[논문]수소연료전지자동차의 절연성능 평가방법에 관한 고찰

이기연; 김동욱; 김향곤

doi:10.7316/khnes.2011.22.6.810

수소연료전지자동차의 절연성능 평가방법에 관한 고찰
Study on the Evaluation Method of Electrical Isolation Property for Hydrogen Fuel Cell Vehicle 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.22 no.6, 2011년, pp.810 - 818

이기연 (한국전기안전공사 전기안전연구원) , 김동욱 (한국전기안전공사 전기안전연구원) , 김향곤 (한국전기안전공사 전기안전연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper analyzed the suitability about the isolation performance criteria which was based on human impedance and effect of current in IEC 60479-1 on the safety of human being was examined. The method of evaluation by megger and DC voltmeter was analyzed. The differences of isolation performance according to design of high-voltage system were analyzed. The factors which affect the insulation performance were analyzed for HFCV, EV, HEV, etc. through analysis of the isolation performance evaluation method. Finally, design for improved isolation performance was proposed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 절연성능 평가기준 및 평가방법에 대한 분석과 모델링을 통한 실험을 통하여 실체 수소연료전지자동차에서 절연성능에 영향을 끼치는 요소와 친환경자동차의 고전압시스템의 설계방식에 따른 절연성능 평가방법의 차이점에 대하여 분석하였다.
본 연구에서는 IEC 60479-1을 통하여 인체 감전사고 예방을 위한 절연성능 평가 기준과 평가방법에 대하여 분석하였다. 절연성능 평가 기준 및 평가방법에 대한 분석과 모의실험을 통하여 실체 수소연료전지자동차에서 절연성능에 영향을 끼치는 요소와 친환경자동차의 고전압시스템의 설계방식에 따른 절연성능 평가방법의 차이점에 대하여 분석하였다.

제안 방법

수소연료전지자동차는 조건Ⅰ과는 다르게 연료전지스택 내부의 냉각수가 고전압시스템의 고전압버스와 전기적섀시 사이를 연결하는 매개체 역할을 하기 때문에 냉각수의 조건에 따라 절연성능에 영향을 끼치게 된다. 또한, 냉각수의 저항성분을 모델링하면 R1과 R2와 같은 역할을 하기 때문에 조건Ⅱ로 모델링하였다.
모델링에 의한 모의실험을 위하여 직류전원공급기(XDC150-40, Xantrex, USA)는 80[VDC]로 설정하였다. 부하는 10㏀(10W)를 이용하여 회로를 구성하였으며 모델링에 따른 전압은 오실로스코프(TDS-3052, Tektronix, USA)를 이용하여 측정하였다.
모델링에 의한 모의실험을 위하여 직류전원공급기(XDC150-40, Xantrex, USA)는 80[VDC]로 설정하였다. 부하는 10㏀(10W)를 이용하여 회로를 구성하였으며 모델링에 따른 전압은 오실로스코프(TDS-3052, Tektronix, USA)를 이용하여 측정하였다.
본 연구에서는 IEC 60479-1을 통하여 인체 감전사고 예방을 위한 절연성능 평가 기준과 평가방법에 대하여 분석하였다. 절연성능 평가 기준 및 평가방법에 대한 분석과 모의실험을 통하여 실체 수소연료전지자동차에서 절연성능에 영향을 끼치는 요소와 친환경자동차의 고전압시스템의 설계방식에 따른 절연성능 평가방법의 차이점에 대하여 분석하였다.
콘덴서만 연결된 상태는 Fig. 5에서 콘덴서 C1과 C2만 회로로 구성되어 있는 상태로서 전기자동차와 하이브리드전기자동차 등에서 고전압시스템의 고전압버스와 전기적섀시 사이에 EMI, EMC 등 전자파 특성을 향상시키기 위한 Y-Cap을 시설한 것을 모의한 것으로 Y-Cap의 종류에 따라 DC용, AC용 두 가지에 대하여 모델링하였다.

대상 데이터

시험조건은 다음의 3가지 모델에 대하여 시험하였으며, 콘덴서가 연결된 회로는 DC/AC 용 콘덴서를 이용하여 각각의 회로에 대하여 측정하였다.

