KR100984241B1 - 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 감지 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 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 충전시키는 충전 스위칭부; 상기 부동 캐패시터에 충전된 음극 단자 측의 검출 전압 극성을 반전시키는 극성 반전 스위칭부; 및 상기 부동 캐패시터에 충전된 양극 단자 측 검출 전압과 극성 반전된 음극단자 측 검출 전압을 센싱하여 누설저항을 계산하고, 상기 누설저항을 기준 절연저항과 대비하여 누설전류의 발생 여부를 판별하는 누설전류 판별부를 포함한다.
Figure R1020090073992
배터리, 누설전류, 부동 캐패시터

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 배터리 관리 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배터리의 누설전류를 감지할 수 있는 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, 전지 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 고출력이 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 전지 구동 자동차와 같이 고전압 배터리를 사용하는 장치에서는 사람에게 치명적인 감전피해를 줄 수 있다.
이에 따라 본 발명이 속한 기술분야에서는 배터리의 누설전류를 철저하게 감지할 수 있는 방안이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 간단한 회로 구성을 통해 배터리의 누설전류 발생 유무를 용이하고 정확하게 감지할 수 있는 배터리의 누설전류 감지 장치 및 방법, 그리고 상기 장치를 포함하는 배터리 구동 장치 및 배터리 팩을 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 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 충전시키는 충전 스위칭부; 상기 부동 캐패시터에 충전된 음극 단자 측의 검출 전압 극성을 반전시키는 극성 반전 스위칭부; 및 상기 부동 캐패시터에 충전된 양극 단자 측 검출 전압과 극성 반전된 음극단자 측 검출 전압을 센싱하여 누설저항을 계산하고, 상기 누설저항을 기준 절연저항과 대비하여 누설전류의 발생 여부를 판별하는 누설전류 판별부;를 포함한다.
본 발명에 따른 배터리 누설전류 감지 장치는, 배터리의 양극 및 음극 단자 사이의 제1선로 상에 설치된 전압 배분 노드를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 단자 선택 스위칭부는, 상기 전압 배분 노드와 배터리의 양극 단자 및 음극 단자 사이에 각각 설치된 제1 및 제2스위치; 및 상기 전압 배분 노드로부터 연장된 제2선로 상에 설치된 제3스위치를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 부동 캐패시터는 상기 제2선로와 병렬로 배치된 제3선로에 설치될 수 있다.
바람직하게, 상기 충전 스위칭부는, 상기 부동 캐패시터의 제1단자와 상기 선택된 전압 검출 경로 사이의 연결을 스위칭하는 제4스위치와, 상기 부동 캐패시터의 제2단자와 접지 사이의 연결을 스위칭하는 제5스위치를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 극성 반전 스위칭부는, 상기 부동 캐패시터의 제1단자와 접지 사이의 연결을 스위칭하는 제6스위치와, 상기 부동 캐패시터의 제2단자와 상기 선택된 전압 검출 경로 사이의 연결을 스위칭하는 제7스위치를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 누설전류 판별부는, 상기 단자 선택 스위칭부, 상기 충전 스위칭부 및 상기 극성 반전 스위칭부의 동작을 제어하는 스위치 제어기; 상기 양극 단자 측의 검출 전압과 음극 단자 측의 극성 반전된 검출 전압을 상기 부동 캐패시터로부터 센싱한 후 아날로그 전압 신호를 출력하는 전압 센싱기; 상기 출력된 아날로그 전압 신호를 디지털 전압 신호로 변환하는 A/D 변환기; 및 상기 A/D 변환기로부터 디지털 전압 신호를 입력 받아 누설저항을 계산한 후 상기 누설저항을 기준 절연저항과 대비하여 누설전류 발생 여부를 판별하는 중앙연산처리기;를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 전압 센싱기는 상기 부동 캐패시터로부터 인가되는 양극 단자 검출 전압과 극성이 반전된 음극 단자 검출 전압을 센싱하는 차동 증폭기를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 누설전류 판별부는, 하기 수학식에 의해 누설저항을 계산할 수 있다.
