KR102302941B1 - 고전압 비접지 시스템의 누설저항 및 누설위치 측정 회로 - Google Patents

고전압 비접지 시스템의 누설저항 및 누설위치 측정 회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고전압 비접지 시스템의 누설저항 및 누설위치 측정 회로에 관한 것으로, 누설저항 측정 배터리의 플러스단자와 연결되는 제1 저항 유닛 및 상기 누설저항 측정 배터리의 마이너스 단자와 연결되는 제2 저항 유닛을 포함하는 저항부, 제1 저항 유닛의 전압 및 제2 저항 유닛의 전압 각각을 제1 전압 및 제2 전압으로 센싱하는 전압 센싱부, 제1 저항 유닛과 연결되는 제1 스위치 및 제2 저항 유닛과 연결되는 제2 스위치를 포함하는 누설전류 차단부 및 제1 전압 및 제2 전압을 기반으로 누설저항 측정 배터리의 누설저항을 측정하는 누설저항 측정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

고전압 비접지 시스템의 누설저항 및 누설위치 측정 회로{CIRCUIT FOR MEASURING INSULATION RESISTANCE AND LEAKAGE POSITION OF HIGH VOLAGE UNDERGROUNDED SYSTEM}
본 발명은 누설저항 및 누설위치 측정 회로에 관한 것으로, 보다 자세하게는 고전압 비접지 시스템의 배터리에서 누설이 발생할 경우, 누설저항 및 누설위치를 측정 가능한 회로에 관한 것이다.
DC 고전압을 사용하는 장치 중 고전압 배터리의 음극과 양극 모두 차체와 전기적으로 절연된 상태로 구성된 비접지 시스템(Unearthed system)은 신뢰성이 높아 유조선 등 위험한 상황에 노출된 선박과 고전압 배터리를 사용하는 전기자동차 등에 사용된다.
선박에 사용되는 전기 장치는 전기 시스템의 안정성과 신뢰성이 보증되어야 하며, 절연 고장이 발생한 상태에서도 승무원의 안전을 보장해야 하기 때문에, IEEE의 선박용 전기장치의 권고사항에서는 유조선에 사용되는 1000V 미만의 전기 공급장치는 반드시 비접지 시스템으로 구성되어야 한다고 규정하고 있다.
특정 원인에 의해 비접지 시스템 전원과 선박 샤시 사이의 한 점에서 전기적 누설이 발생하는 싱글 폴트(Single Fault) 상황은 그 자체로 시스템에 지장을 주거나 인명에 위해를 가하는 등의 문제를 야기하지 않으나 이후 전기 계통에 추가적인 누설이 발생하면 시스템과 인명에 심각한 영향을 주는 전류 루프가 형성될 수 있어 절연 저항의 선체적 감지가 필수적이다.
대형 선박에서 사용하는 고전압 배터리는 낮은 전압의 전지(배터리 셀)를 요구전압에 맞게 직렬로 연결하여 높은 전압을 생성하는데, 일반적으로 제작과 유지보수의 용이성을 고려하여 배터리 전압이 100V 이상 필요할 경우, 배터리 셀을 묶어 모듈로 구성하고 각각의 모듈을 직렬 연결하여 고압 배터리 시스템을 구축한다. 이 때 배터리의 물리적 크기를 무시할 수 없게 됨에 따라 배터리 시스템과 샤시 사이의 누설저항 값을 측정하는 것뿐 아니라 누설이 발생한 지점을 파악하는 것 역시 필수적이다. 그러나 기존의 누설저항을 측정하는 방법은 싱글 폴트 상황에서 누설저항 값만 계측할 수 있어 누설위치를 파악하는 것에 어려움이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 적어도 하나의 연산증폭기를 통해 누설저항 측정 배터리의 누설저항 및 누설위치를 판단하는 것을 일 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 누설저항 측정 배터리의 플러스단자와 연결되는 제1 저항 유닛 및 상기 누설저항 측정 배터리의 마이너스 단자와 연결되는 제2 저항 유닛을 포함하는 저항부, 제1 저항 유닛의 전압 및 제2 저항 유닛의 전압 각각을 제1 전압 및 제2 전압으로 센싱하는 전압 센싱부, 제1 저항 유닛과 연결되는 제1 스위치 및 제2 저항 유닛과 연결되는 제2 스위치를 포함하는 누설전류 차단부 및 제1 전압 및 제2 전압을 기반으로 누설저항 측정 배터리의 누설저항을 측정하는 누설저항 측정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
전술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 적어도 하나의 연산증폭기를 통해 누설저항 측정 배터리의 누설저항 및 누설위치를 판단할 수 있다. 이를 통해 선박 혹은 전기자동차의 고전압, 대용량 배터리 시스템의 절연 관련 고장 상황과 문제 지점을 신속하게 확인하고 대처할 수 있음에 따라 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1 은 음극과 양극 모두 차체와 전기적으로 절연된 비접지 시스템에서 누설저항이 연결된 상태를 도시한 도면,
