[논문]수소연료전지자동차의 충돌시 절연성능 평가방법에 관한 고찰

이기연; 길형준; 김동욱; 김동우; 강대철

doi:10.7316/khnes.2012.23.6.612

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

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.23 no.6, 2012년, pp.612 - 618

이기연 (한국전기안전공사 전기안전연구원) , 길형준 (한국전기안전공사 전기안전연구원) , 김동욱 (한국전기안전공사 전기안전연구원) , 김동우 (한국전기안전공사 전기안전연구원) , 강대철 (한국전기안전공사 전기안전연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, in order to prevent electric shock of high voltage system of HFCV after crash test, insulation performance measurement methods were studied. Under conditions of in-use, insulation performance tests can be divided into measurement method using the vehicle's own RESS as DC voltage source and measurement method using DC voltage from off-vehicle sources. However, these tests can not be applied after a post-crash because parts of high voltage system cover should be removed, and insulation performance can be influenced during these tests. Therefore, we proposed post-crash insulation performance test methods for preventing electric shock through problem analysis of previous post-crash insulation performance tests. Also, test equipment which can measure voltage absence and total energy was developed. We verified performance of the equipment through experiments with vehicle test.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 GTR에서 제시하고 있는 충돌 후 절연성능 평가방법의 대안인 전압방전 및 에너지 측정을 통한 절연성능 평가 방법을 분석하고 전압방전 및 에너지 측정장치 개발에 따른 실차를 대상으로 한 충돌 후 절연 성능 평가 장비에 대한 검증을 통하여 감전보호를 위한 수소연료전지자동차의 충돌시 절연 성능 평가 방법을 제시하고자 한다.
본 연구는 수소연료전지자동차의 충돌시 절연성능 평가를 위한 방법을 제시하였으며, 실차 시험을 통하여 제시한 평가방법에 적합한 평가 장비의 설계 및 성능 검증을 실시하였다.

제안 방법

1) In Use 상태의 절연성능 평가 방법으로 내부의 직류 전원을 이용하여 측정하는 방법과 외부로부터 직류 전원을 인가하여 측정하는 방법에 대하여 분석하였다.
3) Post Crash 상태의 절연성능 평가 방법인 전압 방전 및 에너지 측정 방법에 대하여 제시하였으며, UNECE GTR에서 제시하고 있는 방법에 적합한 평가장비를 설계하였다.
Post Crash 상태의 절연성능 평가를 위하여 전압방전 측정과 에너지 측정 두 가지 기능을 포함하는 평가 장치를 설계하였다. 설계한 평가 장비의 측정 데이터는 전압(Vb, V1, V2)과 전류(Ie), 시간을 측정한다.
내부의 직류전원을 이용하여 측정하는 방법은 고전압시스템을 통전시킨 상태에서 내부저항이 10[MΩ]이상의 직류전압계를 사용하여 측정한다.
측정데이터는 전압 및 에너지의 변화 상태를 분석하기 위하여 2ms/point의 분해능을 갖도록 설계하였으며, 측정시간은 관련 기준에 적합하도록 80초간 측정이 가능하도록 설계하였다. 또한, 충돌 직후의 데이터를 저장하며, 충돌시점에 대한 판단을 위하여 충돌센서의 출력신호인 Active Low 신호를 트리거 신호로 이용하여 트리거 신호가 입력된 직후부터 전압, 전류, 시간에 대한 데이터를 저장하도록 설계하였다. 친환경자동차의 고전압시스템에 대한 평가를 위하여 전압 측정 범위는 AC/DC -512V ~ +512V 측정이 가능하도록 설계하였다.
Post Crash 상태의 절연성능 평가를 위하여 전압방전 측정과 에너지 측정 두 가지 기능을 포함하는 평가 장치를 설계하였다. 설계한 평가 장비의 측정 데이터는 전압(Vb, V1, V2)과 전류(Ie), 시간을 측정한다.
전압 방전 및 에너지 측정 모드에서 측정된 데이터는 MCU 내부 메모리에 측정 데이터를 저장하고 시험 종료 후 측정 장치에 삽입된 외부 메모리에 그 결과를 저장하는 프로세서로 설계되어 있기 때문에 시험 종료 후 측정 데이터를 외장 메모리로부터 읽어 데이터를 분석하여 적부판정을 결정한다.
충돌시 데이터 측정은 충돌 후 5초 후 스위치 S1을 닫아 Vb 전압과 전류 Ie를 측정한다. 전압(Vb)과 전류(Ie)를 스위치 S1이 닫혔을 때(tc)부터 시작하여 고전압 한계값인 60Vdc로 떨어졌을 때(th)의 전압(Vb)까지의 주기 동안 누적된 결과에 대한 전체 에너지를 측정하여 평가한다⁶⁾.
충돌시 데이터 측정은 충돌 후 5초 후 스위치 S1을 닫아 Vb 전압과 전류 Ie를 측정한다. 전압(Vb)과 전류(Ie)를 스위치 S1이 닫혔을 때(tc)부터 시작하여 고전압 한계값인 60Vdc로 떨어졌을 때(th)의 전압(Vb)까지의 주기 동안 누적된 결과에 대한 전체 에너지를 측정하여 평가한다⁶⁾.
전류 측정은 시간에 따른 Vb 전압에 대하여 측정기 내부에 연결된 저항(Re)을 통해 흐르는 전류(Ie)를 측정하게 된다. 측정데이터는 전압 및 에너지의 변화 상태를 분석하기 위하여 2ms/point의 분해능을 갖도록 설계하였으며, 측정시간은 관련 기준에 적합하도록 80초간 측정이 가능하도록 설계하였다. 또한, 충돌 직후의 데이터를 저장하며, 충돌시점에 대한 판단을 위하여 충돌센서의 출력신호인 Active Low 신호를 트리거 신호로 이용하여 트리거 신호가 입력된 직후부터 전압, 전류, 시간에 대한 데이터를 저장하도록 설계하였다.
측정은 Fig. 1에 나타낸 것과 같이 1단계로 Vb, V1, V2 전압을 측정한 후 V1이 V2보다 크거나 같으면 Fig. 2에 나타낸 것과 같이 저항 Ro를 삽입하여 2단계로 V1'전압을 측정한다.
또한, 충돌 직후의 데이터를 저장하며, 충돌시점에 대한 판단을 위하여 충돌센서의 출력신호인 Active Low 신호를 트리거 신호로 이용하여 트리거 신호가 입력된 직후부터 전압, 전류, 시간에 대한 데이터를 저장하도록 설계하였다. 친환경자동차의 고전압시스템에 대한 평가를 위하여 전압 측정 범위는 AC/DC -512V ~ +512V 측정이 가능하도록 설계하였다.