<수학식>
Figure 112009049052104-pat00001
(여기서, Ri는 누설 전류 감지 장치의 내부 저항, E는 배터리 양단 전압, VA는 부동 캐패시터에 충전된 양극 단자의 검출 전압, VB는 부동 캐패시터에 충전된 음극 단자의 극성 반전된 검출 전압이다.)
선택적으로, 상기 누설전류 판별부는, 누설전류 발생 사실을 시각적 또는 청각적으로 경보하는 누설전류 경보기를 포함할 수 있다. 이런 경우, 상기 누설전류 판별부는, 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 판별할 수 있다.
본 발명의 기술적 과제는, 상술한 배터리 누설전류 감지 장치를 포함하는 배터리 구동 장치 또는 배터리 팩에 의해서도 달성될 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 배터리 누설전류 감지 방법은, 배터리 양극 단자 측의 전압 검출 경로를 선택하여 배터리 양극 단자의 검출 전압을 부동 캐패시터에 충전시킨 후 충전된 양극 단자의 검출 전압을 센싱하는 단계; 배터리 음 극 단자 측의 전압 검출 경로를 선택하여 배터리 음극 단자의 검출 전압을 상기 부동 캐패시터에 충전시킨 후 충전된 음극 단자의 검출 전압을 반전시켜 센싱하는 단계; 센싱된 상기 양극 단자의 검출 전압과 음극 단자의 극성 반전된 검출 전압을 이용하여 누설저항을 계산하는 단계; 및 상기 누설저항을 기준 절연저항과 대비하여 누설전류 발생 여부를 판별하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 부동 캐패시터가 포함된 간단한 누설전류 감지 회로를 이용하여 배터리의 누설전류를 감지함으로써, 배터리의 누설전류 발생 시 이를 조기에 감지하여 배터리의 방전을 방지할 수 있다. 또한, 누설전류로 인한 차량 내부 기기의 오작동 및 고장을 예방하고, 배터리의 누설전류로 인한 인명 피해를 예방할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 부동 캐패시터에 충전된 전압을 센싱하기 전에 부동 캐패시터를 배터리로부터 전기적으로 분리시키므로 배터리로부터 유입되는 노이즈를 저감시켜 좀 더 정확한 누설전류 감지가 가능하다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 극성 반전 스위칭부를 이용하여 부동 캐패시터에 충전된 배터리의 음극 단자 측 검출 전압의 극성을 반전시키므로 전압 센싱기에 동일한 극성의 검출 전압이 인가된다. 그 결과, 전압 센싱기의 회로 구성을 간단하게 할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하 기로 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 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리 누설전류 감지 장치에 대한 회로 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 누설전류 감지 장치(300)는, 부하 시스템(100)에 전원을 공급하는 다수의 셀이 집합된 배터리(200)의 양 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 전압 레벨을 변환하여 주는DC 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 노이 즈(Noise)를 필터링하는 필터이고, 캐패시터 성분 C2 및 C3는 배터리(200)가 부하(L)에 접속될 때 배터리(200)와 부하(L) 사이에 고유하게 존재하게 되는 캐패시터 성분이다.
상기 배터리(200)는 전기에너지를 저장하는 수단으로서 직렬 또는 병렬로 연결된 재충전 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, 배터리의 양극 단자(A) 또는 음극 단자(B)로부터 검출되는 전압을 충전하는 부동 캐패시터(C5)와, 상기 양극 단자(A) 또는 음극 단자(B) 측의 전압 검출 경로를 선택하는 단자 선택 스위칭부(SW1, SW2, SW3)와, 상기 선택된 전압 검출 경로로부터 검출되는 양극 단자(A) 또는 음극 단자(B) 측의 검출 전압을 상기 부동 캐패시터(C5)에 충전하는 충전 스위칭부(SW4, SW5)와, 상기 부동 캐패시터(C5)에 충전된 음극 단자(B) 측의 검출 전압 극성을 반전시키는 극성 반전 스위칭부(SW6, SW7)와, 상기 부동 캐패시터(C5)에 충전된 양극 단자(A) 측 검출 전압과 극성 반전된 음극단자(B) 측 검출 전압을 센싱하여 누설저항을 계산하고, 상기 누설저항을 기준 절연저항과 대비하여 누설전류의 발생 여부를 판별하는 누설전류 판별부(320)를 포함한다.
