KR101734725B1 - 전기 자동차의 누전 검출 장치 - Google Patents

전기 자동차의 누전 검출 장치 Download PDF

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박현석
고문기
박진영
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현대오트론 주식회사
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Abstract

본 발명은 전기 자동차의 누전을 검출하기 위한 장치에 관한 것이다. 이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 전기 자동차의 누전 검출 장치에 있어서, 메인 전원과 차체 사이에 연결되며 상호 직렬로 연결되는 분압 저항 및 측정 저항, 상기 측정 저항과 상기 차체 사이에 연결되는 측정 전원, 상기 측정 저항과 상기 측정 전원 사이에 연결되는 제1 스위치, 상기 제1 스위치 및 상기 측정 전원과 병렬로 연결되는 제2 스위치, 상기 메인 전원과 직렬로 연결되는 보조 전원 및 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치의 온/오프 상태에 따라서 상기 메인 전원의 양단에 걸리는 배터리 메인 전압, 상기 보조 전원의 양단에 걸리는 배터리 보조 전압, 상기 측정 저항의 양단에 걸리는 측정 전압을 측정하고, 상기 배터리 메인 전압, 상기 배터리 보조 전압 및 상기 측정 전압을 이용하여 절연 저항을 계산하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전기 자동차의 누전 검출 장치{APPARATUS FOR DETECTING ELECTRIC LEAKAGE OF ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은 전기 자동차의 누전을 검출하기 위한 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 메인 전원으로 사용하는 장치의 경우, 배터리와 배터리 관리 장치를 제외한 외부 장치와의 절연이 잘 유지되어야 한다. 만약 배터리의 절연 상태가 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. 이러한 문제는 연료전지를 이용하는 차량에서도 동일하게 발생된다. 이에 따라 전기 자동차의 차체에 누전이 발생했는지 여부를 정확하게 파악할 수 있는 기술이 요구되고 있다.
본 발명은 전기 자동차에서 사용되는 2 이상의 전원에 이상이 발생하여 차체에 누전이 발생하는지 여부를 보다 간단한 구성으로 정밀하고 정확하게 파악할 수 있는 전기 자동차의 누전 검출 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 전기 자동차의 누전 검출 장치에 있어서, 메인 전원과 차체 사이에 연결되며 상호 직렬로 연결되는 분압 저항 및 측정 저항, 상기 측정 저항과 상기 차체 사이에 연결되는 측정 전원, 상기 측정 저항과 상기 측정 전원 사이에 연결되는 제1 스위치, 상기 제1 스위치 및 상기 측정 전원과 병렬로 연결되는 제2 스위치, 상기 메인 전원과 직렬로 연결되는 보조 전원 및 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치의 온/오프 상태에 따라서 상기 메인 전원의 양단에 걸리는 배터리 메인 전압, 상기 보조 전원의 양단에 걸리는 배터리 보조 전압, 상기 측정 저항의 양단에 걸리는 측정 전압을 측정하고, 상기 배터리 메인 전압, 상기 배터리 보조 전압 및 상기 측정 전압을 이용하여 절연 저항을 계산하는 제어부를 포함하고, 상기 제1 누전 검출부 및 상기 제2 누전 검출부는 상기 제1 배터리 및 상기 제2 배터리의 최고 전위단과 차체 사이에 연결된 최대 전위 절연 저항과 상기 제1 배터리 및 상기 제2 배터리의 최소 전위단과 상기 차체 사이에 연결된 최소 전위 절연 저항의 병렬 합성 저항인 절연 저항에 기초하여 누전 여부를 검출하는 것을 특징으로 한다.
전술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 전기 자동차에서 사용되는 2 이상의 전원에 이상이 발생하여 차체에 누전이 발생하는지 여부를 보다 간단한 구성으로 정밀하고 정확하게 파악할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전기 자동차의 누전 검출 장치의 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에서 제1 누전 검출부가 제1 스위치를 오프 상태로, 제2 스위치를 온 상태로 제어했을 때의 전류 흐름도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에서 제1 누전 검출부가 제1 스위치를 온 상태로, 제2 스위치를 오프 상태로 제어했을 때의 전류 흐름도.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
도 1은 본 발명에 따른 전기 자동차의 누전 검출 장치의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 전기 자동차의 누전 검출 장치는 제1 누전 검출부(102), 제2 누전 검출부(104), 상위 제어부(106)를 포함한다. 이와 같이 구성되는 누전 검출 장치는 차량에 장착되는 제1 배터리(Vs) 및 제2 배터리(Vb)에 의한 누전을 검출하는 기능을 갖는다.
