JP2014112086A - バッテリーのリーク電流感知装置及び方法、並びに前記装置を含むバッテリー駆動装置及びバッテリーパック - Google Patents

バッテリーのリーク電流感知装置及び方法、並びに前記装置を含むバッテリー駆動装置及びバッテリーパック Download PDF

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Abstract

【課題】バッテリーのリーク電流感知装置及び方法を提供する。
【解決手段】バッテリーのカソード端子Ａまたはアノード端子Ｂから検出される電圧を充電する浮動キャパシタＣ５と、アノード端子側にＤＣ電圧を印加するＤＣ電圧印加部３５０と、前記カソードまたはアノード端子側の電圧検出経路を選択する端子選択スイッチング部ＳＷ１，ＳＷ２と、前記電圧検出経路から検出されるカソードまたはアノード端子側の検出電圧を前記浮動キャパシタに充電させた後前記浮動キャパシタを前記電圧検出経路と分離させる充電スイッチング部ＳＷ３，ＳＷ４と、分離された浮動キャパシタに充電された検出電圧をセンシングする電圧センシング部３３０と、及び前記電圧センシング部でセンシングされたバッテリーのカソード端子とアノード端子との検出電圧を利用してリーク抵抗を計算し、基準絶縁抵抗と比較してリーク電流の発生可否を判別するリーク電流判別部３４０を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、バッテリーのリーク電流感知装置及び方法に関するものであって、より詳しくは、電気自動車やハイブリッド自動車のように高電圧を要求するバッテリーの電源供給システムに採用されたバッテリーのリーク電流を感知することができるバッテリーのリーク電流感知装置及び方法に関する。
最近、化石エネルギーの枯渇及び環境汚染により化石エネルギーを使用せずにバッテリーを利用して駆動することができる電気自動車やハイブリッド自動車（以下、電気駆動自動車と通称する）に対する関心が高まっている。
電気駆動自動車に使われるバッテリーは二次電池が主流をなす。二次電池は、リチウム系列電池とニッケル水素系列電池とに大きく分類される。リチウム系列電池はデジタルカメラ、ポータブルＤＶＤプレーヤー、ＭＰ３プレーヤー、携帯電話、ＰＤＡ、携帯用ゲーム機、パワーツール及びＥ‐ｂｉｋｅなどの小型製品に主に使用されており、ニッケル水素系列電池は自動車のように高出力が要求される製品に主に使用されている。
バッテリーを使用する装置ではバッテリーと装置との絶縁状態がよく維持されなければならない。バッテリーの絶縁状態が維持されなければ、リーク電流が発生して様々な問題を引き起こすからである。参考として、バッテリーのリーク電流は予想できなかったバッテリーの放電や、装置に備えられた電子機器の誤作動を引き起こす。また、電気駆動自動車のように高電圧バッテリーを使用する装置では使用者に致命的な感電被害を与える可能性がある。従って、本発明が属する技術分野においては、バッテリーのリーク電流を正確且つ徹底的に感知することができる方案が求められている。
本発明は、前述のような問題点を解決するために創案されたものであって、簡単なリーク電流感知回路構成を通じてバッテリーのリーク電流発生有無を容易且つ正確に感知することができるバッテリーのリーク電流感知装置及び方法、そして、前記装置を含むバッテリーパック及びバッテリー駆動装置を提供することにその目的がある。
前記技術的課題を達成するための本発明によるバッテリーのリーク電流感知装置は、バッテリーのカソード端子またはアノード端子から検出される電圧を充電する浮動キャパシタ；前記バッテリーのアノード端子の検出電圧測定時、アノード端子側にＤＣ電圧を印加するＤＣ電圧印加部；前記カソードまたはアノード端子側の電圧検出経路を選択する端子選択スイッチング部；前記選択された電圧検出経路から検出されるカソードまたはアノード端子側の検出電圧を前記浮動キャパシタに充電させた後前記浮動キャパシタを前記電圧検出経路と分離させる充電スイッチング部；前記分離された浮動キャパシタに充電されたバッテリーのカソード端子またはアノード端子の検出電圧をセンシングする電圧センシング部；及び前記電圧センシング部でセンシングされたバッテリーのカソード端子とアノード端子との検出電圧を利用してリーク抵抗を計算し、基準絶縁抵抗と比較してリーク電流の発生可否を判別するリーク電流判別部を含む。
本発明によるリーク電流感知装置は、バッテリーのカソード及びアノード端子間の第１線路上に設けられた第１電圧配分ノードをさらに含み、前記端子選択スイッチング部は、前記第１電圧配分ノードとバッテリーのカソード端子及びアノード端子の間にそれぞれ設けられた第１及び第２スイッチを含み得る。
