KR101236606B1 - 전기 자동차의 누전 검출 장치 - Google Patents

전기 자동차의 누전 검출 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차체가 전지팩의 최대전위 또는 최저전위에 연결되는 누전을 검출할 뿐만 아니라, 전지팩을 구성하는 전원의 전압이 상이하게 측정되는 경우에도 오류 없이 절연 고장 검출을 할 수 있는 전기 자동차의 누전 검출 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 전기 자동차의 누전 검출 장치는 전지팩의 최대전위단과 최소전위단 사이에 상호 직렬로 연결된 제1스위치 및 제2스위치; 전지팩의 최대전위단과 최소전위단 사이에 상호 직렬로 연결된 전압측정회로; 상기 제1스위치와 제2스위치의 공통접점에 일단이 연결된 검출저항; 및 상기 검출저항의 타단과 차체 사이에 연결되어 상기 전지팩으로 전위를 공급하는 측정전위를 구비한다.

Description

전기 자동차의 누전 검출 장치{Detecting Apparatus Of Leakage Current For Electric Car}
본 발명은 전기 자동차의 누전 검출 장치에 관한 것으로, 특히 차체가 전지팩의 최대전위 또는 최저전위에 연결되는 누전을 검출할 뿐만 아니라, 차체가 전지팩의 중간 전위와 연결되어 누전이 발생할 때에 전지팩의 어느 부분에 연결되어 누전이 발생한 것인지를 검출할 수 있고, 전압측정회로를 구비하여 각각의 전지팩 전압이 상이하게 측정되는 경우에도 오류 없이 절연고장을 검출할 수 있는 전기 자동차의 누전 검출 장치에 관한 것이다.
최근 들어, 화석 에너지의 고갈과 환경오염으로 인해 화석 에너지를 사용하지 않고 전기 에너지를 이용하는 전기 자동차나 하이브리드 자동차에 대한 관심이 높아지면서 이에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 전기 자동차나 하이브리드 자동차에는 자동차의 구동에 사용되는 모터를 구동시키기 위해 전기 에너지가 필요하고 이를 배터리를 통해 공급하게 된다.
전기 자동차나 하이브리드 자동차에 사용되는 배터리로는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 방전과, 전기 에너지를 화학 에너지로 변환하는 충전 과정을 반복할 수 있는 이차 전지가 주류를 이룬다. 이차 전지의 종류로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 리튬 이온 전지 및 리튬 이온 폴리머 전지 등이 있다. 이러한 이차 전지는 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 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 고출력이 요구되는 대형 제품에 적용되어 사용되고 있다.
한편, 배터리를 전원으로 사용하는 장치의 경우, 배터리와 배터리 관리 장치를 제외한 외부 장치와의 절연이 잘 유지되어야 한다. 만약 배터리의 절연상태가 유지되지 못할 경우, 누설전류가 발생하게 된다. 누설전류가 발생되면, 일차적으로는 배터리의 방전과 배터리가 장착된 전자 기기들의 오작동 및 고장의 원인이 될 수 있다. 특히, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 고전압 배터리에서 누설전류가 발생하게 되면, 사용자에게 치명적인 감전피해를 줄 수 있다. 이에 따라 본 발명이 속한 기술분야에서는 배터리의 누설전류를 철저하게 감지할 수 있는 방안이 절실히 요구되고 있다. 또한, 이러한 문제는 연료전지를 이용하는 차량에서도 동일하게 발생된다.
도 1은 종래기술에 따른 전기 자동차의 누전 검출 장치의 구성도이다.
종래의 누전 검출 장치(120)는 전지팩(110)과 차체(GND) 사이에 연결되어 전지팩(110)이 차체(GND)에 누전되는지 여부를 검출한다. 누전 검출 장치(120)는 전지팩(110)과 차체(GND) 사이의 저항을 등가화하여 절연저항(Rf)으로 표현한다. 절연저항(Rf)은 전지팩(110)과 차체(GND)가 정상적으로 절연 상태를 유지하면 그 저항값이 무한대로서 전류가 차단되고 누전 검출 장치(120)로도 전류가 흐르지 않는다. 그러나, 절연저항(Rf)은 전지팩(110)에 이상이 발생하여 차체(GND)에 누전되면 저항값이 작아진다. 그에 따라, 누전 검출 장치(120)는 전지팩(110)과 절연저항(Rf)과 누전 검출 장치(120) 및 차체(GND) 사이에 폐회로가 형성되어 전류가 흐른다. 누전 검출 장치(120)는 이러한 원리를 이용하여 전지팩(110)과 차체(GND)의 누전을 검출한다. 도 1에서 L은 전지팩(110)의 전원을 사용하는 부하이다.