본 발명에 따르면, 배터리의 양극 단자(A)와 음극 단자(B) 사이에는 제1선로(1)가 설치된다. 그리고 상기 제1선로(1) 상의 전압 배분 노드(n1)로부터 제2선로(2)가 분기된다. 또한, 상기 제2선로(2)와 병렬로 제3선로(3)가 설치된다.
상기 단자 선택 스위칭부는, 제1스위치(SW1), 제2스위치(SW2) 및 제3스위치(SW3)를 포함한다. 상기 제1스위치(SW1) 및 상기 제2스위치(SW2)는 제1선로(1) 상에 설치된다. 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 제1스위치(SW1)와 양극 단자(A) 사이에는 제1저항(R1)이, 상기 제2스위치(SW2)와 음극 단자(B) 사이에는 제2저항(R2)이 설치된다.
상기 제3스위치(SW3)는 전압 배분 노드(n1)로부터 연장된 제2선로(2) 상에 설치된다. 상기 전압 배분 노드(n1)와 제3스위치(SW3) 사이에는 제3저항(R3) 및 제4저항(R4)이 설치된다. 상기 제3저항(R3)과 제4저항(R4) 사이에는 잡음 제거용 캐패시터(C4)가 병렬로 설치된다.
상기 부동 캐패시터(C5)는 상기 제3선로(3)에 설치된다. 상기 부동 캐패시터(C5)에는 배터리(200)의 양극 단자(A) 또는 음극 단자(B) 측으로부터 인가되는 검출 전압이 충전된다.
상기 단자 선택 스위칭부(SW1, SW2, SW3)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) 및 제3스위치(SW3)가 턴온되었을 때 선택된다. 반대로, 음극 단자(A) 측의 전압 검출 경로는, 상기 단자 선택 스위칭부의 제2스위치(SW2) 및 제3스위치(SW3)가 턴온되었을 때 선택된다.
상기 충전 스위칭부는 제4스위치(SW4) 및 제5스위치(SW5)를 포함한다. 상기 제4스위치(SW4)는 부동 캐패시터(C5)의 제1단자(Cupper)와, 양극 단자(A) 측 또는 음극 단자(B) 측 전압 검출 경로 사이의 연결을 스위칭한다. 그리고 제5스위치(SW5)는 부동 캐패시터(C5)의 제2단자(Clower)와 접지 사이의 연결을 스위칭한다. 상기 제4스위치(SW4) 및 제5스위치(SW5)는 부동 캐패시터(C5)에 양극 단자(A) 측 또는 음극 단자(B) 측 검출 전압이 충전될 때 턴온된다. 즉 양극 단자(A) 측의 전압 검출 경로가 선택된 상태에서 제4스위치(SW4) 및 제5스위치(SW4)가 턴온되면, 양극 단자(A) 측의 검출 전압이 부동 캐패시터(C5)에 충전된다. 그리고 음극 단자(B) 측의 전압 검출 경로가 선택된 상태에서 제4스위치(SW4) 및 제5스위치(SW5)가 턴온되면, 음극 단자(B) 측의 검출 전압이 부동 캐패시터(C5)에 충전된다.
