KR101584267B1 - 절연 저하 감지 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 명세서는 절연 저하 감지 장치에 관한 것으로서, 고전압 배터리 회로와 차량 바디 간의 절연 저하를 감지하는 장치에 있어서 상기 고전압 배터리 회로의 음극과 차량 바디 사이에 설치된 제1 절연부와, 상기 고전압 배터리 회로의 양극과 차량 바디 사이에 설치된 제2 절연부; 소정 주파수의 교류 전압을 생성하는 발진기; 상기 제1 절연부 및 상기 제2 절연부의 절연저하를 판단하는 절연저하 판단부; 상기 발진기 및 상기 절연저하 판단부와 일단이 연결되고, 상기 고전압 배터리와 상기 제1 및 제2 절연부 사이에 각각 타단이 연결되는 커플링 콘덴서; 상기 커플링 콘덴서의 상기 타단과 상기 고전압 배터리 회로의 음극 및 상기 제1 절연부 사이에 설치된 제1 릴레이; 상기 커플링 콘덴서의 상기 타단과 상기 고전압 배터리 회로의 양극 및 상기 제2 절연부 사이에 설치된 제2 릴레이; 및 상기 제1 릴레이 및 제2 릴레이를 제어하는 릴레이 제어부를 포함한다.

Description

절연 저하 감지 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DETECTING INSULATION DETERIORATION}
본 명세서는 전기 에너지를 이용하는 장치에 사용될 수 있는 배터리 관리 시스템(Battery Management System)에 관한 것이다. 구체적으로, 본 명세서는 하이브리드 자동차 및 전기 자동차에서 사용되는 고전압 배터리 관리 시스템에서 절연 저하를 감지하는 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(Hybrid) 자동차의 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, 배터리 용량의 한계 및 충전에 걸리는 시간 등의 문제 때문에 상용화되지 못하다가 최근 에너지 및 환경 문제가 심각해지면서 1990년대부터 실용화를 위한 연구가 본격화 되었다.
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 있으며, 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 전기 모터 등에 고출력 에너지를 공급하기 위하여 통상 300V 내지 700V 정도의 고전압 배터리를 사용한다.
따라서, 전기 에너지를 이용하는 자동차에서는 고전압 배터리를 사용함으로써 발생하는 위험 요소들로부터 직접적인 접촉을 피하고 운전자 및 탑승자 등을 보호하고자 고전원 전기장치에 대한 안전성을 확보하는 것이 매우 중요하다.
일반적으로 HEV 및 EV 자동차에는 고전압 배터리와 차량 바디 사이의 절연을 유지하기 위하여 절연저항을 설치하고 있으며, 배터리와 차량 바디 사이의 누설 전류가 발생하는지 여부를 검출하는 장치가 필수적으로 적용되고 있다.
그러나 현재 적용되고 있는 배터리 관리 시스템의 배터리 누설 감지 장치는 배터리의 음극과 차량 바디 사이에서 누설만을 검출할 수 있을 뿐, 배터리의 양극(+)과 음극(-) 모두에서 누설을 검출하는 것이 불가능하다.
본 명세서는 고전압 배터리를 사용하는 차량용 배터리 관리 시스템에서 배터리의 양극(+)과 음극(-) 모두에서 누설을 검출하는 것이 가능한 배터리 누설 감지 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 절연 저하 감지 장치는 고전압 배터리 회로와 차량 바디 간의 절연 저하를 감지하는 장치에 있어서, 상기 고전압 배터리 회로의 음극과 차량 바디 사이에 설치된 제1 절연부와, 상기 고전압 배터리 회로의 양극과 차량 바디 사이에 설치된 제2 절연부; 소정 주파수의 교류 전압을 생성하는 발진기; 상기 제1 절연부 및 상기 제2 절연부의 절연저하를 판단하는 절연저하 판단부; 상기 발진기 및 상기 절연저하 판단부와 일단이 연결되고, 상기 고전압 배터리와 상기 제1 및 제2 절연부 사이에 각각 타단이 연결되는 커플링 콘덴서; 상기 커플링 콘덴서의 상기 타단과 상기 고전압 배터리 회로의 음극 및 상기 제1 절연부 사이에 설치된 제1 릴레이; 상기 커플링 콘덴서의 상기 타단과 상기 고전압 배터리 회로의 양극 및 상기 제2 절연부 사이에 설치된 제2 릴레이; 및 상기 제1 릴레이 및 제2 릴레이를 제어하는 릴레이 제어부를 포함한다.
