KR20230098432A - 연료전지 전기차 - Google Patents

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KR20230098432A
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battery
fuel cell
voltage battery
high voltage
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임준영
윤선일
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현대자동차주식회사
기아 주식회사
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Abstract

본 발명은 차체의 전방에 마련된 PE룸에 수용된 모터와 연료전지스택 및 통합제어기; 상기 모터 및 연료전지스택과 전기적으로 연결되는 고전압배터리와, 차량 전장부품에 전력을 공급하는 저전압배터리를 포함하여 구성되며, 상기 PE룸 후방의 차체 하측에 장착되는 배터리어셈블리; 상기 PE룸과 배터리어셈블리 사이에 장착되며, 상기 고전압배터리를 상기 모터 및 연료전지스택과 전기적으로 연결하고, 상기 고전압배터리의 전력을 상기 저전압배터리로 공급할 수 있도록 변환하는 IDC; 상기 배터리어셈블리 후방 차체 하측에 장착되는 다수의 수소탱크를 포함하여 구성된다.

Description

연료전지 전기차{FUEL CELL ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은 연료전지를 탑재한 전기차의 구조에 관한 기술이다.
연료전지를 탑재한 전기차는 연료전지에서 발생된 동력으로 모터를 구동하여 차량의 구동력을 얻는다.
상기 연료전지는 수소를 공급받아 발생시킨 전기로 상기 모터를 구동하므로, 다량의 수소를 저장할 수 있는 수소탱크가 차량에 탑재되어야 하며, 이외에 상기 연료전지 또는 모터에서 발생시킨 전기를 저장하였다가 다시 상기 모터로 공급할 수 있도록 하는 배터리가 탑재된다.
이와 같이 연료전지 전기차는 연료전지스택, 수소탱크, 배터리 등과 같은 다수의 부품을 탑재하기 위해, 차량의 실내 공간 또는 트렁크 공간 등을 축소시키는 경향이 있는데, 이와 같이 차량의 실내 공간 또는 트렁크 공간이 축소되면, 차량의 상품성이 저하되는 문제가 있다.
상기 발명의 배경이 되는 기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 1020050020827 A
본 발명은 연료전지 차량에 탑재되는 연료전지스택, 수소탱크, 모터 및 배터리 등의 효율적인 배치로, 가급적 차량의 실내 공간과 트렁크 공간을 축소시키지 않도록 하여, 차량의 상품성 저하를 방지할 수 있도록 한 연료전지 전기차를 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 연료전지 전기차는,
차체의 전방에 마련된 PE룸에 수용된 모터와 연료전지스택 및 통합제어기;
상기 모터 및 연료전지스택과 전기적으로 연결되는 고전압배터리와, 차량 전장부품에 전력을 공급하는 저전압배터리를 포함하여 구성되며, 상기 PE룸 후방의 차체 하측에 장착되는 배터리어셈블리;
상기 PE룸과 배터리어셈블리 사이에 장착되며, 상기 고전압배터리를 상기 모터 및 연료전지스택과 전기적으로 연결하고, 상기 고전압배터리의 전력을 상기 저전압배터리로 공급할 수 있도록 변환하는 IDC;
상기 배터리어셈블리 후방 차체 하측에 장착되는 다수의 수소탱크;
를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 배터리어셈블리는 차체의 1열 좌석 하측 실외에 장착될 수 있다.
상기 배터리어셈블리는 배터리케이스 내에 상기 고전압배터리와 저전압배터리를 함께 수밀 가능하게 수용하고;
상기 배터리케이스는 차량의 프레임에 고정될 수 있다.
상기 배터리어셈블리에는 차량 실내의 공기를 흡입하여 상기 고전압배터리를 냉각시키도록, 상기 배터리케이스 및 차체를 관통하여 실내로 연결되는 인렛덕트가 상기 배터리케이스의 상측으로 돌출되어 형성되고;
상기 고전압배터리를 냉각시킨 공기를 차량 하측으로 배출시키도록 하는 아웃렛덕트가 상기 배터리케이스 외부로 연장되어 형성될 수 있다.
