KR100958795B1 - 배터리 누설전류 감지 장치 및 방법, 및 상기 장치를 포함하는 배터리 구동 장치 및 배터리 팩 - Google Patents

배터리 누설전류 감지 장치 및 방법, 및 상기 장치를 포함하는 배터리 구동 장치 및 배터리 팩 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리의 누설전류 감시 장치 및 방법과, 상기 장치를 포함하는 배터리 팩 및 배터리 구동 장치를 개시한다. 본 발명에 따른 배터리 누설전류 감지 장치는, 배터리의 양극 단자 또는 음극 단자로부터 검출되는 전압을 충전하는 부동 캐패시터; 상기 배터리 음극 단자의 검출전압 측정 시 음극 단자 측으로 DC 전압을 인가하는 DC 전압 인가부; 상기 양극 또는 음극 단자 측의 전압 검출 경로를 선택하는 단자 선택 스위칭부; 상기 선택된 전압 검출 경로로부터 검출되는 양극 또는 음극 단자 측의 검출 전압을 상기 부동 캐패시터에 충전시킨 후 상기 부동 캐패시터를 상기 전압 검출 경로와 분리시키는 충전 스위칭부; 상기 분리된 부동 캐패시터에 충전된 배터리 양극 단자 또는 음극 단자의 검출전압을 센싱하는 전압 센싱부; 및 상기 전압 센싱부에서 센싱된 배터리 양극 단자와 음극 단자의 검출전압을 이용하여 누설저항을 계산하고 기준 절연저항과 대비하여 누설전류의 발생 여부를 판별하는 누설전류 판별부를 포함한다.
배터리, 누설전류, 부동 캐패시터, 스위치

Description

배터리 누설전류 감지 장치 및 방법, 및 상기 장치를 포함하는 배터리 구동 장치 및 배터리 팩 {Apparatus and Method for sensing leakage current of battery, and Battery-driven apparatus and Battery pack including the apparatus}
본 발명은 배터리의 누설전류 감지 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같이 고전압을 요구하는 배터리 전원 공급 시스템에 채용된 배터리의 누설전류를 감지할 수 있는 배터리의 누설전류 감지 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 들어, 화석 에너지의 고갈과 환경오염으로 인해 화석 에너지를 사용하지 않고 배터리를 이용하여 구동할 수 있는 전기 자동차나 하이브리드 자동차(이하, 전기 구동 자동차로 통칭함)에 대한 관심이 높아지고 있다.
전기 구동 자동차에 사용되는 배터리는 이차 전지가 주류를 이룬다. 이차 전지는 크게 리튬 계열 전지와 니켈 수소 계열의 전지로 분류된다. 리튬 계열 전지는 디지털 카메라, P-DVD, MP3P, 휴대폰, PDA, Portable Game Device, Power Tool 및 E-bike 등의 소형 제품에 주로 적용되며, 니켈 수소 계열 전지는 자동차와 같은 고 출력이 요구되는 제품에 주로 적용된다.
배터리를 사용하는 장치에서는 배터리와 장치 간의 절연 상태가 잘 유지될 필요가 있다. 배터리의 절연상태가 유지되지 않으면 누설전류가 발생하여 여러 가지 문제를 야기하기 때문이다. 참고로, 배터리 누설전류는 예상치 못한 배터리의 방전이나 장치에 구비된 전자 기기들의 오작동을 일으킨다. 또한 전기 구동 자동차와 같이 고전압 배터리를 사용하는 장치에서는 사람에게 치명적인 감전피해를 줄 수 있다. 이에 따라 본 발명이 속한 기술분야에서는 배터리의 누설전류를 정확하고 철저하게 감지할 수 있는 방안이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 간단한 누설전류 감지 회로 구성을 통해 배터리의 누설전류 발생 유무를 용이하고 정확하게 감지할 수 있는 배터리의 누설전류 감지 장치 및 방법과, 상기 장치를 포함하는 배터리 팩 및 배터리 구동 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 누설전류 감지 장치는, 배터리의 양극 단자 또는 음극 단자로부터 검출되는 전압을 충전하는 부동 캐패시터; 상기 배터리 음극 단자의 검출전압 측정 시 음극 단자 측으로 DC 전압을 인가하는 DC 전압 인가부; 상기 양극 또는 음극 단자 측의 전압 검출 경로를 선택하는 단자 선택 스위칭부; 상기 선택된 전압 검출 경로로부터 검출되는 양극 또는 음극 단자 측의 검출 전압을 상기 부동 캐패시터에 충전시킨 후 상기 부동 캐패시터를 상기 전압 검출 경로와 분리시키는 충전 스위칭부; 상기 분리된 부동 캐패시터에 충전된 배터리 양극 단자 또는 음극 단자의 검출전압을 센싱하는 전압 센싱부; 및 상기 전압 센싱부에서 센싱된 배터리 양극 단자와 음극 단자의 검출전압을 이용하여 누설저항을 계산하고 기준 절연저항과 대비하여 누설전류의 발생 여부를 판별하는 누설전류 판별부를 포함한다.
