KR101675191B1 - 절연 저항 측정 장치 및 방법 - Google Patents

절연 저항 측정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

절연 저항 측정 장치 및 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 저항 측정 장치는, 복수의 전지 셀을 포함하는 전지 팩과 직렬 연결되고 상기 전지 팩에 대한 외부 절연 저항과 병렬 연결되는 복수의 저항들; 상기 복수의 저항들 중 하나 이상의 저항에 병렬 연결된 캐패시터; 상기 복수의 저항들, 상기 캐패시터 및 상기 외부 절연 저항 중 하나 이상의 연결 관계를 설정하는 복수의 스위치들; 및 상기 복수의 스위치들 각각의 온 또는 오프 상태에 따라 상이하게 측정되는 상기 캐패시터 양단에 걸리는 전압의 전압값들 및 상기 복수의 저항들의 저항값들에 근거하여 상기 외부 절연 저항을 산출하는 외부 절연 저항 산출부를 포함할 수 있다.

Description

절연 저항 측정 장치 및 방법{Apparatus and method for measuring insulation resistance}
본 발명은 절연 저항 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 복수의 전지 셀을 포함하는 전지 팩과 직렬 연결되고 전지 팩에 대한 외부 절연 저항과 병렬 연결되는 복수의 저항들과, 복수의 저항들 중 하나 이상의 저항에 병렬 연결된 캐패시터와, 복수의 저항들, 캐패시터 및 외부 절연 저항 중 하나 이상의 연결 관계를 설정하는 복수의 스위치들을 구비하고, 복수의 스위치들 각각의 온 또는 오프 상태에 따라 상이하게 측정되는 캐패시터 양단에 걸리는 전압의 전압값들 및 복수의 저항들의 저항값들에 근거하여 외부 절연 저항을 산출함으로써, 전지 팩 전압 측정 회로를 이용하여 간단하고 정확하게 외부 절연 저항을 측정할 수 있는 절연 저항 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
비디오 카메라, 휴대용 전화, 휴대용 PC 등의 휴대용 전기 제품 사용이 활성화됨에 따라 그 구동 전원으로서 주로 사용되는 이차 전지에 대한 중요성이 증가되고 있다. 특히, 리튬 이차 전지는 기존의 납 축전지와, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 니켈-아연전지 등 다른 이차 전지와 비교하여 단위 중량 당 에너지 밀도가 높고 급속 충전이 가능하기 때문에 사용의 증가가 활발하게 진행되고 있다.
통상적으로 충전이 불가능한 일차 전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 이차 전지는 디지털 카메라, 셀룰러 폰, 노트북 컴퓨터, 하이브리드 자동차 등 첨단 분야의 개발로 활발한 연구가 진행 중이다. 이차 전지로는 니켈-카드뮴 전지, 니켈-메탈 하이드라이드 전지, 니켈-수소 전지, 리튬 이차 전지 등을 들 수 있다. 이중에서, 리튬 이차 전지는 니켈-카드뮴 전지나 니켈-메탈 하이드라이드 전지에 비하여 작동 전압이 높고, 단위 중량당 에너지 밀도의 특성도 우수하다.
전기 자동차에 사용되는 이차 전지는 일반적으로 100A 내지 300A의 대용량을 제공하는 것이 필요하다. 이차 전지의 절연물의 열화나 손상이 일어나면, 누설 전류에 의해 전력 손실이 증가하거나 승객에게 심각한 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 이차 전지의 절연을 양호한 상태로 유지하는 것이 중요하다.
이를 위하여, 전기 자동차의 차량에 비상사태가 발생되면 BMS(Battery Management System) 등의 제어부에서 메인 전원을 차단하도록 하는 명령을 내려 전원을 단속하게 된다. 이러한 제어부는 전원을 연결해 주는 선로의 전압과 전류를 일련의 프로그램 또는 센서를 통해 모니터링하여 정상 범위를 벗어난 전압, 전류가 검출되거나 허용치 이상의 누설 전류가 있는 경우, 그리고 허용치 이상의 절연 저항 파괴 등이 있는 경우에 CAN 통신 또는 시그날 전송을 통하여 메인 전원을 차단하게 된다.
이와 같이, 고전압 배터리를 사용하는 전기 자동차에 있어서 절연 저항의 측정은 매우 중요하다. 고전압 배터리와 전기 자동차 간의 절연 저항를 측정하는 종래의 방법으로 절연을 파괴하고 강제로 직류 전류를 흐르게 하여 누설 전류를 측정하는 방법이 있는데, 이러한 방법은 절연 저항을 측정하는 동안 절연이 파괴된다는 문제점이 있다.