도 1을 참조하면, 제1 배터리(Vs)는 전기 자동차의 부하에 전원을 공급한다. 제1 배터리(Vs)는 니켈 수소 전지와 같이 대용량의 전원을 공급하기 위한 이차 전지일 수 있다. 제1 배터리(Vs)는 특히 고전압을 요구하는 전기 자동차의 부하에 높은 전압을 공급할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 제1 배터리(Vs)와 차체(GND) 사이에는 제1 분압 저항(Rsa) 및 제1 측정 저항(Rma)이 연결된다. 도 1에 도시된 바와 같이 제1 분압 저항(Rsa) 및 제1 측정 저항(Rma)은 서로 직렬로 연결된다.
또한 제 측정 저항(Rm1)과 차체(GND) 사이에는 제1 측정 전원(Vdca)이 연결된다. 제1 측정 전원(Vdca)은 제1 배터리(Vs)와는 별도로 동작하는 전원이며, 제1 측정 전원(Vdca)의 전압 크기는 제1 누전 검출부(102)에 의해 임의로 설정될 수 있다
또한 제1 측정 저항(Rma)과 제1 측정 전원(Vdca) 사이에는 제1 스위치(SW1)가 연결된다. 또한 제2 스위치(SW2)는 제1 스위치(SW1) 및 제1 측정 전원(Vdca)과 병렬로 연결된다.
도 1을 참조하면, 제2 배터리(Vb)는 전기 자동차의 부하에 전원을 공급한다. 제2 배터리(Vb)는 제1 배터리에 비해 낮은 전압의 전원을 공급하기 위한 전지일 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 제2 배터리(Vb)와 차체(GND) 사이에는 제2 분압 저항(Rsb) 및 제2 측정 저항(Rmb)이 연결된다. 도 1에 도시된 바와 같이 제2 분압 저항(Rsb) 및 제2 측정 저항(Rmb)은 서로 직렬로 연결된다.
또한 제2 측정 저항(Rmb)과 차체(GND) 사이에는 제2 측정 전원(Vdcb)이 연결된다. 제2 측정 전원(Vdcb)은 제2 배터리(Vb)와는 별도로 동작하는 전원이며, 제2 측정 전원(Vdcb)의 전압 크기는 제2 누전 검출부(104)에 의해 임의로 설정될 수 있다
또한 제2 측정 저항(Rmb)과 제2 측정 전원(Vdcb) 사이에는 제3 스위치(SW3)가 연결된다. 또한 제4 스위치(SW4)는 제3 스위치(SW3) 및 제2 측정 전원(Vdcb)과 병렬로 연결된다.
본 발명에서 제1 배터리(Vs)는 주로 고전압을 요구하는 부하에 전력을 공급하는 전원으로서 250~450V의 전압을 나타낼 수 있으며, 제2 배터리(Vb)는 부하의 급격한 증가에 따른 메인 전원(Vs)의 부족한 전력을 부하에 공급하는 전원으로서 150~200V의 전압을 나타낼 수 있다. 참고로 제1 배터리(Vs) 및 제2 배터리(Vb)의 출력 전압 크기는 실시예에 따라 달라질 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이 제1 배터리(Vs) 및 제2 배터리(Vb)의 출력 전압이 서로 다르기 때문에, 제1 배터리(Vs) 및 제2 배터리(Vb) 사이에는 스위치 및 인덕터(L)로 구성되는 양방향 컨버터가 배치된다. 양방향 컨버터는 제2 배터리(Vb)의 출력 전압을 승압하여 제1 배터리(Vs)에 전력을 공급할 수도 있고, 제1 배터리(Vs)의 출력 전압을 강압하여 제2 배터리(Vb)에 전력을 공급할 수도 있다.
