05. 절연(Isolation) 이란?

전기자동차를 보며 많은 사람들이 우려하는 Event는 당연 화재와 감전이다.

실제로도 Filed에서도 관련된 사고들이 끊임없이 발생한다.

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전기자동차의 화재와 감전을 방지하기 위해,

설계/개발 중에 필수적으로 염두해야하는 개념이 바로 오늘의 주인공 "절연(Isolation)" 이다.

고전압 배터리팩(대부분 리튬이온배터리)은 전기자동차의 핵심이며 동시에 가장 큰 위험요소이기도 하다.

이 위험요소를 말 그대로 격리시키는 것이 절연 Isolation 설계이다.

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절연설계의 목적은 크게 아래 3가지 정도로 생각할 수 있다.

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1. 감전방지

- 운전자 혹은 정비사가 고전압 배터리에 감전되는 것을 방지

2. Noise방지

- 고전압 배터리에서 발생하는 Noise가 차량 내 다른 제어기의 오동작을 유발하는 것을 방지

3. 차량 내 다른기기 손상방지

- 차량 시스템이 고전압 배터리에 의해 손상되는 것을 방지

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아래 전기자동차를 만지고 있는 사람을 가정해보자.

정말 극단적인 가정을 해본다면!

절연이 깨져있는 경우 혹은 절연이 없는 상황에서는

아래와 같이 Closed Loop가 형성되어 사람에게 해를 끼칠 수 있는 상황이 도출될 수 있다.

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저 초록색은 아마 사망했을 가능성이 높다.

만약 설연설계를 했다면 결과는 어땠을까?

배터리팩을 isolation시킨다면 기본적으로 전기적 연결이 끊어지기 때문에 위와같은 Closed Loop형성이 불가하다.

 

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절연(isolation)시킨다는 것은 기본적으로 GND를 분리시키는 것이다.

우리가 보통 다루는 GND(earth GND)외에

전혀 다른차원의 세상에 새로운 GND(isolated GND)를 형성시켜놓는다고 생각하면 이해가 쉽ㄴ다.

GND가 다르기 때문에 접촉이 된다고해도 전류가 흐를 길이 없다.

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절연설계의 또 다른예로 고전압 배터리팩을 제어하는 BMS(Battery Management System)를 살펴보자.

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고전압배터리 상태를 측정해야하기 때문에 BMS는 어쩔수없이 고전압을 본인의 내부로 유입시켜야 한다.

그리고 이렇게 유입된 고전압은 당연히 BMS의 동작을 방해하거나 고장을 유발할 수 있다.

이럴때 필요한건! 또다시 절연(isolation)이다.

 

BMS동작을 위한 구역(빨간구역)에는,
CPU라고 할 수 있는 Micro Controller Unit(MCU) 여러 Power Regulator 및 통신 IC들이 있다.
이 구역의 동작을 지원해주는 Power Source는 차량의 Bonnet에 있는 12V Aux Battery 이다.

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그리고 고전압배터리 정보를 취득하는 구역(초록구역)은 고전압배터리,

즉 자기 자신을 Power Source로 활용한다.

전기자동차 설계시 이렇게 고전압배터리를 활용하는 구역과 Aux Battery를 사용하는 구역을 확실히 절연시켜서

혹시라도 고전압배터리가 Aux Battery 영역을 방해하는 일이 없도록 해야한다.

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그럼 이런 의문이 들 수 있다.

"그래서.. 전기적 절연은 어떻게 하는거야? GND를 어떻게 분리하는거야?"

이 부분은 기회가 된다면(..과연?) "HW개발이야기"에서 포스트를 해보도록 하겠다.

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절연이란것은 이상적으로 무한대의 저항을 놓는것과 같다.

즉 A와 B를 절연시켰다는 것은 A와 B사이에 무한대의 저항이 놓여서 전류가 흐를 수 없다는 것과 같다.

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따라서 차량과 고전압배터리를 절연시켰다는 것은

차량과 고전압배터리 사이에 무한대만큼의 저항이 놓인 것이라고 이해해도 무방하다.

이 저항 값을 "절연저항(isolation resistance)"라고 부른다.

영어표현으로 Insulation resistance라고도 하니 참고.

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전기자동차 시스템은 꾸준히 이 절연저항을 측정하여 절연이 안전하게 형성되어있는지를 확인한다. (㏁단위)

그래서 절연저항이 기준치보다 낮게 측정된다면 곧바로 위험신호를 보내 사고를 방지한다.

 

절연저항을 어떻게 측정하는지에 대해서는 다음 포스트를 통해 살펴보겠다.