이에, 전기 자동차와 고전압 배터리 간의 절연 저항 측정에 있어서, 절연을 파괴할 필요 없이 보다 간단하면서도 정확하게 절연 저항을 측정할 수 있는 소형화, 경량화, 및 저가화된 절연 저항 측정 장치의 개발이 요구되고 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2010-0105957호
본 발명의 목적은, 복수의 전지 셀을 포함하는 전지 팩과 직렬 연결되고 전지 팩에 대한 외부 절연 저항과 병렬 연결되는 복수의 저항들과, 복수의 저항들 중 하나 이상의 저항에 병렬 연결된 캐패시터와, 복수의 저항들, 캐패시터 및 외부 절연 저항 중 하나 이상의 연결 관계를 설정하는 복수의 스위치들을 구비하고, 복수의 스위치들 각각의 온 또는 오프 상태에 따라 상이하게 측정되는 캐패시터 양단에 걸리는 전압의 전압값들 및 복수의 저항들의 저항값들에 근거하여 외부 절연 저항을 산출함으로써, 전지 팩 전압 측정 회로를 이용하여 간단하고 정확하게 외부 절연 저항을 측정할 수 있는 절연 저항 측정 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 절연 저항 측정 장치는, 복수의 전지 셀을 포함하는 전지 팩과 직렬 연결되고 상기 전지 팩에 대한 외부 절연 저항과 병렬 연결되는 복수의 저항들; 상기 복수의 저항들 중 하나 이상의 저항에 병렬 연결된 캐패시터; 상기 복수의 저항들, 상기 캐패시터 및 상기 외부 절연 저항 중 하나 이상의 연결 관계를 설정하는 복수의 스위치들; 및 상기 복수의 스위치들 각각의 온 또는 오프 상태에 따라 상이하게 측정되는 상기 캐패시터 양단에 걸리는 전압의 전압값들 및 상기 복수의 저항들의 저항값들에 근거하여 상기 외부 절연 저항을 산출하는 외부 절연 저항 산출부를 포함할 수 있다.
상기 외부 절연 저항은, 상기 전지 팩의 양극에 대한 절연 저항; 및 상기 전지 팩의 음극에 대한 절연 저항을 포함할 수 있다.
상기 절연 저항 측정 장치는, 상기 복수의 스위치들 각각의 온 또는 오프 상태에 따른 상기 캐패시터 양단의 전압을 측정하는 전압 측정부를 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 저항들은, 상기 전지 팩의 양극에 대한 절연 저항에 병렬 연결되는 제1 저항과 제2 저항; 및 상기 전지 팩의 음극에 대한 절연 저항에 병렬 연결되고 상기 제2 저항과 직렬 연결되는 제3 저항을 포함할 수 있다. 이 때, 상기 제2 저항은 상기 제1 저항과 직렬 연결되고 상기 캐패시터와 병렬 연결될 수 있다.
상기 복수의 스위치들은, 상기 제2 저항에 대한 상기 제1 저항의 연결 여부를 설정하는 제1 스위치; 상기 제2 저항에 대한 상기 제3 저항의 연결 여부를 설정하는 제2 스위치; 상기 캐패시터에 대한 상기 제2 저항의 연결 여부를 설정하는 제3 스위치와 제4 스위치; 및 상기 전압 측정부에 대한 상기 캐패시터의 연결 여부를 설정하는 제5 스위치와 제6 스위치를 포함할 수 있다. 이 때, 상기 제4 스위치 및 상기 제5 스위치는 상기 제3 저항의 상기 전지 팩의 음극에 대한 절연 저항에 대한 연결 여부를 추가로 설정할 수 있다.
상기 전압 측정부는, 상기 제1 스위치, 제2 스위치, 제3 스위치 및 제4 스위치만 온(ON) 상태로 설정한 후에, 상기 제5 스위치 및 제6 스위치만 온 상태로 설정하고 상기 캐패시터에 걸리는 전압의 전압값을 측정함으로써, 제1 전압값을 측정할 수 있다.
상기 전압 측정부는, 상기 제1 스위치, 제3 스위치, 제4 스위치 및 제6 스위치만 온 상태로 설정한 후에, 상기 제5 스위치 및 제6 스위치만 온 상태로 설정하고 상기 캐패시터에 걸리는 전압의 전압값을 측정함으로써, 제2 전압값을 측정할 수 있다.
상기 전압 측정부는, 상기 제1 스위치, 제2 스위치, 제3 스위치, 제4 스위치 및 제6 스위치만 온 상태로 설정한 후에, 상기 제5 스위치 및 제6 스위치만 온 상태로 설정하고 상기 캐패시터에 걸리는 전압의 전압값을 측정함으로써, 제3 전압값을 측정할 수 있다.
상기 외부 절연 저항 산출부는, 상기 제1 전압값, 제2 전압값, 상기 제1 저항의 저항값 및 상기 제2 저항의 저항값을 이용하여, 상기 외부 절연 저항에 대한 제1 시스템 방정식을 도출하고, 상기 제1 전압값, 제3 전압값, 상기 제1 저항의 저항값, 상기 제2 저항의 저항값, 상기 제3 저항의 저항값을 이용하여, 상기 외부 절연 저항에 대한 제2 시스템 방정식을 도출할 수 있다.
