 잔류자속에 의한 히스테리시스 특성불량으로 인해 발생함. → Zero Offset 값 오차를 줄이기 위해 35PN230 무방향성을 35PG145 방향성으로 코어 사양을 변경함.
개선품 시험 결과 Zero Offset 편차 감소됨.
- 전류센서 : PCB Artwork 및 부품 선정 오류로 작동 온도(- 30℃ ~ + 55 ℃)에서 1C 충/방전 시험 시, 측정값이 흔들림. → Artwork(신호 별 패턴 두께 및 이격 거리)와 시정수를 변경 함.
- 전류센서 : CASE&COVER 초음파 융착 조립시 COVER 파손품발생(COVER의 융착부 단차가 SHARP하여 가압시 응력 발생).
→ COVER 융착부 단차에 R 추가하여 응력 분산 및 강도 보강
- Pre-Charge Resistor : 부하 시험시, Open 불량이 발생됨. 저항 권선이 얇아 단선된 것으로 추정됨. → 저항 권선 선경 증가 및 적용 로드를 변경함.
- Pre-Charge Resistor : 케이스에 단자 고정 위치가 없어서 단자간격 유지가 힘듬. → 케이스 단자 간격 유지용 고정 홀 추가.
- Pre-Charge Resistor : 단자 측면, 밑면 라운드에서 케이스 삽입시 치우침 발생. → 러브를 추가하여 단자 밑면을 보완함.
- Wire Harness : 작업자 실수로 오배선이 조립됨. → 작업 표준서에 누락된 배선도 기입 및 작업자 교육을 실시함.
- Wire Harness : 수축 Tube Heating 공정이 누락됨. → 통전 검사완료 후 200 % 외관 검사 공정이 추가 됨.
- EV-Relay : 구동 코일 단자 조립시 방향성이 없음. → Connector Type으로 변경 및 전류 방향을 표시하여 방향성을 확인함.
- EV-Relay : 40 A 릴레이의 동작 전압 불량 발생. → 협력업체에 Shaft 가공설비 바이트 교환주기 재설정(10,000회 → 7,000회)
- EV-Relay : EV Relay 내 Shaft Ass'y와 Fixed Core 동작 시 간섭발생(Shaft Ass'y 접촉 표면 조도가 거칠어 동작 시 간섭 발생).
→ Shaft Moving 표면 조도 관리(100 ea 생산 시 마다 1 ea 관리).
- EV-Relay : 플라즈마 용접 공정 내 Moving Core&Shaft 삽입 시여유 공차 부족으로 걸림 발생(미용접 or 플라즈마 용접 불량으로 라인 직행율 저해 요소임). → Shaft moving과 Moving Core
의 조립 향상을 위해 Shaft moving의 끝 부분에 Chamfer 늘림 (C0.2→ C0.5)
- EV-Relay : RIB 높이가 낮아 두 접점 간 절연 파괴 발생 현상이 우려됨. → 절연 RIB와 Stud Bolt의 높이를 올림
- EV-Relay : Stud Bolt 재질이 순동이므로 강도가 약해 조립 시, 비틀림 및 부러짐 현상이 발생됨. → 접점부는 순동, Terminal Bolt는 탄소강을 적용하여 체결 Torque를 개선함.
(3) 고장 분석
- 전류센서 내부의 Hall IC 단선됨. → 전원 인가 시 발생되는 서지 전류에 의해 단선된 것으로 추정.
개선대책) 전원 인가 시 외부에서 발생된 서지 전류에 의한 단선이므로 이러한 서지 전류를 차단하기 위한 회로를 BDS에 추가함.
- 저온에서 SOC 이상 증상 발생. → 납땜조건에 의한 Crack이 발생한 것으로 추정(납땜온도 약 370 ℃).
개선대책) 납땜 온도를 현 370 ℃에서 최대 270 ℃로 낮춤.
- 실차 장착 조건에서 전류에 의해 Pre-Charge Resistor 단선 발생 → 권선 선경이 일정하지 않아 단선이 발생된 것으로 추정.
개선대책) 기존 수작업으로 하던 권선 작업을 권선감는 장비를 도입하여 선경이 일정한 권선을 제작함.
