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문제 정의
- 본 연구는 차량 배선 시스템에 구성되는 가장 기본적인 케이블과 커넥터에 대한 고전압 평가 기술에 관한 연구이다.
- 본 연구에서는 고전압 부품의 전기적 안전성을 확보하기 위한 전기 안전 설계 기준 및 고전압 부품의 평가 기준을 제시하고자 한다.
- 케이블은 자동차 내 전력과 신호를 공급을 하는 역할로 배선시스템에서 가장 중요한 역할을 하고 있다. 본 연구에서는 수소연료전지 자동차의 고전압 케이블을 사용하여 케이블의 적합성과 사용자의 안전성을 확보하기 위한 전기적인 시험평가를 실시하였다.
- 절연저항 측정시험은 수소연료전지자동차 고전압 케이블의 절연저항을 측정하여 안전성의 이상 유무를 확인하는데 목적이 있다. 절연 저항 측정 시험 평가 방법은 KS C IEC 60811(과거 KS C 3004)규격을 참고하여 실시하였다.
제안 방법
- 300A급 고전압 커넥터 Male, Female 부분을 체결한 후 30~330A까지 전류(부하)를 인가하여 8회 시험 평가를 실시한다. 고전압 커넥터의 온도 변화를 온도 레코더(YOKOGAWA, MV200)를 이용하여 온도 변화를 측정한다(JIS C0704 규격 참고).
- 고전압 케이블의 시험 평가로 사용된 시료는 고내 열성 케이블 종류인 AHHEX, AHEX을 사용하였으며, 이 케이블은 현재 개발 중인 수소연료전지 자동차에 사용되고 있다. AHHEX, AHEX 케이블은 도체부가 주석도금 연동선인 고내열성 케이블로 AHHEX - BS 종류의 50sq와 AHEX 3sq, 5sq 세 가지 종류 시료에 대하여 시험 평가를 실시하였다(Fig. 1). 50sq는 인버터와 구동모터를 연결하는 파워케이블에 적용되며, 5sq와 3 sq는 고전압 정션박스 내부와 PTC 히터 등고전압 전장품에 사용된다.
- 5t로 그 수준을 정하여 시험하였다. 결과에 영향을 미칠 잡음인자로 온도와 습도를 고려하였다. N1은 온도 25℃/습도 30% N2는 온도 25℃/습도 80%, N3는 온도 80℃/습도 30%, N4는 온도 80℃/습도 80%의 조건 하에 시험하였다.
- 300A급 고전압 커넥터 Male, Female 부분을 체결한 후 30~330A까지 전류(부하)를 인가하여 8회 시험 평가를 실시한다. 고전압 커넥터의 온도 변화를 온도 레코더(YOKOGAWA, MV200)를 이용하여 온도 변화를 측정한다(JIS C0704 규격 참고).
- 측정 기준이 되는 온도 20℃, 전선 길이 1m의 저항을 이용해 온도 변화 및 길이가 변경된 경우의 도체 저항 값을 구할 수 있다. 기준이 되는 전선의 단위 길이(1m)당 저항을 고정 저항으로 고려하고, 시험 온도에서 케이블 시료와 장비의 가변저항을 이용한다. 가변저항을 조정하여 기준이 되는 저항(온도 20℃, 길이 1m의 저항)과 시료 및 장비의 가변저항 값의 대각 곱이 같음을 이용한 휘트스톤 브리지(Wheatstone Bridge)법을 이용하여 식 (1)로부터 20℃일 때의 선길이 1m에 대한 값으로 환산한다.
- 별도지시가 없는 한 표준 외기 조건은 KS A0006(시험장소 표준 상태)에 명시된 온도 조건, 15급(20±5℃)과 표준 습도 조건, 20급(65±20%)으로 시험평가를 실시하였다.
- 본 연구에서 PVC 재질과 에폭시 재질에 대해서 각각 절연 두께를 변화시키면서 절연 성능을 측정하였다(Table 5).
- 시험 조건은 별도지시가 없는 한, 표준 외기 조건은 KS A0006(시험장소 표준 상태)에 명시된 온도 조건, 15급(20±5℃)과 표준습도 조건, 20급(65±20%)으로 시험평가를 실시한다5).