상기 외부 절연 저항 산출부는, 상기 제1 시스템 방정식 및 상기 제2 시스템 방정식을 연립하여, 상기 전지 팩의 양극에 대한 절연 저항 및 상기 전지 팩의 음극에 대한 절연 저항을 산출하여 외부 절연 저항을 산출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 절연 저항 측정 방법은, 복수의 전지 셀을 포함하는 전지 팩과 직렬 연결되고 상기 전지 팩에 대한 외부 절연 저항과 병렬 연결되는 복수의 저항들과, 상기 복수의 저항들 중 하나 이상의 저항에 병렬 연결된 캐패시터와, 상기 복수의 저항들, 상기 캐패시터 및 상기 외부 절연 저항 중 하나 이상의 연결 관계를 설정하는 복수의 스위치들을 포함하는 절연 저항 측정 장치를 구비하는 단계; 상기 복수의 스위치들 각각의 온 또는 오프 상태를 설정하는 단계; 전압 측정부가 상기 복수의 스위치들 각각의 온 또는 오프 상태에 따른 상기 캐패시터 양단에 걸리는 전압을 측정하는 단계; 및 상기 복수의 스위치들 각각의 온 또는 오프 상태에 따라 상이하게 측정되는 상기 캐패시터 양단에 걸리는 전압의 전압값들 및 상기 복수의 저항들의 저항값들에 근거하여 상기 외부 절연 저항을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 외부 절연 저항은, 상기 전지 팩의 양극에 대한 절연 저항; 및 상기 전지 팩의 음극에 대한 절연 저항을 포함할 수 있다.
상기 복수의 저항들은, 상기 전지 팩의 양극에 대한 절연 저항에 병렬 연결되는 제1 저항과 제2 저항; 및 상기 전지 팩의 음극에 대한 절연 저항에 병렬 연결되고 상기 제2 저항과 직렬 연결되는 제3 저항을 포함할 수 있다. 이 때, 상기 제2 저항은 상기 제1 저항과 직렬 연결되고 상기 캐패시터와 병렬 연결될 수 있다.
상기 복수의 스위치들은, 상기 제2 저항에 대한 상기 제1 저항의 연결 여부를 설정하는 제1 스위치; 상기 제2 저항에 대한 상기 제3 저항의 연결 여부를 설정하는 제2 스위치; 상기 캐패시터에 대한 상기 제2 저항의 연결 여부를 설정하는 제3 스위치와 제4 스위치; 및 상기 전압 측정부에 대한 상기 캐패시터의 연결 여부를 설정하는 제5 스위치와 제6 스위치를 포함할 수 있다. 이 때, 상기 제4 스위치 및 상기 제5 스위치는 상기 제3 저항의 상기 전지 팩의 음극에 대한 절연 저항에 대한 연결 여부를 추가로 설정할 수 있다.
상기 캐패시터 양단에 걸리는 전압을 측정하는 단계는, 상기 제1 스위치, 제2 스위치, 제3 스위치 및 제4 스위치만 온(ON) 상태로 설정한 후에, 상기 제5 스위치 및 제6 스위치만 온 상태로 설정하고 상기 전압 측정부가 상기 캐패시터에 걸리는 전압의 전압값을 측정함으로써, 제1 전압값을 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 캐패시터 양단에 걸리는 전압을 측정하는 단계는, 상기 제1 스위치, 제3 스위치, 제4 스위치 및 제6 스위치만 온 상태로 설정한 후에, 상기 제5 스위치 및 제6 스위치만 온 상태로 설정하고 상기 전압 측정부가 상기 캐패시터에 걸리는 전압의 전압값을 측정함으로써, 제2 전압값을 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 캐패시터 양단에 걸리는 전압을 측정하는 단계는, 상기 제1 스위치, 제2 스위치, 제3 스위치, 제4 스위치 및 제6 스위치만 온 상태로 설정한 후에, 상기 제5 스위치 및 제6 스위치만 온 상태로 설정하고 상기 전압 측정부가 상기 캐패시터에 걸리는 전압의 전압값을 측정함으로써, 제3 전압값을 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 외부 절연 저항을 산출하는 단계는, 상기 제1 전압값, 제2 전압값, 상기 제1 저항의 저항값 및 상기 제2 저항의 저항값을 이용하여, 상기 외부 절연 저항에 대한 제1 시스템 방정식을 도출하는 단계; 및 상기 제1 전압값, 제3 전압값, 상기 제1 저항의 저항값, 상기 제2 저항의 저항값, 상기 제3 저항의 저항값을 이용하여, 상기 외부 절연 저항에 대한 제2 시스템 방정식을 도출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 외부 절연 저항을 산출하는 단계는, 상기 제1 시스템 방정식 및 상기 제2 시스템 방정식을 연립하여, 상기 전지 팩의 양극에 대한 절연 저항 및 상기 전지 팩의 음극에 대한 절연 저항을 산출하여 외부 절연 저항을 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 복수의 전지 셀을 포함하는 전지 팩과 직렬 연결되고 전지 팩에 대한 외부 절연 저항과 병렬 연결되는 복수의 저항들과, 복수의 저항들 중 하나 이상의 저항에 병렬 연결된 캐패시터와, 복수의 저항들, 캐패시터 및 외부 절연 저항 중 하나 이상의 연결 관계를 설정하는 복수의 스위치들을 구비하고, 복수의 스위치들 각각의 온 또는 오프 상태에 따라 상이하게 측정되는 캐패시터 양단에 걸리는 전압의 전압값들 및 복수의 저항들의 저항값들에 근거하여 외부 절연 저항을 산출함으로써, 전지 팩 전압 측정 회로를 이용하여 간단하고 정확하게 외부 절연 저항을 측정할 수 있는 절연 저항 측정 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기 자동차를 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 저항 측정 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 저항 검출 방법을 나타낸 타이밍 도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 저항 검출 장치에서 제1 전압값을 측정하기 위한 복수의 스위치들의 스위칭 상태를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 저항 검출 장치에서 제2 전압값을 측정하기 위한 복수의 스위치들의 스위칭 상태를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 저항 검출 장치에서 제2 전압값을 측정하기 위한 복수의 스위치들의 스위칭 상태를 도시한 도면이다.