본 발명에 따른 누설전류 감지 장치는, 배터리의 양극 및 음극 단자 사이의 제1선로 상에 설치된 제1전압 배분 노드를 더 포함하고, 상기 단자 선택 스위칭부는, 상기 제1전압 배분 노드와 배터리의 양극 단자 및 음극 단자 사이에 각각 설치된 제1 및 제2스위치를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 누설전류 감지 장치는, 상기 제1전압 배분 노드와 접지를 연결한 제2선로 상에 설치된 제2전압 배분 노드를 더 포함하고, 상기 부동 캐패시터는, 상기 제2전압 배분 노드로부터 연장된 제3선로부터 분기된 제4선로 상에 설치될 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 부동 캐패시터에 충전된 배터리 양극 단자 또는 음극 단자의 검출전압을 상기 전압 센싱부에 인가하는 전압 인가 스위칭부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 DC 전압 인가부는, 상기 제2전압 배분 노드와 접지 사이에 설치된 제1스위치; 상기 제2전압 배분 노드와 상기 제1스위치 사이에서 분기된 도전 라인 상에 설치된 제2스위치; 및 상기 제2스위치의 턴온시 제2전압 배분 노드에 DC전압을 인가하는 DC 전원;을 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 누설전류 판별부는, 상기 단자 선택 스위칭부와 상기 충전 스위칭부의 동작을 제어하는 스위치 제어기; 상기 전압 센싱부로부터 출력되는 아날로그 전압 신호를 디지털 전압 신호로 변환하는 A/D 변환기; 및 상기 A/D 변환기로부터 디지털 전압 신호를 입력 받아 누설저항을 계산한 후 기준 절연저항과 대비하여 누설전류 발생 여부를 판별하는 중앙연산처리기;를 포함한다.
바람직하게, 상기 전압 센싱부는 상기 부동 캐패시터에서 출력되는 전압을 센싱하는 차동 증폭기를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 누설전류 판별부는, 상기 부동 캐패시터에 충전된 전압을 검출하기에 앞서 상기 충전 스위칭부를 제어하여 상기 부동 캐패시터를 상기 선택된 전압 검출 경로와 전기적으로 분리시킨다.
본 발명에 따르면, 상기 누설전류 판별부는 하기 수학식에 의해 누설저항을 계산할 수 있다.
<수학식>
Figure 112009053934928-pat00001
(여기서, Ri는 누설 전류 감지 장치의 내부 저항, E는 배터리 양단 전압, VA는 부동 캐패시터에 충전된 양극 단자의 검출전압, VB는 부동 캐패시터에 충전된 음 극 단자의 검출전압이다.)
본 발명에 따르면, 상기 누설전류 판별부는, 누설전류 발생 사실을 시각적 또는 청각적으로 출력하는 누설전류 경보기;를 더 포함하고, 누설전류가 발생된 경우 상기 누설전류 경보기를 통해 누설전류 발생 사실을 시각적 또는 청각적으로 경보할 수 있다.
바람직하게, 상기 누설전류 판별부는, 상기 계산된 누설저항이 기준 절연저항보다 작으면 누설전류가 발생된 것으로 판별한다.
상기 기술적 과제는 상술한 배터리 누설전류 감지 장치를 포함하는 배터리 팩과 배터리 구동 장치에 의해서도 달성될 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 누설전류 감지 방법은, 배터리 양극 단자 측의 전압 검출 경로를 선택하여 배터리 양극 단자의 검출 전압을 부동 캐패시터에 충전시키고, 전압 검출 경로와 부동 캐패시터를 전기적으로 분리시킨 상태에서 충전된 양극 단자의 검출 전압을 센싱하는 단계; 배터리 음극 단자 측의 전압 검출 경로를 선택한 후 DC 전압을 배터리 음극 단자 측으로 인가하여 배터리 음극 단자의 검출 전압을 상기 부동 캐패시터에 충전시키고, 전압 검출 경로와 부동 캐패시터를 전기적으로 분리시킨 상태에서 충전된 음극 단자의 검출 전압을 반전시켜 센싱하는 단계; 센싱된 상기 양극 단자의 검출전압과 음극 단자의 검출전압을 이용하여 누설저항을 계산하는 단계; 및 상기 누설저항을 기준 절연저항과 대비하여 누설전류 발생 여부를 판별하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 부동 캐패시터를 이용하여 누설전류로 인한 배터리 양쪽 단자의 전압 변화를 감지하여 누설전류 발생 여부를 판별함으로써, 배터리 팩이나 부하로부터 유입되는 노이즈에 의해 누설전류 판별의 정확성이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 배터리의 누설전류 발생 시 이를 조기에 감지하여 배터리의 방전을 방지할 수 있다. 아울러, 누설전류로 인한 차량 내부 기기의 오작동 및 고장을 예방하고, 배터리의 누설전류로 인한 인명 피해를 예방할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 부동 캐패시터에 충전된 전압을 센싱하기 전에 부동 캐패시터를 배터리로부터 전기적으로 분리시키므로 배터리로부터 유입되는 노이즈를 저감시켜 좀 더 정확한 누설전류 감지가 가능하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들 이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리의 누설전류 감지 장치에 대한 회로 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리의 누설전류 감지 장치(300)는, 부하 시스템(100)에 전원을 공급하는 다수의 셀이 집합된 배터리(200)의 양쪽 단자에 연결되어 배터리(200)의 누설전류를 감지한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 부하 시스템(100)은 배터리(200)에서 출력되는 전기에너지를 이용하는 수단으로 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같이 고전압을 요구하는 시스템이다. 상기 부하 시스템(100)에서 전기에너지를 소모하는 부하(L)는 전기 자동차나 하이브리드 자동차에 동력을 전달하는 구동 모터나, 배터리(200)로부터 출력되는 전압을 변환하여 주는 DC to DC 컨버터 등이다. 하지만, 본 발명은 부하 시스템(100)이나 여기에 포함된 부하(L)의 종류에 의해 한정되지 않는다. 도면에서, 캐패시터 성분 C1은 부하 시스템(100)에서 발생되는 노이즈(Noise)를 필터링하는 필터이고, 캐패시터 성분 C2 및 C3는 배터리(200)가 부하(L)에 접속될 때 배터리(200)와 부하(L) 사이에 존재하게 되는 캐패시터 성분이다.