상기 인렛덕트는 1열의 운전석 하측으로 연결되고;
상기 아웃렛덕트는 상기 배터리케이스의 상측으로부터 1열의 조수석 쪽을 향한 차량 측방으로 연장되어, 차체 하측으로 공기를 배출시킬 수 있도록 설치될 수 있다.
상기 배터리케이스의 전방측에는 상기 고전압배터리를 상기 IDC로 연결하기 위한 고전압커넥터와, 상기 고전압배터리의 BMS를 외부와 연결시키기 위한 신호커넥터가 구비될 수 있다.
상기 배터리케이스의 후방측에는 상기 저전압배터리로부터의 전력을 인출하여 차량의 전장부품에 공급하기 위한 저전압커넥터가 구비될 수 있다.
상기 배터리케이스는,
상기 차량 프레임의 종멤버에 결합되도록 상기 배터리케이스의 양측에 각각 다수개의 결합플랜지가 구비되고;
상기 차량 프레임의 횡멤버에 결합되도록 상기 배터리케이스의 후방에 다수의 결합브라켓이 구비될 수 있다.
상기 다수의 수소탱크는 상기 배터리어셈블리로부터 후방으로 단일 층을 형성하도록 배치될 수 있다.
상기 다수의 수소탱크는 상기 수소탱크들을 고정할 수 있도록 구성된 캐리지를 통해 차량 프레임의 종멤버에 고정될 수 있다.
상기 수소탱크는 수소탱크의 양단을 고정하여 지지하는 탱크브라켓들에 의해, 차량 프레임의 횡멤버에 고정될 수 있다.
상기 PE룸과 배터리어셈블리 사이에는, 상기 고전압배터리의 전력을 사용자의 편의에 따라 사용할 수 있도록 제공하는 V2L이 설치될 수 있다.
본 발명은 연료전지 차량에 탑재되는 연료전지스택, 수소탱크, 모터 및 배터리 등의 효율적인 배치로, 가급적 차량의 실내 공간과 트렁크 공간을 축소시키지 않도록 하여, 차량의 상품성 저하를 방지할 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 전기차의 구조를 도시한 것으로서 차량의 하부를 관측한 도면,
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선 단면도,
도 3은 도 1의 배터리어셈블리를 도시한 도면,
도 4는 도 3의 배터리어셈블리의 내부를 예시한 도면,
도 5는 도 1의 차량 하부의 차량 프레임을 설명한 도면,
도 6은 배터리어셈블리가 차량 프레임에 장착된 상태를 상세히 도시한 도면,
도 7은 수소탱크가 캐리지를 통해 차량 프레임에 장착된 상태를 설명한 도면,
도 8은 수소탱크가 탱크브라켓을 통해 차량 프레임에 장착된 상태를 설명한 도면이다.
본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 형태를 가질 수 있으므로 특정실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1 내지 도 8을 참조하면, 본 발명 연료전지 전기차의 실시예는, 차체의 전방에 마련된 PE룸(1)에 수용된 모터(3)와 연료전지스택(5) 및 통합제어기(7); 상기 모터(3) 및 연료전지스택(5)과 전기적으로 연결되는 고전압배터리(9)와, 차량 전장부품에 전력을 공급하는 저전압배터리(11)를 포함하여 구성되며, 상기 PE룸(1) 후방의 차체 하측에 장착되는 배터리어셈블리(13); 상기 PE룸(1)과 배터리어셈블리(13) 사이에 장착되며, 상기 고전압배터리(9)를 상기 모터(3) 및 연료전지스택(5)과 전기적으로 연결하고, 상기 고전압배터리(9)의 전력을 상기 저전압배터리(11)로 공급할 수 있도록 변환하는 IDC(15); 상기 배터리어셈블리(13) 후방 차체 하측에 장착되는 다수의 수소탱크(17)를 포함하여 구성된다.
