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문제 정의
- 따라서, 본 논문에서는 HFCV의 절연성능 평가 방법을 분석한 후, 기존의 절연저항계에 의한 절연성능 평가결과를 바탕으로 HFCV 절연저항 측정시스템을 개발하고, 개발한 측정시스템의 절연성능 평가결과에 대한 실차 상태의 비교를 통하여 적합성을 검증하였다.
- 본 연구에서는 이러한 문제점을 개선하기 위하여 HFCV에 적합한 절연저항 측정시스템을 개발하였다. HFCV 절연저항 측정시스템은 자동차 안전기준의 규정에 맞도록 구성하기 위하여 시험인가전압의 경우, 기존의 절연저항계와 유사하게 전압별(125[V], 250[V], 500[V], 1000[V])로 선택하여 전압을 인가하는 방식으로 설계하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 이러한 문제점을 개선하기 위하여 HFCV에 적합한 절연저항 측정시스템을 개발하였다. HFCV 절연저항 측정시스템은 자동차 안전기준의 규정에 맞도록 구성하기 위하여 시험인가전압의 경우, 기존의 절연저항계와 유사하게 전압별(125[V], 250[V], 500[V], 1000[V])로 선택하여 전압을 인가하는 방식으로 설계하였다. 또한, 기존 절연저항계의 시험전류는 측정 대상의 절연상태에 따라 자동으로 결정되기 때문에 개발된 절연저항 측정시스템의 최대시험단락전류 이상이 필요할 경우 이를 제한하기 위하여 시험인가전압을 낮추어 최대시험단락전류 이상으로 전류가 흐르지 못하게 하는 방식으로 되어 있기 때문에 개발된 절연저항 측정시스템에서는 우선 측정하고자 하는 시스템의 보호를 위하여 최대시험단락전류를 사용자 설정을 통하여 제한할 수 있도록 1[mA], 5[mA], 10[mA], 20[mA]까지 선택할 수 있도록 구성하였다.
- 개발된 HFCV 절연저항 측정시스템의 성능 검증을 위하여 실험실 수준의 검증과 실차 상태의 절연성능 측정을 통하여 검증을 실시하였다.
- 이와 같이 고전압시스템의 절연성능은 고전압 버스의 절연 설계와 냉각수에 영향을 많이 받기 때문에 인체 감전보호를 위하여 정상상태(In Use)와 충돌시(Post Crash) 절연성능이 중요한 요소로 작용하고 있다. 고전압 시스템의 절연성능 평가를 위하여 내부의 직류전원을 이용하여 측정하는 방법과 외부로부터 직류전원을 인가하여 측정하는 방법 두 가지 방법을 이용한다. 내부의 직류전원을 이용하여 측정하는 방법은 측정하는 방법이 외부로부터 직류전원을 인가하여 측정하는 방법보다 복잡하기 때문에 현장에서는 외부로부터 직류전원을 인가하여 측정하는 방법인 절연저항계를 이용하여 측정하고 있다.
- 최대시험단락전류의 선택은 적용하고자하는 시스템의 규정에 맞는 시험에 적합하도록 설계된 것이라 할 수 있다. 또한, 10[mA] 이상의 시험전류가 인가될 때에는 알람을 통하여 시험자의 감전위험을 경고하는 기능을 삽입하여 설계하였다.
- HFCV 절연저항 측정시스템은 자동차 안전기준의 규정에 맞도록 구성하기 위하여 시험인가전압의 경우, 기존의 절연저항계와 유사하게 전압별(125[V], 250[V], 500[V], 1000[V])로 선택하여 전압을 인가하는 방식으로 설계하였다. 또한, 기존 절연저항계의 시험전류는 측정 대상의 절연상태에 따라 자동으로 결정되기 때문에 개발된 절연저항 측정시스템의 최대시험단락전류 이상이 필요할 경우 이를 제한하기 위하여 시험인가전압을 낮추어 최대시험단락전류 이상으로 전류가 흐르지 못하게 하는 방식으로 되어 있기 때문에 개발된 절연저항 측정시스템에서는 우선 측정하고자 하는 시스템의 보호를 위하여 최대시험단락전류를 사용자 설정을 통하여 제한할 수 있도록 1[mA], 5[mA], 10[mA], 20[mA]까지 선택할 수 있도록 구성하였다. 사용자가 최대시험단락전류의 선택을 통하여 시험시 최대시험단락전류의 제한으로 인하여 시험인가전압이 실제로 인가되지 못하는 경우 최대시험단락전류의 용량을 큰 것으로 선택하여 시험할 수 있도록 설계하였다.