도 7은 도 6에 도시된 회로의 등가 회로를 도시한 도면이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 "...부"의 용어는 하나 이상의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
일 실시예에서, 전기 자동차(electric vehicle)는 추진력으로 하나 또는 그 이상의 전기 모터를 포함하는 차량을 말한다. 전기 자동차를 추진하는 데 사용되는 에너지는 재충전 가능한 배터리 및/또는 연료 전지와 같은 전기적 소스(electrical source)를 포함한다. 전기 자동차는 내연 기관(combustion engine)을 또 하나의 동력원으로 사용하는 하이브리드 전기 자동차일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기 자동차를 나타낸 블록도이다.
전기 자동차(10)는 전지 팩(11), 제어기(12), 모터(13) 및 절연 저항 측정 장치(100)를 포함한다. 전지 팩(11)은 전기 자동차(10)의 구동에 사용되는 전기적 축전 소스이다. 전지 팩(11)은 부하인 모터(13)에 구동력을 제공하고, 모터(13) 및/또는 내연 기관(미도시)의 구동에 따라 발전기(미도시)에 의해 충전될 수 있다. 상기 전지 팩(11)의 용량은 100A 내지 300A일 수 있다.
전지 팩(11)은 복수의 이차 전지 셀과 각 전지 셀의 충전 상태를 모니터링하는 전지 관리 모듈을 포함한다.
제어기(12)는 전기 자동차(10)의 상태를 제어하는 전자적 제어 장치이다.
절연 저항 측정 장치(100)는 본 발명의 실시예들에 따라 전지 팩(11)의 절연 저항의 저항 값을 측정한다. 절연 저항 측정 장치(100)는 전지 팩(11)의 전지 관리 모듈의 일부일 수 있고, 또는 제어기(12)의 일부일 수 있다. 절연 저항 측정 장치(100)는 독립된 장치일 수 있다.
제어기(12) 및 절연 저항 측정 장치(100)는 프로세서, ASIC(application specific integrated circuit), 다른 칩셋, 논리 회로 및/또는 데이터 처리 장치를 포함할 수 있다. 실시예가 소프트웨어로 구현될 때, 상술한 기법은 상술한 기능을 수행하는 모듈(과정, 기능 등)로 구현될 수 있다. 모듈은 메모리에 저장되고, 프로세서에 의해 실행될 수 있다. 메모리는 프로세서 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 잘 알려진 다양한 수단으로 프로세서와 연결될 수 있다.
이제 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 저항 측정 장치 및 방법에 대해 기술한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 저항 측정 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 저항 측정 장치(100)는 전지 팩(11) 및 외부 절연 저항(20)과 연결되어, 전지 팩(11)에 대한 외부 절연 저항(20)을 산출할 수 있다. 여기서 전지 팩(11)은 복수의 전지 셀을 포함하며, 외부 절연 저항(20)은 전지 팩(11)의 양극에 대한 절연 저항(21) 및 전지 팩(11)의 음극에 대한 절연 저항(22)을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 절연 저항 측정 장치(100)는 복수의 저항들(111, 112, 113), 캐패시터(121) 및 복수의 스위치들(131, 132, 133, 134, 135, 136)를 포함하여 구성될 수 있다. 그리고 도 2에 도시되어 있지 않으나, 전압 측정부(미도시) 및 외부 절연 저항 산출부(미도시)의 구성을 더 포함할 수 있다. 전압 측정부(미도시) 및 외부 절연 저항 산출부(미도시)는 도 1의 제어기(12)에 구비되어 있을 수 있다. 특히, 전압 측정부(미도시)는 제어기(12)에 구비된 전지 팩 전압 측정 회로일 수 있다.
복수의 저항들(111, 112, 113)은 전지 팩(11)과 직렬 연결되고 전지 팩(11)에 대한 외부 절연 저항(20)과 병렬 연결된다. 복수의 저항들(111, 112, 113) 중 제1 저항(111)과 제2 저항(112)은 전지 팩(11)의 양극에 대한 절연 저항에 병렬 연결되고, 제3 저항(113)은 전지 팩(12)의 음극에 대한 절연 저항에 병렬 연결되고 제2 저항(112)과 직렬 연결된다. 그리고 제2 저항(112)은 제1 저항(111)과 직렬 연결되고 캐패시터(121)와 병렬 연결된다.