- 고전압에 사용되는 케이블의 선색은 오렌지색이며, 고전압 부품들은 ‘고전압’ 주의 경고로 취급 시 주의하도록 한다. 시험 평가전 절연 장갑 및 안면마스크, 보호안경, 안전화 및 고무장갑, 앞치마 등의 보호 안전 장구 착용 후 시험 평가를 실시한다. 추가로 시험 평가전 고전압 측정 장비의 측정 범위 및 사양을 충분히 조사 후 사용하도록 한다.
- 제어인자를 절연체 재질과 두께로 선정하였다. 재질은 PVC와 에폭시, 두께는 0.3t와 0.5t로 그 수준을 정하여 시험하였다. 결과에 영향을 미칠 잡음인자로 온도와 습도를 고려하였다.
- 시료를 약 5m 정도를 취하여 250mm를 수면위로 나오게 한 후, 수온 약 70±2℃에서 1시간침수시킨다. 절연저항측정기(TOA, SM-8220)를 이용하여 물과 도체 사이에 DC 100V에서 500V의 전압을 1분간 가하여 절연 저항을 측정한다(Fig. 3). 이 때 시료의 체적 저항은 측정된 절연 저항 값을 이용하여 식 (2)에 의하여 산출한다6).
- 시험 평가전 절연 장갑 및 안면마스크, 보호안경, 안전화 및 고무장갑, 앞치마 등의 보호 안전 장구 착용 후 시험 평가를 실시한다. 추가로 시험 평가전 고전압 측정 장비의 측정 범위 및 사양을 충분히 조사 후 사용하도록 한다.
대상 데이터
- 고전압 케이블의 시험 평가로 사용된 시료는 고내 열성 케이블 종류인 AHHEX, AHEX을 사용하였으며, 이 케이블은 현재 개발 중인 수소연료전지 자동차에 사용되고 있다. AHHEX, AHEX 케이블은 도체부가 주석도금 연동선인 고내열성 케이블로 AHHEX - BS 종류의 50sq와 AHEX 3sq, 5sq 세 가지 종류 시료에 대하여 시험 평가를 실시하였다(Fig.
- 본 시험 평가는 실제 수소연료전지 자동차에 사용되는 전압을 고려한 450V 이상의 전압을 사용한다. 그러므로 시험 평가 전 측정자는 고전압 시스템에 대한 충분한 지식과 주의사항에 대한 교육이 선행되어야 한다.
- 수소연료전지 자동차에서 사용되는 전압을 견딜 수 있는 300A급 14파이(Ø) Male, Female 단자를 사용하여 시험 평가를 실시하였다(Fig. 5).
이론/모형
- 본 연구에서 시험 평가 방법 및 결과는 KS C 3311, KS C IEC 60811 규격을 포함한 JASO D616, JASO D 618, JIS C 0704, SAE J 1742 등의 규격을 참고하여 작성하였다(Table 7). 고전압 안전 사항은 규격 ECE R100, IP6K9K, KS A ISO 3894, ISO 6469-1, ISO 23273-3, IP2X, 자동차안전기준에 관한 규칙(국토해양부 02-2110-8692)을 참고하였다7-11).
- 고전압 커넥터의 시험 평가는 커넥터에 300A를 기준으로 전류(부하) 인가 시 주변 온도와의 온도변화차이가 60℃보다 낮게 측정되어야 한다는 기준을 작성하였다(JIS C 0704 참고). 준비한시료에대하여시험평가한 결과 300A 전류(부하) 인가 시 58.
- 내전압 시험은 수중에서의 내전압 측정으로 KS CIEC 60811과 JASO D 618을 참고하여 시험 평가를 실시하였다. 케이블 시료의 길이를 약 600mm로 준비하고 양 끝단의 절연체를 약 25mm 정도 제거한다.
- 본 연구에서 시험 평가 방법 및 결과는 KS C 3311, KS C IEC 60811 규격을 포함한 JASO D616, JASO D 618, JIS C 0704, SAE J 1742 등의 규격을 참고하여 작성하였다(Table 7). 고전압 안전 사항은 규격 ECE R100, IP6K9K, KS A ISO 3894, ISO 6469-1, ISO 23273-3, IP2X, 자동차안전기준에 관한 규칙(국토해양부 02-2110-8692)을 참고하였다7-11).
