KR101584253B1 - 배터리 셀을 이용한 절연 저항 측정 장치 및 방법 - Google Patents

배터리 셀을 이용한 절연 저항 측정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 명세서의 실시 예들은 배터리 셀을 이용한 절연 저항 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 배터리 팩 중에서 배터리 셀들 사이의 제1 노드에 연결된 제1 저항; 상기 제1 저항에 일단이 연결된 제1 스위치; 상기 제1 스위치의 타단과 접지 사이에 연결된 제1 측정 저항; 상기 제1 측정 저항의 양단에 걸리는 제1 전압을 측정하는 제1 측정부; 및 상기 제1 스위치를 제어하여 상기 배터리 셀들 사이의 제1 노드와 상기 제1 측정 저항을 연결시키고, 상기 측정된 제1 전압을 이용하여 상기 배터리 팩의 제1 단자와 상기 접지 간의 제1 절연 저항을 산출하는 제어부를 포함한다.

Description

배터리 셀을 이용한 절연 저항 측정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING ISOLATION RESISTANCE USING BATTERY CELL}
본 명세서는 배터리 셀을 이용한 절연 저항 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 절연 저항 측정 시에 이용할 배터리 셀을 선택적으로 연결하고 그 연결된 배터리 셀을 이용하여 절연 저항을 측정할 수 있는, 배터리 셀을 이용한 절연 저항 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 고전압의 배터리를 사용하는 산업기기, 가정기기 및 자동차 등 다양한 장치가 등장하고 있으며 특히 자동차 기술분야에서는 고전압 배터리 사용이 더욱 활발해지고 있다.
가솔린이나 중유 등의 화석연료를 주연료로 사용하는 내연 엔진을 이용하는 자동차는 대기오염 등 공해발생에 심각한 영향을 주고 있다. 따라서 최근에는 공해발생을 줄이기 위하여, 전기자동차 또는 하이브리드 자동차(HEV: Hybrid electric Vehicle)의 개발에 많은 노력을 기울이고 있다.
전기자동차(EV: electric Vehicle)는 석유 연료와 엔진을 사용하지 않고, 전기 배터리와 전기 모터를 사용하는 자동차를 말한다. 즉, 배터리에 축적된 전기로 모터를 회전시켜서 자동차를 구동시키는 전기자동차는 가솔린 자동차보다 먼저 개발되었으나, 배터리의 무거운 중량 및 충전에 걸리는 시간 등의 문제 때문에 실용화되지 못하다가 최근 에너지 및 환경 문제가 심각해지면서 1990년대부터 실용화를 위한 연구가 시작하였다.
한편, 최근 배터리 기술이 비약적으로 발전하면서 전기자동차 및 화석연료와 전기에너지를 적응적으로 사용하는 하이브리드 자동차(HEV)가 상용화되고 있다.
HEV는 가솔린과 전기를 함께 동력원으로 사용하기 때문에 연비 개선 및 배기가스 저감 측면에서 긍정적인 평가를 받고 있다. 이러한 HEV도 가솔린 자동차와의 가격 차이를 어떻게 극복하느냐가 관건으로서, 2차 전지 탑재량을 전기자동차의 1/3수준까지 낮출 수 있어 완전한 전기 자동차로 진화하는 중간 역할을 할 것으로 기대되고 있다.
이러한 전기 에너지를 이용하는 HEV 및 EV 자동차는 충방전이 가능한 다수의 2차 전지(cell)가 하나의 팩(pack)으로 형성된 배터리를 주동력원으로 이용하기 때문에 배기가스가 전혀 없으며 소음이 아주 작은 장점이 있다.
이와 같이 전기 에너지를 이용하는 자동차는 배터리의 성능이 자동차의 성능에 직접적인 영향을 미치므로, 각 전지 셀의 전압, 전체 배터리의 전압 및 전류 등을 측정하여 각 전지 셀의 충방전을 효율적으로 관리할 뿐만 아니라, 각 전지 셀을 센싱하는 셀 센싱 IC의 상태를 모니터링하여 해당 셀의 안정적인 컨트롤이 가능한 배터리 관리 시스템(BMS: Battery Management System)이 절실히 요구되는 실정이다.
도 1은 종래 기술에 따른 배터리 관리 시스템을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 1을 참조하면, 차량용 배터리 관리 시스템(100)은 복수의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 스택(10), 차량 전자 장치(20) 및 배터리 제어장치(30)를 포함한다.
배터리 스택(10)은 복수의 배터리 모듈(11, 12)을 포함하며, 배터리 모듈(11, 12)은 복수의 배터리 셀을 포함한다. 배터리 스택(10)은 충전된 고전압 직류 전력을 모터 등의 차량 전자 장치(20)에 공급한다.
배터리 제어장치(30)는 복수의 MCU(31, 32)와 상기 MCU를 제어하는 BCU(33)를 포함할 수 있다. 배터리 제어장치(30)는 배터리 스택과 연결되어 배터리 스택(10)의 충방전 상태를 모니터링하고, 배터리 스택(10)의 충방전 동작을 제어한다.
한편, 고전압 배터리를 사용하는 하이브리드 자동차나 전기 자동차는 비상사태 발생 시 자동적으로 메인 고전압 배터리의 전원을 차단하는 시스템을 갖추고 있다. 이때, 비상사태라 함은 관련부품의 노후화에 의한 과도한 누전 또는 절연파괴 등과 외부적인 충격에 의한 부품파괴로 생겨나는 쇼트로 인한 과도한 누전 또는 절연파괴 등을 말한다.
그리고 차량에 비상사태가 발생되면 BMS(Battery Management System)나 HCU(Hybrid Control Unit) 등의 고전압 부품을 제어하는 상위의 부품에서 메인 전원을 차단하도록 하는 명령을 내려 전원을 단속하게 된다. 이때, 고전압 관련 부품은 전원을 연결해 주는 선로의 전압과 전류를 일련의 프로그램 또는 센서를 통해 모니터링 하여 정상범위를 벗어난 전압, 전류가 검출되거나 허용치 이상의 누설전류가 있는 경우, 그리고 허용치 이상의 절연저항 파괴 등이 있는 경우에 CAN 통신 또는 시그널 전송을 통하여 메인 전원을 차단하게 된다.
이와 같이, 고전압 배터리를 사용하는 하이브리드 자동차에 있어서 절연저항의 측정은 매우 중요하다.
여기서, 절연 저항을 측정하는 방법은 고전압 배터리와 하이브리드 자동차 간의 누설전류를 측정하기 위해, 절연을 파괴하고 강제로 직류전류를 흐르게 하여 절연 저항을 측정할 수 있다. 이러한 방법은 절연저항을 측정하는 동안 절연이 파괴된다는 단점이 있다.
절연 저항을 측정하는 방법은 측정 시에만 상대적으로 낮은 저항 값을 저항을 연결한다. 그리고 절연 저항을 측정하는 방법은 이러한 저항의 양단의 전압을 측정하여 절연 저항을 측정할 수 있다.
또한, 절연 저항을 측정하는 방법은 고전압 배터리가 아닌 별도의 전압 소스(Voltage Source)를 이용하여 절연 저항을 측정할 수 있다. 즉, 이러한 방법은 절연 저항을 측정하기 위해서는 별도의 전압 소스가 필요하게 된다.