상기 극성 반전 스위칭부는 제6스위치(SW6) 및 제7스위치(SW7)를 포함한다. 상기 제6스위치(SW6)는 부동 캐패시터(C5)의 제1단자(Cupper)와 접지 사이의 연결을 스위칭한다. 그리고 상기 제7스위치(SW7)는 부동 캐패시터(C5)의 제2단자(Clower)와 양극 단자(A) 측 또는 음극 단자(B) 측 전압 검출 경로 사이의 연결을 스위칭한다. 상기 제6스위치(SW6) 및 제7스위치(SW7)는 부동 캐패시터(C5)에 충전된 음극 단자(B) 측의 검출 전압 극성을 반전시킬 때 사용된다. 즉 부동 캐패시터(C5)에 음극 단자(B) 측의 검출 전압이 충전된 후 충전 스위칭부(SW4, SW5)를 턴오프시킨 상태에서 상기 제6스위치(SW6) 및 제7스위치(SW7)가 턴온되면, 부동 캐패시터(C5)에 충전된 음극 단자(B) 측의검출 전압 극성이 반전된다.
한편, 도면에서 배터리(200)의 양극 단자(A) 및 음극 단자(B) 측에 각각 표시된 양의 누설저항(Rleakage+) 및 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 판별부(320)의 구성을 도시한 블록도이다.
도 2를 참조하면, 상기 누설전류 판별부(320)는 전압 센싱기(321), A/D 변환기(322), 중앙연산처리기(323) 및 스위치 제어기(324)를 포함한다.
상기 전압 센싱기(321)는 부동 캐패시터(C5)에 충전된 양극 단자(A) 측 검출 전압과 극성이 반전된 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) 측의극성 반전된 검출 전압에 대응하는 제2아날로그 전압 신호를 포함한다.
상기 A/D 변환기(322)는, 상기 전압 센싱기(321)에서 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 극성 반전된 검출 전압에 대응하는 제2디지털 전압 신호를 포함한다.
상기 중앙연산처리기(323)는, 상기A/D 변환기(322)로부터 디지털 전압 신호를 입력받아 누설저항을 계산한다. 즉, 상기 중앙연산처리기(323)는 A/D 변환기(322)로부터 입력되는 디지털화된 전압 신호를 양극 및 음극 단자 별로 구분하 고, 양극 및 음극 단자 별로 구분된 디지털화된 전압 신호를 이용하여 배터리(200)의 누설저항을 하기 수학식 1을 통해서 계산한다.
Figure 112009049052104-pat00002
(여기서, Ri는 누설전류 감지 장치의 내부 저항, E는 배터리 양단 전압, VA는 부동 캐패시터에 충전된 양극 단자(A)의 검출 전압, VB는 부동 캐패시터에 충전된 음극 단자(B)의 극성 반전된 검출 전압이다. 도 1에 도시된 회로에서, R1=R2이면, Ri=R1+R3+R4=R2+R3+R4이다. 상기 수학식1은 하나의 예시에 불과하므로 누설저항을 측정하기 위한 회로 구성에 따라 변경될 수 있다.)
그리고, 상기 중앙연산처리기(323)는 상기 계산된 누설저항을 미리 설정된 기준 절연저항과 대비하여 누설전류 발생 여부를 판별한다. 즉 상기 중앙연산처리기(323)는 계산된 누설저항이 기준 절연저항보다 작으면 누설전류가 발생하고 있는 것으로 판별한다.
상기 스위치 제어기(324)는 상기 중앙연산처리기(323)의 통제에 따라 상기 단자 선택 스위칭부(SW1, SW2, SW3), 상기 충전 스위칭부(SW4, SW5) 및 상기 극성 반전 스위칭부(SW6, SW7)의 동작을 제어한다.
즉, 상기 스위치 제어기(324)는 배터리(200)의 양극 및 음극 단자(A, B)로부터 교번적으로 출력되는 검출 전압을 상기 부동 캐패시터(C5)에 일시적으로 저장하 고, 이렇게 저장된 검출 전압이 상기 전압 센싱기(321)로 인가될 수 있도록 상기 단자 선택 스위칭부(SW1, SW2, SW3), 상기 충전 스위칭부(SW4, SW5) 및 상기 극성 반전 스위칭부(SW6, SW7)의 턴온과 턴오프를 선택적으로 제어한다.