다시 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 누전 검출 장치는 제1 누전 검출부(102)를 포함한다. 제1 누전 검출부(102)는 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)의 온/오프 상태를 제어하고, 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)의 온/오프 상태에 따라서 제1 배터리(Vs)의 양단에 걸리는 제1 배터리 메인 전압 및 제1 측정 저항(Rma)의 양단에 걸리는 측정 전압을 측정한다. 본 발명의 일 실시예에서, 제1 누전 검출부(102)는 제1 배터리(Vs)의 양단에 배치되는 제1 전압계(미도시)를 통해 배터리 메인 전압을 측정할 수 있다. 또한 제1 누전 검출부(102)는 측정 저항(Rm1)의 양단에 배치되는 제2 전압계(14)를 통해 측정 전압을 측정할 수 있다. 또한 제1 누전 검출부(102)는 제2 배터리(Vb)의 양단에 배치되는 제4 전압계(미도시)를 통해 배터리 보조 전압을 측정할 수 있다.
제1 누전 검출부(102)는 측정된 배터리 메인 전압, 배터리 보조 전압 및 측정 전압을 이용하여 절연 저항을 계산한다. 본 발명의 일 실시예에서, 제1 누전 검출부(102)는 제1 스위치(SW1)를 오프 상태로, 제2 스위치(SW2)를 온 상태로 제어하여 제1 배터리 메인 전압, 제1 배터리 보조 전압, 제1 측정 전압, 제2 배터리 메인 전압, 제2 배터리 보조 전압, 제2 측정 전압을 측정할 수 있다. 또한 제1 누전 검출부(102)는 제1 스위치(SW1)를 온 상태로, 제2 스위치(SW2)를 오프 상태로 제어하여 제3 배터리 메인 전압, 제3 배터리 보조 전압, 제3 측정 전압을 측정할 수 있다. 제1 누전 검출부(102)는 이와 같이 측정된 제1 배터리 메인 전압, 제1 배터리 보조 전압, 제1 측정 전압, 제2 배터리 메인 전압, 제2 배터리 보조 전압, 제2 측정 전압, 제3 배터리 메인 전압, 제3 배터리 보조 전압, 제3 측정 전압을 이용하여 절연 저항을 계산할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 제1 누전 검출부(102)는 제1 배터리 메인 전압, 제1 배터리 보조 전압, 제1 측정 전압, 제2 배터리 메인 전압, 제2 배터리 보조 전압, 제2 측정 전압, 제3 배터리 메인 전압, 제3 배터리 보조 전압, 제3 측정 전압을 이용하여 제4 측정 전압을 계산할 수 있다. 또한 제1 누전 검출부(102)는 제4 측정 전압, 측정 전원(Vdc1)의 전압 크기, 측정 저항(Rm1), 분압 저항(Rs1)을 이용하여 절연 저항을 계산할 수 있다.
또한 제1 누전 검출부(102)는 측정된 절연 저항이 미리 설정된 기준 저항 이하이면 전기 자동차의 차체에 누전이 발생하는 것으로 판단할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 누전 검출 장치는 제2 누전 검출부(104)를 포함한다. 제2 누전 검출부(104)는 제3 스위치(SW3) 및 제4 스위치(SW4)의 온/오프 상태를 제어하고, 제3 스위치(SW3) 및 제4 스위치(SW4)의 온/오프 상태에 따라서 제2 배터리(Vb)의 양단에 걸리는 제1 배터리 메인 전압 및 제1 측정 저항(Rm2)의 양단에 걸리는 측정 전압을 측정한다. 본 발명의 일 실시예에서, 제2 누전 검출부(104)는 제2 배터리(Vb)의 양단에 배치되는 제4 전압계(미도시)를 통해 배터리 메인 전압을 측정할 수 있다. 또한 제2 누전 검출부(104)는 측정 저항(Rm2)의 양단에 배치되는 제3 전압계(18)를 통해 측정 전압을 측정할 수 있다. 또한 제2 누전 검출부(104)는 제1 배터리(Vs)의 양단에 배치되는 제1 전압계(미도시)를 통해 배터리 보조 전압을 측정할 수 있다.