상기 배터리(200)는 전기에너지 저장수단으로서 전기적으로 연결되어 반복 충방전이 가능한 다수의 단위 셀을 포함한다. 상기 단위 셀은 울트라 캐패시터를 포함하는 전기 이중층 캐패시터, 또는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드늄 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등과 같은 공지의 2차 전지이다.
본 발명에 따른 배터리 누설전류 감지 장치(300)는, 배터리(200)의 양극 단자(A) 또는 음극 단자(B)로부터 검출되는 전압을 충전하는 부동 캐패시터(C5)와, 상기 배터리 음극 단자(B)의 검출전압 측정 시 음극 단자(B) 측으로 DC 전압을 인가하는 DC 전압 인가부(350)와, 상기 양극 또는 음극 단자(A, B) 측의 전압 검출 경로를 선택하는 단자 선택 스위칭부(SW1, SW2)와, 상기 선택된 전압 검출 경로로부터 검출되는 양극 또는 음극 단자(A, B) 측의 검출 전압을 상기 부동 캐패시터(C5)에 충전시키는 충전 스위칭부(SW3, SW4)와, 상기 부동 캐패시터(C5)에 충전된 배터리 양극 단자(A) 또는 음극 단자(B)의 검출전압을 센싱하는 전압 센싱부(330)와, 상기 전압 센싱부(330)에서 센싱된 배터리 양극 단자(A)와 음극 단자(B)의 검출전압을 이용하여 누설저항을 계산하고 기준 절연저항과 대비하여 누설전류의 발생 여부를 판별하는 누설전류 판별부(340)를 포함한다.
본 발명에 따르면, 배터리(200)의 양극 단자(A)와 음극 단자(B) 사이에는 제1선로(1)가 설치된다. 그리고, 상기 제1선로(1) 상의 제1전압 배분 노드(n1)로부터 제2선로(2)가 분기된다. 상기 제2선로(2)는 접지와 연결되며, 상기 제2선로(2) 상에는 제2전압 배분 노드(n2)가 위치한다. 상기 제2전압 배분 노드(n2)로부터는 제3선로(3)가 분기되어 연장되고, 상기 제3선로(3)로부터 제4선로(4)가 분기된다.
상기 단자 선택 스위칭부는, 제1선로(1) 상에 설치된 제1스위치(SW1) 및 제2스위치(SW2)를 포함한다. 상기 제1스위치(SW1)는 상기 전압 배분 노드(n1)와 배터리(200)의 양극 단자(A) 사이에 설치되고, 상기 제2스위치(SW2)는 상기 전압 배분 노드(n1)와 배터리(200)의 음극 단자(B) 사이에 설치된다. 또한 상기 제1스위 치(SW1)와 양극 단자(A) 사이에는 제1저항(R1)이, 상기 제2스위치(SW2)와 음극 단자(B) 사이에는 제2저항(R2)이 설치된다.
상기 단자 선택 스위칭부(SW1, SW2)는 전압 검출 경로를 선택한다. 상기 전압 검출 경로는 양극 단자(A) 측의 전압 검출 경로와 음극 단자(B) 측의 전압 검출 경로를 포함한다. 양극 단자(A) 측의 전압 검출 경로는 상기 단자 선택 스위칭부의 제1스위치(SW1)가 턴온되었을 때 선택된다. 반대로, 음극 단자(A) 측의 전압 검출 경로는, 상기 단자 선택 스위칭부의 제2스위치(SW2)가 턴온되었을 때 선택된다.