캐패시터(121)는 복수의 저항들(111, 112, 113) 중 하나 이상의 저항에 병렬 연결될 수 있으며, 도 2에서는 실시예로서, 제2 저항(112)에 병렬 연결된 것으로 도시되어 있다. 전압 측정부(미도시)는 복수의 스위치들(131, 132, 133, 134, 135, 136) 각각의 온 또는 오프 상태에 따른 캐패시터(121) 양단의 전압 VADC를 측정한다.
복수의 스위치들(131, 132, 133, 134, 135, 136)은 복수의 저항들(111, 112, 113), 캐패시터(121) 및 외부 절연 저항(20) 중 하나 이상의 연결 관계를 설정할 수 있다. 복수의 스위치들(131, 132, 133, 134, 135, 136) 중 제1 스위치(131)는 제2 저항(112)에 대한 제1 저항(111)의 연결 여부를 설정하고, 제2 스위치(132)는 제2 저항(112)에 대한 제3 저항(113)의 연결 여부를 설정하며, 제3 스위치(133) 및 제4 스위치(134)는 캐패시터(121)에 대한 제2 저항(112)의 연결 여부를 설정하고, 제5 스위치(135) 및 제6 스위치(136)는 전압 측정부(미도시)에 대한 캐패시터(121)의 연결 여부를 설정한다. 그리고 제4 스위치(134) 및 제5 스위치(135)는 제3 저항(113)의 전지 팩(11)의 음극에 대한 절연 저항에 대한 연결 여부를 추가로 설정할 수 있다.
외부 절연 저항 산출부(미도시)는 복수의 스위치(131, 132, 133, 134, 135, 136)들 각각의 온 또는 오프 상태에 따라 상이하게 측정되는 캐패시터(121) 양단에 걸리는 전압의 전압값들 및 복수의 저항들(121, 122, 123)의 저항값들에 근거하여 상기 외부 절연 저항을 산출한다.
이하 도 3 내지 도 7을 참조하여, 상기 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 저항 측정 장치(100)를 이용하여 어떻게 외부 절연 저항을 측정하는지에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 저항 검출 방법을 나타낸 타이밍 도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 저항 검출 방법이 시작되면, ① 단계에서, 제1 스위치(131), 제2 스위치(132), 제3 스위치(133) 및 제4 스위치(134)만 온(ON) 상태로 설정하고, 그 후에 ② 단계에서, 제5 스위치 및 상기 제6 스위치만 온 상태로 설정한다. 그리고 이 상태에서, 캐패시터(121)에 걸리는 전압 VADC를 측정함으로써, 제1 전압값을 측정하게 된다. 이 때, 제1 전압값은 전지 팩 전압의 전압값인 Vpack에 해당한다.
제1 전압값이 측정되고 나면, ③ 단계에서, 제1 스위치(131), 제3 스위치(133), 제4 스위치(134) 및 제6 스위치(136)만 온 상태로 설정하고, 그 후에 ④ 단계에서, 제5 스위치(135) 및 제6 스위치(136)만 온 상태로 설정한다. 그리고 이 상태에서, 캐패시터(121)에 걸리는 전압 VADC를 측정함으로써, 제2 전압값을 측정하게 된다. 이 때, 제2 전압값은 제3 저항(113)이 인가되지 않고 상단의 제1 저항(111) 및 제2 저항(112)만 인가된 경우의 캐패시터(121)에 걸리는 전압값인 VADC_Top에 해당한다.
제2 전압값이 측정되고 나면, ⑤ 단계에서, 제1 스위치(131), 제2 스위치(132), 제3 스위치(133), 제4 스위치(134) 및 제6 스위치(136)만 온 상태로 설정하고, 그 후에 ⑥ 단계에서, 제5 스위치(135) 및 제6 스위치(136)만 온 상태로 설정한다. 그리고 이 상태에서, 캐패시터(121)에 걸리는 전압 VADC를 측정함으로써, 제3 전압값을 측정하게 된다. 이 때, 제3 전압값은 제1 저항(111), 제2 저항(112) 및 제3 저항(113) 모두가 인가된 경우의 캐패시터(121)에 걸리는 전압값인 VADC _ All에 해당한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 저항 검출 장치에서 제1 전압값을 측정하기 위한 복수의 스위치들의 스위칭 상태를 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 저항 검출 장치(100)에서 제1 스위치(111), 제2 스위치(112), 제3 스위치(113) 및 제4 스위치(114)가 닫혀서 온 상태로 설정된 모습이 도시되어 있다. 이는 도 3의 ① 단계에 해당하는 모습이다.
도 4에 도시된 상태에 따르면, 전지 팩(11)의 전력이 외부 절연 저항(20) 쪽으로 넘어가지 않고, 캐패시터(121)에 충전되게 된다. 그리고 일정 시간이 경과한 후, 도 3의 ② 단계에서와 같이, 제1 스위치(111), 제2 스위치(112), 제3 스위치(113) 및 제4 스위치(114)를 모두 열어 오프 상태로 설정하고 제5 스위치(115) 및 제6 스위치(116)를 닫아 온 상태로 설정하여, 캐패시터(121) 양단의 전압을 측정하면, 제1 전압값이 측정된다. 이 때, 제1 전압값은 전지 팩 전압의 전압값인 Vpack에 해당한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 저항 검출 장치에서 제2 전압값을 측정하기 위한 복수의 스위치들의 스위칭 상태를 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 저항 검출 장치(100)에서 제1 스위치(111), 제2 스위치(112), 제4 스위치(114) 및 제6 스위치(116)가 닫혀서 온 상태로 설정된 모습이 도시되어 있다. 이는 도 3의 ③ 단계에 해당하는 모습이다.