제2 누전 검출부(104)는 측정된 배터리 메인 전압, 배터리 보조 전압 및 측정 전압을 이용하여 절연 저항을 계산한다. 본 발명의 일 실시예에서, 제2 누전 검출부(104)는 제3 스위치(SW3)를 오프 상태로, 제4 스위치(SW4)를 온 상태로 제어하여 제1 배터리 메인 전압, 제1 배터리 보조 전압, 제1 측정 전압, 제2 배터리 메인 전압, 제2 배터리 보조 전압, 제2 측정 전압을 측정할 수 있다. 또한 제2 누전 검출부(104)는 제3 스위치(SW3)를 온 상태로, 제4 스위치(SW4)를 오프 상태로 제어하여 제3 배터리 메인 전압, 제3 배터리 보조 전압, 제3 측정 전압을 측정할 수 있다. 제2 누전 검출부(104)는 이와 같이 측정된 제1 배터리 메인 전압, 제1 배터리 보조 전압, 제1 측정 전압, 제2 배터리 메인 전압, 제2 배터리 보조 전압, 제2 측정 전압, 제3 배터리 메인 전압, 제3 배터리 보조 전압, 제3 측정 전압을 이용하여 절연 저항을 계산할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 제2 누전 검출부(104)는 제1 배터리 메인 전압, 제1 배터리 보조 전압, 제1 측정 전압, 제2 배터리 메인 전압, 제2 배터리 보조 전압, 제2 측정 전압, 제3 배터리 메인 전압, 제3 배터리 보조 전압, 제3 측정 전압을 이용하여 제4 측정 전압을 계산할 수 있다. 또한 제2 누전 검출부(104)는 제4 측정 전압, 측정 전원(Vdc2)의 전압 크기, 측정 저항(Rm2), 분압 저항(Rs2)을 이용하여 절연 저항을 계산할 수 있다.
또한 제2 누전 검출부(104)는 측정된 절연 저항이 미리 설정된 기준 저항 이하이면 전기 자동차의 차체에 누전이 발생하는 것으로 판단할 수 있다.
한편, 도 1에 도시된 상위 제어부(106)는 제1 누전 검출부(102)의 누전 검출 동작 및 제2 누전 검출부(104)의 누전 검출동작이 서로 배타적으로 수행되도록 제어한다. 이에 따라서 제1 누전 검출부(102)는 제1 배터리(Vs)에 대한 누전 검출 동작이 완료되면 누전 검출 동작 완료 신호 또는 절연 저항 값 중 적어도 하나를 제2 누전 검출부(104) 또는 상위 제어부(106)로 전송할 수 있다. 또한 제2 누전 검출부(104)는 제2 배터리(Vb)에 대한 누전 검출 동작이 완료되면 누전 검출 동작 완료 신호 또는 절연 저항 값 중 적어도 하나를 제1 누전 검출부(102) 또는 상위 제어부(106)로 전송할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상위 제어부(106)는 제1 누전 검출부(102)의 누전 검출 동작이 완료되면 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)를 모두 오프시킨 후 제2 누전 검출부(104)의 스위치 제어를 허용할 수 있다. 또한 상위 제어부(106)는 제2 누전 검출부(104)의 누전 검출 동작이 완료되면 제3 스위치(SW3) 및 제4 스위치(SW4)를 모두 오프시킨 후 제1 누전 검출부(102)의 스위치 제어를 허용할 수 있다.
예를 들어 상위 제어부(106)에서 제1 누전 검출부(102)에 먼저 누전 검출 동작 수행을 요청하면 제1 누전 검출부(102)는 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)를 제어하여 절연 저항을 계산함으로써 누전 여부를 확인하고 상위 제어부(106)에 누전 검출 동작 완료 신호를 전달한다. 상위 제어부(106)는 다음으로 제2 누전 검출부(104)에 누전 검출 동작 수행을 요청하고 제2 누전 검출부(104)는 제3 스위치(SW3) 및 제4 스위치(SW4)를 제어하여 절연 저항을 계산함으로써 누전 여부를 확인하고 상위 제어부(106)에 누전 검출 동작 완료 신호를 전달한다.
본 발명의 일 실시예에서, 제1 누전 검출부(102) 및 제2 누전 검출부(104)는 누전 검출 동작이 끝나면 서로에게 누전 검출 동작 완료 신호를 전달하거나 절연 저항값을 전달할 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 제1 누전 검출부(102)가 절연 저항 값을 상위 제어부(106)에 송신하고 제2 누전 검출부(104)에 누전 검출 동작 완료 신호를 전달하며, 제2 누전 검출부(104)가 절연 저항 값을 검출하여 상위 제어부(106)에 송신하고 제1 누전 검출부(102)에 누전 검출 동작 완료 신호를 전달할 수 있다. 이와 같은 과정을 반복적으로 수행함으로써 제1 누전 검출부(102)와 제2 누전 검출부(104)의 누전 검출 동작이 배타적으로 수행될 수 있다.