또한, 상기 릴레이 제어부는 상기 제1 릴레이 및 제2 릴레이를 교차하여 온/오프 제어하며, 상기 절연저하 판단부는 상기 제1 릴레이 또는 제2 릴레이가 온 상태일 때 상기 제1 절연부 또는 상기 제2 절연부의 전위의 크기가 기 설정된 기준값보다 큰 경우에는 상기 제1 절연부 또는 상기 제2 절연부에 절연 저하가 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 절연저하 판단부와 상기 커플링 콘덴서 사이에는, 상기 절연저하 판단부로 입력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하고 노이즈를 제거하는 디지털 필터가 더 포함된다.
또한, 상기 디지털 필터와 상기 커플링 콘덴서 사이에는, 상기 아날로그 신호의 고주파 성분을 제거하는 저역통과필터(LPF)를 더 포함한다.
또한, 상기 발진기와 상기 커플링 콘덴서 사이에는 출력 임피던스(output Impedance)가 더 포함되며, 상기 절연저하 판단부는 상기 커플링 콘덴서의 상기 일단에서 측정된 전위차의 크기를 통하여 상기 절연 저하 여부를 판단하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 릴레이 또는 제2 릴레이는 포토모스 릴레이(Photo Mos Relay) 인 것을 특징으로 한다.
본 명세서의 다른 일 실시예에 따르면, 절연 저하 감지 장치는 고전압 배터리 회로의 양극 및 음극과 차량 바디 간의 절연 저하를 감지하는 장치에 있어서, 소정 주파수의 교류 전압을 생성하는 발진기; 상기 고전압 배터리 회로와 차량 바디 간의 절연저하를 판단하는 절연저하 판단부; 상기 발진기 및 상기 절연저하 판단부와 일단이 연결되고, 상기 고전압 배터리의 양극 및 음극과 절연체 사이에 각각 타단이 연결되는 커플링 콘덴서; 상기 커플링 콘덴서의 상기 타단과 상기 고전압 배터리 회로의 양극 및 음극 사이에 각각 설치된 제1 및 제2 포토모스 릴레이; 및 상기 제1 및 제2 포토모스 릴레이를 교차하여 온/오프 제어하는 릴레이 제어부를 포함한다.
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 고전압 배터리를 사용하는 차량용 배터리 관리 시스템에서 배터리의 양극(+)과 음극(-) 모두에서 누설을 검출하는 것이 가능하여 고전압 배터리의 누설로부터 운전자 및 탑승자 등을 보호하는 것이 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 명세서의 일 실시예에 따른 절연 저하 감지 장치를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 본 명세서의 다른 일 실시예에 따른 절연 저하 감지 장치를 개략적으로 도시한 블록도이다.
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.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서의 일 실시예에 따른 절연 저하 감지 장치에 대해 설명한다.
도 1은 본 명세서의 일 실시예에 따른 절연 저하 감지 장치를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도시된 바와 같이, HEV 또는 EV 차량에는 다수의 배터리 셀들이 직렬 연결된 배터리 모듈(10)과 상기 배터리 모듈(10)로부터 전기를 공급받아 구동되는 모터 등의 전장부품(11)을 포함하는 고전압 배터리 회로(1)가 구성된다.
고전압 배터리 회로(1)는 배터리 모듈(10)로부터 전류가 외부로 누설되는 것을 방지하기 위하여 차량 바디(100)와 절연을 유지하는 절연부(3, 4)가 포함된다. 이때, 상기 제1 절연부(3)는 고전압 배터리 회로(1)의 양극과 차량 바디(100) 사이에 연결되며, 제2 절연부(4)는 고전압 배터리 회로(1)의 음극과 차량 바디(100) 사이에 연결된다.
상기 절연부(3, 4)는 차량 바디(100)와 절연을 충분히 유지할 수 있도록 통상 수MΩ 이상의 절연저항으로 구성될 수 있다.
한편, 상기 절연부(3, 4)는 여러가지 요인으로 인하여 절연성이 저하될 수 있으며, 이와 같은 절연저하가 발생한다면 이는 운전자의 감전 등 안전사고로 연결될 수 있다.
상기와 같은 절연 저하를 감지하기 위하여 도시된 바와 같이 절연저하 감지 장치(2)가 고전압 배터리 회로(1)에 연결된다.
절연저하 감지 장치(2)는 커플링 콘덴서(21), 발진기(23), 절연저하 판단부(24), 릴레이 제어부(26) 및 제1 릴레이(28)와 제2 릴레이(29)를 포함한다.
제1 릴레이(28)는 고전압 배터리 회로(1)의 양극(+)과 커플링 콘덴서(21) 사이에 설치되며, 제2 릴레이(29)는 고전압 배터리 회로(1)의 음극(-)과 커플링 콘덴서(21) 사이에 설치된다.
상기 제1 릴레이(28) 및 제2 릴레이(29)는 릴레이 제어부(26)를 통해서 교차하여 온/오프 제어된다.