2. 신뢰성 문제점 현황
(1) BDS Housing / Busr 1st, BDS Housing / Busbar 2st
- 접촉 표면의 마찰과 산화
- Busbar Tap 접촉길이의 부족
- 잘못된 Busbar 폭 설치
- Busbar 산화
- 잘못된 Busbar 두께 설치
- 균열
- 커넥터의 초과된 삽입력
- Busbar 좌굴에 의한 접촉 불량
- circuit diagram과 BDS Number의 불화
- 단열거리 불충분
(2) 전류센서(Current sensor)
- 납땜 결로, 납땜 안됨
- 접지까지 단락 추적(A:Vout)
- VCC까지 Harness단락
- Battery/IGN에서 Harness 합선
- VCC까지 Harness(B:GND)단락
- Connector pin/harness 개방회로
- 접지까지 단락 됨(C1, C2, U1)
- 과전압
- 온도보상 실패
- 저항 설치 오류
- 고정력의 결함
- Relay 코일과 열 주변의 마그네틱 자기장에 의한 주위온도의 증가
(3) 저항 (Pre-Charge Resistor)
- 고객과의 소통 불가
- 향상된 구조의 제품의 실패
- 진동과 기계적 쇼크
- 잘못된 와이어 용접
- parameter 입력 오류
- 확대되면서 계속되는 단락과 비정상적열 발생
- 수분 침범
- 잘못된 용접 결합
- 공급과 구입사이의 커뮤니케이션 부족
(4) Wire Harness
- BDS(Battery Disconnecting System)안의 Connectors의 각각의 Pin Number와 Wire Harness 비일치
- Connector insert의 결함
- 결합실수에 의한 Connector Housing 변형
3. 주요 사업 내용
(1) 필드 고장 사례 원인 분석 및 수요기업의 요구 사항을 고려하여 고장 현황을 분석하였다.
(2) BDS 구성모듈의 공정 개선 및 설계 변경을 통하여 신뢰성을 향상시켰다.
(3) 전자파적합성시험(EMC)을 실시하여 EMC성능평가 항목을 수립 하고, 평가방법을 정립하였다.
(4) 가속 모델 선정 및 가속수명시험법을 개발하여 정상 상태에서의 평균수명을 예측하였다.
(5) 목표 신뢰도 달성을 확인하였다.
- BDS : 신뢰성 수준 15년 15만마일 이상
- Current Sensor : 신뢰성 수준 30년 30만마일 이상
- Pre-Charge Resistor : 신뢰성 수준 30년 30만마일 이상
- Busbar : 신뢰성 수준 30년 30만마일 이상
- Wire Harness : 신뢰성 수준 30년 30만마일 이상
- EV-Relay : 신뢰성 수준 30년 30만마일 이상
4. 신뢰성 적용 결과(사업전·후 정량적 비교)
(1) 사업 전 : BDS의 구성부품 및 모듈에서 Current Sensor, Pre- Charge Resistor, Busbar, Wire Harness 및 EV-Relay의 신뢰성 수준은 14년 20만 마일이었고, BDS 본체의 신뢰성 수준은 7년 10만 마일 이었다.
(2) 사업 후 : 필드에서의 고장 이력 데이터를 통해 고장모드 및 고장 메커니즘을 분석하여 BDS 구성부품 및 모듈의 공정 개선 및 설계 변경을 통해 신뢰성을 향상시켰고, 이에 대한 가속수명시험을 실시하여 정상 상태에서의 평균수명인 MTBF(MTTF)를 산정하였으며, 결과적으로 세계 최고 수준의 신뢰성 수준에 어느 정도 따라 가는 최종 목표 수준 이상의 신뢰도를 달성하였다.
5. 기대효과 및 실적(기술적 및 경제적 효과)
(1) 기술적 효과 :
① 전자파적합성(EMC)을 확보한 제품의 개발로, 공간상에 존재하는 방사 전자파, 전원선/통신선 등에 유입된 전도성 전자파, 각종 과도전압에 의한 노이즈 및 정전기 등에 의한 문제를 고려하고 대안을 수립하여, 제품의 신뢰성을 향상 시키고 국제적으로 요구하는 EMC요구사항을 충족한 제품을 개발할 수 있음.
② 국책과제를 수행함으로써 정부의 지원금을 활용하여 시험설비 구축이 가능하며, 이러한 시험 설비를 확보하여 이와 비슷한 제품의 수출 증대를 예상할 수 있음.