성능/효과

2) In Use 상태의 절연성능 평가 방법에 대하여 Post Crash 상태의 절연성능 평가방법에 적용시 문제점을 제시하였다.
4) 설계된 전압 방전 및 에너지 측정장치에 대한 실차 시험을 통한 성능 검증 결과 Post Crash 조건에서 시험 조건을 만족하며, 정확한 절연성능을 평가할 수 있다는 것을 확인하였다.
10는 정면 충돌시 연료전지스택의 전압 방전을 측정한 것이다. 측정 전압은 Vb, V1, V2을 측정하였으며, 측정결과 약 7s 이내에 제한전압인 60V 미만으로 전압이 방전되는 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

본 연구의 결과물인 충돌시 절연성능 평가 장비를 이용한 평가 방법을 활용하면 향후 수소연료전지자동차의 절연성능 평가 및 성능 향상에 도움이 될 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	친환경 자동차의 구동을 위한 고전압 시스템을 구동에너지원의 구성에 따라 어떻게 구분되는가?	친환경 자동차의 구동을 위한 고전압 시스템은 구동에너지원의 구성에 따라 크게 두 가지로 구분할 수 있다. 전기자동차(EV) 등과 같이 구동축전지의 전기에너지를 이용하는 시스템과 수소연료전지자동차(HFCV)와 같이 구동축전지의 전기에너지와 연료전지스택의 화학에너지에 의해 변환된 전기에너지를 같이 사용하는 시스템으로 구분할 수 있다. 이상과 같이 친환경자동차의 고전압시스템은 60Vdc(또는 30Vac) 이상의 전압원을 갖는 구동축전지와 연료전지스택을 사용함에 따라 인체에 직･간접 접촉에 의한 감전사고의 위험성이 존재하기 때문에 인체 감전사고 예방을 위하여 국내･외 안전기준 제정을 위한 노력을 기울이고 있다.
	일반적인 사용 상태의 절연 성능 평가방법은?	일반적인 사용 상태의 절연 성능은 절연성능 측정시 고전압 시스템의 외함을 제거하여 고전압 버스와 전기적 섀시 사이에 측정 절차에 따라 절연 성능을 평가하며, 평가 방법은 절연성능 평가장비를 이용하는 방법과 전압 측정을 통하여 계산식을 통해 평가 하는 두 가지 방법으로 나눌 수 있다. 하지만, 충돌후 절연 성능은 충돌 시험 종류에 따라 차량 차체의 구조적인 소손 상태로 인하여 측정이 불가능한 경우가 발생한다.
	일반적인 사용 상태의 절연 성능은 어떻게 평가하는가?	일반적인 사용 상태의 절연 성능은 절연성능 측정시 고전압 시스템의 외함을 제거하여 고전압 버스와 전기적 섀시 사이에 측정 절차에 따라 절연 성능을 평가하며, 평가 방법은 절연성능 평가장비를 이용하는 방법과 전압 측정을 통하여 계산식을 통해 평가 하는 두 가지 방법으로 나눌 수 있다. 하지만, 충돌후 절연 성능은 충돌 시험 종류에 따라 차량 차체의 구조적인 소손 상태로 인하여 측정이 불가능한 경우가 발생한다.

참고문헌 (6)

K. Y. Lee, D. O. Kim, H. K. Kim, H. W. Moon, "A Study on the Insulation Resistance Measurement Technique for Electrical Safety of Green Car", Trans. of the Korean Institute of Electrical Engineers, Vol. 58P, No. 4, pp. 597-601, 2009.
J. C. Hong, S. J. Kang, S. J. Choi, S. Y. Park, J. W. Kim, "An Analysis on CO2 Emission and Cost Effects of Hydrogen Energy in Sedan Sector", Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society, Vol. 20, No. 1, 2009, pp. 9-21.
J. S. Lim, H. W. Lee, Y. S. Hong, K. B. Lee, G. J. Yong, H. B. Kwon, "Development on Fuel Economy Test Method for Hydrogen Fuel Cell Vehicles", Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society, Vol. 21, No. 3, 2010, pp. 207-213.
C. Hwangbo, K. M. Lee, K. J. You, "Research on Standards for Protection against Electric Shock in Global Technical Regulations of Fuel Cell Vehicle", Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society, Vol. 21, No. 3, 2010, pp. 167-183.
K. Y. Lee, D. O. Kim, H. K. Kim, "Study on the Evaluation Method of Electrical Isolation Property for Hydrogen Fuel Cell Vehicle", Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society, Vol. 22, No. 6, 2011, pp. 810-818.
UNECE, "Hydrogen vehicle Draft GTR SGS", 2011.

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