도 2는 비접지 시스템의 배터리의 누설저항을 측정하는 종래의 방법을 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 의한 누설저항 및 누설위치 측정 회로를 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 의한 누설저항 및 누설위치 측정 회로의 검증 조건을 도시한 도면,
도 5 내지 도 8은 본 발명의 일 실시 예에 의한 누설저항 및 누설위치 측정 회로의 검증 조건에서, 누설저항의 위치가 각각 최상단 전지, 최상단 전지 기준 50번째 전지, 100번째 전지, 200번째 전지 인 경우 누설저항 값이 0~10MΩ으로 변화할 때 연산증폭기의 출력 전압의 변화를 도시한 그래프,
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 의한 누설저항 및 누설위치 측정 회로를 포함하는 계측 시스템을 도시한 도면,
도 10은 계측기 구성품의 부품공차가 1%일 때의 누설저항 측정오차의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프,
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 의한 누설저항 및 누설위치 측정 회로를 포함하는 계측 시스템에서, 누설저항 측정 배터리의 20번째 전지 모듈에서 누설이 발생한 경우 누설저항이 0~10MΩ으로 변화할 때 측정된 누설위치를 나타낸 그래프,
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 의한 누설저항 및 누설위치 측정 회로의 측정 범위를 확장시킨 회로를 도시한 도면이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 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.
도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용되며, 명세서 및 특허청구의 범위에 기재된 모든 조합은 임의의 방식으로 조합될 수 있다. 그리고 다른 식으로 규정하지 않는 한, 단수에 대한 언급은 하나 이상을 포함할 수 있고, 단수 표현에 대한 언급은 또한 복수 표현을 포함할 수 있음이 이해되어야 한다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정 예시적 실시 예들을 설명할 목적을 가지고 있으며 한정할 의도로 사용되는 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같은 단수적 표현들은 또한, 해당 문장에서 명확하게 달리 표시하지 않는 한, 복수의 의미를 포함하도록 의도될 수 있다. 용어 "및/또는," "그리고/또는"은 그 관련되어 나열되는 항목들의 모든 조합들 및 어느 하나를 포함한다. 용어 "포함한다", "포함하는", "포함하고 있는", "구비하는", "갖는", "가지고 있는" 등은 내포적 의미를 갖는 바, 이에 따라 이러한 용어들은 그 기재된 특징, 정수, 단계, 동작, 요소, 및/또는 컴포넌트를 특정하며, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 동작, 요소, 컴포넌트, 및/또는 이들의 그룹의 존재 혹은 추가를 배제하지 않는다. 본 명세서에서 설명되는 방법의 단계들, 프로세스들, 동작들은, 구체적으로 그 수행 순서가 확정되는 경우가 아니라면, 이들의 수행을 논의된 혹은 예시된 그러한 특정 순서로 반드시 해야 하는 것으로 해석돼서는 안 된다. 추가적인 혹은 대안적인 단계들이 사용될 수 있음을 또한 이해해야 한다.
또한, 각각의 구성요소는 각각 하드웨어 프로세서로 구현될 수 있고, 위 구성요소들이 통합되어 하나의 하드웨어 프로세서로 구현될 수 있으며, 또는 위 구성요소들이 서로 조합되어 복수 개의 하드웨어 프로세서로 구현될 수도 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 음극과 양극 모두 차체와 전기적으로 절연된 비접지 시스템에서 누설저항이 연결된 상태를 도시한 도면으로, 도 1을 참조하면 사고에 의해 전원과 샤시 사이에 누설저항이 형성되면 전기장치 혹은 인체의 임피던스에 따른 분포용량(혹은 분포저항)을 통해 누설전류가 흐르게 될 수 있다. 누설전류는 인체의 활동에 지장을 줄 수 있으므로 가급적 억제되어야 하며 이를 위해 누설저항이 일정 값 이상인 지 실시간으로 측정하는 기술이 요구된다.