본 명세서의 실시 예들은 전체 배터리 셀 중에서 일부 배터리 셀을 선택적으로 연결하고 그 연결된 배터리 셀을 이용하여 절연 저항을 측정함으로써, 고전압 배터리 셀들 간의 연결이 끊어지는 경우에도 절연 저항을 용이하게 측정할 수 있는, 배터리 셀을 이용한 절연 저항 측정 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 명세서의 실시 예들은 배터리 팩의 최상위 셀과 최하위 셀만을 절연 저항 측정 시에 연결하고 그 연결된 어느 하나의 배터리 셀을 이용하여 절연 저항을 측정함으로써, 고전압 배터리 셀들 간의 연결이 끊어지는 경우에도 절연 저항을 용이하게 측정할 수 있는, 배터리 셀을 이용한 절연 저항 측정 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 명세서의 실시 예들은 배터리의 양극 및 음극 단자에 연결된 스위치를 각각 제어하여 절연 저항을 측정함으로써, 양극 및 음극 절연 저항을 모두 측정할 수 있는, 배터리 셀을 이용한 절연 저항 측정 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
본 명세서의 제1 측면에 따르면, 배터리 팩 중에서 배터리 셀들 사이의 제1 노드에 연결된 제1 저항; 상기 제1 저항에 일단이 연결된 제1 스위치; 상기 제1 스위치의 타단과 접지 사이에 연결된 제1 측정 저항; 상기 제1 측정 저항의 양단에 걸리는 제1 전압을 측정하는 제1 측정부; 및 상기 제1 스위치를 제어하여 상기 배터리 셀들 사이의 제1 노드와 상기 제1 측정 저항을 연결시키고, 상기 측정된 제1 전압을 이용하여 상기 배터리 팩의 제1 단자와 상기 접지 간의 제1 절연 저항을 산출하는 제어부를 포함하는 절연 저항 측정 장치가 제공될 수 있다.
상기 제어부는 상기 배터리 팩 중에서 최상위 배터리 셀의 하단 노드와 상기 제1 측정 저항이 상기 제1 스위치를 통해 연결된 경우, 상기 최상위 배터리 셀의 전압에 의한 상기 제1 저항, 상기 제1 측정 저항 및 상기 제1 절연 저항 간의 전압 분배와 상기 측정된 제1 전압을 이용하여 상기 제1 절연 저항을 산출할 수 있다.
상기 장치는, 상기 배터리 셀들 사이의 제1 노드와 다른 배터리 셀의 노드에 각각 연결된 적어도 하나의 분배 저항; 및 상기 분배 저항과 상기 제1 측정 저항 사이에 각각 연결된 적어도 하나의 분배 스위치를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 최상위 배터리 셀부터 다른 배터리 셀까지의 전압에 의한 상기 분배 저항, 상기 제1 측정 저항 및 상기 제1 절연 저항 간의 전압 분배와 상기 측정된 제1 전압을 이용하여 상기 제1 절연 저항을 산출할 수 있다.
상기 장치는, 배터리 팩 중에서 배터리 셀들 사이의 제2 노드에 연결된 제2 저항; 상기 제2 저항에 일단이 연결된 제2 스위치; 상기 제2 스위치의 타단과 접지 사이에 연결된 제2 측정 저항; 및 상기 제2 측정 저항의 양단에 걸리는 제2 전압을 측정하는 제2 측정부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 제2 스위치를 제어하여 상기 배터리 셀들 사이의 제2 노드와 상기 제2 측정 저항을 연결시키고, 상기 측정된 제2 전압을 이용하여 상기 배터리 팩의 제2 단자와 상기 접지 간의 제2 절연 저항을 산출할 수 있다.
상기 제어부는 상기 배터리 팩 중에서 최하위 배터리 셀의 하단 노드와 상기 제2 측정 저항이 상기 제2 스위치를 통해 연결된 경우, 상기 최하위 배터리 셀의 전압에 의한 상기 제2 저항, 상기 제2 측정 저항 및 상기 제2 절연 저항 간의 전압 분배와 상기 측정된 제2 전압을 이용하여 상기 제2 절연 저항을 산출할 수 있다.
상기 장치는, 상기 배터리 셀들 사이의 제2 노드와 다른 배터리 셀의 노드에 연결된 적어도 하나의 분배 저항; 및 상기 분배 저항과 상기 제2 측정 저항 사이에 각각 연결된 적어도 하나의 분배 스위치를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 최하위 배터리 셀부터 상기 또 다른 배터리 셀의 노드까지의 전압에 의한 상기 분배 저항, 상기 제2 측정 저항 및 상기 제2 절연 저항 간의 전압 분배와 상기 측정된 제2 전압을 이용하여 상기 제2 절연 저항을 산출할 수 있다.
한편, 본 명세서의 제2 측면에 따르면, 서비스 플러그(Service Plug)를 기준으로 상위 및 하위 셀 그룹으로 구분된 배터리 팩 중에서 상기 서비스 플러그의 일단에 연결된 제1 저항; 상기 제1 저항에 일단이 연결된 제1 스위치; 상기 제1 스위치의 타단과 접지 사이에 연결된 제1 측정 저항; 상기 제1 측정 저항의 양단에 걸리는 제1 전압을 측정하는 제1 측정부; 및 상기 제1 스위치를 제어하여 상기 배터리 셀들 사이의 어느 하나의 노드와 상기 제1 측정 저항을 연결시키고, 상기 측정된 제1 전압을 이용하여 상기 배터리 팩의 제1 단자와 상기 접지 간의 제1 절연 저항을 산출하는 제어부를 포함하는 절연 저항 측정 장치가 제공될 수 있다.
상기 제어부는 상기 배터리 팩 중에서 상기 서비스 플러그의 일단과 상기 제1 측정 저항이 상기 제1 스위치를 통해 연결된 경우, 상기 상위 셀 그룹의 전압에 의한 상기 제1 저항, 상기 제1 측정 저항 및 상기 제1 절연 저항 간의 전압 분배와 상기 측정된 제1 전압을 이용하여 상기 제1 절연 저항을 산출할 수 있다.
상기 장치는, 서비스 플러그(Service Plug)를 기준으로 상위 및 하위 셀 그룹으로 구분된 배터리 팩 중에서 상기 서비스 플러그의 상단에 연결된 제2 저항; 상기 제2 저항에 일단이 연결된 제2 스위치; 상기 제2 스위치의 타단과 접지 사이에 연결된 제2 측정 저항; 및 상기 제2 측정 저항의 양단에 걸리는 제2 전압을 측정하는 제2 측정부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 제2 스위치를 제어하여 상기 배터리 셀들 사이의 어느 하나의 노드와 상기 제2 측정 저항을 연결시키고, 상기 측정된 제2 전압을 이용하여 상기 배터리 팩의 제2 단자와 상기 접지 간의 제2 절연 저항을 산출할 수 있다.
상기 제어부는 상기 배터리 팩 중에서 상기 서비스 플러그의 타단과 상기 제2 측정 저항이 상기 제2 스위치를 통해 연결된 경우, 상기 상위 셀 그룹의 전압에 의한 상기 제2 저항, 상기 제2 측정 저항 및 상기 제2 절연 저항 간의 전압 분배와 상기 측정된 제2 전압을 이용하여 상기 제2 절연 저항을 산출할 수 있다.
한편, 본 명세서의 제3 측면에 따르면, 배터리 팩 중에서 배터리 셀들 사이의 제1 노드에 연결된 제1 저항 및 접지에 연결된 제1 측정 저항을 포함한 절연 저항 측정 장치에서의 절연 저항 측정 방법에 있어서, 상기 제1 저항과 상기 제1 측정 저항 사이에 연결된 제1 스위치를 온(ON)시키는 단계; 상기 제1 측정 저항의 양단에 걸린 제1 전압을 측정하는 단계; 및 상기 측정된 제1 전압을 이용하여 상기 배터리 팩의 제1 단자와 상기 접지 간의 제1 절연 저항을 산출하는 단계를 포함하는 절연 저항 측정 방법이 제공될 수 있다.
상기 제1 절연 저항을 산출하는 단계는 상기 배터리 팩 중에서 최상위 배터리 셀의 하단 노드와 상기 제1 측정 저항이 상기 제1 스위치를 통해 연결된 경우, 상기 최상위 배터리 셀의 전압에 의한 상기 제1 저항, 상기 제1 측정 저항 및 상기 제1 절연 저항 간의 전압 분배와 상기 측정된 제1 전압을 이용하여 상기 제1 절연 저항을 산출할 수 있다.
상기 방법은, 상기 절연 저항 측정 장치에 상기 배터리 셀들 사이의 제1 노드와 다른 배터리 셀의 노드에 연결된 적어도 하나의 분배 저항 및 상기 분배 저항과 상기 제1 측정 저항 사이에 각각 연결된 적어도 하나의 분배 스위치가 더 포함되고, 상기 제1 절연 저항을 산출하는 단계는 상기 최상위 배터리 셀부터 다른 배터리 셀까지의 전압에 의한 상기 분배 저항, 상기 제1 측정 저항 및 상기 제1 절연 저항 간의 전압 분배와 상기 측정된 제1 전압을 이용하여 상기 제1 절연 저항을 산출할 수 있다.