상기 제2전압 배분 노드(n2)와 제1전압 배분 노드(n1) 사이에는 제3저항(R3)이 개재된다. 그리고, 제2전압 배분 노드(n2)와 접지 사이에는 캐패시터(C4)가 설치된다. 상기 캐패시터(C4)에는, 상기 단자 선택 스위칭부(SW1, SW2)의 선택적인 턴온에 따라 배터리(200)의 양극 단자(A) 또는 음극 단자(B) 측의 검출 전압이 1차로 충전된다.
상기 충전 스위칭부는, 부동 캐패시터(C5)의 양 단자와 연결된 제3스위치(SW3) 및 제4스위치(SW4)를 포함한다. 상기 충전 스위칭부가 턴온되면, 캐패시터(C4)에 1차 충전된 양극 단자(A) 측 또는 음극 단자(B) 측 검출 전압이 부동 캐패시터(C5) 측으로 2차 충전된다.
상기 전압 센싱부(330)과 부동 캐패시터(C5) 사이에는 제5스위치(SW5) 및 제6스위치(SW6)로 구성된 전압 인가 스위칭부가 개재된다. 상기 전압 인가 스위칭부가 턴온되면 부동 캐패시터(C5)에 충전된 전압이 전압 센싱부(330) 측으로 인가된다.
상기 전압 센싱부(330)는 부동 캐패시터(C5)의 양단 전압을 아날로그 전압 신호로 누설전류 판별부(340) 측에 출력시킨다. 즉, 상기 전압 센싱부(330)는 부동 캐패시터(C5)에 충전된 양극 단자(A) 측 검출 전압과 음극 단자(B) 측 검출 전압을 순차적으로 센싱하여 아날로그 전압 신호를 출력한다. 상기 아날로그 전압 신호는 양극 단자(A) 측 검출 전압에 대응하는 제1아날로그 전압 신호와 음극 단자(B) 측의 극성 반전된 검출 전압에 대응하는 제2아날로그 전압 신호를 포함한다. 바람직하게, 상기 전압 센싱부(330)는 차동 증폭기(Differential Amplifier)를 포함할 수 있는데, 본 발명이 이에 한하는 것은 아니다.
상기 DC 전압 인가부(350)는 상기 제2전압 배분 노드(n2)와 접지 사이에 순차적으로 설치되는 제4저항(R4) 및 제7스위치(SW7)와, 상기 제4저항(R4)과 제7스위치(SW7) 사이에서 분기된 도전 라인 상에 설치된 제8스위치(SW8)와, 제8스위치(SW8)의 턴온시 제2전압 배분노드(n2)에 양의 DC전압을 인가하는 DC 전원(DC)을 포함한다.
상기 DC 전압 인가부(350)는 배터리 양극 단자(A)의 전압 검출 과정에서 배터리 양극 단자(A) 측으로부터 제2선로(2) 측으로 유입되는 전류가 접지 측으로 흐르도록 한다. 또한 상기 DC 전압 인가부(350)는 배터리 음극 단자(B)의 전압 검출 과정에서 배터리 음극 단자(B) 측에 DC 전원을 인가하여 상기와는 반대로 제2선로(2)로부터 배터리 음극 단자(B) 측으로 전류가 흐르게 한다. 그 결과, 캐패시터(C4)와 부동 캐패시터(C5)에 충전되는 전압은 동일한 극성을 가지게 된다. 이처럼, 부동 캐패시터(C5)에 충전되는 전압이 동일한 극성을 가지면 전압 센싱부(330) 의 회로 구성을 간단하게 할 수 있다.
상기 배터리(200)의 양쪽 단자에 각각 표시된 양의 누설저항(Rleakage+)과 음의 누설저항(Rleakage-)은 누설전류가 발생했을 때의 상황을 묘사한 것으로 누설전류가 발생하게 되면 나타나는 가상의 저항값을 등가로 표현한 것이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 누설전류 판별부의 구성을 도시한 블록도이다.
도 2를 참조하면, 상기 누설전류 판별부(340)는 A/D 변환기(341), 중앙연산처리기(342), 스위치 제어기(343) 및 누설전류 경보기(344)를 포함한다.
상기 A/D 변환기(341)는, 상기 전압 센싱부(330)로부터 출력되는 아날로그 전압 신호를 디지털 전압 신호로 변환한다. 상기 디지털 전압 신호는 양극 단자(A) 측의 검출 전압에 대응하는 제1디지털 전압 신호와 음극 단자(B) 측의 검출 전압에 대응하는 제2디지털 전압 신호를 포함한다.
상기 중앙연산처리기(342)는, 상기 A/D 변환기(341)로부터 디지털 전압 신호를 입력 받아 누설저항을 계산한다. 즉, 상기 중앙연산처리기(342)는 A/D 변환기(341)로부터 입력되는 디지털화된 전압 신호를 양극 및 음극 단자별로 구분하고, 양극 및 음극 단자별로 구분된 디지털화된 전압 신호를 가지고 배터리(200)의 누설저항을 하기 수학식 1을 통해서 계산한다.
Figure 112009053934928-pat00002
(여기서, Ri는 누설 전류 감지 장치의 내부 저항. E는 배터리 양단 전압, VA는 양극 단자의 검출전압, VB는 음극 단자의 검출전압이다. 도 1에서, R1=R2이면, Ri는 R1+R3+R4이다.)