바람직하게는 릴레이(28, 29)는 포토 커플러 또는 포토모스 릴레이(Photo Mos Relay)로 구성될 수 있다.
포토모스 릴레이는 내부의 포토 LED에 전류를 흘려주면 발광되면서 내부의 반대편에 수광부에서 빛이 전달되어 High 전압인 1인 상태가 되고, 전류를 끊으면 빛이 발생되지 않아서 Low 전압인 0 상태로 변환된다. 포토모스 릴레이 소자를 사용할 경우에는 일반 릴레이에 비해서 회로를 보다 간단히 구성할 수 있으며, 배터리 모듈(10)의 전압(대략 200 내지 400V) 보다 높은 절연 내압을 형성할 수 있는 장점이 있다. 따라서, 포토모스 릴레이 소자를 통하여 배터리 측 고전압 영역과 릴레이 제어부 측의 저전압 영역을 절연을 유지하면서 분리할 수 있다. 또한, 포토모스 릴레이 소자의 온/오프 제어도 별도의 절연을 거치지 않고 바로 마이컴에서 가능하기 때문에 효율적으로 회로를 구성할 수 있는 장점이 있다.
본 실시예와 같이 절연 저항의 저하를 검출하기 위해서는 비교적 큰 전압과, 작은 전류, 높은 절연 내압이 모두 충족되어야 하는 까다로움이 있으며, 따라서 릴레이를 포토모스 릴레이로 구성할 경우에는 상기와 같은 까다로운 조건을 모두 만족시키면서 회로를 구성할 수 있는 특징이 있다.
발진기(23)는 소정 주파수의 교류 전압을 생성하여 커플링 콘덴서(21)로 교류 전압을 인가한다. 통상 발진기(23)는 대략 2.5Hz의 주파수에 대략 5V 정도의 교류 전압을 생성한다.
커플링 콘덴서(21)는 직류를 차단하고 교류를 통과시키는 일종의 필터 역할을 하며, 고전압 배터리 회로(1)로부터 절연저하 감지 장치(2)를 전기적으로 절연시킨다.
절연저하 판단부(24)는 커플링 콘덴서(21)와 연결되어 제1 절연부(3) 및 상기 제2 절연부(4)의 절연 저하를 판단한다.
이때, 릴레이 제어부(26)는 고전압 배터리 회로(1)의 양극(+) 및 음극(-) 모두 절연 저하 여부를 감지할 수 있도록 제1 릴레이(28) 및 제2 릴레이(29)를 교차하여 온/오프 제어하며, 절연저하 판단부(24)는 제1 릴레이(28)가 온 상태일 때 고전압 배터리 회로(1)의 양극(+)과 차량 바디(100) 사이의 제1 절연부(3)의 전위의 크기를 측정하여 기 설정된 기준값보다 큰 경우에는 고전압 배터리 회로(1)의 양극(+) 측에서 절연 저하가 발생된 것으로 판단한다. 또한, 절연저하 판단부(24)는 제2 릴레이(29)가 온 상태일 때 고전압 배터리 회로(1)의 음극(-)과 차량 바디(100) 사이의 제2 절연부(4)의 전위의 크기를 측정하여 기 설정된 기준값보다 큰 경우에는 고전압 배터리 회로(1)의 음극(-) 측에서 절연 저하가 발생된 것으로 판단한다.
도 2는 본 명세서의 다른 일 실시예에 따른 절연 저하 감지 장치(2)를 도시한 블록도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 발진기(23)와 커플링 콘덴서(21) 사이에 출력 임피던스(output Impedance)(22)가 더 포함된다. 또한, 절연 저하 판단부(24)와 커플링 콘덴서(21) 사이에는 필터(25)가 더 포함된다.
발진기(23)에서 생성된 교류 신호는 출력 임피던스(22)를 통하여 커플링 콘덴서(21)의 일단으로 입력된다. 이때, 고전압 배터리 회로(1)와 차량 바디(100) 사이의 절연부(3, 4)의 절연 저하가 발생되지 않았다면, 절연부(3, 4)의 절연 저항은 매우 크기 때문에 출력 임피던스(22)에서의 전압 강하는 작을 것이다. 따라서, 절연 저하 판단부(24)에서 바라보는 커플링 콘덴서(21) 일단의 전위 크기는 작은 값으로 측정이 된다.
그러나, 고전압 배터리 회로(1)와 차량 바디(100) 사이의 절연부(3, 4)의 절연 저하가 발생된다면, 절연부(3, 4)의 절연 저항은 매우 작기 때문에 출력 임피던스(22)에서의 전압 강하가 커질 것이다. 따라서, 절연 저하 판단부(24)에서 바라보는 커플링 콘덴서(21) 일단의 전위 크기는 큰 값으로 측정이 된다.