도 2는 비접지 시스템의 배터리의 누설저항을 측정하는 종래의 방법을 도시한 도면으로, 도 2를 참조하면 누설저항(Riso)은 상측의 연산증폭기(OP-Amp, 201)에 Rps1, Rps2, Vref를 통해 흐르는 전류루프를 형성하고, 하측의 연산증폭기(203)에 Rns1, Rns2, Vref를 통해 순환하는 전류루프를 형성한다
수학식 1 및 2를 통해 상기 전류루프를 기반으로 하는 상측 연산증폭기 및 하측 연산증폭기의 출력전압을 연산할 수 있으며, 이를 기반으로 비접지 시스템 배터리 장치의 누설저항을 측정할 수 있다.
Figure 112020086906140-pat00001
Figure 112020086906140-pat00002
위와 같은 종래의 누설저항 측정 방법은 고전압 배터리 모듈의 외부에서 발생하는 누설저항을 측정할 수 있을 뿐, 고전압 배터리 내부의 개별 전지에서 발생하는 누설저항과 누설위치는 파악하기 곤란하다.
이를 해결하기 위해 본 발명은 도 3과 같은 측정 회로를 제안하여 누설저항 및 누설위치를 측정할 수 있게 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 의한 누설저항 및 누설위치 측정 회로를 도시한 도면으로, 도 3을 참조하면, 누설저항 및 누설위치 측정 회로는 누설저항 측정 배터리(110), 누설저항(120), 저항부(130), 전압 센싱부(140), 누설전류 차단부(150), 누설저항 측정부(미도시)를 포함한다.
저항부(130)는 제1 저항 유닛(131) 및 제2 저항 유닛(133)을 포함할 것이다. 제1 저항 유닛(131)은 누설저항 측정 배터리(110)의 플러스 단자와 연결되고, 제2 저항 유닛(133)은 누설저항 측정 배터리(110)의 마이너스 단자와 연결될 수 있다.
제1 저항 유닛(131)은 복수 개의 제1 저항(Rps1)을 포함할 수 있으며, 제2 저항 유닛(133)은 복수 개의 제2 저항(Rns1)을 포함할 수 있다.
전압 센싱부(140)는 제1 저항 유닛(131)의 전압을 제1 전압으로 센싱하고, 제2 저항 유닛(133)의 전압을 제2 전압으로 센싱할 것이다. 이를 위해 전압 센싱부(140)는 제1 연산증폭기(141) 및 제2 연산증폭기(143)를 포함할 수 있다.
제1 연산증폭기(141)의 반전단자는 저항 Rps2를 통해 누설전류 차단부(150)의 제1 스위치(151)에 연결되고, 비반전단자는 기준전압이 인가되는 구조로 형성될 것이다. 제1 연산증폭기(141)는 제1 저항 유닛(131)에 인가되는 전압을 제1 전압으로 센싱하여 출력단자를 통해 출력할 수 있다.
제2 연산증폭기(143)의 반전단자는 저항 Rns2를 통해 누설전류 차단부(150)의 제2 스위치(153)에 연결되고, 비반전단자는 기준전압이 인가되는 구조로 형성될 것이다. 제2 연산증폭기(143)는 제2 저항 유닛(133)에 인가되는 전압을 제2 전압으로 센싱하여 출력단자를 통해 출력할 수 있다.
누설전류 차단부(150)는 제1 스위치(151) 및 제2 스위치(153)를 포함할 것이다. 제1 스위치(151)는 제1 저항 유닛(131)과 연결되고, 제2 스위치(153)는 제2 저항 유닛(133)과 연결되어 온/오프(on/off)에 따라 전압을 인가하거나 차단할 수 있다.
누설저항 측정부(160)는 제1 연산증폭기(141)와 제2 연산증폭기(143)의 출력단자에서 각각 출력된 제1 전압 및 제2 전압을 이용하여 누설저항을 측정할 수 있다. 누설저항 측정부(160)는 MCU(Micro Controller Unit)일 것이다.