종래의 누전 검출 장치(120)는 전지팩(110)의 최소전위단과 차체(GND) 사이에 직렬로 연결되는 전압 분배 저항(Rs), 검출저항(Rm), 직류전원(Vdc)으로 이루어진다. 누전 검출 장치(120)는 검출저항(Rm)과 직류전원(Vdc) 사이에 제1 및 제2 극성 전환 스위치(SW3, SW4)가 더 구비된다. 이때, 제1 및 제2 극성 전환 스위치(SW3, SW4)는 상호 연동하여 전지팩(110)과 차체(GND) 사이에 연결되는 직류전원(Vdc)의 극성을 전환한다. 즉, 제1 및 제2 극성 전환 스위치(SW3, SW4)가 모두 a점에 접속되면 직류전원(Vdc)의 양극은 검출저항(Rm)에 연결된다. 또한, 직류전원(Vdc)의 음극은 차체(GND)에 연결되어 전지팩(110)과 직류전원(Vdc)이 순방향으로 연결된다. 한편, 제1 및 제2 극성 전환 스위치(SW3, SW4)가 모두 b점에 접속되면 직류전원(Vdc)의 음극은 검출저항(Rm)에 연결된다. 또한, 직류전원(Vdc)의 양극은 차체(GND)에 연결되어 전지팩(110)과 직류전원(Vdc)이 역방향으로 연결된다.
도 2를 참조하면서 이 종래의 누전 검출 장치의 동작을 설명한다.
이하에서는, 전지팩(110)의 최대전위단에서 차체(GND)로 누전될 경우의 종래 누전 검출 장치를 설명하기로 한다. 종래의 누전 검출 장치(120)는 전지팩(110)의 최대전위단과 차체(GND) 사이의 저항을 등가화하여 최대전위 절연저항(Rf1)으로 표현한다. 누전 검출 장치(120)는 전지팩(110)의 최대전위단에서 차체(GND)에 누전이 발생하면 최대전위 절연저항(Rf1)을 통해 전류가 흐를 수 있는 상태가 된다. 이때, 누전 검출 장치(120)는 도 2a에 도시된 바와 같이 제1 및 제2 극성 전환 스위치(SW3, SW4)가 a점에 접속되면, 도 2b에 도시된 바와 같이 전지팩(110), 최대전위 절연저항(Rf1), 순방향으로 연결된 직류전원(Vdc), 검출저항(Rm), 전압 배분 저항(Rs) 사이에 폐회로가 형성되어 전류가 흐르게 된다. 누전 검출 장치(120)는 검출저항(Rm)의 양단 전압(Vm)을 측정하여 최대전위 절연저항(Rf1)을 계산함으로써, 전기 자동차의 누전 여부를 검출한다.
이때, 누전 검출장치(120)에서 측정된 검출저항(Rm)의 양단 전압(Vm)은 수학식 1과 같이 표현될 수 있다. 여기서, 수학식 1 및 이하의 수학식들에서 전지팩(110)의 전압을 (V1 + V2)로 표현하는 것은 이해를 돕기 위함일 뿐, 전지팩(110)의 전압을 (V1 + V2)로 한정하는 것은 아니다.
Figure 112010077744880-pat00001
수학식 1에서 알 수 있는 바와 같이, 최대전위 절연저항(Rf1)의 값은 전지팩(110)의 전압인 (V1 + V2)를 알아야 구할 수 있다. 만약, 전지팩(110)의 전압인 (V1 + V2)의 영향을 받지 않고 직류전원(Vdc)만을 이용한 양단 전압(Vm)의 표현식을 구하려면, 하기와 같은 단계를 더 수행해야 한다.
상세히 설명하면, 도 2c에 도시된 바와 같이, 누전 검출 장치(120)의 제1 및 제2 극성 전환 스위치(SW3, SW4)를 각각 b점으로 접속시킨다. 그러면, 도 2d에 도시된 바와 같이 누전 검출 장치(120)는 전지팩(110), 절연저항(Rf1), 역방향으로 연결된 직류전원(Vdc), 검출저항(Rm), 전압 배분 저항(Rs) 사이에 폐회로가 형성되어 전류가 흐르게 된다. 이때 검출저항(Rm)에서는 수학식 2와 같은 전압(Vm)이 검출된다.
Figure 112010077744880-pat00002
위 수학식 1과 수학식 2를 통해 알 수 있는 바와 같이, 전지팩(110)의 최대전위단에서 차체(GND)에 누전이 발생하면, 검출저항(Rm)의 양단에 인가되는 전압(Vm)은 전지팩(110)의 전압의 합(V1 + V2)에 의한 값으로 비교적 높은 전압이다. 따라서, 누전 검출 장치(120)는 양단 전압(Vm)을 용이하고 정확하게 측정할 수 있다.
한편, 위 수학식 1에서 수학식 2를 빼고 2로 나누어 주면, 검출저항(Rm)에 인가되는 전압(Vm)은 하기 수학식 3과 같이 표현된다.
Figure 112010077744880-pat00003
상기한 수학식 3을 통해 등가화된 최대전위 절연저항(Rf1)은 하기 수학식 4와 같이 계산할 수 있다. 그에 따라, 누전 검출 장치(120)는 등가화된 최대전위 절연저항(Rf1)의 저항값을 이용하여 누전 여부를 판단할 수 있다.