本発明によるリーク電流感知装置は、前記第１電圧配分ノードと接地とを連結した第２線路上に設けられた第２電圧配分ノードをさらに含み、前記浮動キャパシタは、前記第２電圧配分ノードから延長された第３線路から分岐された第４線路上に設けられ得る。
本発明によれば、前記浮動キャパシタに充電されたバッテリーのカソード端子またはアノード端子の検出電圧を前記電圧センシング部に印加する電圧印加スイッチング部をさらに含み得る。
本発明によれば、前記ＤＣ電圧印加部は、前記第２電圧配分ノードと接地との間に設けられた第１スイッチ；前記第２電圧配分ノードと前記第１スイッチとの間で分岐された導電ライン上に設けられた第２スイッチ；及び前記第２スイッチのターンオン時第２電圧配分ノードにＤＣ電圧を印加するＤＣ電源；を含み得る。
望ましくは、前記リーク電流判別部は、前記端子選択スイッチング部と前記充電スイッチング部の動作を制御するスイッチ制御器；前記電圧センシング部から出力されるアナログ電圧信号をデジタル電圧信号に変換するＡ／Ｄコンバータ；及び前記Ａ／Ｄコンバータからデジタル電圧信号の入力を受けてリーク抵抗を計算した後基準絶縁抵抗と比較してリーク電流の発生可否を判別する中央演算処理機；を含む。
望ましくは、前記電圧センシング部は、前記浮動キャパシタから出力される電圧をセンシングする差動増幅器（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）を含み得る。
望ましくは、前記リーク電流判別部は、前記浮動キャパシタに充電された電圧を検出する前に前記充電スイッチング部を制御して前記浮動キャパシタを前記選択された電圧検出経路と電気的に分離させる。
本発明によれば、前記リーク電流判別部は、下記数学式に従ってリーク抵抗を計算することができる。
Figure 2014112086
 （ここで、Ｒｉは、リーク電流感知装置の内部抵抗、Ｅは、バッテリーの両端電圧、ＶＡは、浮動キャパシタに充電されたカソード端子の検出電圧、ＶＢは、浮動キャパシタに充電されたアノード端子の検出電圧である。）
本発明によれば、前記リーク電流判別部は、リーク電流発生事実を視覚的または聴覚的に出力するリーク電流警報器；をさらに含み、リーク電流が発生した場合、前記リーク電流警報器を通じてリーク電流発生事実を視覚的または聴覚的に警報することができる。
望ましくは、前記リーク電流判別部は、前記計算されたリーク抵抗が基準絶縁抵抗より小さければ、リーク電流が発生したと判別する。
前記技術的課題は、上述したバッテリーのリーク電流感知装置を含むバッテリーパックとバッテリー駆動装置によっても達成できる。
前記技術的課題を達成するための本発明によるバッテリーのリーク電流感知方法は、バッテリーのカソード端子側の電圧検出経路を選択してバッテリーのカソード端子の検出電圧を浮動キャパシタに充電させ、電圧検出経路と浮動キャパシタとを電気的に分離させた状態で充電されたカソード端子の検出電圧をセンシングするステップ；バッテリーのアノード端子側の電圧検出経路を選択した後ＤＣ電圧をバッテリーのアノード端子側に印加してバッテリーのアノード端子の検出電圧を前記浮動キャパシタに充電させ、電圧検出経路と浮動キャパシタとを電気的に分離させた状態で充電されたアノード端子の検出電圧を反転させてセンシングするステップ；センシングされた前記カソード端子の検出電圧とアノード端子の検出電圧とを利用してリーク抵抗を計算するステップ；及び前記リーク抵抗を基準絶縁抵抗と比較してリーク電流の発生可否を判別するステップ；を含む。
本発明によれば、浮動キャパシタを利用してリーク電流によるバッテリー両端子の電圧変化を感知してリーク電流の発生可否を判別することで、バッテリーパックや負荷から流入するノイズによってリーク電流判別の正確性が低下することを防止することができる。また、バッテリーのリーク電流が発生したときこれを早期に感知してバッテリーの放電を防止することができる。また、リーク電流による車両内部機器の誤作動及び故障を予防し、バッテリーのリーク電流による人命被害を予防することができる。さらに、浮動キャパシタに充電された電圧をセンシングする前に浮動キャパシタをバッテリーから電気的に分離させるので、バッテリーから流入するノイズを低減させてより正確なリーク電流の感知が可能である。
本明細書に添付される下記の図面は本発明の望ましい実施例を例示するものであって、発明の詳細な説明とともに本発明の技術思想をさらに理解させる役割を果たすものであるため、本発明はそのような図面に記載された事項にのみ限定されて解釈されてはいけない。
本発明の望ましい実施例によるバッテリーのリーク電流感知装置に対する回路構成図である。 本発明の望ましい実施例によるリーク電流判別部の構成を示すブロック図である。 本発明の望ましい実施例によるバッテリーのリーク電流感知方法を説明するために示すフローチャートである。