누설저항 측정부(160)가 누설저항을 측정하는 방법을 보다 상세히 설명하기 위하여, 도 3에 도시된 바와 같이 누설저항 측정 배터리(110)의 전압을
Figure 112020086906140-pat00003
, 누설저항 측정 배터리(110)의 상단의 제1 부분(111)의 전압을
Figure 112020086906140-pat00004
, 하단의 제2 부분(113)의 전압을
Figure 112020086906140-pat00005
, 누설저항 측정 배터리(110)의 누설저항(
Figure 112020086906140-pat00006
)을
Figure 112020086906140-pat00007
, 제1 저항 유닛(131)의 저항 값을
Figure 112020086906140-pat00008
, 제2 저항 유닛(133)의 저항 값을
Figure 112020086906140-pat00009
, 제1 연산증폭기(141)의 반전단자에 인가되는 저항 값을
Figure 112020086906140-pat00010
, 제1 연산증폭기(141)의 귀환저항의 저항 값을
Figure 112020086906140-pat00011
, 제2 연산증폭기(143)의 반전단자에 인가되는 저항 값을
Figure 112020086906140-pat00012
, 제2 연산증폭기(143)의 귀환저항의 저항 값을
Figure 112020086906140-pat00013
, 제1 연산증폭기(141) 및 제2 연산증폭기(143)의 비반전단자에 인가되는 기준전압을
Figure 112020086906140-pat00014
라고 지칭한다.
누설저항 측정부(160)는 수학식 3을 통해 제1 연산증폭기(141)의 출력전압(
Figure 112020086906140-pat00015
)을 연산할 수 있다.
Figure 112020086906140-pat00016
누설저항 측정부(160)는 수학식4를 통해 제2 연산증폭기(143)의 출력전압(
Figure 112020086906140-pat00017
)을 연산할 수 있다.
Figure 112020086906140-pat00018
누설저항 측정부(160)는 누설저항 측정 배터리(110)의 전압(
Figure 112020086906140-pat00019
)을 제1 부분(111)의 전압인
Figure 112020086906140-pat00020
과 제2 부분(113)의 전압인
Figure 112020086906140-pat00021
의 합을 통해 연산할 수 있다.
누설저항 측정부(160)는 수학식 3 및 수학식 4에서 연산된 제1 연산증폭기(141)의 출력전압(
Figure 112020086906140-pat00022
)과 제2 연산증폭기(143)의 출력전압(
Figure 112020086906140-pat00023
)을 기반으로 누설저항(
Figure 112020086906140-pat00024
)과 누설위치(
Figure 112020086906140-pat00025
)를 연산할 수 있다.
이 때, 수학식 3 및 수학식 4를 간단히 표현하기 위해 변하지 않는 값인
Figure 112020086906140-pat00026
,
Figure 112020086906140-pat00027
,
Figure 112020086906140-pat00028
,
Figure 112020086906140-pat00029
를 단일 문자(a, b, k)로 변환한다. 구체적으로
Figure 112020086906140-pat00030
,
Figure 112020086906140-pat00031
,
Figure 112020086906140-pat00032
로 변환하고, 연산하고자 하는 누설저항(
Figure 112020086906140-pat00033
)과 누설위치(
Figure 112020086906140-pat00034
)는 각각 x와 y로 변환하여 식을 단순화하였다.
단순화된 수학식 3 및 수학식 4는 수학식 5 및 수학식 6과 같다.
Figure 112020086906140-pat00035
Figure 112020086906140-pat00036
누설저항 측정부(160)는 수학식 7 및 수학식 8을 통해 누설저항(
Figure 112020086906140-pat00037
)과 누설위치(
Figure 112020086906140-pat00038
)를 연산할 수 있다.
누설저항 측정부(160)는 수학식 7를 통해 누설저항(
Figure 112020086906140-pat00039
)을 연산할 수 있다.
Figure 112020086906140-pat00040
누설저항 측정부(160)는 수학식 8을 통해 누설위치(
Figure 112020086906140-pat00041
)를 연산할 수 있다.
Figure 112020086906140-pat00042
본 발명의 일 실시 예에 의한 누설저항 및 누설위치 측정 회로는 누설저항 뿐 아니라 누설위치를 연산함으로써, 절연 결함을 신속하게 파악하고 누설위치를 통해 추가 피해를 방지할 수 있다.