Figure 112010077744880-pat00004
이하에서는, 전지팩(110)의 최소전위단에서 차체(GND)로 누전될 경우의 종래 누전 검출 장치(120)를 설명하기로 한다. 종래의 누전 검출 장치(120)는 전지팩(110)의 최소전위단과 차체(GND) 사이의 저항을 등가화하여 최소전위 절연저항(Rf2)으로 표현한다. 누전 검출 장치(120)는 전지팩(110)의 최소전위단에서 차체(GND)에 누전이 발생하면, 이 등가화된 최소전위 절연저항(Rf2)을 통해 전류가 흐를 수 있는 상태가 된다. 이때, 누전 검출 장치(120)는 도 2e에 도시된 바와 같이 제1 및 제2 극성 전환 스위치(SW3, SW4)가 a점에 접속되면, 도 2f에 도시된 바와 같이 전압 배분 저항(Rs), 검출저항(Rm), 검출저항(Rm)에 순방향으로 접속된 직류전원(Vdc), 최소전위 절연저항(Rf2) 사이에 폐회로가 형성되어 전류가 흐르게 된다. 누전 검출 장치(120)는 검출저항(Rm)의 양단 전압(Vm)을 측정하여 등가화된 최소전위 절연저항(Rf2)을 계산함으로써, 전기 자동차의 누전을 검출한다. 이때, 누전 검출 장치(120)에서 측정된 검출저항(Rm)의 양단 전압(Vm)은 수학식 5와 같이 표현된다.
Figure 112010077744880-pat00005
물론, 누전 검출 장치(120)는 도 2g에 도시된 바와 같이 제1 및 제2 극성 전환 스위치(SW3, SW4)를 각각 b점으로 접속시키면, 도 2h에 도시된 바와 같이 전압 배분 저항(Rs), 검출저항(Rm), 검출저항(Rm)에 역방향으로 접속된 직류전원(Vdc), 절연저항(Rf2) 사이에 폐회로가 형성되어 전류가 흐르게 된다. 이때, 검출저항(Rm)에는 수학식 6과 같은 양단 전압(Vm)이 측정된다.
Figure 112010077744880-pat00006
누전 검출 장치(120)에서 측정되는 양단 전압(Vm)은 수학식 5에서 수학식 6을 빼고 2로 나누어 주면 수학식 7과 같이 표현될 수 있다. 수학식 7을 통해 등가화된 최소전위 절연저항(Rf2)은 하기 수학식 8과 같이 계산할 수 있다. 누전 검출 장치(120)는 등가화된 최소전위 절연저항(Rf2)의 값을 이용하여 누전 여부를 판단할 수 있다.
Figure 112010077744880-pat00007
Figure 112010077744880-pat00008
여기서, 위 수학식 5와 수학식 6을 통해 알 수 있는 바와 같이, 전지팩(110)의 최소전위단에서 차체(GND)에 누전이 발생하면, 검출저항(Rm)의 양단에 인가되는 전압(Vm)은 오직 직류전원(Vdc)에 의한 값일 뿐이다. 이 직류전원(Vdc)은 전지팩(110)의 전압보다 매우 작은 값이다. 그리하면, 누전 검출 장치(120)는 낮은 검출 감도로 인해 검출저항(Rm)의 양단 전압(Vm)을 정확하게 측정하기는 매우 어려우며, 이로 인해 누전 여부를 판단하기 매우 곤란한 문제점이 있다.
또한, 종래의 누전 검출 장치(120)는 전지팩(110)의 최대전위단에서 차체(GND)에 누전이 발생하던지, 최소전위단에서 누전이 발생하던지, 아니면 중간전위에서 누전이 발생하던지, 무관하게 동일한 방법과 동일한 수식으로 누전 여부를 검출한다. 그리하면, 종래의 누전 검출 장치(120)는 전지팩(110)의 누전 발생 여부는 알 수 있으나, 누전이 발생한 지점을 정확하게 검출해 낼 수 없고, 또한, 실제 차량이 흔들리는 경우 등과 같이 전지팩(110)인 V1과 V2의 전압이 상이하게 측정되어 절연고장 검출의 오류가 커지는 문제점이 있다. 또한, 이러한 문제는 연료전지를 이용하는 차량에서도 동일하게 발생된다.
따라서, 본 발명의 목적은 전지팩의 누전 발생 지점에 상관없이 전지팩이 차체로 누전되는지 여부를 용이하게 검출할 수 있을 뿐만 아니라 전지팩의 누전 발생 지점까지 검출할 수 있고 또한, 전지팩을 구성하는 전원의 전압이 상이하게 측정되는 경우에도 오류없이 절연 고장 검출을 할 수 있는 전기 자동차의 누전 검출 장치를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전기 자동차의 누전 검출 장치는 전지팩의 최대전위단과 최소전위단 사이에 상호 직렬로 연결된 제1스위치 및 제2스위치; 전지팩의 최대전위단과 최소전위단 사이에 상호 직렬로 연결된 전압측정회로; 상기 제1스위치와 제2스위치의 공통접점에 일단이 연결된 검출저항; 및 상기 검출저항의 타단과 차체 사이에 연결되어 상기 전지팩으로 전위를 공급하는 측정전위를 구비한다.