- 시험 평가 방법은 도체 저항 측정기(TINSLEY, QJ84)를 사용하여 도체의 저항 값을 측정한다(Fig. 2). 측정 기준이 되는 온도 20℃, 전선 길이 1m의 저항을 이용해 온도 변화 및 길이가 변경된 경우의 도체 저항 값을 구할 수 있다.
- 절연저항 측정시험은 수소연료전지자동차 고전압 케이블의 절연저항을 측정하여 안전성의 이상 유무를 확인하는데 목적이 있다. 절연 저항 측정 시험 평가 방법은 KS C IEC 60811(과거 KS C 3004)규격을 참고하여 실시하였다. 시료를 약 5m 정도를 취하여 250mm를 수면위로 나오게 한 후, 수온 약 70±2℃에서 1시간침수시킨다.
성능/효과
- 1) 고전압 케이블의 도체 저항, 수중 내전압, 절연저항 시험 측정 평가 결과 AHEX 3sq를 기준으로 하였을 때 도체 저항은 5.123Ω/km로 기준인 5.65Ω/km보다 작은 값으로 측정 되어 평가 기준을 만족하였다. 절연저항 시험 평가는 고유 수중 내전압4.
- 2) 고전압 커넥터의 300A급 전류(부하) 인가 시 주변 온도와의 차이를 평가 결과 58.6℃로 60℃보다 낮은 온도 차이를 보였다. 이는 JIS C 0704 규격을 참고하였을 때 사용하는 데 문제가 없는 것으로 판단된다.
- PVC 재질로 0.3t를 도포한 결과 56MOhm 수준의 절연 성능일 보이는데 이는 기준인 100MOhm에 못미치는 결과며, 도포량을 0.5t로 증가 시킬 경우는 실온 조건에서 기준을 만족하는 성능이 나왔다. 하지만 고온 다습한 조건에서는 급격하게 절연성능이 저하되는 문제가 있어 연료전지 자동차용 버스바에 절연 코딩 재질로 PVC를 사용하는 것은 성능 확보에 어려움이 있다.
- 도체 저항시험, 절연저항 시험, 내전압 수중 시험에 대하여 5회 이상의 시험 평가 결과 작성 기준에 만족하였다(Table 2, Table 3, Table 4).
- 하지만 고온 다습한 조건에서는 급격하게 절연성능이 저하되는 문제가 있어 연료전지 자동차용 버스바에 절연 코딩 재질로 PVC를 사용하는 것은 성능 확보에 어려움이 있다. 시험 결과 에폭시 재질에 0.5t 수준의 제품으로 정하는 것이 에폭시 도포 공정이나 절연 성능면에서 최적의 조합이라 할 수 있다. 코팅이 두꺼우면 더 좋은 성능을 나타낼 수 있겠지만 현재 도포 기술로는 균질한 도포를 할 수 없으며 두께가 두꺼워질 경우 산포가 증가해 제조상에서 불량률이 증가하는 문제가 있다.
- 코팅이 두꺼우면 더 좋은 성능을 나타낼 수 있겠지만 현재 도포 기술로는 균질한 도포를 할 수 없으며 두께가 두꺼워질 경우 산포가 증가해 제조상에서 불량률이 증가하는 문제가 있다. 최적 조합의 에폭시 코팅 제품에 대해 검증 평가를 진행한 결과 AC 2500V의 전압을 가했을 때도 절연파괴가 일어나지 않았으며, 온도/습도 조건에서 절연저항 테스트를 진행한 결과도 악조건인 80℃, 80%의 습도에서도 171MOhm의 성능을 확인 할 수 있었다(Table 6).
후속연구
- 3) 본 시험 결과는 현 개발 중인 수소연료전지자동차에 사용 되고 있는 사양의 시료를 사용한 것이다. 그렇기에 추후 수소연료전지자동차를 포함한 고전압을 사용하는 차량에 적용될 수 있는 배선 시스템에 대하여 평가 혹은 기준이 될 수 있는 최소 사양에 대한 평가 기준으로 사용 될 수 있을 것이라 판단된다.
- 3) 본 시험 결과는 현 개발 중인 수소연료전지자동차에 사용 되고 있는 사양의 시료를 사용한 것이다. 그렇기에 추후 수소연료전지자동차를 포함한 고전압을 사용하는 차량에 적용될 수 있는 배선 시스템에 대하여 평가 혹은 기준이 될 수 있는 최소 사양에 대한 평가 기준으로 사용 될 수 있을 것이라 판단된다.
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