以下、添付した図面を参照しながら本発明の望ましい実施例を詳しく説明する。これに先立って、本明細書及び請求範囲に使われた用語や単語は通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはいけず、発明者は自らの発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義することができるという原則に則して、本発明の技術的思想に符合する意味と概念とに解釈されなければならない。従って、本明細書に記載された実施例と図面に示した構成は本発明の最も望ましい一実施例に過ぎず、本発明の技術的思想の全てを代弁するものではないため、本出願時点においてこれらに代替できる多様な均等物と変形例があり得ることを理解しなければならない。
図１は、本発明の望ましい実施例によるバッテリーのリーク電流感知装置に対する回路構成図である。
図１に示すように、本発明によるバッテリーのリーク電流感知装置３００は、負荷システム１００に電源を供給する多数のセルが集合されたバッテリー２００の両端子に連結されてバッテリー２００のリーク電流を感知する。
本発明の実施例において、前記負荷システム１００は、バッテリー２００から出力される電気エネルギーを利用する手段であって電気自動車やハイブリッド自動車のように高電圧を要求するシステムである。前記負荷システム１００において電気エネルギーを消耗する負荷（Ｌ）は電気自動車やハイブリッド自動車に動力を伝達する駆動モーターや、バッテリー２００から出力される電圧を変換させるＤＣ ｔｏ ＤＣコンバータなどである。しかし、本発明は負荷システム１００やこれに含まれた負荷（Ｌ）の種類によって限定されない。図面において、キャパシタ成分Ｃ１は負荷システム１００で発生するノイズをフィルタリングするフィルターであり、キャパシタ成分Ｃ２及びＣ３はバッテリー２００が負荷（Ｌ）に接続されるときバッテリー２００と負荷（Ｌ）との間に存在することになるキャパシタ成分である。
前記バッテリー２００は、電気エネルギーの貯蔵手段であって電気的に連結され繰り返して充放電が可能な多数の単位セルを含む。前記単位セルは、ウルトラキャパシタを含む電気二重層キャパシタ、またはリチウムイオン電池、リチウムポリマー電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池などのような公知の二次電池である。
本発明によるバッテリーのリーク電流感知装置３００は、バッテリー２００のカソード端子（Ａ）またはアノード端子（Ｂ）から検出される電圧を充電する浮動キャパシタ（Ｃ５）と、前記バッテリーのアノード端子（Ｂ）の検出電圧測定時、アノード端子（Ｂ）側にＤＣ電圧を印加するＤＣ電圧印加部３５０と、前記カソードまたはアノード端子（Ａ、Ｂ）側の電圧検出経路を選択する端子選択スイッチング部（ＳＷ１、ＳＷ２）と、前記選択された電圧検出経路から検出されるカソードまたはアノード端子（Ａ、Ｂ）側の検出電圧を前記浮動キャパシタ（Ｃ５）に充電させる充電スイッチング部（ＳＷ３、ＳＷ４）と、前記浮動キャパシタ（Ｃ５）に充電されたバッテリーのカソード端子（Ａ）またはアノード端子（Ｂ）の検出電圧をセンシングする電圧センシング部３３０と、前記電圧センシング部３３０でセンシングされたバッテリーのカソード端子（Ａ）とアノード端子（Ｂ）との検出電圧を利用してリーク抵抗を計算し、基準絶縁抵抗と比較してリーク電流の発生可否を判別するリーク電流判別部３４０とを含む。
本発明によれば、バッテリー２００のカソード端子（Ａ）とアノード端子（Ｂ）との間には第１線路１が設けられる。そして、前記第１線路１上の第１電圧配分ノード（ｎ１）から第２線路２が分岐される。前記第２線路２は接地と連結され、前記第２線路２上には第２電圧配分ノード（ｎ２）が位置する。前記第２電圧配分ノード（ｎ２）からは第３線路３が分岐されて延長され、前記第３線路３から第４線路４が分岐される。
前記端子選択スイッチング部は、第１線路１上に設けられた第１スイッチ（ＳＷ１）及び第２スイッチ（ＳＷ２）を含む。前記第１スイッチ（ＳＷ１）は前記電圧配分ノード（ｎ１）とバッテリー２００のカソード端子（Ａ）との間に設けられ、前記第２スイッチ（ＳＷ２）は前記電圧配分ノード（ｎ１）とバッテリー２００のアノード端子（Ｂ）との間に設けられる。また、前記第１スイッチ（ＳＷ１）とカソード端子（Ａ）との間には第１抵抗（Ｒ１）が、前記第２スイッチ（ＳＷ２）とアノード端子（Ｂ）との間には第２抵抗（Ｒ２）が設けられる。
前記端子選択スイッチング部（ＳＷ１、ＳＷ２）は電圧検出経路を選択する。前記電圧検出経路はカソード端子（Ａ）側の電圧検出経路とアノード端子（Ｂ）側の電圧検出経路とを含む。カソード端子（Ａ）側の電圧検出経路は、前記端子選択スイッチング部の第１スイッチ（ＳＷ１）がターンオンされたとき選択される。逆に、アノード端子（Ｂ）側の電圧検出経路は、前記端子選択スイッチング部の第２スイッチ（ＳＷ２）がターンオンされたとき選択される。