상기 방법은, 상기 절연 저항 측정 장치에 배터리 팩 중에서 배터리 셀들 사이의 제2 노드에 연결된 제2 저항 및 접지에 연결된 제2 측정 저항이 더 포함되고, 상기 제2 저항과 상기 제2 측정 저항 사이에 연결된 제2 스위치를 온(ON)시키는 단계; 상기 제2 측정 저항의 양단에 걸린 제2 전압을 측정하는 단계; 및 상기 측정된 제2 전압을 이용하여 상기 배터리 팩의 제2 단자와 상기 접지 간의 제2 절연 저항을 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 절연 저항을 산출하는 단계는 상기 배터리 팩 중에서 최하위 배터리 셀의 상단 노드와 상기 제2 측정 저항이 상기 제2 스위치를 통해 연결된 경우, 상기 최상위 배터리 셀의 전압에 의한 상기 제2 저항, 상기 제2 측정 저항 및 상기 제2 절연 저항 간의 전압 분배와 상기 측정된 제2 전압을 이용하여 상기 제2 절연 저항을 산출할 수 있다.
상기 방법은, 상기 절연 저항 측정 장치에 상기 배터리 셀들 사이의 제2 노드와 다른 배터리 셀의 노드에 연결된 적어도 하나의 분배 저항 및 상기 분배 저항과 상기 제2 측정 저항 사이에 각각 연결된 적어도 하나의 분배 스위치가 더 포함되고, 상기 제2 절연 저항을 산출하는 단계는 상기 최상위 배터리 셀부터 다른 배터리 셀까지의 전압에 의한 상기 분배 저항, 상기 제2 측정 저항 및 상기 제2 절연 저항 간의 전압 분배와 상기 측정된 제2 전압을 이용하여 상기 제2 절연 저항을 산출할 수 있다.
한편, 본 명세서의 제4 측면에 따르면, 서비스 플러그(Service Plug)를 기준으로 상위 및 하위 셀 그룹으로 구분된 배터리 팩 중에서 상기 서비스 플러그의 일단에 연결된 제1 저항 및 접지에 연결된 제1 측정 저항을 포함한 절연 저항 측정 장치에서의 절연 저항 측정 방법에 있어서, 상기 제1 저항과 상기 제1 측정 저항 사이에 연결된 제1 스위치를 온(ON)시키는 단계; 상기 제1 측정 저항의 양단에 걸린 제1 전압을 측정하는 단계; 및 상기 측정된 제1 전압을 이용하여 상기 배터리 팩의 제1 단자와 상기 접지 간의 제1 절연 저항을 산출하는 단계를 포함하는 절연 저항 측정 방법이 제공될 수 있다.
상기 제1 절연 저항을 산출하는 단계는 상기 배터리 팩 중에서 상기 서비스 플러그의 일단과 상기 제1 측정 저항이 상기 제1 스위치를 통해 연결된 경우, 상기 상위 셀 그룹의 전압에 의한 상기 제1 저항, 상기 제1 측정 저항 및 상기 제1 절연 저항 간의 전압 분배와 상기 측정된 제1 전압을 이용하여 상기 제1 절연 저항을 산출할 수 있다.
상기 방법은, 상기 절연 저항 측정 장치에 상기 서비스 플러그의 타단에 연결된 제2 저항 및 접지에 연결된 제2 측정 저항이 더 포함되고, 상기 제2 저항과 상기 제2 측정 저항 사이에 연결된 제2 스위치를 온(ON)시키는 단계; 상기 제2 측정 저항의 양단에 걸린 제2 전압을 측정하는 단계; 및 상기 측정된 제2 전압을 이용하여 상기 배터리 팩의 제2 단자와 상기 접지 간의 제2 절연 저항을 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 절연 저항을 산출하는 단계는 상기 배터리 팩 중에서 상기 서비스 플러그의 타단과 상기 제2 측정 저항이 상기 제2 스위치를 통해 연결된 경우, 상기 하위 셀 그룹의 전압에 의한 상기 제2 저항, 상기 제2 측정 저항 및 상기 제2 절연 저항 간의 전압 분배와 상기 측정된 제2 전압을 이용하여 상기 제2 절연 저항을 산출할 수 있다.
본 명세서의 실시 예들은 전체 배터리 셀 중에서 일부 배터리 셀을 선택적으로 연결하고 그 연결된 배터리 셀을 이용하여 절연 저항을 측정함으로써, 고전압 배터리 셀들 간의 연결이 끊어지는 경우에도 절연 저항을 용이하게 측정할 수 있다.
또한, 본 명세서의 실시 예들은 배터리 팩의 최상위 셀과 최하위 셀만을 절연 저항 측정 시에 연결하고 그 연결된 어느 하나의 배터리 셀을 이용하여 절연 저항을 측정함으로써, 고전압 배터리 셀들 간의 연결이 끊어지는 경우에도 절연 저항을 용이하게 측정할 수 있다.
또한, 본 명세서의 실시 예들은 배터리의 양극 및 음극 단자에 연결된 스위치를 각각 제어하여 절연 저항을 측정함으로써, 양극 및 음극 절연 저항을 모두 측정할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 배터리 관리 시스템을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 명세서의 제1 실시 예에 따른 배터리 셀을 이용한 절연 저항 측정 장치의 구성도이다.
도 3은 본 명세서의 제2 실시 예에 따른 배터리 셀을 이용한 절연 저항 측정 장치의 구성도이다.
도 4는 본 명세서의 제3 실시 예에 따른 배터리 셀을 이용한 절연 저항 측정 장치의 구성도이다.
도 5 및 도 6은 본 명세서의 제1 및 제3 실시 예에 따른 배터리 셀을 이용한 절연 저항 측정 방법에 대한 흐름도이다.
도 7 및 도 8은 본 명세서의 제2 실시 예에 따른 배터리 셀을 이용한 절연 저항 측정 방법에 대한 흐름도이다.
이하, 본 명세서의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
실시 예를 설명함에 있어서 본 명세서가 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 명세서와 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 명세서의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.
마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다. 또한, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 각 도면에서 동일한 또는 대응하는 구성요소에는 동일한 참조 번호를 부여하였다.
도 2는 본 명세서의 제1 실시 예에 따른 배터리 셀을 이용한 절연 저항 측정 장치의 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 명세서의 제1 실시 예에 따른 배터리 셀을 이용한 절연 저항 측정 장치(200)는 제1 스위치(SW1), 제1 저항(R1), 제1 측정 저항(Rm1), 제1 측정부(210) 및 제어부(230)를 포함한다. 또한, 본 명세서의 제1 실시 예에 따른 절연 저항 측정 장치(200)는 제2 스위치(SW2), 제2 저항(R2), 제2 측정 저항(Rm2) 및 제2 측정부(220)를 더 포함할 수 있다.
이하, 본 명세서의 제1 실시 예에 따른 절연 저항 측정 장치(200)의 각 구성요소들의 구체적인 구성 및 동작을 배터리의 양극(+) 단자와 차량의 접지 사이의 양극 절연 저항(R_leak+)을 측정하는 경우와, 배터리의 음극(-) 단자와 차량의 접지 사이의 음극 절연 저항(R_leak-)을 측정하는 경우로 나누어서 설명하기로 한다.
절연 저항을 살펴보면, 배터리와 차량의 샤시 접지 간에 고장이 발생할 수 있다. 그러면, 배터리의 양극 또는 음극 단자와 접지 사이에 절연 저항이 발생할 수 있다. 여기서, 절연 저항은 절연 파괴가 아닌 정상적인 경우에 오픈(Open) 상태와 등가될 수 있다. 반면, 절연 저항은 절연 파괴된 비정상적인 경우에 저항 성분을 가질 수 있다. 예를 들어, 절연 저항은 오픈 상태로 등가될 수 있는 저항값을 가지거나, 고장시에는 단락(short) 상태가 될 수 있다.