바람직하게, 상기 검출저항의 타단과 차체 사이에 연결되어 상기 측정전위를 상기 전지팩으로 공급 또는 차단하는 제3스위치; 및 상기 검출저항의 타단과 차체 사이에 상기 제3스위치와 상호 병렬로 연결되는 제4스위치를 더 구비한다.
바람직하게, 상기 검출저항의 타단과 차체 사이에 연결되는 제3스위치; 및 상기 검출저항의 타단과 차체 사이에 상기 제3스위치와 상호 병렬로 연결되어 상기 측정전위를 상기 전지팩으로 공급 또는 차단하는 제4스위치를 더 구비한다.
바람직하게, 제1스위치와 제2스위치 중 하나를 턴온하고 다른 하나를 턴오프하며, 제1측정전원과 제2측정전원 중에 어느 하나를 전지팩으로 제공하면서 검출저항의 양단전압을 측정하여 전지팩이 차체로 누전되는지 여부와 누전 발생 지점을 검출한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 전지팩의 최대전위단과 최소전위단 사이에 상호 직렬로 연결된 제1스위치 및 제2스위치; 전지팩의 최대전위단과 최소전위단 사이에 상호 직렬로 연결된 전압측정회로;상기 제1스위치와 제2스위치의 공통접점에 일단이 연결된 검출저항; 및 상기 전지팩에 공급되는 제1측정전위와 제2측정전위를 구비하되, 상기 제1측정전위 또는 상기 제2측정전위는 상기 검출저항의 타단과 차체 사이에 상호 병렬로 연결되고, 상기 제1측정전위 또는 상기 제2측정전위 중에 어느 하나가 상기 전지팩으로 공급된다.
바람직하게, 제1측정전위와 제2측정전위는 전압값이 동일하고 극성이 반대이다.
바람직하게, 제1측정전위를 전지팩으로 공급 또는 차단하는 제3스위치를 더 구비한다.
바람직하게, 제2측정전위를 전지팩으로 공급 또는 차단하는 제4스위치를 더 구비한다.
바람직하게, 제1스위치와 제2스위치 중 하나를 턴온하고 다른 하나를 턴오프하며, 제1측정전원과 제2측정전원 중에 어느 하나를 전지팩으로 제공하면서 검출저항의 양단전압을 측정하여 전지팩이 차체로 누전되는지 여부와 누전 발생 지점을 검출한다.
바람직하게, 전지팩의 최대전위단과 검출저항 사이에 직렬로 연결되는 전압 분배 저항을 더 구비한다.
바람직하게,전지팩의 최소전위단과 검출저항 사이에 직렬로 연결되는 전압 분배 저항을 더 구비한다.
본 발명의 실시 예에 따른 전기 자동차의 누전 검출 장치는 전지팩의 누전 발생 지점에 상관없이 전지팩이 차체로 누전되는지 여부를 검출할 수 있으며, 아울러 전지팩의 누전 발생 지점까지 검출할 수 있고 또한, 전지팩을 구성하는 전원의 전압이 상이하게 측정되는 경우에도 오류 없이 절연 고장 검출을 할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 전기 자동차의 누전 검출 장치를 나타내는 도면,
도 2a 내지 도 2h는 종래의 전기 자동차의 누전 검출 장치의 동작을 설명하기 위한 도면들,
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 전기 자동차의 누전 검출 장치를 나타내는 도면,
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 제1실시예에 따른 전기 자동차의 누전 검출 장치의 동작을 설명하기 위한 도면,
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 제2실시예에 따른 전기 자동차의 누전 검출 장치의 동작을 설명하기 위한 도면,
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 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
(제1실시예)
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전기 자동차의 누전 검출 장치(300)는 전지팩(110)과 차체(GND) 사이에 연결되어 전지팩(110)이 차체(GND)에 누전되는지 여부를 검출한다. 누전 검출 장치(300)는 전지팩(110)의 최대전위단과 차체(GND) 사이의 저항을 등가화하여 최대전위 절연저항(Rf_pos)으로 표현한다. 누전 검출 장치(300)는 전지팩(110)의 최소전위단과 차체(GND) 사이의 저항을 등가화하여 최소전위 절연저항(Rf_neg)으로 표현한다. 각 절연저항(Rf_pos, Rf_neg)은 전지팩(110)과 차체(GND)가 정상적으로 절연 상태를 유지하면 그 저항값이 무한대로서 전류가 차단된다. 그러나, 누전 검출 장치(300)는 전지팩(110)에 이상이 발생하여 차체(GND)에 누전되면 각 절연저항(Rf_pos, Rf_neg)의 저항값이 작아지면서 전지팩(110)과 해당 절연저항과 누전 검출 장치(300)와 차체(GND) 사이에 폐회로가 형성된다. 그에 따라, 누전 검출 장치(300)에는 전류가 흐르게 된다. 본 발명은 이러한 원리를 이용하여 전지팩(110)과 차체(GND)의 누전을 검출한다.