양극 단자(A) 측의검출 전압을 측정할 경우, 상기 스위치 제어기(324)는 극성 반전 스위칭부(SW6, SW7)를 턴오프시킨 상태에서 단자 선택 스위칭부의 제2스위치(SW3)는 턴오프시키고 제1스위치(SW1)와 제3스위치(SW3)는 턴온시킨다. 그러면 양극 단자(A) 측의전압 검출 경로가 선택된다. 이 상태에서, 상기 스위치 제어기(324)는 충전 스위칭부(SW4, SW5)를 턴온시킨다. 그러면 양극 단자(A) 측으로부터 출력되는 검출 전압이 상기 부동 캐패시터(C5)에 충전된다. 여기서, 양극 단자(A)의 검출 전압이 충전될 때 충전전류의 방향은 Ⅰ 방향이다. 그런 다음, 상기 스위치 제어기(324)는 단자 선택 스위칭부의 제3스위치(SW3)를 턴오프시켜 부동 캐패시터(C5)를 배터리의 양극 단자(A)와 전기적으로 분리시킨다. 이 상태에서, 전압 센싱기(321)는 부동 캐패시터(C5)에 충전된 검출 전압을 센싱하여 배터리(200)의 양극 단자(A) 측 검출 전압에 해당하는 아날로그 신호를 A/D 변환기(322)로 출력한다. 바람직하게, 상기 전압 센싱기(321)는 부동 캐패시터(C5)의 양 단자 사이의 전압 차를 센싱하는 차동 증폭기를 포함한다.
다음으로, 음극 단자(B) 측의극성 반전된 검출 전압을 측정할 경우, 상기 스위치 제어기(324)는 극성 반전 스위칭부(SW6, SW7)를 턴오프시킨 상태에서 단자 선택 스위칭부의 제1스위치(SW3)는 턴오프시키고 제2스위치(SW2)와 제3스위치(SW3)를 턴온시킨다. 그러면 음극 단자(B) 측의 전압 검출 경로가 선택된다. 이 상태에서, 상기 스위치 제어기(324)는 충전 스위칭부(SW4, SW5)를 턴온시킨다. 그러면 음극 단자(B) 측으로부터 출력되는 검출 전압이 부동 캐패시터(C5)에 충전된다. 여기서, 음극 단자(B)의 검출 전압이 충전될 때 충전전류의 방향은 Ⅱ 방향이다. 따라서 부동 캐패시터(C5)에 충전된 음극 단자(B)의 검출 전압은 양극 단자(A)의 검출 전압과 극성이 반대가 된다. 한편, 전압 센싱기(321)는 차동 증폭기를 포함하는데, 양극 단자(A)의 검출 전압을 센싱할 때 사용한 차동 증폭기를 그대로 사용하기 위해 부동 캐패시터(C5)에 충전된 음극 단자(B)의 검출 전압에 대한 극성을 반전시킨다. 즉, 상기 부동 캐패시터(C5)에 음극 단자(B)의 검출 전압이 충전되면, 단자 선택 스위칭부의 제3스위치(SW3)를 턴오프시켜 부동 캐패시터(C5)를 배터리의 음극 단자(B)와 전기적으로 분리시킨다. 이 상태에서, 상기 스위치 제어기(324)는 충전 스위칭부(SW4, SW5)를 턴오프시키고 극성 반전 스위칭부(SW6, SW7)를 턴온시킨다. 그러면 부동 캐패시터(C5)에 충전된 음극 단자(B)의 검출 전압 극성이 반전된다. 그 후, 상기 전압 센싱기(321)는 부동 캐패시터(C5)의 양쪽 단자에 충전된 극성 반전된 검출 전압을 센싱하여 배터리(200)의 음극 단자(B) 측 검출 전압에 해당하는 아날로그 신호를 A/D 변환기(322)로 출력한다. 이 때, 상기 전압 센싱기(321)는 양극 단자(A) 측의 검출 전압 센싱 시와 동일한 극성의 검출 전압을 센싱한다. 따라서 상기 전압 센싱기(321)는 양극 단자(A) 및 음극 단자(B) 측으로부터 인가되는 검출 전압을 센싱하기 위해 하나의 차동 증폭기만을 포함하여도 무방하다.