이하에서는 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 의한 누설저항 및 누설위치 측정 회로의 특성을 검증하는 것을 설명한다. 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 의한 누설저항 및 누설위치 측정 회로의 검증 조건을 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 누설저항 측정 배터리(110)를 3.7V 전압의 전지(Cell) 20개로 구성된 모듈 10개를 직렬로 연결하여 구성하였다. 도 4의 누설저항 측정 배터리 내부의 임의의 모듈 전극과 샤시 사이에 누설경로가 발생한 경우 제1 연산증폭기 및 제2 연산증폭기의 출력 전압을 살펴보도록 한다.
동작전압이 직류 60V 또는 교류 30V를 초과하는 고전압 시스템은 직접적, 간접적으로 인체에 접촉되면 통전시간과 통전경로에 따라 인체에 위험이 될 수 있다. 이에 따라 미국의 FMVSS 305에선 500Ω/V 이상의 누설저항이 형성되어야 한다고 규정하였으며, IEC 60479-1에서는 더욱 세밀하게 100Ω/DCV, 500Ω/VAC 등 사용전원의 종류에 따라 절연성능기준을 제시하였다.
도 4와 같이 3.7V 전지 200개를 직렬로 연결한 경우 누설저항 측정 배터리의 단자 전압은 740V에 달하기 때문에 요구되는 최소 누설저항은 100Ω/DCV 규정에 따를 때 74KΩ이며, 500Ω/V 규정에 따를 때에는 370KΩ이다. 검증 조건에서 누설저항의 측정범위는 규정최소저항의 10배 이상을 상정하여 최대 10MΩ으로 설정하였다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 의한 누설저항 및 누설위치 측정 회로의 검증 조건에서, 누설저항의 위치가 최상단 전지(전지 모듈 1의 플러스 단자)인 경우 누설저항 값이 0~10MΩ으로 변화할 때 제1 연산증폭기 및 제2 연산증폭기의 출력 전압의 변화를 도시한 그래프이다. 도 5를 참조하면, 제1 연산증폭기 및 제2 연산증폭기의 출력 전압의 차이는 누설저항의 크기가 커짐에 따라 점차 감소하며, 출력전압의 절댓값은 누설위치에 따라 변화할 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 의한 누설저항 및 누설위치 측정 회로의 검증 조건에서, 누설저항의 위치가 최상단 전지 기준 50번째 전지인 경우 누설저항 값이 0~10MΩ으로 변화할 때 제1 연산증폭기 및 제2 연산증폭기의 출력 전압의 변화를 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 의한 누설저항 및 누설위치 측정 회로의 검증 조건에서, 누설저항의 위치가 최상단 전지기준 100번째 전지인 경우 누설저항 값이 0~10MΩ으로 변화할 때 제1 연산증폭기 및 제2 연산증폭기의 출력 전압의 변화를 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 의한 누설저항 및 누설위치 측정 회로의 검증 조건에서, 누설저항의 위치가 최상단 전지기준 200번째 전지인 경우 누설저항 값이 0~10MΩ으로 변화할 때 제1 연산증폭기 및 제2 연산증폭기의 출력 전압의 변화를 도시한 그래프이다.
도 4 내지 도 8의 그래프를 참조하면, 제1 연산증폭기 및 제2 연산증폭기의 출력전압의 차이 값은 누설위치와 관계없이 동일하나,
Figure 112020086906140-pat00043
과
Figure 112020086906140-pat00044
의 절댓값은 누설위치에 의존하는 것을 알 수 있다. 따라서 도 4 내지 도 8은 수학식 5 내지 수학식 7을 검증할 수 있으며, 수학식 5 및 수학식 6과 같이,
Figure 112020086906140-pat00045
과
Figure 112020086906140-pat00046
의 절댓값은 누설위치에 의존하는 것을 알 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 의한 누설저항 및 누설위치 측정 회로를 포함하는 계측 시스템을 도시한 도면이다. 도 9를 참조하면, 계측 시스템은 아날로그 신호처리 모듈과 신호경로를 제어하기 위한 릴레이 구동 회로, 연산증폭기의 출력전압을 수치화하기 위한 ADC(Analog Digital Converter), 그리고 측정 알고리즘을 수행하기 위한 MCU(Micro Controller Unit), 그리고 연산결과를 외부로 전송하는 통신 모듈(CAN UART)을 포함할 것이다.