이하에서는 제1 누전 검출부(102)가 도 1에 도시된 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)의 온/오프 상태를 제어하여 절연 저항을 계산하는 과정을 설명한다.
제1 누전 검출부(102)는 먼저 도 1에 도시된 제1 스위치(SW1)를 오프 상태로 제어하고, 제2 스위치(SW2)를 온 상태로 제어한다. 도 2는 제1 스위치를 오프 상태로, 제2 스위치를 온 상태로 제어했을 때의 전류 흐름도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 누전 검출부(102)가 제1 스위치를 오프 상태로, 제2 스위치를 온 상태로 제어하면 전류는 A 경로 및 B 경로로 흐르게 된다.
제1 스위치(SW1)를 오프 상태로 제어하고, 제2 스위치(SW2)를 온 상태로 제어한 후, 제1 누전 검출부(102)는 시간(t1)에서의 제1 배터리(Vs) 양단의 전압, 즉 제1 배터리 메인 전압(Vs1), 제2 배터리(Vb) 양단의 전압, 즉 제2 배터리 보조 전압(Vb1), 그리고 측정 저항(Rm) 양단의 전압, 즉 제1 측정 전압(Vm1)을 각각 측정한다. 또한 제1 누전 검출부(102)는 시간(t1)과 다른 시간(t2)에서의 제2 배터리 메인 전압(Vs2), 제2 배터리 보조 전압(Vb2) 및 제2 측정 전압(Vm2)을 각각 측정한다.
이 때 제1 측정 전압(Vm1)은 제1 배터리 메인 전압(Vs1)에 의해 생성되는 전압(Vms1) 및 제2 배터리 보조 전압(Vb1)에 의해 생성되는 전압(Vmb1)의 합으로 나타낼 수 있다. 먼저 Vms1은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112015122469723-pat00001
[수학식 1]에서 //는 합성 저항을 의미하는 연산자로서 다음과 같이 정의된다.
Figure 112015122469723-pat00002
또한 Vmb1은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112015122469723-pat00003
결국 제1 측정 전압(Vm1)은 Vms1과 Vmb1의 합으로서 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112015122469723-pat00004
마찬가지로, 제2 측정 전압(Vm2)는 Vms2와 Vmb2의 합으로서 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112015122469723-pat00005
제1 누전 검출부(102)는 이어서 도 1에 도시된 제1 스위치(SW1)를 온 상태로 제어하고, 제2 스위치(SW2)를 오프 상태로 제어한다. 도 3은 제1 스위치를 온 상태로, 제2 스위치를 오프 상태로 제어했을 때의 전류 흐름도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 누전 검출부(102)가 제1 스위치를 온 상태로, 제2 스위치를 오프 상태로 제어하면 전류는 C 경로 및 D 경로로 흐르게 된다.
제1 스위치(SW1)를 온 상태로 제어하고, 제2 스위치(SW2)를 오프 상태로 제어한 후, 제1 누전 검출부(102)는 시간(t3)에서의 제1 배터리(Vs) 양단의 전압, 즉 제3 배터리 메인 전압(Vs3), 제2 배터리(Vb) 양단의 전압, 즉 제3 배터리 보조 전압(Vb3), 그리고 측정 저항(Rm) 양단의 전압, 즉 제3 측정 전압(Vm3)을 각각 측정한다. 이 경우 도 3에 도시된 바와 같이 제1 배터리(Vs), 제2 배터리(Vb) 뿐만 아니라 측정 전원(Vdc) 또한 인가된다.