본 발명에 따르면, 상기 누설전류 판별부(320)는 누설전류 발생 여부에 대한 판별 결과를 시각적 또는 청각적으로 출력할 수 있다. 이를 위해, 상기 누설전류 판별부(320)는 누설전류 경보기(325)를 더 포함하는 것이 바람직하다.
이런 경우, 상기 누설전류 판별부(320)는 누설전류가 발생된 것으로 판별되면, 누설전류 발생 사실을 누설전류 경보기(325)를 통해 시각적 또는 청각적으로 경보할 수 있다. 여기서, 상기 누설전류 경보기(325)는 LED, LCD, 알람 경보기 또는 이들의 조합으로 구현할 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.
누설전류 발생 사실에 대한 경보를 위해, 상기 중앙연산처리기(323)는 상기 계산된 누설저항과 기준 절연 저항을 비교하고 상기 계산된 누설저항이 기준 절연 저항보다 작으면 누설전류 발생 신호를 상기 누설전류 경보기(325)로 출력할 수 있다. 그러면, 상기 누설전류 경보기(325)는 미리 정해진 방식에 따라 누설전류 발생 사실을 시각적 또는 청각적으로 경보한다. 예를 들어, 상기 누설전류 경보기(325)는 LED를 점멸하거나 LCD에 경고 메시지를 출력하거나 알람 경보기로 경고음을 발생시켜 사용자에게 누설전류 발생 사실을 경보할 수 있다.
상술한 본 발명에 따른 배터리 누설전류 감지 장치는 배터리로부터 전원을 공급받는 배터리 구동 장치에 결합되어 사용될 수 있다.
일 예로, 본발명은 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 주문형 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 배터리 누설전류 감지 방법을 설명하기 위해 도시한 흐름도이다.
하기에서 설명되는 각 단계의 수행 주체는 특별한 언급이 없으면 중앙연산처리기(323)이고, 각 스위치의 동작 과정에서 중앙연산처리기(323)에 의한 스위치 제어기(324)의 제어가 수반된다는 점을 미리 밝혀둔다.
먼저, 단계(S100)에서, 배터리(200)의 양극 단자(A)에서 출력되는 검출 전압을 센싱하기 위해, 단자 선택 스위칭부의 제2스위치(SW2)와 극성 반전 스위칭부(SW6, SW7)를 턴오프시킨 상태에서 단자 선택 스위칭부의 제1스위치(SW1) 및 제3스위치(SW3)와 충전 스위칭부(SW4, SW5)를 턴온시킨다. 그러면, 양극 단자(A) 측으로부터 출력되는 검출 전압이 상기 부동 캐패시터(C5)에 충전된다. 이 상태에서, 단자 선택 스위칭부의 제3스위치(SW3)를 턴오프시켜 부동 캐패시터(C5)를 배터리(200)의 양극 단자(A)와 전기적으로 분리시킨다. 그리고, 부동 캐패시터(C5)에 충전된 양극 단자(A)의 검출 전압을 전압 센싱기(321)를 이용하여 센싱한다. 즉, 상기 전압 센싱기(321)는 양극 단자(A)의 검출 전압을 센싱하여 아날로그 전압 신호를 A/D 변환기(322)로 출력한다. 이에 응답하여, 상기 A/D 변환기(322)는 아날로그 전압신호를 디지털화된 전압 신호로 변환하여 중앙연산처리기(323)로 입력한다.