도 5에 도시된 상태에 따르면, 전지 팩(11)의 전력이 제1 저항(111) 및 제2 저항(112)을 거쳐 외부 절연 저항(20) 쪽으로 흐르게 된다. 그리고 일정 시간이 경과한 후, 도 3의 ④ 단계에서와 같이, 제1 스위치(111), 제2 스위치(112), 제4 스위치(114) 및 제6 스위치(116)를 모두 열어 오프 상태로 설정하고 제5 스위치(115) 및 제6 스위치(116)를 닫아 온 상태로 설정하여, 캐패시터(121) 양단의 전압을 측정하면, 제2 전압값이 측정된다. 이 때, 제2 전압값은 제3 저항(113)이 인가되지 않고 상단의 제1 저항(111) 및 제2 저항(112)만 인가된 경우의 캐패시터(121)에 걸리는 전압값인 VADC _ Top에 해당한다.
이와 같은 도 5의 상태에서, 다음의 수학식 1과 같은 제1 시스템 방정식을 도출할 수 있다.
Figure 112014003827166-pat00001
이러한 수학식 1에서 다음과 같이 용어를 정의한다.
R1: 제1 저항
R2: 제2 저항
R3: 제3 저항
RLeak (+): 전지 팩의 양극에 대한 절연 저항
RLeak (-): 전지 팩의 음극에 대한 절연 저항
I1: 제1 저항에 흐르는 전류
I2: 전지 팩의 양극에 대한 절연 저항에 흐르는 전류
I3: 전지 팩의 음극에 대한 절연 저항에 흐르는 전류
Vpack: 제1 전압값(전지 팩 전압)
VADC _ Top: 제2 전압값
이와 같은 제1 시스템 방정식은 다음과 같은 수학식 2로 정리될 수 있다.
Figure 112014003827166-pat00002
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 저항 검출 장치에서 제2 전압값을 측정하기 위한 복수의 스위치들의 스위칭 상태를 도시한 도면이고, 도 7은 도 6에 도시된 회로의 등가 회로를 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 저항 검출 장치(100)에서 제1 스위치(111), 제2 스위치(112), 제3 스위치(113), 제4 스위치(114) 및 제6 스위치(116)가 닫혀서 온 상태로 설정된 모습이 도시되어 있다. 이는 도 3의 ⑤ 단계에 해당하는 모습이다. 그리고 도 7은 도 6에 도시된 회로의 등가 회로를 도시한다. 도 7에서 RLeak (B)는 다음의 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112014003827166-pat00003
도 7에 도시된 상태에 따르면, 전지 팩(11)의 전력이 제1 저항(111) 및 제2 저항(112)을 거쳐 외부 절연 저항(20) 쪽으로 흐르게 된다. 그리고 일정 시간이 경과한 후, 도 3의 ④ 단계에서와 같이, 제1 스위치(111), 제2 스위치(112), 제3 스위치(113), 제4 스위치(114) 및 제6 스위치(116)를 모두 열어 오프 상태로 설정하고 제5 스위치(115) 및 제6 스위치(116)를 닫아 온 상태로 설정하여, 캐패시터(121) 양단의 전압을 측정하면, 제3 전압값이 측정된다. 이 때, 제3 전압값은 제1 저항(111), 제2 저항(112) 및 제3 저항(113) 모두가 인가된 경우의 캐패시터(121)에 걸리는 전압값인 VADC _ All에 해당한다.
이와 같은 도 7의 상태에서, 다음의 수학식 4와 같은 제2 시스템 방정식을 도출할 수 있다.
Figure 112014003827166-pat00004
이러한 수학식 4에서 다음과 같이 용어를 정의한다.
R1: 제1 저항
R2: 제2 저항
R3: 제3 저항
RLeak (+): 전지 팩의 양극에 대한 절연 저항
RLeak (-): 전지 팩의 음극에 대한 절연 저항
RLeak (B): 전지 팩의 음극에 대한 절연 저항과 제3 저항에 대한 등가 저항
I4: 제1 저항에 흐르는 전류
I5: 전지 팩의 양극에 대한 절연 저항에 흐르는 전류
I6: 등가 저항에 흐르는 전류
Vpack: 제1 전압값(전지 팩 전압 값)
VADC _ All: 제3 전압값
이와 같은 제2 시스템 방정식은 다음과 같은 수학식 5로 정리될 수 있다.
Figure 112014003827166-pat00005
수학식 5에 수학식 3을 적용하면, 제2 시스템 방정식은 최종적으로 다음과 같은 수학식 6으로 정리된다.