아날로그 신호처리 모듈과 ADC는 부품공차와 동작오차를 포함하기 때문에 계측결과에 오차를 유발할 수 있다. 도 10은 분압저항, 연산증폭기의 증폭저항 등 계측기 구성품의 부품공차가 1%일 때의 누설저항 측정오차의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프로, 도 10을 참조하여 부품공차 1%의 계측 시스템에 누설저항이 0~10MΩ으로 변화할 때 수학식 7을 통해 연산한 누설저항 계측치와 계측 오차를 확인한다.
도 10을 참조하면, 누설저항이 커질수록 계측오차가 커지며 최대 누설저항 10MΩ에 대해 약 0.17MΩ(1.7%)의 비교적 작은 측정 오차가 발생하는 것을 알 수 있한다. 수학식 7에 의한 누설저항에 따른 연산증폭기의 출력 값을 신호출력 v, 누설저항 R, 구성품 파라미터 a, k의 함수로 표현(수학식 9)하여 수학식 10과 같이 각각의 파라미터에 대한 민감도를 연산할 수 있다. 수학식 10을 참조하면, 누설저항 값이 커질수록 계측감도가 저하되는 현상은 도 9의 시뮬레이션 결과와 일치하며 이를 통해 누설저항이 높을수록 측정오차가 커지는 현상 또한 예측 가능하다.
Figure 112020086906140-pat00047
Figure 112020086906140-pat00048
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 의한 누설저항 및 누설위치 측정 회로를 포함하는 계측 시스템에서, 누설저항 측정 배터리의 20번째 전지 모듈에서 누설이 발생한 경우 누설저항이 0~10MΩ으로 변화할 때 수학식 8을 통해 측정된 누설위치를 나타낸 그래프이다. 누설위치는 제1 연산증폭기 및 제2 연산증폭기 각각의 출력전압의 절댓값으로 추정할 수 있으며, 도 11의 (a)는 제1 연산증폭기의 전압으로 추정한 누설위치를, 도 11의 (b)는 제2 연산증폭기의 전압으로 추정한 누설위치를 도시한 그래프이다.
도 11을 참조하면 누설저항의 변화에 따른 누설위치의 추정치는 변화 없이 일정한 값을 가지며, 제1 연산증폭기 및 제2 연산증폭기의 신호 크기에 따라 약 3 전지 모듈 정도의 추정위치 오차가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 일반적으로 고전압 배터리는 전지 묶음으로 모듈이 구성되고, 모듈간 직렬연결을 통해 시스템을 구성하는 경우가 대다수로 상기와 같은 오차 수준은 실용상 큰 문제가 되지 않을 것이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 의한 누설저항 및 누설위치 측정 회로의 측정 개념 범위를 확장시킨 회로를 도시한 도면이다. 도 12의 누설저항 및 누설위치 측정 회로는 도 3에 도시된 누설저항 및 누설위치 측정 회로에서 전압 센싱부가 2단 증폭도를 갖도록 제1 내지 제4 연산증폭기(141 내지 147)로 구성될 수 있다.
도 12의 누설저항 및 누설위치 측정 회로에서, 낮은 누설저항은 제1 연산증폭기(141) 및 제2 연산증폭기(143)를 이용하고, 높은 누설저항은 증폭도가 큰 제3 연산증폭기(145) 및 제4 연산증폭기(147)를 이용할 것이다.
기존 측정 회로의 연산증폭기의 이득을 증가시키면, 높은 누설저항은 감도가 높게 계측이 되나, 낮은 누설저항의 입력에 대하여 연산증폭기의 출력 전압이 포화(수학식 5 및 수학식 6)되며, 누설저항 값과 연산증폭기의 이득에 따라 출력 전압이 변화(수학식 10)함에 따라, 누설저항이 커질수록 출력 전압은 저항 값의 제곱의 형태로 감소하고, 연산증폭기의 이득을 키울수록 출력 전압이 커질 것이다. 이에 따라 고누설저항 영역은 제3 연산증폭기(145) 및 제4 연산증폭기(147)에서 담당하고, 저누설저항 영역은 제1 연산증폭기(141) 및 제2 연산증폭기(143)의 출력전압을 활용하도록 설계하면, 높은 누설저항 영역의 정밀도를 높이면서 낮은 누설저항 영역에서도 연산증폭기의 포화가 일어나지 않을 것이다.