③ Junction Box에 조립되는 단품의 신뢰성 향상 가능.
- BDS에 조립되는 단품의 가속수명 시험으로 시험 기간 단축
- 제품의 신뢰성을 향상시킴으로써 불량률 감소로 실패비용감소
- 제품의 신뢰성 향상으로 타 완성차 업체와의 수주 확대
(2) 경제적 효과 :
① 현재 지속적으로 거래하는 GM사 및 그 외 전기자동차를 제작하는 선진 외국 회사들과의 전략적 파트너를 확보하여 성장동력이 풍부한 전기자동차 분야의 선진시장의 진입을 도모하고 수출기반을 확보할 수 있으며, 당 사의 매출 및 수출을 지금보다 30% 이상 향상시킬 수 있으며, 향 후 지속적인 성장가능성을 마련할 수 있음.
② 기술적인 설계 시 개발 과정 단축, 손실 비용의 최소화 등품질 및 신뢰성에 관련한 비용을 최소화 할 수 있음.
③ 당사의 개발 아이템인 BDS의 기본적인 성능에 대해 만족하고 있는 해외 바이어들도 품질 및 신뢰성에 대해서는 어느정도 의구심을 갖고 있기 때문에 이에 적절하게 대응할 수 있으며 또한 바이어들에게 충분한 만족을 줄 수 있어 장기적인 상호협조적인 친화 관계를 유지 할 수 있고 또한 수요기업의 확대에 기여할 수 있음.
④ BDS의 수요기업과 신뢰성 향상에 대한 부분을 좀 더 크게 범위를 형성시켜 업무협력(MOU)를 맺어 수요기업의 협력업체의 부품 및 제품의 시험 및 평가 지원에 활용할 수 있음.
⑤ PL(제조물 책임법)등에 능동적인 대처로 선진국 시장 확대 진입이 용이해 짐.
⑥ 애프터 서비스 비용의 예측으로 인한 비용 절감 및 애프터 서비스에 대한 효율적인 대응이 가능해 짐.
6. 적용 분야
(1) 각종 자동차용 BDS(Battery Disconnecting System) 구성모듈 관련 부품들에 대한 신뢰성 시험에 응용할 수 있어 국내 관련 산업으로의 신뢰성 기술을 적용할 수 있다.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 3
• 부품․소재신뢰성기반기술확산사업 보고서 초록 ... 4
• 목 차 ... 14
• 제 1 장 서 론 ... 15
• 제 1 절 과제의 필요성 ... 15
• 제 2 절 과제의 최종 목표 ... 22
• 제 3 절 기대효과 ... 23
• 제 2 장 BDS 구성부품의 개요 ... 26
• 제 1 절 BDS 구성부품의 특성 ... 26
• 제 3 장 신뢰성 평가 기준 ... 33
• 제 1 절 BDS(Battery Disconnecting System) ... 33
• 제 2 절 EV-Relay ... 46
• 제 4 장 가속수명시험 설계 및 분석 ... 64
• 제 1 절 가속수명시험 설계 ... 64
• 제 2 절 가속수명시험 데이터 분석 ... 72
• 제 5 장 시험 장비 및 지그 ... 129
• 제 1 절 특성 시험용 장비 및 지그 ... 129
• 제 2 절 가속수명시험용 장비 및 지그 ... 140
• 제 6 장 가속수명시험 데이터 ... 146
• 제 1 절 BDS(Battery Disconnecting System) ... 146
• 제 2 절 Current Sensor(전류 센서) ... 149
• 제 3 절 Pre-Charge Resistor(저항) ... 154
• 제 4 절 Busbar(버스바) ... 158
• 제 5 절 Wire Harness(와이어 하네스) ... 161
• 제 6 절 EV-Relay(릴레이) ... 175
• 제 7 장 고장 분석 ... 188
• 제 8 장 BDS(Battery Disconnecting System) 구성모듈의 신뢰성 향상 ... 190
• 제 9 장 결 론 ... 199
• 1. 가속수명시험법 개발 및 가속 계수 산출 결과 ... 199
• 2. BDS(Battery Disconnecting System) 본체, 구성 부품 및 구성 모듈의 신뢰성 향상 결과 ... 200