前記第２電圧配分ノード（ｎ２）と第１電圧配分ノード（ｎ１）との間には第３抵抗（Ｒ３）が介される。そして、第２電圧配分ノード（ｎ２）と接地との間にはキャパシタ（Ｃ４）が設けられる。前記キャパシタ（Ｃ４）には、前記端子選択スイッチング部（ＳＷ１、ＳＷ２）の選択的なターンオンによってバッテリー２００のカソード端子（Ａ）またはアノード端子（Ｂ）側の検出電圧が１次充電される。
前記充電スイッチング部は、浮動キャパシタ（Ｃ５）の両端子と連結された第３スイッチ（ＳＷ３）及び第４スイッチ（ＳＷ４）を含む。前記充電スイッチング部がターンオンされれば、キャパシタ（Ｃ４）に１次充電されたカソード端子（Ａ）側またはアノード端子（Ｂ）側検出電圧が浮動キャパシタ（Ｃ５）側に２次充電される。
前記電圧センシング部３３０と浮動キャパシタ（Ｃ５）との間には第５スイッチ（ＳＷ５）及び第６スイッチ（ＳＷ６）から構成された電圧印加スイッチング部が介される。前記電圧印加スイッチング部がターンオンされれば、浮動キャパシタ（Ｃ５）に充電された電圧が電圧センシング部３３０側に印加される。
前記電圧センシング部３３０は、浮動キャパシタ（Ｃ５）の両端電圧をアナログ電圧信号としてリーク電流判別部３４０側に出力させる。すなわち、前記電圧センシング部３３０は浮動キャパシタ（Ｃ５）に充電されたカソード端子（Ａ）側検出電圧とアノード端子（Ｂ）側検出電圧とを順次センシングしてアナログ電圧信号を出力する。前記アナログ電圧信号は、カソード端子（Ａ）側検出電圧に対応する第１アナログ電圧信号とアノード端子（Ｂ）側の検出電圧に対応する第２アナログ電圧信号とを含む。望ましくは、前記電圧センシング部３３０は差動増幅器を含み得るが、本発明がこれに限定されるのではない。
前記ＤＣ電圧印加部３５０は、前記第２電圧配分ノード（ｎ２）と接地との間に順次設けられる第４抵抗（Ｒ４）及び第７スイッチ（ＳＷ７）と、前記第４抵抗（Ｒ４）と第７スイッチ（ＳＷ７）の間で分岐された導電ライン上に設けられた第８スイッチ（ＳＷ８）と、第８スイッチ（ＳＷ８）のターンオン時第２電圧配分ノード（ｎ２）にプラスのＤＣ電圧を印加するＤＣ電源（ＤＣ）とを含む。
前記ＤＣ電圧印加部３５０はバッテリーのカソード端子（Ａ）の電圧検出過程において、バッテリーのカソード端子（Ａ）側から第２線路２側に流入する電流が接地側に流れるようにする。また、前記ＤＣ電圧印加部３５０はバッテリーのアノード端子（Ｂ）の電圧検出過程において、バッテリーのアノード端子（Ｂ）側にＤＣ電源を印加して前記とは反対に第２線路２からバッテリーのアノード端子（Ｂ）側に電流が流れるようにする。その結果、キャパシタ（Ｃ４）と浮動キャパシタ（Ｃ５）に充電される電圧は同一の極性を持つことになる。このように、浮動キャパシタ（Ｃ５）に充電される電圧が同一の極性を持てば、電圧センシング部３３０の回路構成を簡単にすることができる。
前記バッテリー２００の両端子にそれぞれ表示されたカソード側のリーク抵抗（Ｒｌｅａｋａｇｅ＋）及びアノード側のリーク抵抗（Ｒｌｅａｋａｇｅ−）は、リーク電流が発生したときの状況を示したものであって、リーク電流が発生すれば現われる仮想の抵抗値を等価で表現したものである。
図２は、本発明の望ましい実施例によるリーク電流判別部の構成を示すブロック図である。
図２を参照すれば、前記リーク電流判別部３４０は、Ａ／Ｄコンバータ３４１、中央演算処理機３４２、スイッチ制御器３４３及びリーク電流警報器３４４を含む。
前記Ａ／Ｄコンバータ３４１は、前記電圧センシング部３３０から出力されるアナログ電圧信号をデジタル電圧信号に変換する。前記デジタル電圧信号は、カソード端子（Ａ）側の検出電圧に対応する第１デジタル電圧信号と、アノード端子（Ｂ）側の検出電圧に対応する第２デジタル電圧信号とを含む。
前記中央演算処理機３４２は、前記Ａ／Ｄコンバータ３４１からデジタル電圧信号の入力を受け取ってリーク抵抗を計算する。すなわち、前記中央演算処理機３４２は、Ａ／Ｄコンバータ３４１から入力されるデジタル化された電圧信号をカソード及びアノード端子ごとに区分し、カソード及びアノード端子ごとに区分されたデジタル化された電圧信号を利用してバッテリー２００のリーク抵抗を下記数学式を通じて計算する。
Figure 2014112086
 （ここで、Ｒｉは、リーク電流感知装置の内部抵抗、Ｅは、バッテリーの両端電圧、ＶＡは、カソード端子の検出電圧、ＶＢは、アノード端子の検出電圧である。図１において、Ｒ１＝Ｒ２であれば、Ｒｉ＝Ｒ１＋Ｒ３＋Ｒ４である。）
そして、前記中央演算処理機３４２は前記数学式１に従って計算されたリーク抵抗を予め設定された基準絶縁抵抗と比較して計算されたリーク抵抗が基準絶縁抵抗より小さければ、リーク電流が発生したと判別する。