절연 저항 측정 장치(200)는 배터리와 접지 사이의 절연 저항을 양극 절연 저항(R_leak+)과 음극 절연 저항(R_leak-)으로 구분하여 측정할 수 있도록 한다. 이는 안전성의 문제와 단락 상태의 발생시 절연 파괴 위치를 용이하게 파악할 수 있도록 하기 위함이다.
절연 저항 측정 장치(200)는 배터리에 연결되는 고전압 라인의 양극 또는 음극 중 한쪽이 절연 파괴된 경우의 절연 저항을 측정할 수 있으며, 동시에 양극 및 음극이 절연 파괴된 경우에도 절연 저항을 측정할 수 있다.
한편, 배터리는 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차에 장착되는 고전압 배터리가 될 수 있다. 배터리는 고전압 배터리로서, 하나의 배터리 셀 또는 다수의 배터리 셀이 구비된 배터리 모듈로 구현될 수도 있으나, 복수의 배터리 모듈이 직렬 연결되는 배터리 팩으로 구현될 수도 있다. 이는 고전압을 발생하기 위하여 전기 자동차 등에서 많이 사용되는 방식으로 단일 배터리로 직접 고전압을 생성하기보다 저전압을 생성하는 복수의 배터리를 직렬로 연결하여 고전압을 생성하는 것이 더욱 효율적이기 때문이다. 그리고 연료 전지가 배터리를 대체하여 포함될 수도 있다. 배터리는 절연 저항의 측정이 요구되는 다양한 종류의 배터리를 포함할 수 있다. 이때, 배터리의 제1 단자(예컨대, 양극(+) 단자) 및 제2 단자(예컨대, 음극(-) 단자)에 연결되는 고전압 라인은 전기적으로 절연되어 있다.
배터리 팩의 양극(+) 단자와 차량의 접지 사이의 양극 절연 저항(R_leak+)을 측정하기 위한 절연 저항 측정 장치(200)를 살펴보기로 한다.
제1 저항(R1)은 배터리 팩 중에서 배터리 셀들 사이의 제1 노드에 연결되어 있다. 여기서, 제1 노드는 배터리 셀들 사이의 어느 하나의 노드가 될 수 있다. 예를 들어, 제1 노드는 제1 배터리 셀(V1) 및 제2 배터리 셀(V2) 사이에 위치한다.
제1 저항(R1)은 배터리 팩 중에서 배터리 셀들의 전압이 제1 저항(R1) 및 제1 측정 저항(Rm1)에 인가될 때, 제1 측정 저항(Rm1)에 걸리는 전압이 절연 저항 측정 장치(200)의 최대 정격 절댓값(AMR: Absolute maximum rating) 이내가 되도록 제1 저항(R1) 및 제1 측정 저항(Rm1)의 저항 값이 설정될 수 있다.
제1 스위치(SW1)는 제1 저항(R1)과 제1 측정 저항(Rm1)에 양단이 연결되어 있다.
제1 측정 저항(Rm1)은 제1 스위치(SW1)의 타단과 차량 샤시(Chassis)의 접지 사이에 연결되어 있다.
여기서, 차량의 접지(GND)는 배터리 및 연료 전지 시스템에서 배터리 및 연료 전지와 절연되어야 하는 대상으로서, 배터리 및 연료 전지를 이용하는 시스템이 자동차인 경우에는 차체가 접지가 될 수 있다. 일례로, 제1 측정 저항(Rm1)은 고전압 배터리 팩(Battery Pack)의 양극(+) 단자와 연결된 제1 저항(R1)과 차량 샤시 접지(GND) 사이에 연결된다.
제1 측정부(210)는 제1 스위치(SW1)를 통해 배터리 셀의 제1 노드와 제1 측정 저항(Rm1)이 연결되면, 제1 측정 저항(Rm1)의 양단에 걸린 전압을 측정한다. 여기서, 제1 측정부(210)는 제1 측정 저항(Rm1)에 연결된 차동 증폭기(Differential Op amp)로 이루어질 수 있다. 변형 예로, 제1 측정부(210)는 연산 증폭기(Op Amp: Operational Amplifier) 및 아날로그-디지털 변환기(ADC: Analog-to-Digital Converter)로 이루어질 수 있다. 제1 스위치(SW1)가 온(ON)되면, 제1 측정부(210)는 제1 측정 저항(Rm1)의 양단에 걸린 전압을 차동 증폭기를 통해 측정할 수 있다.
제어부(230)는 제1 측정부(210)에서 측정된 제1 측정 저항(Rm1)의 전압을 이용하여 배터리의 양극(+) 단자와 접지 간의 양극 절연 저항(R_leak+)을 산출한다. 여기서, 제어부(230)는 배터리 셀의 제1 노드부터 상위 셀까지의 전압에 의한 제1 저항(R1), 제1 측정 저항(Rm1) 및 양극 절연 저항(R_leak+) 간의 전압 분배와 측정된 제1 전압을 이용하여 양극 절연 저항(R_leak+)을 산출할 수 있다.
일례로, 제어부(230)는 배터리 팩 중에서 최상위 배터리 셀(V1)의 하단 노드와 제1 측정 저항(Rm1)이 제1 스위치(SW1)를 통해 연결된 경우, 최상위 배터리 셀(V1)의 전압에 의한 제1 저항(R1), 제1 측정 저항(Rm1) 및 양극 절연 저항(R_leak+) 간의 전압 분배와 측정된 제1 전압을 이용하여 양극 절연 저항(R_leak+)을 산출할 수 있다.
이와 같이, 제어부(230)는 고전압 배터리 팩의 최상위 셀만을 이용하여 절연 저항을 측정한다. 이때, 제어부(230)는 제1 스위치(SW1)를 온(ON)시킨 상태에서 제1 측정 저항(Rm1) 양단에 걸리는 전압을 측정한다. 그 측정된 전압은 전압 분배에 의해 하기의 [수학식 1]과 같이 나타날 수 있다.
Figure 112014119788733-pat00001
여기서, Rm1은 제1 측정 저항, R1은 제1 저항, R_leak+는 양극 절연 저항, V(최상위 셀)은 최상위 셀에 걸리는 전압, Rm1은 제1 측정 저항에 걸리는 전압을 나타낸다.
제어부(230)는 제1 저항(R1) 및 제1 측정 저항(Rm1)을 통해 인가된 제1 측정 저항(Rm1)의 양단에 걸리는 제1 전압을 이용하여 양극 절연 저항(R_leak+)을 측정할 수 있다.
한편, 배터리의 음극(-) 단자와 차량의 접지 사이의 음극 절연 저항(R_leak-)을 측정하기 위한 절연 저항 측정 장치(200)를 살펴보기로 한다.
제2 저항(R2)은 배터리 팩 중에서 배터리 셀들 사이의 제2 노드에 연결되어 있다. 여기서, 제2 노드는 배터리 셀들 사이의 어느 하나의 노드가 될 수 있다. 예를 들어, 제2 노드는 제5 배터리 셀(V5) 및 제6 배터리 셀(V6) 사이에 위치한다.
제2 저항(R2)은 배터리 팩 중에서 배터리 셀들의 전압이 제2 저항(R2) 및 제2 측정 저항(Rm2)에 인가될 때, 제2 측정 저항(Rm2)에 걸리는 전압이 절연 저항 측정 장치(200)의 최대 정격 절댓값(AMR: Absolute maximum rating) 이내가 되도록 제2 저항(R2) 및 제2 측정 저항(Rm2)의 저항 값이 설정될 수 있다.
제2 스위치(SW2)는 제2 저항(R2)과 제2 측정 저항(Rm2)에 양단이 연결되어 있다.
제2 측정 저항(Rm2)은 제2 스위치(SW2)의 타단과 차량 샤시(Chassis)의 접지 사이에 연결되어 있다.
여기서, 차량의 접지(GND)는 배터리 및 연료 전지 시스템에서 배터리 및 연료 전지와 절연되어야 하는 대상으로서, 배터리 및 연료 전지를 이용하는 시스템이 자동차인 경우에는 차체가 접지가 될 수 있다. 일례로, 제2 측정 저항(Rm2)은 고전압 배터리 팩(Battery Pack)의 음극(-) 단자와 연결된 제2 저항(R2)과 차량 샤시의 접지(GND) 사이에 연결된다.