제3 측정 전압(Vm3)을 구하기 위해서, 먼저 측정 전원(Vdc)만이 인가되었다고 가정할 때 측정 저항(Rm) 양단에 걸리는 전압(Vmdc)은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112015122469723-pat00006
결국 제3 배터리 메인 전압(Vs3), 제3 배터리 보조 전압(Vb3), 측정 전원(Vdc)의 인가 시 측정 저항(Rm) 양단에 걸리는 제3 측정 전압(Vm3)은 [수학식 4]의 Vm1과 [수학식 6]의 Vmdc를 더한 것과 같으며, 아래와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112015122469723-pat00007
다음으로, 제1 누전 검출부(102)는 위와 같이 측정된 제1 배터리 메인 전압, 제1 배터리 보조 전압, 제1 측정 전압, 제2 배터리 메인 전압, 제2 배터리 보조 전압, 제2 측정 전압, 제3 배터리 메인 전압, 제3 배터리 보조 전압, 제3 측정 전압을 이용하여 절연 저항을 계산한다. 시간(t1)에서의 제1 배터리 메인 전압(Vs1) 및 제1 배터리 보조 전압(Vb1)이 시간(t3)에서의 제3 배터리 메인 전압(Vs3) 및 제3 배터리 보조 전압(Vb3)과 서로 동일하다고 가정할 경우, 제3 측정 전압(Vm3)에서 제1 측정 전압(Vm1)을 뺀 제4 측정 전압(Vm4)은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112015122469723-pat00008
[수학식 8]을 정리하면 아래와 같이 최대 전위 절연 저항(Rf_p1, Rf_p2) 및 최소 전위 절연 저항(Rf_n)의 합성 저항, 즉 절연 저항(
Figure 112015122469723-pat00009
)을 나타낼 수 있다.
Figure 112015122469723-pat00010
따라서 제1 누전 검출부(102)는 [수학식 9]에 측정 전원의 전압 크기(Vdc), 측정 저항의 크기(Rm), 분압 저항의 크기(Rs) 및 제4 측정 전압(Vm4)을 대입함으로써 절연 저항을 산출한다. [수학식 9]에 도시된 바와 같이, 절연 저항(
Figure 112015122469723-pat00011
)의 크기는 제1 배터리(Vs)의 전압 크기와는 관계 없이 측정 전원(Vdc)의 전압 크기에 의해 결정된다. 따라서 본 발명에 따른 제1 누전 검출부(102)는 제1 배터리(Vs)의 이상 발생으로 인해 제1 배터리(Vs)이 동작하지 않더라도 측정 전원(Vdc)만을 인가하여 절연 저항의 크기를 산출할 수 있다는 장점을 갖는다.
이 때 제1 배터리 메인 전압(Vs1) 및 제1 배터리 보조 전압(Vb1)이 제3 배터리 메인 전압(Vs3) 및 제3 배터리 보조 전압(Vb3)과 서로 동일하지 않다는 가정 하에서 제1 누전 검출부(102)는 제4 측정 전압(Vm4)을 다음과 같이 계산할 수 있다.
Figure 112015122469723-pat00012
제1 누전 검출부(102)는 [수학식 10]에 기초하여 제4 측정 전압(Vm4)을 계산하고, 계산된 제4 측정 전압(Vm4)을 측정 전원의 전압 크기(Vdc), 측정 저항의 크기(Rm), 분압 저항의 크기(Rs)와 함께 [수학식 9]에 대입함으로써 절연 저항(
Figure 112015122469723-pat00013
)을 산출할 수 있다.
또한 제1 누전 검출부(102)는 이와 같이 산출된 절연 저항(
Figure 112015122469723-pat00014
)을 미리 설정된 기준 저항과 비교할 수 있다. 비교 결과 절연 저항(
Figure 112015122469723-pat00015
)이 기준 저항 이하이면 제1 누전 검출부(102)는 전기 자동차의 차체에 누전이 발생하는 것으로 판단할 수 있다.
이상의 실시예를 통해 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 절연 저항을 검출하기 위하여 측정 저항(Rm)과 차체(GND) 사이에 측정 전원(Vdc)이 배치된다. 이와 같은 측정 전원(Vdc)을 구비함으로써 본 발명의 누전 검출 장치는 제1 배터리(Vs) 및 제2 배터리(Vb) 중 적어도 하나에 의해 전력이 공급되지 않더라도 절연 저항을 검출하는 것이 가능하다.
이와 같은 측정 전원(Vdc)을 사용할 때 절연 저항의 검출 정확도를 높이기 위해서는 측정 전원(Vdc)의 정확성 및 정밀성이 요구된다. 이를 위해 차체(GND)와는 절연된 독립된 전원을 측정 전원(Vdc)으로 사용하는 것이 바람직하다. 참고로 측정 전원(Vdc)의 크기가 클수록 분해능이 높아져 절연 저항의 검출 정확도도 높아진다.