前記スイッチ制御器３４３は、前記中央演算処理機３４２の統制に従って端子選択スイッチング部（ＳＷ１、ＳＷ２）、充電スイッチング部（ＳＷ３、ＳＷ４）、電圧印加スイッチング部（ＳＷ５、ＳＷ６）、及びＤＣ電圧印加部３５０内に位置したスイッチ（ＳＷ７、ＳＷ８）の動作を制御する。
すなわち、前記スイッチ制御器３４３は、バッテリー２００のカソード及びアノード端子（Ａ、Ｂ）の検出電圧を前記キャパシタ（Ｃ４）と浮動キャパシタ（Ｃ５）に順次貯蔵し、このように貯蔵された検出電圧が前記電圧センシング部３３０に印加できるように端子選択スイッチング部（ＳＷ１、ＳＷ２）、充電スイッチング部（ＳＷ３、ＳＷ４）、電圧印加スイッチング部（ＳＷ５、ＳＷ６）、及びＤＣ電圧印加部３５０内に位置したスイッチ（ＳＷ７、ＳＷ８）の動作を制御するのである。
カソード端子（Ａ）の検出電圧を測定する場合、前記スイッチ制御器３４３は、端子選択スイッチング部の第１スイッチ（ＳＷ１）とＤＣ電圧印加部３５０内の第７スイッチ（ＳＷ７）とをターンオンさせ、端子選択スイッチング部の第２スイッチ（ＳＷ２）とＤＣ電圧印加部３５０内の第８スイッチ（ＳＷ８）、そして充電スイッチング部３１０と電圧印加スイッチング部３２０とをターンオフさせる。そうすれば、バッテリーのカソード端子（Ａ）からキャパシタ（Ｃ４）及び第７スイッチ（ＳＷ７）側に電流が流れることになり、その結果、カソード端子（Ａ）の検出電圧に対応する電圧がキャパシタ（Ｃ４）に充電される。次いで、端子選択スイッチング部の第１スイッチとＤＣ電圧印加部３５０内の第７スイッチ（ＳＷ７）とをターンオフさせ、充電スイッチング部３１０をターンオンさせてキャパシタ（Ｃ４）に充電されたカソード端子（Ａ）検出電圧を再び前記浮動キャパシタ（Ｃ５）に充電する。前記浮動キャパシタ（Ｃ５）にカソード端子（Ａ）電圧が充電される過程で電圧印加スイッチング部３２０がターンオフされた状態を維持するので、バッテリー２００または負荷システム１００から流入するノイズがリーク電流判別部３４０に流入することを防止することができる。その後、充電スイッチング部３１０をターンオフさせた状態で電圧印加スイッチング部３２０をターンオンさせて浮動キャパシタ（Ｃ５）に充電されたカソード端子（Ａ）検出電圧を電圧センシング部３３０に印加する。そうすれば、電圧センシング部３３０はバッテリー２００のカソード端子（Ａ）の検出電圧に該当する第１アナログ電圧信号をＡ／Ｄコンバータ３４１に出力する。前記電圧センシング部３３０がカソード端子（Ａ）の検出電圧をセンシングするとき充電スイッチング部３１０がターンオフされた状態にあるので、バッテリー２００または負荷システム１００からリーク電流判別部３４０側にノイズが流入することを防止することができる。
次いで、アノード端子（Ｂ）の検出電圧を測定する場合、前記スイッチ制御器３４２は、端子選択スイッチング部の第１スイッチ（ＳＷ１）はターンオフ、第２スイッチ（ＳＷ２）はターンオンさせ、ＤＣ電圧印加部３５０の第７スイッチ（ＳＷ７）はターンオフ、第８スイッチ（ＳＷ８）はターンオンさせ、充電スイッチング部３１０と電圧印加スイッチング部３２０とはターンオフさせる。そうすれば、ＤＣ電源（ＤＣ）のカソード端子からキャパシタ（Ｃ４）及びバッテリーのアノード端子（Ｂ）側に電流が流れることになり、この過程でバッテリーのアノード端子（Ｂ）の検出電圧に該当する電圧がキャパシタ（Ｃ４）に充電される。次いで、端子選択スイッチング部の第２スイッチ（ＳＷ２）とＤＣ電圧印加部３５０の第８スイッチ（ＳＷ８）とをターンオフさせ、充電スイッチング部３１０をターンオンさせる。そうすれば、キャパシタ（Ｃ４）に充電されたアノード端子（Ｂ）の検出電圧が再び前記浮動キャパシタ（Ｃ５）に充電される。浮動キャパシタ（Ｃ５）にアノード端子（Ｂ）の検出電圧が充電される過程で電圧印加スイッチング部３２０がターンオフされた状態を維持するので、バッテリー２００または負荷システム１００から流入するノイズがリーク電流判別部３４０に流入することを防止することができる。その後、充電スイッチング部３１０をターンオフさせた状態で電圧印加スイッチング部３２０をターンオンさせて浮動キャパシタ（Ｃ５）に充電されたアノード端子（Ｂ）の検出電圧を電圧センシング部３３０に印加する。そうすれば、電圧センシング部３３０はバッテリーのアノード端子（Ｂ）の検出電圧に該当する第２アナログ電圧信号をＡ／Ｄコンバータ３４１に出力する。前記電圧センシング部３３０がアノード端子（Ｂ）の検出電圧をセンシングするとき充電スイッチング部３１０がターンオフされた状態にあるので、バッテリー２００または負荷システム１００からリーク電流判別部３４０側にノイズが流入することを防止することができる。
一方、本発明による電圧センシング部３３０は差動増幅器を利用して具現することができる。ところが、浮動キャパシタ（Ｃ５）にはいつもプラスの電圧が充電されるので、電圧センシング部３３０内に極性反転回路を含ませずに一つの差動増幅器のみで電圧センシング部３３０を具現することができる。