성능/효과

10은 조건Ⅲ의 V1에 대한 측정 파형이다. 직류전원에 대하여 AC용 콘덴서를 설치하였기 때문에 (a)와 같이 전원을 off 상태에서 on되었을 때 콘덴서에 충전되는 과도현상으로 전압이 상승하였다가 일정시간이 지나면 0[V]로 수렴하는 것을 확인할 수 있었으며, (b)에서도 동일한 현상이 발생한 것을 알 수 있었다. Fig.
1) 고전압시스템의 감전보호를 위한 절연성능 평가기준은 100[Ω/VDC], 500[Ω/VAC] 이상을 유지하도록 하고 있으며, 이는 IEC 60479-1에 나타낸 감전에 대한 인체 반응 곡선과 시간 영역에 대한 분석을 통하여 감전사고 예방을 위한 기준임을 확인하였다.
2) 외부로부터 직류전원을 인가하여 절연성능을 평가방법은 시험인가전압에 대한 명확한 정립을 통하여 작동전압 이상의 시험인가전압에 대한 기준을 제시하였다.
3) 내부의 직류전원을 이용한 절연성능 평가방법은 고전압시스템의 구조에 따라 전기적인 폐회로가 구성이 되어야 측정이 가능한 것을 확인하였다.
4) 수소연료전지자동차에서 고전압버스와 전기적섀시 사이의 절연성능에 영향을 끼치는 중요한 요소는 냉각수의 유전율로서 냉각수의 유전율 관리가 중요한 것을 확인하였다.
5) EMI, EMC 등 전자파 특성을 향상시키기 위한 Y-Cap을 시설할 경우 절연성능 측정 방법에 따른 콘덴서의 내압을 고려해서 설계해야 평가 중 시스템 이상에 의한 고장 및 사고를 예방할 수 있는 것을 확인하였다.
이상과 같은 결과로부터 고전압버스와 전기적섀시가 물리적으로 완전 절연된 고전압시스템의 절연성능 평가는 전압계를 이용한 방법으로는 평가할 경우 V1, V2 전압이 측정되지 않기 때문에 평가가 불가능한 것을 알 수 있었다. 이러한 시스템에서는 절연저항계를 이용한 평가를 실시하여야 할 것이다.
이상과 같이 조건Ⅲ에 대한 모델링 시험결과 EMI, EMC 등 전자파 특성을 향상시키기 위한 Y-Cap 설치시 전원특성을 고려하여 부품을 선정하여 설치하면 전기적인 폐회로가 구성되어 전압계를 이용한 절연성능 평가가 가능한 것을 알 수 있었다. 콘덴서의 정전용량은 식 (6)과 같이 결정되며, ε= ε_sε_o로 계산된다.
또한, 자동차에서는 전기설비의 누전차단기와 같은 보호장치를 설치하기가 쉽지 않기 때문에 시간 영역에 가능한 영향을 받지 않는 범위 내의 절연성능을 유지해야 한다. 전원의 종류에 따른 절연성능 기준인 100[Ω/VDC], 500[Ω/VAC]는 감전보호를 위한 최소한의 절연성능으로 분석되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	GTR draft에서는 어떤 기준을 나타내는가?	29의 GTR draft에서 언급한 내용을 중심으로 수행되고 있다. GTR draft에서는 인체 감전보호를 위하여 자동차의 충돌 전후의 안전기준에 대하여 나타내고 있으며, 안전기준에 대한 내용은 정의 및 절연저항, 전압, 에너지, 물리적 보호 등에 대한 요구사항을 설명하고 있다. 일부 요구사항에 대한 평가방법을 명시하고 있다4).
	본 연구는 절연성능 평가기준 및 평가방법에 대한 분석과 모델링을 통한 실험을 통하여 실체 수소연료전지자동차에서 절연성능에 영향을 끼치는 요소와 친환경자동차의 고전압시스템의 설계방식에 따른 절연성능 평가방법의 차이점에 대하여 분석한 결과는?	1) 고전압시스템의 감전보호를 위한 절연성능 평가기준은 100[Ω/VDC], 500[Ω/VAC] 이상을 유지하도록 하고 있으며, 이는 IEC 60479-1에 나타낸 감전에 대한 인체 반응 곡선과 시간 영역에 대한 분석을 통하여 감전사고 예방을 위한 기준임을 확인하였다. 2) 외부로부터 직류전원을 인가하여 절연성능을 평가방법은 시험인가전압에 대한 명확한 정립을 통하여 작동전압 이상의 시험인가전압에 대한 기준을 제시하였다. 3) 내부의 직류전원을 이용한 절연성능 평가방법은 고전압시스템의 구조에 따라 전기적인 폐회로가 구성이 되어야 측정이 가능한 것을 확인하였다. 4) 수소연료전지자동차에서 고전압버스와 전기적섀시 사이의 절연성능에 영향을 끼치는 중요한 요소는 냉각수의 유전율로서 냉각수의 유전율 관리가 중요한 것을 확인하였다. 5) EMI, EMC 등 전자파 특성을 향상시키기 위한 Y-Cap을 시설할 경우 절연성능 측정 방법에 따른 콘덴서의 내압을 고려해서 설계해야 평가 중 시스템 이상에 의한 고장 및 사고를 예방할 수 있는 것을 확인하였다.
	수소연료전지자동차의 앞으로의 전망은?	이에 따른 기존 엔진을 대체하는 전기장치의 성능 향상과 안전 확보를 위한 기술 개발의 필요성이 대두되고 있는 실정이다1). 특히 수소연료전지자동차의 경우 2010년대에 국내 상용화 예정으로 2040년에 약 16%의 에너지 소비 감축 효과를 나타낼 것으로 분석되었으며, 유해 배출가스가 없는 무공해 자동차로 관심이 커지고 있다. 또한 우리나라를 비롯한 세계 각국에서 수소연료전지자동차에 대한 개발 및 실증평가가 이루어지고 있는 실정이다2,3).

참고문헌 (6)

이기연, 김동욱, 김향곤, 문현욱, "친환경 자동차의 전기안전을 위한 절연저항 측정에 관한 연구", 대한전기학회 논문지, Vol. 58P, No. 4, 2009, pp. 597-601.
홍종철, 강승진, 최상진, 박상용, 김종욱, "수소에너지의 승용차부문 도입에 따른 $CO_{2}$ 배출 감축 및 비용효과 분석 연구", 한국수소 및 신에너지학회 논문집, Vol. 20, No. 1, 2009, pp. 9-21.

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임종순, 이현우, 홍윤석, 이광범, 용기중, 권해붕, "수소연료전지자동차 연료소비율 평가기술 개발에 관한 연구", 한국수소 및 신에너지학회 논문집, Vol. 21, No. 3, 2010, pp. 207-213.

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황보천, 이규명, 유경준, "연료전지 자동차 세계기술규정의 감전보호기준 연구", 한국수소 및 신에너지학회 논문집, Vol. 21, No. 3, 2010, pp. 167-183.

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지식경제부 기술표준원, "인체와 가축에 대한 전류의 영향-제1부 : 일반적인 양상", KSC IEC 60479-1, 2007.
UNECE, "Hydrogen vehicle Draft GTR SGS", 2011.

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