Figure 112014003827166-pat00006
제1 시스템 방정식인 수학식 2와 제2 시스템 방정식인 수학식 6에서 미지의 값은 전지 팩의 양극에 대한 절연 저항인 RLeak (+)와 전지 팩의 음극에 대한 절연 저항인 RLeak(-) 두 개의 값이다. 따라서, 수학식 2 및 수학식 6을 연립하면, 외부 절연 저항인 RLeak (+)와 RLeak (-)를 산출할 수 있다.
이상 본 발명의 특정 실시예를 도시하고 설명하였으나, 본 발명의 기술사상은 첨부된 도면과 상기한 설명내용에 한정하지 않으며 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 변형이 가능함은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 사실이며, 이러한 형태의 변형은, 본 발명의 정신에 위배되지 않는 범위 내에서 본 발명의 특허청구범위에 속한다고 볼 것이다.
11: 전지팩
20: 외부 절연 저항
21: 전지 팩의 양극에 대한 절연 저항
22: 전지 팩의 음극에 대한 절연 저항
111: 제1 저항
112: 제2 저항
113: 제3 저항
121: 캐패시터
131: 제1 스위치
132: 제2 스위치
133: 제3 스위치
134: 제4 스위치
135: 제5 스위치
136: 제6 스위치

Claims (19)

  1. 복수의 전지 셀을 포함하는 전지 팩과 직렬 연결되고 상기 전지 팩의 양극에 대한 절연 저항 및 상기 전지 팩의 음극에 대한 절연 저항을 포함하는 상기 전지 팩에 대한 외부 절연 저항과 병렬 연결되는 복수의 저항들;
    상기 복수의 저항들 중 하나 이상의 저항에 병렬 연결된 캐패시터;
    상기 복수의 저항들, 상기 캐패시터 및 상기 외부 절연 저항 중 하나 이상의 연결 관계를 설정하는 복수의 스위치들;
    상기 복수의 스위치들 각각의 온 또는 오프 상태에 따라 상이하게 측정되는 상기 캐패시터 양단에 걸리는 전압의 전압값들 및 상기 복수의 저항들의 저항값들에 근거하여 상기 외부 절연 저항을 산출하는 외부 절연 저항 산출부; 및
    상기 복수의 스위치들 각각의 온 또는 오프 상태에 따른 상기 캐패시터 양단의 전압을 측정하는 전압 측정부를 포함하되,
    상기 복수의 저항들은,
    상기 전지 팩의 양극에 대한 절연 저항에 병렬 연결되는 제1 저항과 제2 저항; 및 상기 전지 팩의 음극에 대한 절연 저항에 병렬 연결되고 상기 제2 저항과 직렬 연결되는 제3 저항을 포함하되, 상기 제2 저항은 상기 제1 저항과 직렬 연결되고 상기 캐패시터와 병렬 연결되고,
    상기 복수의 스위치들은,
    상기 제2 저항에 대한 상기 제1 저항의 연결 여부를 설정하는 제1 스위치; 상기 제2 저항에 대한 상기 제3 저항의 연결 여부를 설정하는 제2 스위치; 상기 캐패시터에 대한 상기 제2 저항의 연결 여부를 설정하는 제3 스위치와 제4 스위치; 및 상기 전압 측정부에 대한 상기 캐패시터의 연결 여부를 설정하는 제5 스위치와 제6 스위치를 포함하되, 상기 제4 스위치 및 상기 제5 스위치는 상기 제3 저항의 상기 전지 팩의 음극에 대한 절연 저항에 대한 연결 여부를 추가로 설정하며,
    상기 전압 측정부는,
    상기 제1 스위치, 제2 스위치, 제3 스위치 및 제4 스위치만 온(ON) 상태로 설정한 후에, 상기 제5 스위치 및 제6 스위치만 온 상태로 설정하고 상기 캐패시터에 걸리는 전압의 전압값을 측정함으로써, 제1 전압값을 측정하고, 상기 제1 스위치, 제3 스위치, 제4 스위치 및 제6 스위치만 온 상태로 설정한 후에, 상기 제5 스위치 및 제6 스위치만 온 상태로 설정하고 상기 캐패시터에 걸리는 전압의 전압값을 측정함으로써, 제2 전압값을 측정하며, 상기 제1 스위치, 제2 스위치, 제3 스위치, 제4 스위치 및 제6 스위치만 온 상태로 설정한 후에, 상기 제5 스위치 및 제6 스위치만 온 상태로 설정하고 상기 캐패시터에 걸리는 전압의 전압값을 측정함으로써, 제3 전압값을 측정하고,
    상기 외부 절연 저항 산출부는,
    상기 제1 전압값, 제2 전압값, 상기 제1 저항의 저항값 및 상기 제2 저항의 저항값을 이용하여, 상기 외부 절연 저항에 대한 제1 시스템 방정식을 도출하고, 상기 제1 전압값, 제3 전압값, 상기 제1 저항의 저항값, 상기 제2 저항의 저항값, 상기 제3 저항의 저항값을 이용하여, 상기 외부 절연 저항에 대한 제2 시스템 방정식을 도출하는 것을 특징으로 하는 절연 저항 측정 장치.