本発明によれば、前記リーク電流判別部３４０はリーク電流の発生可否に対する判別結果を視覚的または聴覚的に出力することができる。このために、前記リーク電流判別部３４０はリーク電流警報器３４４をさらに含むことが望ましい。
このような場合、前記リーク電流判別部３４０はリーク電流が発生したと判別されれば、リーク電流の発生信号をリーク電流警報器３４４に出力する。そうすれば、前記リーク電流警報器３４４はリーク電流の発生事実を視覚的または聴覚的に警報する。前記リーク電流警報器３４４は、ＬＥＤ、ＬＣＤ、アラーム警報器またはこれらの組み合わせで具現できる。従って、前記リーク電流警報器３４４は、ＬＥＤを点滅するか、ＬＣＤに警告メッセージを出力するか、アラーム警報器で警報音を発生させて使用者にリーク電流発生事実を警報することができる。しかし、本発明がこれに限定されるのではないので様々な変形された形態の視覚的または聴覚的アラーム装置がリーク電流警報器３４４として採用可能なのは自明である。
前述の本発明によるバッテリーのリーク電流感知装置は、バッテリーから電源供給を受けるバッテリー駆動装置に結合されて使用され得る。
一例として、本発明は、ノートＰＣ、携帯電話、個人用ポータブルマルチメディアプレイヤーのようにバッテリーから駆動電圧供給を受ける各種の電子製品に含まれて使用され得る。
他の例として、本発明は、化石燃料自動車、電気自動車、ハイブリッド自動車、電気自転車のようにバッテリーが搭載された各種の動力装置に結合されて使用され得る。
ひいては、本発明によるバッテリーのリーク電流感知装置は、ＰＣＢ回路または注文型半導体回路（ＡＳＩＣ）にモジュール化してバッテリーパック内に搭載できるのは本発明が属する技術分野において通常の知識を持つ者に自明である。
図３は、本発明の望ましい実施例によるバッテリーのリーク電流感知方法を説明するために示すフローチャートである。
下記で説明される各ステップの遂行主体は特別な言及がなければ中央演算処理機３４２であり、各スイッチの動作過程で中央演算処理機３４２によるスイッチ制御器３４１の制御が随伴するという点を予め明らかにしておく。
まず、ステップ（Ｓ１００）において、バッテリーのカソード端子（Ａ）の検出電圧をセンシングするために、前記端子選択スイッチング部の第１スイッチ（ＳＷ１）はターンオン、第２スイッチ（ＳＷ２）はターンオフさせ、ＤＣ電圧印加部３５０の第７スイッチ（ＳＷ７）はターンオン、第８スイッチ（ＳＷ８）はターンオフさせ、充電スイッチング部３１０と電圧印加スイッチング部３２０はターンオフさせる。そうすれば、カソード端子（Ａ）の検出電圧に該当する電圧がキャパシタ（Ｃ４）に１次充電される。
次いで、ステップ（Ｓ１１０）において、端子選択スイッチング部の第１スイッチ（ＳＷ１）とＤＣ電圧印加部３５０の第７スイッチ（ＳＷ７）をターンオフさせ、充電スイッチング部３１０をターンオンさせてキャパシタ（Ｃ４）に充電されたカソード端子（Ａ）の検出電圧を再び前記浮動キャパシタ（Ｃ５）に２次充電する。
それから、ステップ（Ｓ１２０）において、充電スイッチング部３１０をターンオフさせた状態で電圧印加スイッチング部３２０をターンオンさせて浮動キャパシタ（Ｃ５）に充電されたカソード端子（Ａ）の検出電圧を電圧センシング部３３０に印加する。そうすれば、前記電圧センシング部３３０はカソード端子（Ａ）の検出電圧をセンシングして第１アナログ電圧信号をＡ／Ｄコンバータ３４１に出力する。これに応答して、前記Ａ／Ｄコンバータ３４１は第１アナログ電圧信号をデジタル化された電圧信号に変換して中央演算処理機３４２に入力する。
次いで、ステップ（Ｓ２００）において、バッテリー２００のアノード端子（Ｂ）の検出電圧をセンシングするために、端子選択スイッチング部の第１スイッチ（ＳＷ１）はターンオフ、第２スイッチ（ＳＷ２）はターンオンさせ、ＤＣ電圧印加部の第７スイッチ（ＳＷ７）はターンオフ、第８スイッチ（ＳＷ８）はターンオンさせ、充電スイッチング部３１０と電圧印加スイッチング部３２０はターンオフさせる。そうすれば、ＤＣ電圧印加部３５０に含まれたＤＣ電源がバッテリー２００のアノード端子（Ｂ）側に印加されながらバッテリー２００のアノード端子（Ｂ）及びキャパシタ（Ｃ４）側に電流が流れてアノード端子（Ｂ）の検出電圧に該当する電圧がキャパシタ（Ｃ４）に１次充電される。
次いで、ステップ（Ｓ２１０）において、端子選択スイッチング部の第２スイッチ（ＳＷ２）とＤＣ電圧印加部３５０の第８スイッチ（ＳＷ８）をターンオフさせ、充電スイッチング部３１０をターンオンさせてキャパシタ（Ｃ４）に充電されたアノード端子（Ｂ）の検出電圧を再び前記浮動キャパシタ（Ｃ５）に２次充電する。