그리고, 상기 중앙연산처리기(342)는 상기 수학식1에 의해 계산된 누설저항을 미리 설정된 기준 절연저항과 대비하여 계산된 누설저항이 기준 절연저항보다 작으면 누설전류가 발생하고 있는 것으로 판별한다.
상기 스위치 제어기(343)는 상기 중앙연산처리기(342)의 통제에 따라 단자 선택 스위칭부(SW1, SW2), 충전 스위칭부(SW3, SW4), 전압 인가 스위칭부(SW5, SW6) 및 DC 전압 인가부(350) 내에 위치한 스위치(SW7, SW8)의 동작을 제어한다.
즉, 상기 스위치 제어기(343)는 배터리(200)의 양극 및 음극 단자(A, B)의 검출전압을 상기 캐패시터(C4)와 부동 캐패시터(C5)에 순차적으로 저장하고, 이렇게 저장된 검출전압이 상기 전압 센싱부(330)로 인가될 수 있도록 단자 선택 스위칭부(SW1, SW2), 충전 스위칭부(SW3, SW4), 전압 인가 스위칭부(SW5, SW6) 및 DC 전압 인가부(350) 내에 위치한 스위치(SW7, SW8)의 동작을 제어하는 것이다.
양극 단자(A)의 검출전압을 측정할 경우, 상기 스위치 제어기(343)는 단자 선택 스위칭부의 제1스위치(SW1)와 DC 전압 인가부(350) 내의 제7스위치(SW7)를 턴온시키고, 단자 선택 스위칭부의 제2스위치(SW2)와 DC 전압 인가부(350) 내의 제8스위치(SW8), 그리고 충전 스위칭부(310)와 전압 인가 스위칭부(320)를 턴오프시킨다. 그러면 배터리의 양극 단자(A)로부터 캐패시터(C4) 및 제7스위치(SW7) 측으로 전류가 흐르게 되며, 그 결과 양극 단자(A)의 검출전압에 대응하는 전압이 캐패시터(C4)에 충전된다. 이어서, 단자 선택 스위칭부의 제1스위치와 DC 전압 인가부(350) 내의 제7스위치(SW7)를 턴오프시키고 충전 스위칭부(310)를 턴온시켜 캐패시터(C4)에 충전된 양극 단자(A) 검출전압을 다시 상기 부동 캐패시터(C5)에 충전한다. 상기 부동 캐패시터(C5)에 양극 단자(A) 전압이 충전되는 과정에서 전압 인가 스위칭부(320)가 턴오프된 상태를 유지하므로 배터리(200) 또는 부하 시스템(100)으로부터 유입되는 잡음이 누설전류 판별부(340)로 유입되는 것을 방지할 수 있다. 그런 다음, 충전 스위칭부(310)를 턴오프시킨 상태에서 전압 인가 스위칭부(320)를 턴온시켜 부동 캐패시터(C5)에 충전된 양극 단자(A) 검출전압을 전압 센싱부(330)로 인가한다. 그러면, 전압 센싱부(330)는 배터리(200) 양극 단자(A)의 검출전압에 해당하는 제1아날로그 전압 신호를 A/D 변환기(341)로 출력한다. 상기 전압 센싱부(330)가 양극 단자(A)의 검출전압을 센싱할 때 충전 스위칭부(310)가 턴오프된 상태에 있으므로 배터리(200) 또는 부하 시스템(100)으로부터 누설전류 판별부(340) 측으로 잡음이 유입되는 것을 방지할 수 있다.