한편, 도 2 및 도 3의 실시예를 통해 설명한 바와 같이 제1 누전 검출부(102)에 의한 누전 검출 동작이 완료되면, 상위 제어부(106)는 제1 누전 검출부(102)를 통해 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)를 모두 오프 상태로 제어한 후 제2 누전 검출부(104)의 스위치 제어를 허용한다. 이에 따라서 제2 누전 검출부(104)는 제3 스위치(SW3) 및 제4 스위치(SW4)를 제어하여 누전 검출 동작을 수행한다.
제2 누전 검출부(104)의 검출 동작 시 도 2 및 도 3의 Vs가 제2 배터리(Vb)에 대응되며, Vb는 제1 배터리(Vs)에 대응된다. 또한 제1 스위치(SW1)는 제3 스위치(SW3)에 대응되며, 제2 스위치(SW2)는 제4 스위치(SW4)에 대응된다. 제2 누전 검출부(104)는 앞서 설명한 바와 동일한 방식으로 절연 저항의 크기를 산출하고 누전 여부를 판단할 수 있다.
전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

Claims (11)

  1. 차량에 장착되는 제1 배터리 및 제2 배터리의 누전을 검출하기 위한 전기 자동차의 누전 검출 장치에 있어서,
    상기 제1 배터리에 연결되는 제1 스위치 및 제2 스위치의 온/오프 동작을 제어하여 상기 제1 배터리의 누전 여부를 검출하는 제1 누전 검출부;
    상기 제2 배터리에 연결되는 제3 스위치 및 제4 스위치의 온/오프 동작을 제어하여 상기 제2 배터리의 누전 여부를 검출하는 제2 누전 검출부; 및
    상기 제1 누전 검출부의 누전 검출 동작 및 상기 제2 누전 검출부의 누전 검출동작이 서로 배타적으로 수행되도록 제어하는 상위 제어부를 포함하고,
    상기 제1 누전 검출부 및 상기 제2 누전 검출부는
    상기 제1 배터리 및 상기 제2 배터리의 최고 전위단과 차체 사이에 연결된 최대 전위 절연 저항과 상기 제1 배터리 및 상기 제2 배터리의 최소 전위단과 상기 차체 사이에 연결된 최소 전위 절연 저항의 병렬 합성 저항인 절연 저항에 기초하여 누전 여부를 검출하는
    전기 자동차의 누전 검출 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 누전 검출부는
    상기 제1 배터리에 대한 누전 검출 동작이 완료되면 누전 검출 동작 완료 신호 또는 절연 저항 값 중 적어도 하나를 상기 제2 누전 검출부 또는 상기 상위 제어부로 전송하고,
    상기 제2 누전 검출부는
    상기 제2 배터리에 대한 누전 검출 동작이 완료되면 누전 검출 동작 완료 신호 또는 절연 저항 값 중 적어도 하나를 상기 제1 누전 검출부 또는 상기 상위 제어부로 전송하는
    전기 자동차의 누전 검출 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 상위 제어부는
    상기 제1 누전 검출부의 누전 검출 동작이 완료되면 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 모두 오프시킨 후 상기 제2 누전 검출부의 스위치 제어를 허용하고,
    상기 제2 누전 검출부의 누전 검출 동작이 완료되면 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치를 모두 오프시킨 후 상기 제1 누전 검출부의 스위치 제어를 허용하는
    전기 자동차의 누전 검출 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 누전 검출부는
    상기 제1 스위치를 오프 상태로, 상기 제2 스위치를 온 상태로 제어하여 제1 배터리 메인 전압, 제1 배터리 보조 전압, 제1 측정 전압, 제2 배터리 메인 전압, 제2 배터리 보조 전압, 제2 측정 전압을 측정하고,
    상기 제1 스위치를 온 상태로, 상기 제2 스위치를 오프 상태로 제어하여 제3 배터리 메인 전압, 제3 배터리 보조 전압, 제3 측정 전압을 측정하고,
    상기 제1 배터리 메인 전압, 상기 제1 배터리 보조 전압, 상기 제1 측정 전압, 상기 제2 배터리 메인 전압, 상기 제2 배터리 보조 전압, 상기 제2 측정 전압, 상기 제3 배터리 메인 전압, 상기 제3 배터리 보조 전압, 상기 제3 측정 전압을 이용하여 상기 절연 저항을 계산하는
    전기 자동차의 누전 검출 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 누전 검출부는
    상기 제1 배터리 메인 전압, 상기 제1 배터리 보조 전압, 상기 제1 측정 전압, 상기 제2 배터리 메인 전압, 상기 제2 배터리 보조 전압, 상기 제2 측정 전압, 상기 제3 배터리 메인 전압, 상기 제3 배터리 보조 전압, 상기 제3 측정 전압을 이용하여 제4 측정 전압을 계산하고,
    상기 제4 측정 전압, 측정 전원의 전압 크기, 측정 저항, 분압 저항을 이용하여 상기 절연 저항을 계산하는
    전기 자동차의 누전 검출 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 누전 검출부는
    하기 [수학식 1]에 따라서 상기 절연 저항을 계산하는
    전기 자동차의 누전 검출 장치.