それから、ステップ（Ｓ２２０）において、充電スイッチング部３１０をターンオフさせた状態で電圧印加スイッチング部３２０をターンオンさせて浮動キャパシタ（Ｃ５）に充電されたアノード端子（Ｂ）の検出電圧を電圧センシング部３３０に印加する。そうすれば、前記電圧センシング部３３０はアノード端子（Ｂ）の検出電圧をセンシングして第２アナログ電圧信号をＡ／Ｄコンバータ３４１に出力する。これに応答して、前記Ａ／Ｄコンバータ３４１は第２アナログ電圧信号をデジタル化された電圧信号に変換して中央演算処理機３４２に入力する。
ステップ（Ｓ３００）においては、前記Ｓ１１０ステップ及びＳ２１０ステップで測定されたカソード及びアノード端子（Ａ、Ｂ）の検出電圧を利用してリーク抵抗を計算する。リーク抵抗の計算方式は前述済みである。
ステップ（Ｓ４００）においては、前記Ｓ３００ステップで計算されたリーク抵抗と基準絶縁抵抗とを比較して計算されたリーク抵抗が基準絶縁抵抗より小さいか否かを判断する。
ステップ（Ｓ５００）は、前記Ｓ４００ステップで計算されたリーク抵抗が基準絶縁抵抗より大きいか同一であるとき行われるステップであって、バッテリーでリーク電流が発生しなかったと判別する。
ステップ（Ｓ６００）は、前記Ｓ４００ステップで計算されたリーク抵抗が基準絶縁抵抗より小さいとき行われるステップであって、バッテリーでリーク電流が発生したと判別する。
ステップ（Ｓ７００）は、前記Ｓ６００ステップでリーク電流が発生したと判別されれば、この事実を視覚的または聴覚的に警報する。
前述のＳ１００ステップないしＳ７００ステップは、バッテリー電源システムが作動しているうちにリーク電流感知が必要なときのみ選択的に行うか、一定の周期で自動に繰り返し行われ得る。
本発明によれば、浮動キャパシタを利用してリーク電流によるバッテリー両端子の電圧変化を感知してリーク電流の発生可否を判別することで、バッテリーパックや負荷から流入するノイズによってリーク電流判別の正確性が低下することを防止することができる。また、バッテリーのリーク電流が発生したときこれを早期に感知してバッテリーの放電を防止することができる。また、リーク電流による車両内部機器の誤作動及び故障を予防し、バッテリーのリーク電流による人命被害を予防することができる。
本発明の他の側面によれば、浮動キャパシタに充電された電圧をセンシングする前に浮動キャパシタをバッテリーから電気的に分離させるので、バッテリーから流入するノイズを低減させてより正確なリーク電流の感知が可能である。
以上のように、本発明は、たとえ限定された実施例と図面とによって説明されたが、本発明はこれによって限定されず、本発明が属する技術分野において通常の知識を持つ者により本発明の技術思想と特許請求範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能なのは言うまでもない。

Claims (17)

  1. バッテリーのカソード端子またはアノード端子から検出される電圧を充電する浮動キャパシタと、
    前記バッテリーのアノード端子の検出電圧測定時、アノード端子側にＤＣ電圧を印加するＤＣ電圧印加部と、
    前記カソードまたはアノード端子側の電圧検出経路を選択する端子選択スイッチング部と、
    前記選択された電圧検出経路から検出されるカソードまたはアノード端子側の検出電圧を前記浮動キャパシタに充電させた後前記浮動キャパシタを前記電圧検出経路と分離させる充電スイッチング部と、
    前記分離された浮動キャパシタに充電されたバッテリーのカソード端子またはアノード端子の検出電圧をセンシングする電圧センシング部と、及び
    前記電圧センシング部でセンシングされたバッテリーのカソード端子とアノード端子との検出電圧を利用してリーク抵抗を計算し、基準絶縁抵抗と比較してリーク電流の発生可否を判別するリーク電流判別部とを備えてなることを特徴とする、バッテリーのリーク電流感知装置。
  2. バッテリーのカソード及びアノード端子間の第１線路上に設けられた第１電圧配分ノードをさらに備えてなり、
    前記端子選択スイッチング部が、前記第１電圧配分ノードとバッテリーのカソード端子及びアノード端子の間にそれぞれ設けられた第１及び第２スイッチを含むことを特徴とする、請求項１に記載のバッテリーのリーク電流感知装置。
  3. 前記第１電圧配分ノードと接地とを連結した第２線路上に設けられた第２電圧配分ノードをさらに備えてなり、
    前記浮動キャパシタが、前記第２電圧配分ノードから延長された第３線路から分岐された第４線路上に設けられることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリーのリーク電流感知装置。
  4. 前記浮動キャパシタに充電されたバッテリーのカソード端子またはアノード端子の検出電圧を前記電圧センシング部に印加する電圧印加スイッチング部をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のバッテリーのリーク電流感知装置。