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  10. 제1항에 있어서,
    상기 외부 절연 저항 산출부는,
    상기 제1 시스템 방정식 및 상기 제2 시스템 방정식을 연립하여, 상기 전지 팩의 양극에 대한 절연 저항 및 상기 전지 팩의 음극에 대한 절연 저항을 산출하여 외부 절연 저항을 산출하는 것을 특징으로 하는 절연 저항 측정 장치.
  11. 복수의 전지 셀을 포함하는 전지 팩과 직렬 연결되고 상기 전지 팩의 양극에 대한 절연 저항 및 상기 전지 팩의 음극에 대한 절연 저항을 포함하는 상기 전지 팩의 양극에 대한 절연 저항 및 상기 전지 팩의 음극에 대한 절연 저항을 포함하는 상기 전지 팩에 대한 외부 절연 저항과 병렬 연결되는 복수의 저항들과, 상기 복수의 저항들 중 하나 이상의 저항에 병렬 연결된 캐패시터와, 상기 복수의 저항들, 상기 캐패시터 및 상기 외부 절연 저항 중 하나 이상의 연결 관계를 설정하는 복수의 스위치들을 포함하는 절연 저항 측정 장치를 구비하는 단계;
    상기 복수의 스위치들 각각의 온 또는 오프 상태를 설정하는 단계;
    전압 측정부가 상기 복수의 스위치들 각각의 온 또는 오프 상태에 따른 상기 캐패시터 양단에 걸리는 전압을 측정하는 단계; 및
    상기 복수의 스위치들 각각의 온 또는 오프 상태에 따라 상이하게 측정되는 상기 캐패시터 양단에 걸리는 전압의 전압값들 및 상기 복수의 저항들의 저항값들에 근거하여 상기 외부 절연 저항을 산출하는 단계를 포함하되,
    상기 복수의 저항들은,
    상기 전지 팩의 양극에 대한 절연 저항에 병렬 연결되는 제1 저항과 제2 저항; 및 상기 전지 팩의 음극에 대한 절연 저항에 병렬 연결되고 상기 제2 저항과 직렬 연결되는 제3 저항을 포함하되, 상기 제2 저항은 상기 제1 저항과 직렬 연결되고 상기 캐패시터와 병렬 연결되고,
    상기 복수의 스위치들은,
    상기 제2 저항에 대한 상기 제1 저항의 연결 여부를 설정하는 제1 스위치; 상기 제2 저항에 대한 상기 제3 저항의 연결 여부를 설정하는 제2 스위치; 상기 캐패시터에 대한 상기 제2 저항의 연결 여부를 설정하는 제3 스위치와 제4 스위치; 및 상기 전압 측정부에 대한 상기 캐패시터의 연결 여부를 설정하는 제5 스위치와 제6 스위치를 포함하되, 상기 제4 스위치 및 상기 제5 스위치는 상기 제3 저항의 상기 전지 팩의 음극에 대한 절연 저항에 대한 연결 여부를 추가로 설정하며,
    상기 캐패시터 양단에 걸리는 전압을 측정하는 단계는,
    상기 제1 스위치, 제2 스위치, 제3 스위치 및 제4 스위치만 온(ON) 상태로 설정한 후에, 상기 제5 스위치 및 제6 스위치만 온 상태로 설정하고 상기 전압 측정부가 상기 캐패시터에 걸리는 전압의 전압값을 측정함으로써, 제1 전압값을 측정하는 단계; 상기 제1 스위치, 제3 스위치, 제4 스위치 및 제6 스위치만 온 상태로 설정한 후에, 상기 제5 스위치 및 제6 스위치만 온 상태로 설정하고 상기 전압 측정부가 상기 캐패시터에 걸리는 전압의 전압값을 측정함으로써, 제2 전압값을 측정하는 단계; 및 상기 제1 스위치, 제2 스위치, 제3 스위치, 제4 스위치 및 제6 스위치만 온 상태로 설정한 후에, 상기 제5 스위치 및 제6 스위치만 온 상태로 설정하고 상기 전압 측정부가 상기 캐패시터에 걸리는 전압의 전압값을 측정함으로써, 제3 전압값을 측정하는 단계를 포함하고,
    상기 외부 절연 저항을 산출하는 단계는,
    상기 제1 전압값, 제2 전압값, 상기 제1 저항의 저항값 및 상기 제2 저항의 저항값을 이용하여, 상기 외부 절연 저항에 대한 제1 시스템 방정식을 도출하는 단계; 및 상기 제1 전압값, 제3 전압값, 상기 제1 저항의 저항값, 상기 제2 저항의 저항값, 상기 제3 저항의 저항값을 이용하여, 상기 외부 절연 저항에 대한 제2 시스템 방정식을 도출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 절연 저항 측정 방법.
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  19. 제11항에 있어서,
    상기 외부 절연 저항을 산출하는 단계는,
    상기 제1 시스템 방정식 및 상기 제2 시스템 방정식을 연립하여, 상기 전지 팩의 양극에 대한 절연 저항 및 상기 전지 팩의 음극에 대한 절연 저항을 산출하여 외부 절연 저항을 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 절연 저항 측정 방법.
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