즉, 본 발명의 전기차는 차량의 구동력을 직접 발생시키는 모터(3)와 상기 모터(3)를 구동하는 전기를 발전하는 연료전지스택(5) 및 상기 모터(3) 등을 제어하는 통합제어기(7)를 차량 전방의 PE룸(1) 내에 배치하고, 그 후방으로는 차체의 하측에 상기 배터리어셈블리(13)와 수소탱크(17)들을 차례로 배치하며, 상기 배터리어셈블리(13)의 고전압배터리(9)와 상기 연료전지스택(5)을 전기적으로 연결하는 IDC(15)를 상기 PE룸(1)과 고전압배터리(9) 사이에 배치한 것이다.
따라서, 상기 배터리어셈블리(13)와 수소탱크(17)의 차량 탑재에 따른 차량 실내 공간 및 트렁크 공간의 축소가 불필요하여, 차량의 상품성 저하를 효과적으로 방지할 수 있는 것이다.
또한, 상기한 바와 같이 상기 IDC(15)를 상기 PE룸(1)과 배터리어셈블리(13) 사이에 배치하여, 고전압배터리(9)와 연료전지스택(5) 및 모터(3) 사이의 고전압케이블이 꼬이거나 심하게 굴곡을 형성하지 않고 직선적으로 연결될 수 있도록 하여, 고전압케이블의 길이가 상대적으로 짧아짐에 따라 비용 및 차량의 중량 저감에 기여할 수 있다.
여기서, 상기 IDC(Integrated DC-DC Converter: 15)는 BHDC(Bidirectional High-voltage DC-DC Converter)와 LDC(Low-voltage DC-DC Converter)가 통합된 것으로서, 상기 BHDC는 상기 연료전지스택(5)과 고전압배터리(9) 사이의 전력 변환을 수행하며, 상기 LDC는 상기 고전압배터리(9)의 전력으로 상기 저전압배터리(11)를 충전할 수 있도록 전력 변환을 수행한다.
한편, 상기 PE룸(1)과 배터리어셈블리(13) 사이에는, 상기 IDC(15) 이외에, 고전압배터리(9)의 전력을 사용자의 편의에 따라 차량 외부에서도 사용할 수 있도록 제공하는 V2L(Vehicle to Load: 19)이 설치될 수 있으며, 상기 V2L(19)은 상기 IDC(15)에 통합적으로 구성될 수도 있다.
도 2에 설명된 바와 같이, 상기 배터리어셈블리(13)는 차체의 1열 좌석 하측 실외에 장착된다.
따라서, 상기 배터리어셈블리(13)는 배터리케이스(21) 내에 상기 고전압배터리(9)와 저전압배터리(11)를 함께 수밀 가능하게 수용하도록 구성되어, 내부의 고전압배터리(9)와 저전압배터리(11)가 수분에 의해 단락되거나 누전이 발생하는 등의 문제를 방지할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
상기 배터리어셈블리(13)에는 차량 실내의 공기를 흡입하여 상기 고전압배터리(9)를 냉각시키도록, 상기 배터리케이스(21) 및 차체를 관통하여 실내로 연결되는 인렛덕트(23)가 상기 배터리케이스(21)의 상측으로 돌출되어 형성된다.
또한, 상기 고전압배터리(9)를 냉각시킨 공기를 차량 하측으로 배출시키도록 하는 아웃렛덕트(25)가 상기 배터리케이스(21) 외부로 연장되어 형성된다.
즉, 상기 배터리케이스(21)는 상기 인렛덕트(23)와 아웃렛덕트(25)를 제외하면, 외부로부터 내부로 이물질이나 수분이 침투하지 못하도록 충분한 씰링이 이루어지도록 구성되는 것이다.
상기 인렛덕트(23)는 1열의 운전석 하측으로 연결되어, 차량 실내의 공기를 흡입하여 상기 고전압배터리(9)를 냉각시킬 수 있도록 하며, 상기 아웃렛덕트(25)는 상기 배터리케이스(21)의 상측으로부터 1열의 조수석 쪽을 향한 차량 측방으로 연장되어, 차체 하측으로 공기를 직접 배출시킬 수 있도록 설치된다.