즉, 절연저하 판단부(24)는 커플링 콘덴서(21)의 상기 일단에서 측정된 전위차의 크기를 통하여 상기 절연 저하 여부를 판단할 수 있다. 이 경우에도 릴레이(28, 29)를 교차하여 온/오프 제어함으로써 고전압 배터리 회로(1)의 양극(+)과 음극(-) 모두 절연 저하 여부를 판단하는 것이 가능하다.
한편, 절연 저하 판단부(24)와 커플링 콘덴서(21) 사이에 구성된 필터(25)는 절연저하 판단부(24)로 입력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하고 노이즈를 제거하는 디지털 필터의 역할을 수행 한다. 아날로그 신호는 통상 주변 온도 및 회로의 열화에 의하여 노이즈가 심각하게 발생할 수 있으며, 상기 필터(25)를 추가 구성함으로써 보다 정확한 절연 저하 여부를 판단하는 것이 가능하다.
또한, 상기 필터(25)에서 아날로그 신호를 디지털 신호로 변화시 에일리어싱(aliasing)이 발생할 수 있으므로, 필터(25)의 입력 전단에는 저역통과필터(LPF) 또는 대역통과필터(BPF)를 더 구성하는 것도 가능하다.
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.
1 : 고전압 배터리 회로 2 : 절연 저하 감지 장치
3 : 제1 절연부 4 : 제2 절연부
10 : 배터리 모듈 11 : 전장부품
21 : 커플링 콘덴서 22 : 출력 임피던스
23 : 발진기 24 : 절연 저하 판단부
25 : 필터 26 : 릴레이 제어부
28: 제1 릴레이 29 : 제2 릴레이
100 : 차량 바디

Claims (7)

  1. 고전압 배터리 회로와 차량 바디 간의 절연 저하를 감지하는 장치에 있어서,
    상기 고전압 배터리 회로의 음극과 차량 바디 사이에 설치된 제1 절연부와, 상기 고전압 배터리 회로의 양극과 차량 바디 사이에 설치된 제2 절연부;
    소정 주파수의 교류 전압을 생성하는 발진기;
    상기 제1 절연부 및 상기 제2 절연부의 절연저하를 판단하는 절연저하 판단부;
    상기 발진기 및 상기 절연저하 판단부와 일단이 연결되고, 상기 고전압 배터리 회로와 상기 제1 및 제2 절연부 사이에 각각 타단이 연결되는 커플링 콘덴서;
    상기 커플링 콘덴서의 상기 타단과 상기 고전압 배터리 회로의 음극 및 상기 제1 절연부 사이에 설치된 제1 릴레이;
    상기 커플링 콘덴서의 상기 타단과 상기 고전압 배터리 회로의 양극 및 상기 제2 절연부 사이에 설치된 제2 릴레이; 및
    상기 제1 릴레이 및 제2 릴레이를 제어하는 릴레이 제어부를 포함하는 절연 저하 감지 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 릴레이 제어부는 상기 제1 릴레이 및 제2 릴레이를 교차하여 온/오프 제어하며,
    상기 절연저하 판단부는 상기 제1 릴레이 또는 제2 릴레이가 온 상태일 때 상기 제1 절연부 또는 상기 제2 절연부의 전위의 크기가 기 설정된 기준값보다 큰 경우에는 상기 제1 절연부 또는 상기 제2 절연부에 절연 저하가 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 절연저하 감지 장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 절연저하 판단부와 상기 커플링 콘덴서 사이에는,
    상기 절연저하 판단부로 입력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하고 노이즈를 제거하는 디지털 필터가 더 포함되는 절연저하 감지 장치.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 디지털 필터와 상기 커플링 콘덴서 사이에는,
    상기 아날로그 신호의 고주파 성분을 제거하는 저역통과필터(LPF)를 더 포함하는 절연저하 감지 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 발진기와 상기 커플링 콘덴서 사이에는 출력 임피던스(output Impedance)가 더 포함되며,
    상기 절연저하 판단부는 상기 커플링 콘덴서의 상기 일단에서 측정된 전위차의 크기를 통하여 상기 절연 저하 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 절연저하 감지 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 릴레이 또는 제2 릴레이는 포토모스 릴레이(Photo Mos Relay) 인 것을 특징으로 하는 절연저하 감지 장치.
  7. 삭제
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WO2020170556A1 (ja) * 2019-02-19 2020-08-27 三洋電機株式会社 漏電検出装置、車両用電源システム

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KR101388466B1 (ko) * 2012-12-04 2014-04-23 현대오트론 주식회사 절연 저항 측정 장치

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