다음으로, 음극 단자(B)의 검출전압을 측정할 경우, 상기 스위치 제어기(342)는 단자 선택 스위칭부의 제1스위치(SW1)는 턴오프, 제2스위치(SW2)는 턴온 시키고, DC 전압 인가부(350)의 제7스위치(SW7)는 턴오프, 제8스위치(SW8)는 턴온시키고, 충전 스위칭부(310)와 전압 인가 스위칭부(320)는 턴오프시킨다. 그러면 DC 전원(DC)의 양극 단자로부터 캐패시터(C4) 및 배터리의 음극 단자(B) 측으로 전류가 흐르게 되고, 이 과정에서 배터리 음극 단자(B)의 검출 전압에 해당하는 전압이 캐패시터(C4)에 충전된다. 이어서, 단자 선택 스위칭부의 제2스위치(SW2)와 DC 전압 인가부(350)의 제8스위치(SW8)를 턴오프시키고 충전 스위칭부(310)를 턴온시킨다. 그러면, 캐패시터(C4)에 충전된 음극 단자(B)의 검출전압이 다시 상기 부동 캐패시터(C5)에 충전된다. 부동 캐패시터(C5)에 음극 단자(B)의 검출전압이 충전되는 과정에서 전압 인가 스위칭부(320)가 턴오프된 상태를 유지하므로 배터리(200) 또는 부하 시스템(100)으로부터 유입되는 잡음이 누설전류 판별부(340)로 유입되는 것을 방지할 수 있다. 그런 다음, 충전 스위칭부(310)를 턴오프시킨 상태에서 전압 인가 스위칭부(320)를 턴온시켜 부동 캐패시터(C5)에 충전된 음극 단자(B)의 검출전압을 전압 센싱부(330)로 인가한다. 그러면, 전압 센싱부(330)는 배터리 음극 단자(B)의 검출전압에 해당하는 제2아날로그 전압 신호를 A/D 변환기(341)로 출력한다. 상기 전압 센싱부(330)가 음극 단자(B)의 검출전압을 센싱할 때 충전 스위칭부(310)가 턴오프된 상태에 있으므로 배터리(200) 또는 부하 시스템(100)으로부터 누설전류 판별부(340) 측으로 잡음이 유입되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 전압 센싱부(330)는 차동 증폭기를 이용하여 구현할 수 있다. 그런데, 부동 캐패시터(C5)에는 항상 양의 전압이 충전되므로 전압 센싱부(330) 내에 극성 반전 회로를 포함시키지 않고 하나의 차동 증폭기만으로 전압 센싱부(330)를 구현할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 누설전류 판별부(340)는 누설전류 발생 여부에 대한 판정 결과를 시각적 또는 청각적으로 출력할 수 있다. 이를 위해, 상기 누설전류 판별부(340)는 누설전류 경보기(344)를 더 포함하는 것이 바람직하다.
이런 경우, 상기 누설전류 판별부(340)는 누설전류가 발생된 것으로 판별되면, 누설전류 발생 신호를 누설전류 경보기(344)로 출력한다. 그러면, 상기 누설전류 경보기(344)는 누설전류 발생 사실을 시각적 또는 청각적으로 경보한다. 상기 누설전류 경보기(344)는 LED, LCD, 알람 경보기 또는 이들의 조합으로 구현할 수 있다. 따라서, 상기 누설전류 경보기(344)는 LED를 점멸하거나 LCD에 경고 메시지를 출력하거나 알람 경보기를 통해 경보음을 발생시켜 사용자에게 누설전류 발생 사실을 경보할 수 있다. 하지만 본 발명이 이에 한하는 것은 아니므로 여러 가지 변형된 형태의 시각적 또는 청각적 알람 장치가 누설전류 경보기(325)로 채용될 수 있음은 자명하다.
상술한 본 발명에 따른 배터리 누설전류 감지 장치는 배터리로부터 전원을 공급받는 배터리 구동 장치에 결합되어 사용될 수 있다.
일 예로, 본 발명은 노트북, 휴대폰, 개인 휴대용 멀티미디어 재생기와 같이 배터리로부터 구동 전압을 공급받는 각종 전자 제품에 포함되어 사용될 수 있다.
다른 예로, 본 발명은 화석연료 자동차, 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 전기 자전거와 같이 배터리가 탑재된 각종 동력 장치에 결합되어 사용될 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 배터리 누설전류 감지 장치는, PCB 회로 또는 주문 형 반도체 회로(ASIC)로 모듈화하여 배터리 팩 내에 탑재할 수 있을 것임은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리의 누설전류 감지 방법을 설명하기 위해 도시한 흐름도이다.
하기에서 설명되는 각 단계의 수행 주체는 특별한 언급이 없으면 중앙연산처리기(342)이고, 각 스위치의 동작 과정에서 중앙연산처리기(342)에 의한 스위치 제어기(341)의 제어가 수반된다는 점을 미리 밝혀둔다.
먼저, 단계(S100)에서 배터리 양극 단자(A)의 검출전압을 센싱하기 위해 상기 단자 선택 스위칭부의 제1스위치(SW1)는 턴온, 제2스위치(SW2)는 턴오프시키고, DC 전압 인가부(350)의 제7스위치(SW7)는 턴온, 제8스위치(SW8)는 턴오프시키고, 충전 스위칭부(310)과 전압 인가 스위칭부(320)는 턴오프시킨다. 그러면, 양극 단자(A)의 검출전압에 해당하는 전압이 캐패시터(C4)에 1차 충전된다.
이어서, 단계(S110)에서 단자 선택 스위칭부의 제1스위치(SW1)와 DC 전압 인가부(350)의 제7스위치(SW7)를 턴오프시키고 충전 스위칭부(310)를 턴온시켜 캐패시터(C4)에 충전된 양극 단자(A)의 검출전압을 다시 상기 부동 캐패시터(C5)에 2차 충전한다.
그런 다음, 단계(S120)에서 충전 스위칭부(310)를 턴오프시킨 상태에서 전압인가 스위칭부(320)를 턴온시켜 부동 캐패시터(C5)에 충전된 양극 단자(A)의 검출전압을 전압 센싱부(330)로 인가한다. 그러면, 상기 전압 센싱부(330)는 양극 단자(A)의 검출전압을 센싱하여 제1아날로그 전압 신호를 A/D 변환기(341)로 출력한 다. 이에 응답하여 상기 A/D 변환기(341)는 제1아날로그 전압신호를 디지털화된 전압 신호로 변환하여 중앙연산처리기(342)로 입력한다.