누전 검출 장치(300)는, 전압측정회로(200), 전지팩(110)에 병렬로 연결된 제1전압 분배 저항(Rs1), 제1스위치(SW31), 제2스위치(SW32), 제2전압 분배 저항(Rs2)과, 제1스위치(SW31)와 제2스위치(SW32)의 공통접점에 일단이 접속된 검출저항(Rm)과, 검출저항(Rm)의 타단에 음극이 연결되고 차체(GND)에 양극이 연결된 측정전원(Vp)과, 검출저항(Rm)과 측정전원(Vp) 사이를 스위칭하는 제3스위치(SW33)와, 검출저항(Rm)과 차체(GND) 사이를 스위칭하는 제4스위치(SW34)를 포함한다.
전압측정회로(200)는 본 명세서의 도면에 표시된 형태의 회로에 한정되지 않으며, 전지팩(110)의 전압을 측정할 수 있는 어떠한 형태의 회로를 포함한다. 전압측정회로(200)가 하기에 언급될 여러 개의 Vs들을 측정하는데 사용된다.
누전 검출 장치(300)는 제1전압 분배 저항(Rs1)과 제2전압 분배 저항(Rs2) 대신에 제1스위치(SW31)와 제2스위치(SW32)의 공통접점과 측정저항(Rm) 사이에 하나의 전압 분배 저항(Rs)을 연결하여도 된다. 본 제1실시예에서는, 제1전압 분배 저항(Rs1)과 제2전압 분배 저항(Rs2)의 저항값은 Rs로 동일하다(즉, Rs1 = Rs2 = Rs). 제3스위치(SW33)는 측정전원(Vp)과 차체(GND) 사이를 스위칭하도록 연결하여도 된다. 제4스위치(SW34)는 제2측정전원(Vp2)과 차체(GND) 사이를 스위칭하도록 연결하여도 된다. 물론, 측정전원(Vp)의 양극과 음극에 각각 별도의 스위치를 연결하여도 된다.
이하, 본 발명의 제1실시예에 따른 전기 자동차의 누전 검출 장치의 동작을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 아래와 같다. 도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 제1실시예에 따른 전기 자동차의 누전 검출 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 전지팩(110)의 최대전위단에서 차체(GND)로 누전될 경우의 누전 검출 장치(300)에 대해 설명하기로 한다. 누전 검출 장치(300)는 전지팩(110)의 최대전위단에서 차체(GND)로 누전이 발생하면, 최대전위 절연 저항(Rf_pos)을 통해 전류가 흐를 수 있는 상태가 된다. 이때, 제2스위치(SW32)와 제3스위치(SW33)를 턴온하고 제1스위치(SW31)와 제4스위치(SW34)를 턴오프하면, 누전 검출 장치(300)는 도 4a에 도시된 바와 같이 전지팩(110)에 측정전원(Vp)이 순방향으로 연결된다. 누전 검출 장치(300)는 전지팩(110)과 최대전위 절연저항(Rf_pos)과 측정전원(Vp)과 제3스위치(SW33)와 검출저항(Rm)과 제2스위치(SW32)와 제2전압 분배 저항(Rs2) 사이에 폐회로가 형성되어 전류가 흐르게 된다. 이때, 누전 검출 장치(300)는 검출저항(Rm)의 양단전압(Vm1)을 측정한다. 누전 검출 장치(300)에서 측정된 검출저항(Rm)의 양단전압(Vm1)은 수학식 9과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112010077744880-pat00009
다음으로, 제3스위치(SW33)와 제4스위치(SW34)의 상태를 변경하면, 도 4b에 도시된 바와 같은 폐회로가 형성된다. 이때, 누전 검출 장치(300)는 검출저항(Rm)의 양단전압(Vm2)을 측정한다. 양단전압(Vm2)은 수학식 10과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112010077744880-pat00010
측정된 Vs1과 Vs2의 값이 같은 경우, 수학식 9에서 수학식 10을 빼면 Vs가 제거되므로 오직 Vp으로 Vm 값을 통해 절연저항(Rf)값을 구할 수 있지만 만약 Vs1과 Vs2가 서로 다르다면 수학식 9에서 수학식 10을 빼도 Vs가 제거되지 않으므로, 이를 해결하기 위해 다음 수학식 11을 만들고, 수학식 9에서 수학식 10과 수학식 11을 뺀 수학식 12을 구하면 Vs의 영향을 제거할 수 있다. 수학식 12를 정리하면 수학식 13이 된다. 당업자라면 수학식 11을 간단히 제3스위치(SW33) 및 제4스위치(SW34)를 온오프하여 산출할 수 있다.