제2 측정부(220)는 제2 스위치(SW2)를 통해 배터리 셀의 제2 노드와 제2 측정 저항(Rm2)이 연결되면, 제2 측정 저항(Rm2)의 양단에 걸린 전압을 측정한다. 여기서, 제2 측정부(220)는 제2 측정 저항(Rm2)에 연결된 차동 증폭기(Differential Op amp)로 이루어질 수 있다. 변형 예로, 제2 측정부(220)는 연산 증폭기(Op Amp: Operational Amplifier) 및 아날로그-디지털 변환기(ADC: Analog-to-Digital Converter)로 이루어질 수 있다. 제2 스위치(SW2)가 온(ON)되면, 제2 측정부(220)는 제2 측정 저항(Rm2)의 양단에 걸린 전압을 차동 증폭기를 통해 측정할 수 있다.
제어부(230)는 제2 측정부(220)에서 측정된 제2 측정 저항(Rm2)의 전압을 이용하여 배터리의 음극 단자와 접지 간의 음극 절연 저항(R_leak-)을 산출한다. 여기서, 제어부(230)는 배터리 셀의 제2 노드부터 하위 셀까지의 전압에 의한 제2 저항(R2), 제2 측정 저항(Rm2) 및 음극 절연 저항(R_leak-) 간의 전압 분배와 측정된 제2 전압을 이용하여 음극 절연 저항(R_leak-)을 산출할 수 있다.
일례로, 제어부(230)는 배터리 팩 중에서 최하위 배터리 셀(V6)의 하단 노드와 제2 측정 저항(Rm2)이 제2 스위치(SW2)를 통해 연결된 경우, 최하위 배터리 셀(V6)의 전압에 의한 제2 저항(R2), 제2 측정 저항(Rm2) 및 음극 절연 저항(R_leak-) 간의 전압 분배와 측정된 제2 전압을 이용하여 음극 절연 저항(R_leak-)을 산출할 수 있다.
이와 같이, 제어부(230)는 고전압 배터리 팩의 최하위 셀 만을 이용하여 절연 저항을 측정한다. 이때, 제어부(230)는 제2 스위치(SW2)를 온(ON)시킨 상태에서 제2 측정 저항(Rm2) 양단에 걸리는 전압을 측정한다. 그 측정된 전압은 전압 분배에 의해 하기의 [수학식 2]와 같이 나타날 수 있다.
Figure 112014119788733-pat00002
여기서, Rm2은 제2 측정 저항, R2은 제2 저항, R_leak-는 음극 절연 저항, V(최하위 셀)은 최하위 셀에 걸리는 전압, Rm2은 제2 측정 저항에 걸리는 전압을 나타낸다.
제어부(230)는 제2 저항(R2) 및 제2 측정 저항(Rm2)을 통해 인가된 제2 측정 저항(Rm2)의 양단에 걸리는 제2 전압을 이용하여 음극 절연 저항(R_leak-)을 측정할 수 있다.
도 3은 본 명세서의 제2 실시 예에 따른 배터리 셀을 이용한 절연 저항 측정 장치의 구성도이다.
도 3을 참조하여 본 명세서의 제2 실시예에 대해서 설명하기로 한다.
본 명세서의 제2 실시 예에서 배터리 셀들 사이의 적어도 하나의 노드마다 적어도 하나의 분배 저항이 각각 연결된다. 여기서, 배터리 셀들(V1, V2, V3) 사이의 3개의 노드 중 어느 하나의 노드와 제1 측정 저항(Rm1)이 연결되는 경우를 가정하여 설명하기로 한다.
적어도 하나의 분배 저항(R2, R3)은 배터리 셀들 사이의 제1 노드와 다른 배터리 셀(V2, V3)의 노드에 각각 연결되어 있다.
그리고 적어도 하나의 분배 스위치(SW2, SW3)는 적어도 하나의 분배 저항(R2, R3)과 상기 제1 측정 저항(Rm1) 사이에 각각 연결되어 있다. 이를 통해, 배터리 셀들 사이의 적어도 하나의 노드는 그 분배 저항(R2, R3)마다 각각 연결된 분배 스위치(SW2, SW3)를 통해 제1 측정 저항(Rm1)과 연결될 수 있다.
제어부(230)는 최상위 배터리 셀(V1)부터 다른 배터리 셀(V3)까지의 전압에 의한 분배 저항, 제1 측정 저항(Rm1) 및 양극 절연 저항(R_leak+) 간의 전압 분배와 측정된 제1 전압을 이용하여 양극 절연 저항을 산출할 수 있다.
한편, 본 명세서의 제2 실시예에서 배터리 셀들 사이의 적어도 하나의 노드마다 적어도 하나의 분배 저항이 각각 연결된다. 여기서, 배터리 셀들(V4, V5, V6) 사이의 3개의 노드 중 어느 하나의 노드와 제2 측정 저항(Rm2)이 연결되는 경우를 가정하여 설명하기로 한다.
적어도 하나의 분배 저항(R4, R5)은 배터리 셀들 사이의 제2 노드와 다른 배터리 셀(V4, V5)의 노드에 각각 연결되어 있다.
그리고 적어도 하나의 분배 스위치(SW4, SW5)는 적어도 하나의 분배 저항(R4, R5)과 제2 측정 저항(Rm2) 사이에 각각 연결되어 있다. 이를 통해, 배터리 셀들 사이의 적어도 하나의 노드는 그 분배 저항(R4, R5)마다 각각 연결된 분배 스위치(SW4, SW5)를 통해 제2 측정 저항(Rm2)과 연결될 수 있다.
제어부(230)는 최하위 배터리 셀(V6)부터 다른 배터리 셀(V4)까지의 전압에 의한 분배 저항, 제2 측정 저항(Rm2) 및 음극 절연 저항(R_leak-) 간의 전압 분배와 측정된 제2 전압을 이용하여 음극 절연 저항을 산출할 수 있다.
도 4는 본 명세서의 제3 실시 예에 따른 배터리 셀을 이용한 절연 저항 측정 장치의 구성도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 명세서의 제3 실시 예에 따른 배터리 셀을 이용한 절연 저항 측정 장치(200)는 제1 스위치(SW1), 제1 저항(R1), 제1 측정 저항(Rm1), 제1 측정부(210) 및 제어부(230)를 포함한다. 또한, 본 명세서의 제3 실시 예에 따른 절연 저항 측정 장치(200)는 제2 스위치(SW2), 제2 저항(R2), 제2 측정 저항(Rm2) 및 제2 측정부(220)를 더 포함할 수 있다.
이하, 본 명세서의 제3 실시 예에 따른 절연 저항 측정 장치(200)의 각 구성요소들의 구체적인 구성 및 동작을 배터리의 양극(+) 단자와 차량의 접지 사이의 양극 절연 저항(R_leak+)을 측정하는 경우와, 배터리의 음극(-) 단자와 차량의 접지 사이의 음극 절연 저항(R_leak-)을 측정하는 경우로 나누어서 설명하기로 한다.
배터리 팩의 양극(+) 단자와 차량의 접지 사이의 양극 절연 저항(R_leak+)을 측정하기 위한 절연 저항 측정 장치(200)를 살펴보기로 한다.
배터리 팩은 서비스 플러그(S/P: Service Plug)를 기준으로 상위 및 하위 셀 그룹으로 구분되어 있다. 여기서, 서비스 플러그는 배터리 팩에서 배터리 셀이나 배터리 모듈의 탈부착을 용이하게 하기 위함이다.
제1 저항(R1)은 서비스 플러그(S/P)를 기준으로 상위 및 하위 셀 그룹으로 구분된 배터리 팩 중에서 서비스 플러그의 일단 즉, 상단에 연결되어 있다.
제1 스위치(SW1)는 제1 저항(R1)과 제1 측정 저항(Rm1)에 양단이 연결되어 있다.
제1 측정 저항(Rm1)은 제1 스위치(SW1)의 타단과 차량 샤시(Chassis)의 접지 사이에 연결되어 있다. 제1 스위치(SW1)가 온(ON)이 되면, 서비스 플러그를 기준으로 상위 셀 그룹의 전압이 제1 저항(R1) 및 제1 측정 저항(Rm1)에 걸린다.