참고로, 도 4에는 상기 배터리케이스(21) 내부에 수용되는 부품들을 예시하고 있는 바, 상기 고전압배터리(9)와 저전압배터리(11), 상기 고전압배터리(9)용 PRA(Power Relay Assembly: 27), 상기 저전압배터리(11)용 PRA(Power Relay Assembly: 29), BMS(Battery Management System: 31), 상기 인렛덕트로 공기를 흡입하여 상기 고전압배터리(9)를 냉각시킨 후 아웃렛덕트로 공기를 토출시키는 블로워(33)가 구비되어 있다.
한편, 상기 배터리케이스(21)의 전방측에는 상기 고전압배터리(9)를 상기 IDC(15)로 연결하기 위한 고전압커넥터(35)와, 상기 고전압배터리(9)의 BMS(31)를 외부와 연결시키기 위한 신호커넥터(37)가 구비된다.
또한, 상기 배터리케이스(21)의 후방측에는 상기 저전압배터리(11)로부터의 전력을 인출하여 차량의 전장부품에 공급하기 위한 저전압커넥터(39)가 구비된다.
상기 저전압배터리(11)는 예컨대 12V의 전압을 상기 전장부품에 제공할 수 있도록 하며, 상기 전장부품은 예컨대 차량의 각종 전등, 오디오 등의 부품들을 의미한다.
상기 배터리케이스(21)는 차량의 프레임(41)에 견고하게 고정된다.
즉, 상기 배터리케이스(21)는, 상기 차량 프레임(41)의 종멤버(43)에 결합되도록 상기 배터리케이스(21)의 양측에 각각 다수개의 결합플랜지(45)가 구비되고; 상기 차량 프레임(41)의 횡멤버(47)에 결합되도록 상기 배터리케이스(21)의 후방에 다수의 결합브라켓(49)이 구비된 구성이다.
예컨대, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 배터리케이스(21)의 측방에서 총 6개의 결합플랜지(45)가 상기 프레임(41)의 종멤버(43)에 결합되고, 상기 배터리케이스(21)의 후방에서 총 2개의 결합브라켓(49)이 상기 프레임(41)의 횡멤버(47)에 결합됨으로써, 상기 배터리케이스(21)는 매우 견고한 상태로 차량의 프레임(41)에 고정되는 것이다.
상기 다수의 수소탱크(17)는 상기 배터리어셈블리(13)로부터 후방으로 차체 하측에 단일 층을 형성하도록 배치된다.
즉, 종래와 같이 트렁크 공간 등을 차지하지 않도록 차량 하측에 단일 층을 형성하도록 다수개의 수소탱크(17)를 배치함으로써, 차량의 실내 공간 또는 트렁크 공간의 축소로 인한 상품성 저하를 방지할 수 있도록 하는 것이다.
상기 다수의 수소탱크(17)는 도 7에 예시된 바와 같이 상기 수소탱크(17)들을 고정할 수 있도록 구성된 캐리지(51)를 통해 차량 프레임(41)의 종멤버(43)에 고정될 수 있다.