Figure 112010077744880-pat00011
Figure 112010077744880-pat00012
Figure 112010077744880-pat00013
즉, 본 발명에 따른 누전 검출 장치(300)는 제2스위치(SW32)를 턴온하고 제3스위치(SW33)와 제4스위치(SW34)를 교대로 턴온하여 검출저항(Rm)의 양단전압(Vm)을 측정함으로써, 등가화된 최대전위 절연저항(Rf_pos) 값을 구할 수 있다.
또한, 누전 검출 장치(300)는 수학식 9 및 수학식 10에서 알 수 있듯이 전지팩(110)의 최대전위단에서 누전이 발생하면 전지팩(110)의 전압(Vs)이 검출저항(Rm)에 인가되기 때문에 검출감도가 좋아서 검출저항(Rm)의 양단전압(Vm)의 측정이 용이하다.
다음으로, 전지팩(110)의 최소전위단에서 차체(GND)로 누전될 경우의 누전 검출 장치(300)에 대해 설명하기로 한다. 누전 검출 장치(300)는 전지팩(110)의 최소전위단에서 차체(GND)에 누전이 발생하면, 최소전위 절연저항(Rf_neg)을 통해 전류가 흐를 수 있는 상태가 된다. 이때, 제1스위치(SW31)와 제4스위치(SW34)를 턴온하고 제2스위치(SW32)와 제3스위치(SW33)를 턴오프하면, 누전 검출 장치(300)는 도 4c에 도시된 바와 같이 누전 검출 장치(300)는 전지팩(110)과 제1전압 분배 저항(Rs1)과 제1스위치(SW31)와 검출저항(Rm)과 제4스위치(SW34)와 최소전위 절연저항(Rf_neg) 사이에 폐회로가 형성되어 전류가 흐르게 된다. 이때, 누전 검출 장치(300)는 검출저항(Rm)의 양단전압(Vm1)을 측정한다. 누전 검출 장치(300)에서 측정된 검출저항(Rm)의 양단전압(Vm1)은 수학식 13과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112010077744880-pat00014
다음으로, 제3스위치와 제4스위치의 상태를 변경하면, 도 4d에 도시된 바와 같은 폐회로가 형성된다. 이때, 누전 검출 장치(300)는 검출저항(Rm)의 양단전압(Vm2)을 측정한다. 양단전압(Vm2)은 수학식 14과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112010077744880-pat00015
측정된 Vs1과 Vs2의 값이 같은 경우 수학식 14에서 수학식 15을 빼면 Vs가 제거되므로 오직 Vp으로 Vm 값을 통해 절연저항(Rf)값을 구할 수 있지만 만약 Vs1과 Vs2가 서로 다르다면 수학식 14에서 수학식 15을 빼도 Vs가 제거되지 않으므로, 이를 해결하기 위해 다음 수학식 16을 만들고, 수학식 14에서 수학식 15과 수학식 16을 뺀 수학식 17을 구하면 Vs의 영향을 제거할 수 있다. 수학식 17를 정리하면 수학식 18이 된다. 당업자라면 수학식 16을 간단히 제3스위치(SW33) 및 제4스위치(SW34)를 온오프하여 산출할 수 있다.
Figure 112010077744880-pat00016
Figure 112010077744880-pat00017
Figure 112010077744880-pat00018
즉, 본 발명에 따른 누전 검출 장치(300)는 제1스위치(SW31)를 턴온하고 제4스위치(SW34)와 제3스위치(SW33)를 교대로 턴온하여 검출저항(Rm)의 양단전압(Vm)을 측정함으로써, 등가화된 최소전위 절연저항(Rf_neg) 값을 구할 수 있다.
또한, 누전 검출 장치(300)는 수학식 14 및 수학식 15에서 알 수 있듯이 전지팩(110)의 최소전위단에서 누전이 발생하면 전지팩(110)의 전압(Vs)이 검출저항(Rm)에 인가되기 때문에 검출감도가 좋아서 검출저항(Rm)의 양단전압(Vm)의 측정이 용이하다.