- 또한, 시험의 조건에 따라서 최대단락전류가 10[mA] 이상의 전류를 사용하기 때문에 감전사고의 위험성이 존재하게 되며, 시스템 구동시 갑자기 큰 전류가 흐름으로서 측정하고자하는 자동차에 영향을 줄 수 있기 때문에 이를 보호하기 위한 Inrush Current Limit 회로를 적용하였다.
- 또한, 기존 절연저항계의 시험전류는 측정 대상의 절연상태에 따라 자동으로 결정되기 때문에 개발된 절연저항 측정시스템의 최대시험단락전류 이상이 필요할 경우 이를 제한하기 위하여 시험인가전압을 낮추어 최대시험단락전류 이상으로 전류가 흐르지 못하게 하는 방식으로 되어 있기 때문에 개발된 절연저항 측정시스템에서는 우선 측정하고자 하는 시스템의 보호를 위하여 최대시험단락전류를 사용자 설정을 통하여 제한할 수 있도록 1[mA], 5[mA], 10[mA], 20[mA]까지 선택할 수 있도록 구성하였다. 사용자가 최대시험단락전류의 선택을 통하여 시험시 최대시험단락전류의 제한으로 인하여 시험인가전압이 실제로 인가되지 못하는 경우 최대시험단락전류의 용량을 큰 것으로 선택하여 시험할 수 있도록 설계하였다. 최대시험단락전류의 선택은 적용하고자하는 시스템의 규정에 맞는 시험에 적합하도록 설계된 것이라 할 수 있다.
- 실차상태의 검증을 위하여 HFCV 연료전지스택의 (-) 출력단자와 연료전지스택의 외함 사이를 측정하였으며, 절연저항 측정값을 비교하기 위하여 Hioki사의 3455모델과 개발된 측정시스템의 측정값을 비교하였다. 측정을 위한 차량은 시동 off, 퓨즈 on(key on) 상태로 유지하였으며, 연료전지스택의 동작전압은 440[V]인 HFCV에 대하여 시험하였다.
- 우선 실험실 수준의 검증을 위하여 33.3[kΩ]의 저항에 대하여 최대시험단락전류를 10[mA]와 20[mA]일 때의 시험인가 전압 및 측정값을 확인하는 방법으로 검증을 실시하였다.
- 이상과 같이 HFCV 절연저항 측정시스템에 대한 설계사양과 성능 검증을 실시하였다. 기존의 일반적인 전기설비에서 사용하는 절연저항계는 최대시험단락전류와 측정범위 및 해상도의 문제로 인하여 HFCV에 적용하는데 문제가 있었지만 HFCV에 적합한 절연저항 측정 시스템의 부재로 인하여 지속적으로 사용되어 왔다.
- 절연저항의 측정범위는 친환경자동차의 관련 기준 및 규격에 맞도록 최소 기준인 100[Ω/VDC] 기준에 대하여 HFCV의 전압구성을 고려하여 10[kΩ]이상 측정가능하며 측정 해상도는 1[kΩ]으로 설계하여 HFCV의 정확한 절연저항을 측정할 수 있도록 설계하였다.
- 실차상태의 검증을 위하여 HFCV 연료전지스택의 (-) 출력단자와 연료전지스택의 외함 사이를 측정하였으며, 절연저항 측정값을 비교하기 위하여 Hioki사의 3455모델과 개발된 측정시스템의 측정값을 비교하였다. 측정을 위한 차량은 시동 off, 퓨즈 on(key on) 상태로 유지하였으며, 연료전지스택의 동작전압은 440[V]인 HFCV에 대하여 시험하였다. 측정 결과는 표 4에 나타내었다.