다음으로, 단계(S200)에서, 배터리(200)의 음극 단자(B)에서 출력되는 검출 전압을 센싱하기 위해, 단자 선택 스위칭부의 제1스위치(SW1)와 극성 반전 스위칭부(SW6, SW7)를 턴오프시킨 상태에서 단자 선택 스위칭부의 제2스위치(SW2) 및 제3스위치(SW3)와 충전 스위칭부(SW4, SW5)를 턴온시킨다. 그러면 음극 단자(B)로부터 출력되는 검출 전압이 상기 부동 캐패시터(C5)에 충전된다. 이 상태에서, 단자 선택 스위칭부의 제3스위치(SW3)를 턴오프시켜 부동 캐패시터(C5)를 배터리(200)의 음극 단자(B)와 전기적으로 분리시킨다. 그런 다음, 충전 스위칭부(SW4, SW5)는 턴오프시키고, 극성 반전 스위칭부(SW6, SW7)는 턴온시켜 부동 캐패시터(C5)에 충전된 음극 단자(B)의 검출 전압에 대한 극성을 반전시킨다. 이 상태에서, 전압 센싱기(321)를 이용하여 음극 단자(B)의 극성 반전된 검출 전압을 센싱한다. 즉 상기 전압 센싱기(321)는 음극 단자(B)의 극성 반전된 검출 전압을 센싱하여 아날로그 전압 신호를 A/D 변환기(322)로 출력한다. 이에 응답하여 상기 A/D 변환기(322)는 아날로그 전압신호를 디지털화된 전압 신호로 변환하여 중앙연산처리기(323)로 입력한다.
단계(S300)에서는, 상기 S100 단계와 S200 단계에서 출력된 양극 및 음극 단자(A, B)의 전압 신호를 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 같을 때 수행되는 단계로 배터리에서 누설전류가 발생하지 않은 것으로 판별 한다.
단계(S600)은, 상기 S400 단계에서 계산된 누설저항이 기준 절연저항보다 작을 때 수행되는 단계로 배터리에서 누설전류가 발생된 것으로 판별한다.
단계(S700)에서는, 상기 S600 단계에서 배터리에서 누설전류가 발생하였다고 판별되면 누설전류 발생 사실을 시각적 또는 청각적으로 경보한다.
상술한 S100 단계에서 S700 단계는, 배터리로부터 전원을 공급받는 시스템이 작동하고 있는 동안 누설전류 감지가 필요할 때에만 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 (16)

  1. 배터리의 양극 단자 또는 음극 단자로부터 검출되는 전압을 충전하는 부동 캐패시터;
    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 충전시키는 충전 스위칭부;
    상기 부동 캐패시터에 충전된 음극 단자 측의 검출 전압 극성을 반전시키는 극성 반전 스위칭부; 및
    상기 부동 캐패시터에 충전된 양극 단자 측 검출 전압과 극성 반전된 음극 단자 측 검출 전압을 센싱하여 누설저항을 계산하고, 상기 누설저항을 기준 절연저항과 대비하여 누설전류의 발생 여부를 판별하는 누설전류 판별부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 누설전류 감지 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    배터리의 양극 및 음극 단자 사이의 제1선로 상에 설치된 전압 배분 노드를 더 포함하고,
    상기 단자 선택 스위칭부는,
    상기 전압 배분 노드와 배터리의 양극 단자 및 음극 단자 사이에 각각 설치 된 제1 및 제2스위치; 및
    상기 전압 배분 노드로부터 연장된 제2선로 상에 설치된 제3스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 누설전류 감지 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 부동 캐패시터는 상기 제2선로와 병렬로 배치된 제3선로에 설치되는 것을 특징으로 하는 배터리 누설전류 감지 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 충전 스위칭부는, 상기 부동 캐패시터의 제1단자와 상기 선택된 전압 검출 경로 사이의 연결을 스위칭하는 제4스위치와, 상기 부동 캐패시터의 제2단자와 접지 사이의 연결을 스위칭하는 제5스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 누설전류 감지 장치.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 극성 반전 스위칭부는, 상기 부동 캐패시터의 제1단자와 접지 사이의 연결을 스위칭하는 제6스위치와, 상기 부동 캐패시터의 제2단자와 상기 선택된 전압 검출 경로 사이의 연결을 스위칭하는 제7스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 누설전류 감지 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 누설전류 판별부는,
    상기 단자 선택 스위칭부, 상기 충전 스위칭부 및 상기 극성 반전 스위칭부의 동작을 제어하는 스위치 제어기;
    상기 양극 단자 측의 검출 전압과 음극 단자 측의 극성 반전된 검출 전압을 상기 부동 캐패시터로부터 센싱한 후 아날로그 전압 신호를 출력하는 전압 센싱기;
    상기 출력된 아날로그 전압 신호를 디지털 전압 신호로 변환하는 A/D 변환기; 및
    상기 A/D 변환기로부터 디지털 전압 신호를 입력받아 누설저항을 계산한 후 상기 누설저항을 기준 절연저항과 대비하여 누설전류 발생 여부를 판별하는 중앙연산처리기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 누설전류 감지 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전압 센싱기는 상기 부동 캐패시터로부터 인가되는 양극 단자의 검출 전압과 극성이 반전된 음극 단자의 검출 전압을 센싱하는 차동 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 누설전류 감지 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 누설전류 판별부는, 하기 수학식에 의해 누설저항을 계산하는 것을 특징으로 하는 배터리 누설전류 감지 장치.