제1 측정부(210)는 제1 스위치(SW1)를 통해 배터리 셀의 제1 노드와 제1 측정 저항(Rm1)이 연결되면, 제1 측정 저항(Rm1)의 양단에 걸린 전압을 측정한다.
제어부(230)는 제1 측정부(210)에서 측정된 제1 측정 저항(Rm1)의 전압을 이용하여 배터리의 양극(+) 단자와 접지 간의 양극 절연 저항(R_leak+)을 산출한다. 여기서, 제어부(230)는 배터리 팩 중에서 서비스 플러그의 일단과 제1 측정 저항(Rm1)이 제1 스위치(SW1)를 통해 연결된 경우, 서비스 플러그를 기준으로 상위 셀 그룹의 전압에 의한 제1 저항(R1), 제1 측정 저항(Rm1) 및 양극 절연 저항(R_leak+) 간의 전압 분배와 측정된 제1 전압을 이용하여 양극 절연 저항(R_leak+)을 산출할 수 있다. 예를 들어, 상위 셀 그룹에는 최상위 배터리 셀(V1)부터 서비스 플러그의 일단과 연결된 배터리 셀(V3)가지 포함된다.
이와 같이, 제어부(230)는 상위 셀 그룹을 이용하여 절연 저항을 측정한다. 이때, 제어부(230)는 제1 스위치(SW1)를 온(ON)시킨 상태에서 제1 측정 저항(Rm1) 양단에 걸리는 전압을 측정한다. 그 측정된 전압은 전압 분배에 의해 하기의 [수학식 3]과 같이 나타날 수 있다.
Figure 112014119788733-pat00003
여기서, Rm1은 제1 측정 저항, R1은 제1 저항, R_leak+는 양극 절연 저항, V(상위 그룹 셀)은 서비스 플러그를 기준으로 상위 그룹 셀에 걸리는 전압, Rm1은 제1 측정 저항에 걸리는 전압을 나타낸다.
제어부(230)는 제1 저항(R1) 및 제1 측정 저항(Rm1)이 포함된 분배 저항을 통해 인가된 제1 측정 저항(Rm1)의 양단에 걸리는 제1 전압을 이용하여 양극 절연 저항(R_leak+)을 측정할 수 있다.
한편, 배터리의 음극(-) 단자와 차량의 접지 사이의 음극 절연 저항(R_leak-)을 측정하기 위한 절연 저항 측정 장치(200)를 살펴보기로 한다.
배터리 팩의 음극(-) 단자와 차량의 접지 사이의 음극 절연 저항(R_leak-)을 측정하기 위한 절연 저항 측정 장치(200)를 살펴보기로 한다.
배터리 팩은 서비스 플러그(S/P: Service Plug)를 기준으로 상위 및 하위 셀 그룹으로 구분되어 있다. 여기서, 서비스 플러그는 배터리 팩에서 배터리 셀이나 배터리 모듈의 탈부착을 용이하게 하기 위함이다.
제2 저항(R2)은 서비스 플러그(S/P)를 기준으로 상위 및 하위 셀 그룹으로 구분된 배터리 팩 중에서 서비스 플러그의 타단 즉, 하단에 연결되어 있다.
제2 스위치(SW2)는 제2 저항(R2)과 제2 측정 저항(Rm2)에 양단이 연결되어 있다.
제2 측정 저항(Rm2)은 제2 스위치(SW2)의 타단과 차량 샤시(Chassis)의 접지 사이에 연결되어 있다. 제2 스위치(SW2)가 온(ON)이 되면, 서비스 플러그를 기준으로 하위 셀 그룹의 전압이 제2 저항(R2) 및 제2 측정 저항(Rm2)에 걸린다.
제2 측정부(220)는 제2 스위치(SW2)를 통해 배터리 셀의 제2 노드와 제2 측정 저항(Rm2)이 연결되면, 제2 측정 저항(Rm2)의 양단에 걸린 전압을 측정한다.
제어부(230)는 제2 측정부(220)에서 측정된 제2 측정 저항(Rm2)의 전압을 이용하여 배터리의 음극(-) 단자와 접지 간의 음극 절연 저항(R_leak-)을 산출한다. 여기서, 제어부(230)는 배터리 팩 중에서 서비스 플러그의 일단과 제2 측정 저항(Rm2)이 제2 스위치(SW2)를 통해 연결된 경우, 서비스 플러그를 기준으로 하위 셀 그룹의 전압에 의한 제2 저항(R2), 제2 측정 저항(Rm2) 및 음극 절연 저항(R_leak-) 간의 전압 분배와 측정된 제2 전압을 이용하여 음극 절연 저항(R_leak-)을 산출할 수 있다. 예를 들어, 하위 셀 그룹에는 최하위 배터리 셀(V2)부터 서비스 플러그의 타단 즉, 하단과 연결된 배터리 셀(V4)까지 포함된다.
이와 같이, 제어부(230)는 하위 셀 그룹을 이용하여 절연 저항을 측정한다. 이때, 제어부(230)는 제2 스위치(SW2)를 온(ON)시킨 상태에서 제2 측정 저항(Rm2) 양단에 걸리는 전압을 측정한다. 그 측정된 전압은 전압 분배에 의해 하기의 [수학식 4]와 같이 나타날 수 있다.
Figure 112014119788733-pat00004
여기서, Rm2은 제2 측정 저항, R2은 제2 저항, R_leak-는 음극 절연 저항, V(하위 그룹 셀)은 서비스 플러그를 기준으로 하위 그룹 셀에 걸리는 전압, Rm2은 제2 측정 저항에 걸리는 전압을 나타낸다.
제어부(230)는 제2 저항(R2) 및 제2 측정 저항(Rm2)이 포함된 분배 저항을 통해 인가된 제2 측정 저항(Rm2)의 양단에 걸리는 제2 전압을 이용하여 음극 절연 저항(R_leak-)을 측정할 수 있다.
도 5 및 도 6은 본 명세서의 제1 및 제3 실시 예에 따른 배터리 셀을 이용한 절연 저항 측정 방법에 대한 흐름도이다.
도 5를 참조하여, 본 명세서의 제1 및 제3 실시 예에 따른 배터리 셀을 이용하여 양극 절연 저항(R_leak+)을 측정하는 방법을 설명하기로 한다.
제어부(230)는 모든 스위치 즉, 제1 및 제2 스위치(SW1 및 SW2)를 오프(OFF)시킨다(S502).
그리고 제어부(230)는 제1 저항(R1)과 제1 측정 저항(Rm1) 사이에 연결된 제1 스위치(SW1)를 온(ON)시킨다(S504). 여기서, 제1 측정 저항(Rm1)은 제1 실시예에서는 배터리 셀들 사이의 제1 노드와 연결된다. 또한, 제1 측정 저항(Rm1)은 제3 실시예에서는 배터리 셀들 사이에서 서비스 플러그의 일단 즉, 상단에 연결된다.
이어서, 제1 측정부(210)는 제1 측정 저항(Rm1)의 양단에 걸린 제1 전압을 측정한다(S506).
제어부(230)는 제1 측정부(210)에서 측정된 전압을 배터리의 양극 단자와 접지(GND) 간의 양극 절연 저항(R_leak+)으로 변환한다(S508). 예를 들면, 배터리 팩 중에서 최상위 배터리 셀(V1)의 하단 노드와 제1 측정 저항(Rm1)이 제1 스위치(SW1)를 통해 연결된 경우, 제어부(230)는 최상위 배터리 셀(V1)의 전압에 의한 제1 저항(R1), 제1 측정 저항(Rm1) 및 양극 절연 저항(R_leak+) 간의 전압 분배와 측정된 제1 전압을 이용하여 양극 절연 저항(R_leak+)을 산출할 수 있다.
한편, 도 6을 참조하여, 본 명세서의 제1 및 제3 실시 예에 따른 배터리 셀을 이용하여 음극 절연 저항(R_leak-)을 측정하는 방법을 설명하기로 한다.
제어부(230)는 모든 스위치 즉, 제1 및 제2 스위치(SW1 및 SW2)를 오프(OFF)시킨다(S602).