  5. 前記ＤＣ電圧印加部が、
    前記第２電圧配分ノードと接地との間に設けられた第１スイッチと、
    前記第２電圧配分ノードと前記第１スイッチとの間で分岐された導電ライン上に設けられた第２スイッチと、及び
    前記第２スイッチのターンオン時第２電圧配分ノードにＤＣ電圧を印加するＤＣ電源とを備えてなる、請求項１に記載のバッテリーのリーク電流感知装置。
  6. 前記リーク電流判別部が、
    前記端子選択スイッチング部と前記充電スイッチング部の動作を制御するスイッチ制御器と、
    前記電圧センシング部から出力されるアナログ電圧信号をデジタル電圧信号に変換するＡ／Ｄコンバータと、及び
    前記Ａ／Ｄコンバータからデジタル電圧信号の入力を受けてリーク抵抗を計算した後基準絶縁抵抗と比較してリーク電流の発生可否を判別する中央演算処理機とを備えてなるものである、請求項１に記載のバッテリーのリーク電流感知装置。
  7. 前記電圧センシング部が、前記浮動キャパシタから出力される電圧をセンシングする差動増幅器を備えてなることを特徴とする、請求項６に記載のバッテリーのリーク電流感知装置。
  8. 前記リーク電流判別部が、前記浮動キャパシタに充電された電圧を検出する前に前記充電スイッチング部を制御して前記浮動キャパシタを前記選択された電圧検出経路と電気的に分離させることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリーのリーク電流感知装置。
  9. 前記リーク電流判別部が、下記数学式に従ってリーク抵抗を計算することを特徴とする、請求項１に記載のバッテリーのリーク電流感知装置。
    Figure 2014112086
     （ここで、Ｒｉは、リーク電流感知装置の内部抵抗、Ｅは、バッテリーの両端電圧、ＶＡは、浮動キャパシタに充電されたカソード端子の検出電圧、ＶＢは、浮動キャパシタに充電されたアノード端子の検出電圧である。）
  10. 前記リーク電流判別部が、
    リーク電流発生事実を視覚的または聴覚的に出力するリーク電流警報器と、をさらに含み、リーク電流が発生した場合、前記リーク電流警報器を通じてリーク電流発生事実を視覚的または聴覚的に警報することを特徴とする、請求項１に記載のバッテリーのリーク電流感知装置。
  11. 前記リーク電流判別部が、前記計算されたリーク抵抗が基準絶縁抵抗より小さければ、リーク電流が発生したと判別することを特徴とする、請求項１に記載のバッテリーのリーク電流感知装置。
  12. 請求項１〜１１の何れか一項に記載のバッテリーのリーク電流感知装置を含むバッテリーパック。
  13. 請求項１〜１１の何れか一項に記載のバッテリーのリーク電流感知装置を含むバッテリー駆動装置。
  14. （ａ）バッテリーのカソード端子側の電圧検出経路を選択してバッテリーのカソード端子の検出電圧を浮動キャパシタに充電させ、電圧検出経路と浮動キャパシタとを電気的に分離させた状態で充電されたカソード端子の検出電圧をセンシングするステップと、
    （ｂ）バッテリーのアノード端子側の電圧検出経路を選択した後ＤＣ電圧をバッテリーのアノード端子側に印加してバッテリーのアノード端子の検出電圧を前記浮動キャパシタに充電させ、電圧検出経路と浮動キャパシタとを電気的に分離させた状態で充電されたアノード端子の検出電圧をセンシングするステップと、
    （ｃ）センシングされた前記カソード端子の検出電圧とアノード端子の検出電圧とを利用してリーク抵抗を計算するステップと、及び
    （ｄ）前記リーク抵抗を基準絶縁抵抗と比較してリーク電流の発生可否を判別するステップとを含んでなることを特徴とする、バッテリーのリーク電流感知方法。
  15. 前記（ｃ）ステップにおいて、前記リーク抵抗が、下記数学式に従って計算することを特徴とする請求項１４に記載のバッテリーのリーク電流感知方法。
    Figure 2014112086
     （ここで、Ｒｉは、リーク電流感知装置の内部抵抗、Ｅは、バッテリーの両端電圧、ＶＡは、浮動キャパシタに充電されたカソード端子の検出電圧、ＶＢは、浮動キャパシタに充電されたアノード端子の検出電圧である。）
  16. リーク電流が発生したと判別されれば、リーク電流発生事実を視覚的または聴覚的に警報するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１４に記載のバッテリーのリーク電流感知方法。
  17. 前記計算されたリーク抵抗が基準絶縁抵抗より小さい場合、リーク電流が発生したと判別することを特徴とする、請求項１４に記載のバッテリーのリーク電流感知方法。
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