- HFCV의 절연성능 측정은 연료전지스택의 (+), (-) 출력단자와 연료전지스택의 외함 사이의 절연저항을 측정하였으며, 절연저항 측정을 위한 절연저항계는 Fluke사의 1587모델과 Hioki사의 3455모델을 이용하여 측정하였다. 측정을 위한 차량은 시동 off, 퓨즈 on(key on) 상태로 하였으며, 연료전지스택의 동작전압은 440[V]인 HFCV에 대하여 시험하였다. 측정결과는 표 1에 나타내었다.
이론/모형
- HFCV의 절연성능 측정은 연료전지스택의 (+), (-) 출력단자와 연료전지스택의 외함 사이의 절연저항을 측정하였으며, 절연저항 측정을 위한 절연저항계는 Fluke사의 1587모델과 Hioki사의 3455모델을 이용하여 측정하였다. 측정을 위한 차량은 시동 off, 퓨즈 on(key on) 상태로 하였으며, 연료전지스택의 동작전압은 440[V]인 HFCV에 대하여 시험하였다.
성능/효과
- 개발된 절연저항 측정 시스템은 기존의 절연저항계와 같은 시험전압 선택을 통하여 시험을 실시하지만, 최대시험단락전류의 문제로 인하여 인가전압이 제한이 걸리는 경우 더 큰 최대시험단락전류를 선택함으로써 인가전압이 제한되는 문제점을 해결하였다. 또한, 시험기준에 맞는 측정범위와 해상도인 0.
- 실차상태의 검증 결과 시험설정전압과 측정값을 비교해보면, 개발된 시스템의 경우 설정된 시험인가전압에 가까운 값이 실제 인가되는 것을 확인할 수 있었으며, 측정값을 기존에 사용되는 절연저항계와 비교하였을 때 보다 정확하게 높은 해상도로 측정되는 것을 확인하였다.
- 절연성능 평가결과 기준값 이상의 절연저항값이 측정되었지만, 측정결과보다는 500[V]의 시험전압을 설정하여 전압을 인가하였을 때 실제 인가되는 시험인가전압이 설정된 시험 전압에 미치지 못했다는 것을 확인할 수 있다. 절연저항계에 의한 절연성능은 실제 시험 인가전압이 낮게 인가된다고 해서 절연저항값이 차이가 발생하는 것은 아니지만, 실제 작동하는 전압에 대한 절연상태가 안정적인지는 실제 작동전압 이상의 전압을 인가하여 검증해야 한다.
- 기존의 일반적인 전기설비에서 사용하는 절연저항계는 최대시험단락전류와 측정범위 및 해상도의 문제로 인하여 HFCV에 적용하는데 문제가 있었지만 HFCV에 적합한 절연저항 측정 시스템의 부재로 인하여 지속적으로 사용되어 왔다. 하지만, 기존의 절연저항계의 문제점인 최대시험단락전류와 측정범위 등의 문제를 해결한 본 연구 결과물인 절연저항 측정시스템을 사용하면 HFCV의 절연성능 평가시 시험조건을 만족하며, 정확한 절연성능을 측정할 수 있는 것으로 실험실 수준의 검증 결과와 실차 상태의 검증 결과를 통하여 알 수 있었다.
- 하지만, 최대시험단락전류를 20[mA]로 설정한 후, 시험 인가전압을 500[V]로 하여 시험하였을 때는 최대시험 단락전류가 20[mA]까지 흐를 수 있기 때문에 시험 인가전압이 제한되지 않고 498[V]가 인가된 것을 확인하였으며, 두 가지 경우 모두 측정값은 33[kΩ]으로 측정된 것을 확인 하였다.
후속연구
- 001[㏁](1[kΩ]) 단위로 측정 가능하도록 설계하였다. 본 연구의 결과물인 절연저항 측정 시스템을 활용하면, 향후 HFCV의 절연성능 평가 및 성능 향상에 도움이 될 것으로 판단된다.
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