또한, 상기와 달리 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 수소탱크(17)는 수소탱크(17)의 양단을 고정하여 지지하는 탱크브라켓(53)들에 의해, 차량 프레임(41)의 횡멤버(47)에 고정되도록 할 수도 있다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
1; PE룸
3; 모터
5; 연료전지스택
7; 통합제어기
9; 고전압배터리
11; 저전압배터리
13; 배터리어셈블리
15; IDC
17; 수소탱크
19; V2L
21; 배터리케이스
23; 인렛덕트
25; 아웃렛덕트
27; PRA
31; BMS
33; 블로워
35; 고전압커넥터
37; 신호커넥터
39; 저전압커넥터
41; 프레임
43; 종멤버
45; 결합플랜지
47; 횡멤버
49; 결합브라켓
51; 캐리지
53; 탱크브라켓

Claims (12)

  1. 차체의 전방에 마련된 PE룸에 수용된 모터와 연료전지스택 및 통합제어기;
    상기 모터 및 연료전지스택과 전기적으로 연결되는 고전압배터리와, 차량 전장부품에 전력을 공급하는 저전압배터리를 포함하여 구성되며, 상기 PE룸 후방의 차체 하측에 장착되는 배터리어셈블리;
    상기 PE룸과 배터리어셈블리 사이에 장착되며, 상기 고전압배터리를 상기 모터 및 연료전지스택과 전기적으로 연결하고, 상기 고전압배터리의 전력을 상기 저전압배터리로 공급할 수 있도록 변환하는 IDC;
    상기 배터리어셈블리 후방 차체 하측에 장착되는 다수의 수소탱크;
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 전기차.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리어셈블리는 차체의 1열 좌석 하측 실외에 장착되는 것
    을 특징으로 하는 연료전지 전기차.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 배터리어셈블리는 배터리케이스 내에 상기 고전압배터리와 저전압배터리를 함께 수밀 가능하게 수용하고;
    상기 배터리케이스는 차량의 프레임에 고정되는 것
    을 특징으로 하는 연료전지 전기차.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 배터리어셈블리에는 차량 실내의 공기를 흡입하여 상기 고전압배터리를 냉각시키도록, 상기 배터리케이스 및 차체를 관통하여 실내로 연결되는 인렛덕트가 상기 배터리케이스의 상측으로 돌출되어 형성되고;
    상기 고전압배터리를 냉각시킨 공기를 차량 하측으로 배출시키도록 하는 아웃렛덕트가 상기 배터리케이스 외부로 연장되어 형성된 것
    을 특징으로 하는 연료전지 전기차.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 인렛덕트는 1열의 운전석 하측으로 연결되고;
    상기 아웃렛덕트는 상기 배터리케이스의 상측으로부터 1열의 조수석 쪽을 향한 차량 측방으로 연장되어, 차체 하측으로 공기를 배출시킬 수 있도록 설치된 것
    을 특징으로 하는 연료전지 전기차.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 배터리케이스의 전방측에는 상기 고전압배터리를 상기 IDC로 연결하기 위한 고전압커넥터와, 상기 고전압배터리의 BMS를 외부와 연결시키기 위한 신호커넥터가 구비된 것
    을 특징으로 하는 연료전지 전기차.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 배터리케이스의 후방측에는 상기 저전압배터리로부터의 전력을 인출하여 차량의 전장부품에 공급하기 위한 저전압커넥터가 구비된 것
    을 특징으로 하는 연료전지 전기차.
  8. 청구항 3에 있어서,
    상기 배터리케이스는,
    상기 차량 프레임의 종멤버에 결합되도록 상기 배터리케이스의 양측에 각각 다수개의 결합플랜지가 구비되고;
    상기 차량 프레임의 횡멤버에 결합되도록 상기 배터리케이스의 후방에 다수의 결합브라켓이 구비된 것
    을 특징으로 하는 연료전지 전기차.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 다수의 수소탱크는 상기 배터리어셈블리로부터 후방으로 단일 층을 형성하도록 배치된 것
    을 특징으로 하는 연료전지 전기차.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 다수의 수소탱크는 상기 수소탱크들을 고정할 수 있도록 구성된 캐리지를 통해 차량 프레임의 종멤버에 고정되는 것
    을 특징으로 하는 연료전지 전기차.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 수소탱크는 수소탱크의 양단을 고정하여 지지하는 탱크브라켓들에 의해, 차량 프레임의 횡멤버에 고정되는 것
    을 특징으로 하는 연료전지 전기차.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 PE룸과 배터리어셈블리 사이에는, 상기 고전압배터리의 전력을 사용자의 편의에 따라 사용할 수 있도록 제공하는 V2L이 설치된 것
    을 특징으로 하는 연료전지 전기차.
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