다음으로, 단계(S200)에서 배터리(200)의 음극 단자(B) 검출전압을 센싱하기 위해 단자 선택 스위칭부의 제1스위치(SW1)는 턴오프, 제2스위치(SW2)는 턴온시키고, DC 전압 인가부의 제7스위치(SW7)는 턴오프, 제8스위치(SW8)는 턴온시키고, 충전 스위칭부(310)와 전압 인가 스위칭부(320)는 턴오프시킨다. 그러면, DC 전압 인가부(350)에 포함된 DC 전원이 배터리(200)의 음극 단자(B) 측으로 인가되면서 배터리(200)의 음극 단자(B)와 캐패시터(C4) 측으로 전류가 흘러 음극 단자(B)의 검출전압에 해당하는 전압이 캐패시터(C4)에 1차 충전된다.
이어서, 단계(S210)에서 단자 선택 스위칭부의 제2스위치(SW2)와 DC 전압 인가부(350)의 제8스위치(SW8)를 턴오프시키고 충전 스위칭부(310)를 턴온시켜 캐패시터(C4)에 충전된 음극 단자(B)의 검출전압을 다시 상기 부동 캐패시터(C5)에 2차 충전한다.
그런 다음, 단계(S220)에서 충전 스위칭부(310)를 턴오프시킨 상태에서 전압인가 스위칭부(320)를 턴온시켜 부동 캐패시터(C5)에 충전된 음극 단자(B)의 검출전압을 전압 센싱부(330)로 인가한다. 그러면, 상기 전압 센싱부(330)는 음극 단자(B)의 검출전압을 센싱하여 제2아날로그 전압 신호를 A/D 변환기(341)로 출력한다. 이에 응답하여 상기 A/D 변환기(341)는 제2아날로그 전압신호를 디지털화된 전압 신호로 변환하여 중앙연산처리기(342)로 입력한다.
단계(S300)에서는, 상기 S110 단계와 S210 단계에서 측정된 양극 및 음극 단 자(A, B)의 검출전압을 이용하여 누설저항을 계산한다. 누설저항의 계산 방식은 이미 상술한 바 있다.
단계(S400)에서는, 상기 S300 단계에서 계산된 누설저항과 기준 절연저항을 대비하여 계산된 누설저항이 기준 절연저항보다 작은지 판단한다.
단계(S500)은, 상기 S400 단계에서 계산된 누설저항이 기준 절연저항보다 크거나 같은 경우 진행되는 단계로서, 배터리에서 누설전류가 발생하지 않은 것으로 판별한다.
단계(S600)은, 상기 S400 단계에서 계산된 누설저항이 기준 절연저항보다 작은 경우 진행되는 단계로서, 배터리에서 누설전류가 발생된 것으로 판별한다.
단계(S700)은, 상기 S600 단계에서 누설전류가 발생하였다고 판별됨에 따라 이 사실을 시각적 또는 청각적으로 경보한다.
상기 S100 단계에서 S700 단계는, 배터리 전원 시스템이 작동하고 있는 동안 누설전류 감지가 필요할 경우 선택적으로 진행되거나 일정한 주기를 가지고 자동적으로 반복 진행될 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술된 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되지 않아야 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리의 누설전류 감지 장치에 대한 회로 구성도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 누설전류 판별부의 구성을 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리의 누설전류 감지 방법을 설명하기 위해 도시한 흐름도이다.

Claims (17)

  1. 배터리의 양극 단자 또는 음극 단자로부터 검출되는 전압을 충전하는 부동 캐패시터;
    상기 배터리 음극 단자의 검출전압 측정 시 음극 단자 측으로 DC 전압을 인가하는 DC 전압 인가부;
    상기 양극 또는 음극 단자 측의 전압 검출 경로를 선택하는 단자 선택 스위칭부;
    상기 선택된 전압 검출 경로로부터 검출되는 양극 또는 음극 단자 측의 검출 전압을 상기 부동 캐패시터에 충전시킨 후 상기 부동 캐패시터를 상기 전압 검출 경로와 분리시키는 충전 스위칭부;
    상기 분리된 부동 캐패시터에 충전된 배터리 양극 단자 또는 음극 단자의 검출전압을 센싱하는 전압 센싱부; 및
    상기 전압 센싱부에서 센싱된 배터리 양극 단자와 음극 단자의 검출전압을 이용하여 누설저항을 계산하고 기준 절연저항과 대비하여 누설전류의 발생 여부를 판별하는 누설전류 판별부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 누설전류 감지 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    배터리의 양극 및 음극 단자 사이의 제1선로 상에 설치된 제1전압 배분 노드 를 더 포함하고,
    상기 단자 선택 스위칭부는, 상기 제1전압 배분 노드와 배터리의 양극 단자 및 음극 단자 사이에 각각 설치된 제1 및 제2스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 누설전류 감지 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1전압 배분 노드와 접지를 연결한 제2선로 상에 설치된 제2전압 배분 노드를 더 포함하고,
    상기 부동 캐패시터는, 상기 제2전압 배분 노드로부터 연장된 제3선로부터 분기된 제4선로 상에 설치되는 것을 특징으로 하는 배터리 누설전류 감지 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 부동 캐패시터에 충전된 배터리 양극 단자 또는 음극 단자의 검출전압을 상기 전압 센싱부에 인가하는 전압 인가 스위칭부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 누설전류 감지 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 DC 전압 인가부는,
