4. 절연 감시 장치(IMD)

목차

개요

IMD는 HV와 LV 계통 사이의 전기 절연 상태를 감시한다. 검차 시 차량기술규정 제 42조 절연 감시장치 검사(IMDT)에 따라 IMD 테스트를 진행한다. 내용을 요약하면 다음과 같다.

• TSMP와 GLVMP 사이를 테스트 저항으로 연결한다
• 테스트 저항은 (구동시스템 최대 전압 * 250)(Ω) 로 한다.
• IMD는 테스트 저항 연결 후 30초 내에 구동시스템을 차단해야 한다.

우리 팀의 구동시스템 최대 전압은 294V이므로, GLVMP와 HV +/-를 73.5kΩ로 연결하고 30초 내에 HV가 떨어지는지 시험하겠다는 것이다. IMDT는 배터리 검차, 전기시스템 검차, 우천 검사 직전 총 3회 실시하게 된다.

우리가 사용할 수 있는 IMD는 ISOMETER IR155-3203 또는 3204 모델로 정해져 있다. 3204 모델은 Undervoltage Detection이 꺼져 있고, 3203은 300V로 설정되어 있다. 어차피 사용하지 않는 기능이니 꺼져 있는 3204를 고르는 것을 추천한다. 그 밖에도 Measured value output이 high side인지 low side인지의 차이가 있는데, 우리는 어차피 이 출력을 사용하지 않고 OK_HS 출력만을 사용하기 때문에 이것 또한 아무 상관이 없다.

사진에 보이는 초록색 기판이 IMD이다. 그럼 이 IMD의 동작에 대해 보다 자세히 알아보자.

IMD

IMD는 Response Value(R_an) 설정값을 가지고 있다. 기본값은 100kΩ이며, 공급사로부터 지원받을 때 커스터마이징을 요청하면 100kΩ ~ 10MΩ 범위 내에서 설정할 수 있다. IMD가 하는 일은 간단하다. HV와 LV 사이의 절연 저항이 이 R_an 값 밑으로 떨어질 때 FAULT 신호를 낸다.

이 R_an 값은 반드시 차량의 구동시스템 전압에 맞는 값으로 설정되어야 한다. 제품이 한 번 오면 우리가 R_an 을 바꿀 수 있는 방법은 없다. 즉, 공급사에 지원을 요청할 때부터 제대로 알고 계산해서 요청해야 한다는 뜻이다.

R_an

R_an에는 오차 범위가 정해져 있다.

기본 설정값인 100kΩ에서 IMD는 최대 15%의 오차 범위가 존재한다. 즉, 85kΩ ~ 115kΩ가 R_an이 될 수 있다는 뜻이다. 한편, 규정에서 IMD 테스트 저항은 250Ω / V 이라고 했다. 이 저항으로 HV와 LV를 연결했을 때 IMD는 확실히 작동해야 한다.

우리 팀은 최대 294V를 사용하고 R_an 이 기본값인 100kΩ로 설정된 IMD를 사용한다. IMDT 저항은 위에서 계산한 대로 73.5kΩ이다. IMD의 R_an 이 오차 범위 최소값인 85kΩ일 때도, 최대값인 115kΩ일 때도 IMDT 저항은 항상 이 값보다 낮으므로 IMD는 반드시 동작할 것이다.

한편, 만약 우리 구동시스템 최대 전압이 600V이라고 가정해 보자. 규정에 의해 IMDT 저항은 150kΩ가 된다. R_an 이 기본 세팅된 값인 100kΩ인 IMD를 사용하면 이제 이 차량은 절대 IMDT를 통과할 수 없다. 절연 저항이 150kΩ인데 IMD는 아무리 후하게 쳐줘도 115kΩ 이상에서는 작동하지 않기 때문이다.

600V 구동시스템을 사용하려면 애초에 R_an 이 오차 범위 최소값에서도 항상 150kΩ가 넘도록 설정된 IMD를 사용해야 한다. R_an 이 250kΩ로 설정된 IMD를 사용하면 오차 범위는 대략 15%이므로 210kΩ 이하에서는 반드시 반응할 것이다.

즉, R_an 값을 너무 낮게 사용하면 IMD가 반응하지 않을 수도 있다. 반면, 너무 높게 사용하면 적절한 절연 저항을 유지하고 있는 상태에서도 IMD가 FAULT를 낼 수 있다. 위에 계산한 것처럼 적절한 수준의 R_an 값을 알아내 공급사에 요청해야 한다.

F_ave

한편, F_ave 값은 절연 저항이 기준치 이하로 낮아졌을 때 IMD가 얼마나 빨리 반응해 OK_HS 출력을 바꾸는지를 결정한다. 기본적으로 10으로 설정되어 있고, electric 및 hybrid vehicle에서 이 값을 권장한다고 한다.

F_ave = 10 일 때, IMD는 최대 20초 이내에 반응한다고 한다. 그러나 IMD는 self test, 즉 자가 진단을 수행한다. 자가 진단은 10초가 소요되고 매 5분마다 수행된다. 자가 진단 중에는 IMD가 절연 저항을 측정하지 않는 듯하다. 그러니 IMD가 작동하는 데는 최대 30초가 걸릴 수 있다.

최악의 시나리오는 검차장에서 IMD 테스트를 시작함과 동시에 IMD가 5분에 한 번 하는 자가진단을 시작하는 것이다. 그렇다면 규정상 최대 시간인 30초를 꽉 채워서 IMD가 작동할 수 있다. 그렇지 않고서야 대부분 20초 이내에 작동해야 한다. F_ave = 10 이어도 사용하는데 아무 문제가 없다.

OK_HS

IMD는 다음과 같이 연결한다.

XLA+/-에는 각각 HV+/-를 연결해주면 된다. LV 커넥터인 XK1A에서는 1, 2, 3, 4, 8번 핀만 사용한다. 1번과 2번 핀은 LV 전원 핀이다. 각각 LV-, LV+를 연결해주면 된다. 3, 4번 핀은 섀시 그라운드와 연결해주어야 하는데, 우리는 LV-를 차체에 접지해서 사용해야 하므로 이 또한 그냥 LV-와 연결해주면 된다. 4번 핀에 separate line이라는 언급이 있는데, 크게 신경쓰지 않아도 되는 듯하다. 그냥 3, 4번 핀을 커넥터를 통해 각각 GND와 연결했더니 잘 작동했다. 오히려 한 전선은 차량 뒷부분 프레임에, 다른 하나는 앞부분 프레임에 연결했을 때 동작이 더 불안했다.

우리가 사용할 FAULT 신호는 OK_HS 이다. 이 신호는 다음과 같이 출력된다.

우선 공급 전압보다 2V 낮은 전압이 HIGH로 출력된다. 또한, 별도로 섀시 그라운드에 2.2k 풀다운 저항을 연결해 주어야 한다. 정상 상태일 때는 HIGH가 출력되고, 절연 저항이 R_an 보다 낮거나 장치에 오류가 났을 때 등 문제 상황에서는 LOW가 출력된다.

종합해 보면, IMD는 다음과 같이 배선해야 한다.

이렇게 출력된 OK_HS 신호로 어떻게 IMD 래칭 릴레이를 제어할 것인지는 차단 회로에서 다룰 것이다.

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