본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
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Claims (6)

  1. 복수 개의 배터리 셀로 구성된 누설저항 측정 배터리의 플러스단자와 연결되는 제1 저항 유닛 및 상기 누설저항 측정 배터리의 마이너스 단자와 연결되는 제2 저항 유닛을 포함하는 저항부;
    제1 저항 유닛과 연결되는 제1 스위치 및 제2 저항 유닛과 연결되는 제2 스위치를 포함하는 누설전류 차단부;
    제1 및 제2 스위치에 연결된 저항이 입력 단자와 각각 연결된 제1 및 제2 연산증폭기를 포함하여 제1 및 제2 저항 유닛의 전압을 제1 및 제2 전압으로 센싱하는 전압 센싱부; 및
    누설저항 측정 배터리에서 상기 복수 개의 배터리 셀의 임의의 위치를 기준으로 구분된 상단의 제1 부분의 전압, 하단의 제2 부분의 전압, 제1 및 제2 저항 유닛의 저항 값, 제1 및 제2 연산증폭기에 연결된 저항 값 중 적어도 하나를 기반으로 제1 및 제2 전압을 연산하고, 제1 전압 및 제2 전압을 기반으로 연립 연산하여 상기 누설저항 측정 배터리의 누설저항 및 누설위치를 측정하는 누설저항 측정부를 포함하고,
    [수학식 1]
    Figure 112021094249869-pat00049
    에 의해 산출되고,
    상기 Vop는 제1 전압이고, 상기 Hv1은 상단의 제1 부분의 전압이고, 상기 Vref는 상기 제1 연산 증폭기 및 상기 제2 연산 증폭기의 비반전단자에 인가되는 기준 전압이고, Rps1은 상기 제1 저항 유닛의 저항 값이고, 상기 Rps2는 상기 제1 연산 증폭기의 반전단자에 인가되는 저항이고, Rx는 누설저항 측정 배터리의 누설저항이고, RS1은 상기 제1 연산증폭기의 귀환저항의 저항 값을 의미하고,
    상기 제2 전압은
    [수학식 2]
    Figure 112021094249869-pat00050
    에 의해 산출되고,
    상기 Von는 제2 전압이고, 상기 Hv2은 하단의 제2 부분의 전압이고, 상기 Vref는 상기 제1 연산 증폭기 및 상기 제2 연산 증폭기의 비반전단자에 인가되는 기준 전압이고, Rns1은 상기 제2 저항 유닛의 저항 값이고, 상기 Rns2는 상기 제2 연산 증폭기의 반전단자에 인가되는 저항이고, Rx는 누설저항 측정 배터리의 누설저항이고, 상기 RS2는 상기 제2 연산증폭기의 귀환저항의 저항 값을 의미하는 것을 특징으로 하는 누설저항 및 누설위치 측정 회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 누설저항 측정부는,
    제1 연산증폭기의 출력 단자 및 제2 연산증폭기의 출력 단자와 각각 연결되어 상기 각 연산증폭기로부터 입력된 제1 및 제2 전압을 디지털 신호로 변환하는 신호 변환부; 및
    디지털 신호로 변환된 제1 및 제2 전압을 기반으로 상기 누설저항 측정 배터리의 누설저항 및 누설위치를 측정하는 누설저항 측정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 누설저항 및 누설위치 측정 회로.
  3. 제1항에 있어서, 상기 누설저항 측정부는,
    상기 누설저항 측정 배터리의 제1 및 제2 부분의 전압, 제1 및 제2 저항 유닛의 저항 값, 제1 연산증폭기 및 제2 연산증폭기의 출력 전압, 제1 및 제2 연산증폭기의 귀환저항의 저항 값을 기반으로 상기 누설저항 측정 배터리의 누설저항을 측정하는 것을 특징으로 하는 누설저항 및 누설위치 측정 회로.
  4. 제3항에 있어서, 상기 누설저항 측정부는,
    제1 저항 유닛 혹은 제2 저항 유닛의 저항 값, 누설저항 값, 제1 및 제2 연산증폭기의 귀환저항의 저항 값, 기준 전압(Vref), 및 제1 연산증폭기의 출력 전압을 기반으로 상기 누설저항 측정 배터리의 누설위치를 측정하는 것을 특징으로 하는 누설저항 및 누설위치 측정 회로.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 누설저항 측정 배터리는 선박 혹은 전기자동차에 사용되는 고전압 배터리인 것을 특징으로 하는 누설저항 및 누설위치 측정 회로.
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