    <수학식>
    Figure 112009049052104-pat00003
    (여기서, Ri는 누설전류 감지 장치의 내부 저항, E는 배터리 양단 전압, VA는 부동 캐패시터에 충전된 양극 단자의 검출 전압, VB는 부동 캐패시터에 충전된 음극 단자의 극성 반전된 검출 전압이다.)
  9. 제1항에 있어서,
    상기 누설전류 판별부는,
    누설전류 발생 사실을 시각적 또는 청각적으로 경보하는 누설전류 경보기를 포함하고, 누설전류가 발생된 경우 상기 누설전류 경보기를 통해 누설전류 발생 사실을 시각적 또는 청각적으로 경보하는 것을 특징으로 하는 배터리 누설전류 감지 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 누설전류 판별부는, 상기 계산된 누설저항이 기준 절연저항보다 작으면 누설전류가 발생된 것으로 판별하는 것을 특징으로 하는 배터리 누설전류 감지 장치.
  11. 제1항 내지 제3항과 제6항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 배터리 누설전류 감지 장치를 포함하는 배터리 구동 장치.
  12. 제1항 내지 제3항과 제6항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 배터리 누설전류 감지 장치를 포함하는 배터리 팩.
  13. (a) 배터리 양극 단자 측의 전압 검출 경로를 선택하여 배터리 양극 단자의 검출 전압을 부동 캐패시터에 충전시킨 후 충전된 양극 단자의 검출 전압을 센싱하는 단계;
    (b) 배터리 음극 단자 측의 전압 검출 경로를 선택하여 배터리 음극 단자의 검출 전압을 상기 부동 캐패시터에 충전시킨 후 충전된 음극 단자의 검출 전압을 반전시켜 센싱하는 단계;
    (c) 센싱된 상기 양극 단자의 검출 전압과 음극 단자의 극성 반전된 검출 전압을 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.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서, 상기 누설저항은 하기 수학식에 의해 계산하는 것을 특징으로 하는 배터리 누설전류 감지 방법.
    <수학식>
    Figure 112009049052104-pat00004
    (여기서, Ri는 누설전류 감지 장치의 내부 저항, E는 배터리 양단 전압, VA는 부동 캐패시터에 충전된 양극 단자의 검출 전압, VB는 부동 캐패시터에 충전된 음극 단자의 극성 반전된 검출 전압이다.)
  15. 제13항에 있어서,
    누설전류가 발생된 것으로 판별되면, 누설전류 발생 사실을 시각적 또는 청각적으로 경보하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 누설전류 감지 방법.
  16. 제13항에 있어서, 상기 (d) 단계에서,
    상기 계산된 누설저항이 기준 절연 저항보다 작은 경우 누설전류가 발생된 것으로 판별하는 것을 특징으로 하는 배터리 누설전류 감지 방법.
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