(제2실시예)
이하, 본 발명의 제2실시예에 따른 전기 자동차의 누전 검출 장치의 동작을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 아래와 같다. 도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 제2실시예에 따른 전기 자동차의 누전 검출 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
제2실시예에서 사용되는 두 개의 측정전원은 동일한 값을 갖는 펄스 전원이다. 먼저, 전지팩(110)의 최대전위단에서 차체(GND)로 누전될 경우의 누전 검출 장치(300)에 대해 설명하기로 한다. 누전 검출 장치(300)는 전지팩(110)의 최대전위단에서 차체(GND)로 누전이 발생하면, 최대전위 절연 저항(Rf_pos)을 통해 전류가 흐를 수 있는 상태가 된다. 이때, 제2스위치(SW32), 제3스위치(SW33) 및 제5스위치(SW35)를 턴온하고 제1스위치(SW31), 제4스위치(SW34) 및 제6스위치를 턴오프하면, 누전 검출 장치(300)는 도 5a에 도시된 바와 같이 전지팩(110)에 측정전원(Vp)이 순방향으로 연결된다. 누전 검출 장치(300)는 전지팩(110)과 최대전위 절연저항(Rf_pos)과 측정전원(Vp)과 제3스위치(SW33)과 제5스위치(SW35)와 검출저항(Rm)과 제2스위치(SW32)와 제2전압 분배 저항(Rs2) 사이에 폐회로가 형성되어 전류가 흐르게 된다. 이때, 누전 검출 장치(300)는 검출저항(Rm)의 양단전압(Vm1)을 측정한다. 누전 검출 장치(300)에서 측정된 검출저항(Rm)의 양단전압(Vm1)은 수학식 19과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112010077744880-pat00019
다음으로, 제3스위치 및 제5스위치와 제4스위치 및 제5스위치의 상태를 변경하면, 도 5b에 도시된 바와 같은 폐회로가 형성된다. 이때, 누전 검출 장치(300)는 검출저항(Rm)의 양단전압(Vm2)을 측정한다. 양단전압(Vm2)은 수학식 20과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112010077744880-pat00020
측정된 Vs1과 Vs2의 값이 같은 경우, 수학식 19에서 수학식 20을 빼면 Vs가 제거되므로 오직 Vp으로 Vm 값을 통해 절연저항(Rf)값을 구할 수 있지만 만약 Vs1과 Vs2가 서로 다르다면 수학식 19에서 수학식 20을 빼도 Vs가 제거되지 않으므로, 이를 해결하기 위해 다음 수학식 21을 만들고, 수학식 19에서 수학식 20과 수학식 21을 뺀 수학식 22을 구하면 Vs의 영향을 제거할 수 있다. 수학식 22를 정리하면 수학식 23이 된다. 당업자라면 수학식 21을 간단히 제3스위치(SW33), 제4스위치(SW34), 제5스위치(SW35) 및 제6스위치(SW36)를 온오프하여 산출할 수 있다.
Figure 112010077744880-pat00021
Figure 112010077744880-pat00022
Figure 112010077744880-pat00023
즉, 본 발명에 따른 누전 검출 장치(300)는 제2스위치(SW32)를 턴온하고 제3스위치(SW33) 및 제5스위치(SW35)와 제4스위치(SW34) 및 제6스위치(SW36)를 교대로 턴온하여 검출저항(Rm)의 양단전압(Vm)을 측정함으로써, 등가화된 최대전위 절연저항(Rf_pos) 값을 구할 수 있다.
수학식 23에서 알 수 있듯이 Vm값은 Vp 전압의 두 배 되는 전압에 의해 분배되므로 Vp에 의한 Vm값보다 2배 더 정밀한 값을 가질 수 있다.
다음으로, 전지팩(110)의 최소전위단에서 차체(GND)로 누전될 경우의 누전 검출 장치(300)에 대해 설명하기로 한다. 누전 검출 장치(300)는 전지팩(110)의 최소전위단에서 차체(GND)에 누전이 발생하면, 최소전위 절연저항(Rf_neg)을 통해 전류가 흐를 수 있는 상태가 된다. 이때, 제1스위치(SW31), 제4스위치(SW34) 및 제6스위치(SW36)를 턴온하고 제2스위치(SW32), 제3스위치(SW33) 및 제5스위치(SW35) 를 턴오프하면, 누전 검출 장치(300)는 도 5c에 도시된 바와 같이 누전 검출 장치(300)는 전지팩(110)과 제1전압 분배 저항(Rs1)과 제1스위치(SW31)와 검출저항(Rm)과 제4스위치(SW34)와 제6스위치(SW36), 최소전위 절연저항(Rf_neg) 사이에 폐회로가 형성되어 전류가 흐르게 된다. 이때, 누전 검출 장치(300)는 검출저항(Rm)의 양단전압(Vm1)을 측정한다. 누전 검출 장치(300)에서 측정된 검출저항(Rm)의 양단전압(Vm1)은 수학식 24과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112010077744880-pat00024
다음으로, 제4스위치(SW34) 및 제6스위치(SW36)와 제3스위치(SW33)와 제5스위치(SW35)의 상태를 변경하면, 도 5d에 도시된 바와 같은 폐회로가 형성된다. 이때, 누전 검출 장치(300)는 검출저항(Rm)의 양단전압(Vm2)을 측정한다. 양단전압(Vm2)은 수학식 25과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112010077744880-pat00025
측정된 Vs1과 Vs2의 값이 같은 경우 수학식 24에서 수학식 25을 빼면 Vs가 제거되므로 오직 Vp으로 Vm 값을 가지고 절연저항(Rf)값을 구할 수 있지만 만약 Vs1과 Vs2가 서로 다르다면 수학식 24에서 수학식 25을 빼도 Vs가 제거되지 않으므로, 이를 해결하기 위해 다음 수학식 26을 만들고, 수학식 24에서 수학식 25과 수학식 26을 뺀 수학식 27을 구하면 Vs의 영향을 제거할 수 있다. 수학식 27를 정리하면 수학식 28이 된다. 당업자라면 수학식 26을 간단히 제3스위치(SW33), 제4스위치(SW34), 제5스위치(SW35) 및 제6스위치(SW36)를 온오프하여 산출할 수 있다.