그리고 제어부(230)는 제2 저항(R2)과 제2 측정 저항(Rm2) 사이에 연결된 제2 스위치(SW2)를 온(ON)시킨다(S604). 여기서, 제2 측정 저항(Rm2)은 제1 실시예에서는 배터리 셀들 사이의 제2 노드와 연결된다. 또한, 제2 측정 저항(Rm2)은 제3 실시예에서는 배터리 셀들 사이에서 서비스 플러그의 타단 즉, 하단에 연결된다.
이어서, 제2 측정부(220)는 제2 측정 저항(Rm2)의 양단에 걸린 제2 전압을 측정한다(S606).
제어부(230)는 제2 측정부(220)에서 측정된 전압을 배터리의 양극 단자와 접지(GND) 간의 음극 절연 저항(R_leak-)으로 변환한다(S608). 예를 들면, 배터리 팩 중에서 최하위 배터리 셀(V6)의 상단 노드와 제2 측정 저항(Rm2)이 제2 스위치(SW2)를 통해 연결된 경우, 제어부(230)는 최하위 배터리 셀(V6)의 전압에 의한 제2 저항(R2), 제2 측정 저항(Rm2) 및 음극 절연 저항(R_leak-) 간의 전압 분배와 측정된 제2 전압을 이용하여 음극 절연 저항(R_leak-)을 산출할 수 있다.
도 7 및 도 8은 본 명세서의 제2 실시 예에 따른 배터리 셀을 이용한 절연 저항 측정 방법에 대한 흐름도이다.
도 7을 참조하여, 본 명세서의 제2 실시 예에 따른 배터리 셀을 이용하여 양극 절연 저항(R_leak+)을 측정하는 방법을 설명하기로 한다.
제어부(230)는 모든 스위치 즉, 제1 내지 제6 스위치(SW1 내지 SW6)를 오프(OFF)시킨다(S702).
그리고 제어부(230)는 제1 저항(R1)과 제1 측정 저항(Rm1) 사이에 연결된 제1 내지 제3 스위치(SW1 내지 SW3) 중 어느 하나의 스위치를 온(ON)시킨다(S704). 예를 들면, 제1 내지 제3 스위치(SW1 내지 SW3) 중 제2 스위치가 온(ON)인 경우, 제1 측정 저항(Rm1)은 배터리 셀(V2)의 하단에 연결될 수 있다.
이어서, 제1 측정부(210)는 제1 측정 저항(Rm1)의 양단에 걸린 제1 전압을 측정한다(S706).
제어부(230)는 제1 측정부(210)에서 측정된 전압을 배터리의 양극 단자와 접지(GND) 간의 양극 절연 저항(R_leak+)으로 변환한다(S708).
한편, 도 8을 참조하여, 본 명세서의 제2 실시 예에 따른 배터리 셀을 이용하여 음극 절연 저항(R_leak-)을 측정하는 방법을 설명하기로 한다.
제어부(230)는 모든 스위치 즉, 제1 내지 제6 스위치(SW1 내지 SW6)를 오프(OFF)시킨다(S802).
그리고 제어부(230)는 제2 저항(R2)과 제2 측정 저항(Rm2) 사이에 연결된 제2 스위치(SW2)를 온(ON)시킨다(S804). 예를 들면, 제4 내지 제6 스위치(SW4 내지 SW6) 중 제5 스위치가 온(ON)인 경우, 제2 측정 저항(Rm2)은 배터리 셀(V5)의 상단에 연결될 수 있다.
이어서, 제2 측정부(220)는 제2 측정 저항(Rm2)의 양단에 걸린 제2 전압을 측정한다(S806).
제어부(230)는 제2 측정부(220)에서 측정된 전압을 배터리의 양극 단자와 접지(GND) 간의 음극 절연 저항(R_leak-)으로 변환한다(S808).
본 명세서가 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 명세서가 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 명세서의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 명세서의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
한편, 본 명세서와 도면에는 본 명세서의 바람직한 실시 예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 명세서의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 명세서의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예 외에도 본 명세서의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 명세서가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
100: 배터리 관리 시스템(BMS)
10: 배터리 팩
11, 12, 13: 배터리 모듈
20: 차량 전자 장치
30: 배터리 제어장치
31, 32: MCU
33: BCU
200: 절연 저항 측정 장치
210: 제1 측정부
220: 제2 측정부
230: 제어부
R1 내지 R6: 제1 내지 제6 저항
Rm1 및 Rm2: 제1 및 제2 측정 저항
SW1 내지 SW6: 제1 내지 제6 스위치

Claims (20)

  1. 배터리 팩 중에서 배터리 셀들 사이의 제1 노드에 연결된 제1 저항;
    상기 제1 저항에 일단이 연결된 제1 스위치;
    상기 제1 스위치의 타단과 접지 사이에 연결된 제1 측정 저항;
    상기 제1 측정 저항의 양단에 걸리는 제1 전압을 측정하는 제1 측정부; 및
    상기 제1 스위치를 제어하여 상기 배터리 셀들 사이의 제1 노드와 상기 제1 측정 저항을 연결시키고, 상기 측정된 제1 전압을 이용하여 상기 배터리 팩의 제1 단자와 상기 접지 간의 제1 절연 저항을 산출하는 제어부
    를 포함하는 절연 저항 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 배터리 팩 중에서 최상위 배터리 셀의 하단 노드와 상기 제1 측정 저항이 상기 제1 스위치를 통해 연결된 경우, 상기 최상위 배터리 셀의 전압에 의한 상기 제1 저항, 상기 제1 측정 저항 및 상기 제1 절연 저항 간의 전압 분배와 상기 측정된 제1 전압을 이용하여 상기 제1 절연 저항을 산출하는 절연 저항 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 셀들 사이의 제1 노드와 다른 배터리 셀의 노드에 각각 연결된 적어도 하나의 분배 저항; 및
    상기 분배 저항과 상기 제1 측정 저항 사이에 각각 연결된 적어도 하나의 분배 스위치를 더 포함하고,
    상기 제어부는 최상위 배터리 셀부터 다른 배터리 셀까지의 전압에 의한 상기 분배 저항, 상기 제1 측정 저항 및 상기 제1 절연 저항 간의 전압 분배와 상기 측정된 제1 전압을 이용하여 상기 제1 절연 저항을 산출하는 절연 저항 측정 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    배터리 팩 중에서 배터리 셀들 사이의 제2 노드에 연결된 제2 저항;
    상기 제2 저항에 일단이 연결된 제2 스위치;
    상기 제2 스위치의 타단과 접지 사이에 연결된 제2 측정 저항; 및
    상기 제2 측정 저항의 양단에 걸리는 제2 전압을 측정하는 제2 측정부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 제2 스위치를 제어하여 상기 배터리 셀들 사이의 제2 노드와 상기 제2 측정 저항을 연결시키고, 상기 측정된 제2 전압을 이용하여 상기 배터리 팩의 제2 단자와 상기 접지 간의 제2 절연 저항을 산출하는 절연 저항 측정 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 배터리 팩 중에서 최하위 배터리 셀의 하단 노드와 상기 제2 측정 저항이 상기 제2 스위치를 통해 연결된 경우, 상기 최하위 배터리 셀의 전압에 의한 상기 제2 저항, 상기 제2 측정 저항 및 상기 제2 절연 저항 간의 전압 분배와 상기 측정된 제2 전압을 이용하여 상기 제2 절연 저항을 산출하는 절연 저항 측정 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 배터리 셀들 사이의 제2 노드와 다른 배터리 셀의 노드에 연결된 적어도 하나의 분배 저항; 및
    상기 분배 저항과 상기 제2 측정 저항 사이에 각각 연결된 적어도 하나의 분배 스위치를 더 포함하고,
    상기 제어부는 최하위 배터리 셀부터 또 다른 배터리 셀의 노드까지의 전압에 의한 상기 분배 저항, 상기 제2 측정 저항 및 상기 제2 절연 저항 간의 전압 분배와 상기 측정된 제2 전압을 이용하여 상기 제2 절연 저항을 산출하는 절연 저항 측정 장치.