    [수학식 1]
    Figure 112016121149357-pat00016

    (단,
    Figure 112016121149357-pat00017
    는 상기 절연 저항, Vdc는 상기 측정 전원의 전압 크기, Rm은 상기 측정 저항, Rs는 상기 분압 저항, Vm4는 상기 제4 측정 전압)
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 누전 검출부는
    측정된 절연 저항이 미리 설정된 기준 저항 이하이면 상기 전기 자동차의 차체에 누전이 발생하는 것으로 판단하는
    전기 자동차의 누전 검출 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 누전 검출부는
    상기 제3 스위치를 오프 상태로, 상기 제4 스위치를 온 상태로 제어하여 제1 배터리 메인 전압, 제1 배터리 보조 전압, 제1 측정 전압, 제2 배터리 메인 전압, 제2 배터리 보조 전압, 제2 측정 전압을 측정하고,
    상기 제3 스위치를 온 상태로, 상기 제4 스위치를 오프 상태로 제어하여 제3 배터리 메인 전압, 제3 배터리 보조 전압, 제3 측정 전압을 측정하고,
    상기 제1 배터리 메인 전압, 상기 제1 배터리 보조 전압, 상기 제1 측정 전압, 상기 제2 배터리 메인 전압, 상기 제2 배터리 보조 전압, 상기 제2 측정 전압, 상기 제3 배터리 메인 전압, 상기 제3 배터리 보조 전압, 상기 제3 측정 전압을 이용하여 상기 절연 저항을 계산하는
    전기 자동차의 누전 검출 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 누전 검출부는
    상기 제1 배터리 메인 전압, 상기 제1 배터리 보조 전압, 상기 제1 측정 전압, 상기 제2 배터리 메인 전압, 상기 제2 배터리 보조 전압, 상기 제2 측정 전압, 상기 제3 배터리 메인 전압, 상기 제3 배터리 보조 전압, 상기 제3 측정 전압을 이용하여 제4 측정 전압을 계산하고,
    상기 제4 측정 전압, 측정 전원의 전압 크기, 측정 저항, 분압 저항을 이용하여 상기 절연 저항을 계산하는
    전기 자동차의 누전 검출 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 누전 검출부는
    하기 [수학식 2]에 따라서 상기 절연 저항을 계산하는
    전기 자동차의 누전 검출 장치.

    [수학식 2]
    Figure 112016121149357-pat00018

    (단,
    Figure 112016121149357-pat00019
    는 상기 절연 저항, Vdc는 상기 측정 전원의 전압 크기, Rm은 상기 측정 저항, Rs는 상기 분압 저항, Vm4는 상기 제4 측정 전압)
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제2 누전 검출부는
    측정된 절연 저항이 미리 설정된 기준 저항 이하이면 상기 전기 자동차의 차체에 누전이 발생하는 것으로 판단하는
    전기 자동차의 누전 검출 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102256011B1 (ko) * 2020-09-29 2021-05-25 (주)이카플러그 전기 자동차 충전기의 누전 검출 및 차단 방법

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JP2010239821A (ja) * 2009-03-31 2010-10-21 Honda Motor Co Ltd 地絡検知システムを備える電気自動車

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