Figure 112010077744880-pat00026
Figure 112010077744880-pat00027
Figure 112010077744880-pat00028
즉, 본 발명에 따른 누전 검출 장치(300)는 제1스위치(SW31)를 턴온하고 제4스위치(SW34) 및 제5스위치(SW35)와 제3스위치(SW33) 및 제5스위치(SW34)를 교대로 턴온하여 검출저항(Rm)의 양단전압(Vm)을 측정함으로써, 등가화된 최소전위 절연저항(Rf_neg) 값을 구할 수 있다.
수학식 28에서 알 수 있듯이 Vm값은 Vp 전압의 두 배 되는 전압에 의해 분배되므로 Vp에 의한 Vm값보다 2배 더 정밀한 값을 가질 수 있다.
110: 전지팩 SW31, SW32, SW33, SW34, SW35, SW36: 스위치
Rm: 검출저항 Rf_pos: 최대전위 절연저항
Rf_neg: 최소전위 절연저항 Rs1, Rs2: 전압 분배 저항
Vp: 측정전원 GND: 차체

Claims (11)

  1. 전지팩의 최대전위단과 최소전위단 사이에 상호 직렬로 연결된 제1스위치 및 제2스위치;
    전지팩의 최대전위단과 최소전위단 사이에 상호 직렬로 연결된 전압측정회로;
    상기 제1스위치와 제2스위치의 공통접점에 일단이 연결된 검출저항; 및
    상기 검출저항의 타단과 차체 사이에 연결되어 상기 전지팩으로 전위를 공급하는 측정전원을 구비하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 누전 검출 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 검출저항의 타단과 차체 사이에 연결되어 상기 측정전원을 상기 전지팩으로 공급 또는 차단하는 제3스위치; 및
    상기 검출저항의 타단과 차체 사이에 상기 제3스위치와 상호 병렬로 연결되는 제4스위치를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 누전 검출 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 검출저항의 타단과 차체 사이에 연결되는 제3스위치; 및
    상기 검출저항의 타단과 차체 사이에 상기 제3스위치와 상호 병렬로 연결되어 상기 측정전원을 상기 전지팩으로 공급 또는 차단하는 제4스위치를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 누전 검출 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1스위치와 제2스위치 중 하나를 턴온하고 다른 하나를 턴오프하며, 상기 측정전원을 상기 전지팩으로 제공하면서 상기 검출저항의 양단전압을 측정하여 상기 전지팩이 차체로 누전되는지 여부와 누전 발생 지점을 검출하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 누전 검출 장치.
  5. 전지팩의 최대전위단과 최소전위단 사이에 상호 직렬로 연결된 제1스위치 및 제2스위치;
    전지팩의 최대전위단과 최소전위단 사이에 상호 직렬로 연결된 전압측정회로;
    상기 제1스위치와 제2스위치의 공통접점에 일단이 연결된 검출저항; 및
    상기 전지팩에 공급되는 제1측정전원와 제2측정전원를 구비하되, 상기 제1측정전원 또는 상기 제2측정전원는 상기 검출저항의 타단과 차체 사이에 상호 병렬로 연결되고, 상기 제1측정전원 또는 상기 제2측정전원 중에 어느 하나가 상기 전지팩으로 공급되는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 누전 검출 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1측정전원과 제2측정전원은 전압값이 동일하고 극성이 반대인 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 누전 검출 장치.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1측정전원을 상기 전지팩으로 공급 또는 차단하는 제3스위치를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 누전 검출 장치.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 제2측정전원을 상기 전지팩으로 공급 또는 차단하는 제4스위치를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 누전 검출 장치.
  9. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1스위치와 제2스위치 중 하나를 턴온하고 다른 하나를 턴오프하며, 상기 제1측정전원과 제2측정전원 중에 어느 하나를 상기 전지팩으로 제공하면서 상기 검출저항의 양단전압을 측정하여 상기 전지팩이 차체로 누전되는지 여부와 누전 발생 지점을 검출하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 누전 검출 장치.
  10. 청구항 1 내지 청구항 9 중에 어느 한 항에 있어서,
    상기 전지팩의 최대전위단과 상기 검출저항 사이에 직렬로 연결되는 전압 분배 저항을 더 구비한 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 누전 검출 장치.
  11. 청구항 1 내지 청구항 9 중에 어느 한 항에 있어서,
    상기 전지팩의 최소전위단과 상기 검출저항 사이에 직렬로 연결되는 전압 분배 저항을 더 구비한 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 누전 검출 장치.
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