  7. 서비스 플러그(Service Plug)를 기준으로 상위 및 하위 셀 그룹으로 구분된 배터리 팩 중에서 상기 서비스 플러그의 일단에 연결된 제1 저항;
    상기 제1 저항에 일단이 연결된 제1 스위치;
    상기 제1 스위치의 타단과 접지 사이에 연결된 제1 측정 저항;
    상기 제1 측정 저항의 양단에 걸리는 제1 전압을 측정하는 제1 측정부; 및
    상기 제1 스위치를 제어하여 상기 배터리 셀들 사이의 어느 하나의 노드와 상기 제1 측정 저항을 연결시키고, 상기 측정된 제1 전압을 이용하여 상기 배터리 팩의 제1 단자와 상기 접지 간의 제1 절연 저항을 산출하는 제어부
    를 포함하는 절연 저항 측정 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 배터리 팩 중에서 상기 서비스 플러그의 일단과 상기 제1 측정 저항이 상기 제1 스위치를 통해 연결된 경우, 상기 상위 셀 그룹의 전압에 의한 상기 제1 저항, 상기 제1 측정 저항 및 상기 제1 절연 저항 간의 전압 분배와 상기 측정된 제1 전압을 이용하여 상기 제1 절연 저항을 산출하는 절연 저항 측정 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    서비스 플러그(Service Plug)를 기준으로 상위 및 하위 셀 그룹으로 구분된 배터리 팩 중에서 상기 서비스 플러그의 타단에 연결된 제2 저항;
    상기 제2 저항에 일단이 연결된 제2 스위치;
    상기 제2 스위치의 타단과 접지 사이에 연결된 제2 측정 저항; 및
    상기 제2 측정 저항의 양단에 걸리는 제2 전압을 측정하는 제2 측정부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 제2 스위치를 제어하여 상기 배터리 셀들 사이의 어느 하나의 노드와 상기 제2 측정 저항을 연결시키고, 상기 측정된 제2 전압을 이용하여 상기 배터리 팩의 제2 단자와 상기 접지 간의 제2 절연 저항을 산출하는 절연 저항 측정 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 배터리 팩 중에서 상기 서비스 플러그의 타단과 상기 제2 측정 저항이 상기 제2 스위치를 통해 연결된 경우, 상기 상위 셀 그룹의 전압에 의한 상기 제2 저항, 상기 제2 측정 저항 및 상기 제2 절연 저항 간의 전압 분배와 상기 측정된 제2 전압을 이용하여 상기 제2 절연 저항을 산출하는 절연 저항 측정 장치.
  11. 배터리 팩 중에서 배터리 셀들 사이의 제1 노드에 연결된 제1 저항 및 접지에 연결된 제1 측정 저항을 포함한 절연 저항 측정 장치에서의 절연 저항 측정 방법에 있어서,
    상기 제1 저항과 상기 제1 측정 저항 사이에 연결된 제1 스위치를 온(ON)시키는 단계;
    상기 제1 측정 저항의 양단에 걸린 제1 전압을 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 제1 전압을 이용하여 상기 배터리 팩의 제1 단자와 상기 접지 간의 제1 절연 저항을 산출하는 단계
    를 포함하는 절연 저항 측정 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 절연 저항을 산출하는 단계는
    상기 배터리 팩 중에서 최상위 배터리 셀의 하단 노드와 상기 제1 측정 저항이 상기 제1 스위치를 통해 연결된 경우, 상기 최상위 배터리 셀의 전압에 의한 상기 제1 저항, 상기 제1 측정 저항 및 상기 제1 절연 저항 간의 전압 분배와 상기 측정된 제1 전압을 이용하여 상기 제1 절연 저항을 산출하는 절연 저항 측정 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 절연 저항 측정 장치에 상기 배터리 셀들 사이의 제1 노드와 다른 배터리 셀의 노드에 연결된 적어도 하나의 분배 저항 및 상기 분배 저항과 상기 제1 측정 저항 사이에 각각 연결된 적어도 하나의 분배 스위치가 더 포함되고,
    상기 제1 절연 저항을 산출하는 단계는 최상위 배터리 셀부터 다른 배터리 셀까지의 전압에 의한 상기 분배 저항, 상기 제1 측정 저항 및 상기 제1 절연 저항 간의 전압 분배와 상기 측정된 제1 전압을 이용하여 상기 제1 절연 저항을 산출하는 절연 저항 측정 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 절연 저항 측정 장치에 배터리 팩 중에서 배터리 셀들 사이의 제2 노드에 연결된 제2 저항 및 접지에 연결된 제2 측정 저항이 더 포함되고,
    상기 제2 저항과 상기 제2 측정 저항 사이에 연결된 제2 스위치를 온(ON)시키는 단계;
    상기 제2 측정 저항의 양단에 걸린 제2 전압을 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 제2 전압을 이용하여 상기 배터리 팩의 제2 단자와 상기 접지 간의 제2 절연 저항을 산출하는 단계를 더 포함하는 절연 저항 측정 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제2 절연 저항을 산출하는 단계는
    상기 배터리 팩 중에서 최하위 배터리 셀의 상단 노드와 상기 제2 측정 저항이 상기 제2 스위치를 통해 연결된 경우, 최상위 배터리 셀의 전압에 의한 상기 제2 저항, 상기 제2 측정 저항 및 상기 제2 절연 저항 간의 전압 분배와 상기 측정된 제2 전압을 이용하여 상기 제2 절연 저항을 산출하는 절연 저항 측정 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 절연 저항 측정 장치에 상기 배터리 셀들 사이의 제2 노드와 다른 배터리 셀의 노드에 연결된 적어도 하나의 분배 저항 및 상기 분배 저항과 상기 제2 측정 저항 사이에 각각 연결된 적어도 하나의 분배 스위치가 더 포함되고,
    상기 제2 절연 저항을 산출하는 단계는 최상위 배터리 셀부터 다른 배터리 셀까지의 전압에 의한 상기 분배 저항, 상기 제2 측정 저항 및 상기 제2 절연 저항 간의 전압 분배와 상기 측정된 제2 전압을 이용하여 상기 제2 절연 저항을 산출하는 절연 저항 측정 방법.
  17. 서비스 플러그(Service Plug)를 기준으로 상위 및 하위 셀 그룹으로 구분된 배터리 팩 중에서 상기 서비스 플러그의 일단에 연결된 제1 저항 및 접지에 연결된 제1 측정 저항을 포함한 절연 저항 측정 장치에서의 절연 저항 측정 방법에 있어서,
    상기 제1 저항과 상기 제1 측정 저항 사이에 연결된 제1 스위치를 온(ON)시키는 단계;
    상기 제1 측정 저항의 양단에 걸린 제1 전압을 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 제1 전압을 이용하여 상기 배터리 팩의 제1 단자와 상기 접지 간의 제1 절연 저항을 산출하는 단계
    를 포함하는 절연 저항 측정 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1 절연 저항을 산출하는 단계는
    상기 배터리 팩 중에서 상기 서비스 플러그의 일단과 상기 제1 측정 저항이 상기 제1 스위치를 통해 연결된 경우, 상기 상위 셀 그룹의 전압에 의한 상기 제1 저항, 상기 제1 측정 저항 및 상기 제1 절연 저항 간의 전압 분배와 상기 측정된 제1 전압을 이용하여 상기 제1 절연 저항을 산출하는 절연 저항 측정 방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 절연 저항 측정 장치에 상기 서비스 플러그의 타단에 연결된 제2 저항 및 접지에 연결된 제2 측정 저항이 더 포함되고,
    상기 제2 저항과 상기 제2 측정 저항 사이에 연결된 제2 스위치를 온(ON)시키는 단계;
    상기 제2 측정 저항의 양단에 걸린 제2 전압을 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 제2 전압을 이용하여 상기 배터리 팩의 제2 단자와 상기 접지 간의 제2 절연 저항을 산출하는 단계
    를 더 포함하는 절연 저항 측정 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제2 절연 저항을 산출하는 단계는
    상기 배터리 팩 중에서 상기 서비스 플러그의 타단과 상기 제2 측정 저항이 상기 제2 스위치를 통해 연결된 경우, 상기 하위 셀 그룹의 전압에 의한 상기 제2 저항, 상기 제2 측정 저항 및 상기 제2 절연 저항 간의 전압 분배와 상기 측정된 제2 전압을 이용하여 상기 제2 절연 저항을 산출하는 절연 저항 측정 방법.
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