    상기 제2전압 배분 노드와 접지 사이에 설치된 제3스위치;
    상기 제2전압 배분 노드와 상기 제3스위치 사이에서 분기된 도전 라인 상에 설치된 제4스위치; 및
    상기 제4스위치의 턴온시 제2전압 배분 노드에 DC전압을 인가하는 DC 전원;을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 누설전류 감지 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 누설전류 판별부는,
    상기 단자 선택 스위칭부와 상기 충전 스위칭부의 동작을 제어하는 스위치 제어기;
    상기 전압 센싱부로부터 출력되는 아날로그 전압 신호를 디지털 전압 신호로 변환하는 A/D 변환기; 및
    상기 A/D 변환기로부터 디지털 전압 신호를 입력 받아 누설저항을 계산한 후 기준 절연저항과 대비하여 누설전류 발생 여부를 판별하는 중앙연산처리기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 누설전류 감지 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전압 센싱부는 상기 부동 캐패시터에서 출력되는 전압을 센싱하는 차동 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 누설전류 감지 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 누설전류 판별부는, 상기 부동 캐패시터에 충전된 전압을 검출하기에 앞서 상기 충전 스위칭부를 제어하여 상기 부동 캐패시터를 상기 선택된 전압 검출 경로와 전기적으로 분리시키는 것을 특징으로 하는 배터리 누설전류 감지 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 누설전류 판별부는 하기 수학식에 의해 누설저항을 계산하는 것을 특징으로 하는 배터리 누설전류 감지 장치.
    <수학식>
    Figure 112009053934928-pat00003
    (여기서, Ri는 누설 전류 감지 장치의 내부 저항, E는 배터리 양단 전압, VA는 부동 캐패시터에 충전된 양극 단자의 검출전압, VB는 부동 캐패시터에 충전된 음극 단자의 검출전압이다.)
  10. 제1항에 있어서, 상기 누설전류 판별부는,
    누설전류 발생 사실을 시각적 또는 청각적으로 출력하는 누설전류 경보기;를 더 포함하고, 누설전류가 발생된 경우 상기 누설전류 경보기를 통해 누설전류 발생 사실을 시각적 또는 청각적으로 경보하는 것을 특징으로 하는 배터리 누설전류 감지 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 누설전류 판별부는, 상기 계산된 누설저항이 기준 절연저항보다 작으면 누설전류가 발생된 것으로 판별하는 것을 특징으로 하는 배터리 누설전류 감지 장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 배터리 누설전류 감지 장치를 포함하는 배터리 팩.
  13. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 배터리 누설전류 감지 장치를 포함하는 배터리 구동 장치.
  14. (a) 배터리 양극 단자 측의 전압 검출 경로를 선택하여 배터리 양극 단자의 검출 전압을 부동 캐패시터에 충전시키고, 전압 검출 경로와 부동 캐패시터를 전기적으로 분리시킨 상태에서 충전된 양극 단자의 검출 전압을 센싱하는 단계;
    (b) 배터리 음극 단자 측의 전압 검출 경로를 선택한 후 DC 전압을 배터리 음극 단자 측으로 인가하여 배터리 음극 단자의 검출 전압을 상기 부동 캐패시터에 충전시키고, 전압 검출 경로와 부동 캐패시터를 전기적으로 분리시킨 상태에서 충전된 음극 단자의 검출 전압을 센싱하는 단계;
    (c) 센싱된 상기 양극 단자의 검출전압과 음극 단자의 검출전압을 이용하여 누설저항을 계산하는 단계; 및
    (d) 상기 누설저항을 기준 절연저항과 대비하여 누설전류 발생 여부를 판별하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 누설전류 감지 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서, 상기 누설저항은 하기 수학식에 의해 계산하는 것을 특징으로 하는 배터리 누설절류 감지 방법.
    <수학식>
    Figure 112009053934928-pat00004
    (여기서, Ri는 누설 전류 감지 장치의 내부 저항, E는 배터리 양단 전압, VA는 부동 캐패시터에 충전된 양극 단자의 검출전압, VB는 부동 캐패시터에 충전된 음극 단자의 검출전압이다.)
  16. 제14항에 있어서,
    누설전류가 발생된 것으로 판별되면, 누설전류 발생 사실을 시각적 또는 청각적으로 경보하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 누설전류 감지 방법.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 계산된 누설저항이 기준 절연 저항보다 작은 경우 누설전류가 발생된 것으로 판별하는 것을 특징으로 하는 배터리 누설전류 감지 방법.
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