KR20150052139A - 절연 결함을 검출 및 측정하기 위한 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 감전 사고를 유발할 수 있는 직류 전압원의 절연 결함(insulation fault)을 검출하기 위한 장치(4)에 관한 것인바, 상기 절연 결함 검출 장치는: 상기 전압원을 위한 제1 입력 단자 및 제2 입력 단자(-Vbat, +Vbat); 전기 접지(91)와 상기 제2 입력 단자(+Vbat) 사이에 직렬로 연결된 제1 저항성 쌍극자 및 제3 저항성 쌍극자(41, 43)로서, 상기 제1 저항성 쌍극자(41)는 상기 제3 쌍극자(43)의 저항보다 적어도 10배 큰 저항을 가지는, 제1 저항성 쌍극자 및 제3 저항성 쌍극자(41, 43); 상기 제1 입력 단자(-Vbat)와 상기 전기 접지(91) 사이에 직렬로 연결된 제2 저항성 쌍극자(42) 및 스위치(45); 및 상기 제3 쌍극자(43)의 단자들에 연결되는 검출 회로(44);를 포함하고, 상기 검출 회로는, 상기 스위치를 교대로 열고 닫고, 상기 제3 쌍극자의 단자들에서의 전압을 측정하고, 그 측정된 상기 전압들에 따라 절연 결함의 크기(amplitude)를 판별하도록 설계된다.

Description

절연 결함을 검출 및 측정하기 위한 장치{Device for detecting and measuring an insulation fault}

본 발명은, 기준 전압에 대한 DC 전압 네트워크 또는 전기 공급원의 절연에 관한 것이다. 고전력 DC 전기 시스템들은 현저한 발전을 겪어왔다. 구체적으로는, 많은 운송 시스템들이 DC 공급원을 포함한다.

하이브리드 연소/전기 차량 또는 전기 차량은 특히 고전력 배터리들을 포함한다. 적절한 전압 수준을 얻기 위하여 복수개의 전기화학 축전지들이 직렬로 위치된다. 고전력 및 용량(capacities)을 얻기 위하여 복수 군들의 축전지들이 직렬로 위치된다. 스테이지(stage)들의 개수(축전지들의 군들의 개수) 및 각각의 스테이지 안에서 병렬인 축전지들의 개수는, 상기 배터리에 대해 원하는 전압, 전류 및 용량(capacity)에 따라 달라진다. 복수개의 축전지들의 조합은 축전지들의 배터리로 불린다.

그러한 배터리들은 인버터를 통하여 AC 전기 모터를 구동하는 데에 이용된다. 그러한 모터들에 필요한 전압 수준은 몇 백 볼트에 이르고, 전형적으로는 400 볼트 대이다. 또한 그러한 배터리들은 전기 모드에서의 차량의 자율성(l'autonomie)을 촉진하기 위하여 고용량을 가진다. 자동차 용례에 특유한 여러 기술적 이유들이 (상기 차량의 차체 및 금속 섀시에 의해 형성되고 따라서 이용자에게 접근가능한) 상기 차량의 기계 접지(mechanical ground)와 상기 배터리의 전위(potentials) 사이의 절연의 이용으로 이어진다. 그 주된 이유는 구동 중 제1 절연 결함의 경우에 견인 배터리가 동시에 분리되는 것을 상상할 수 없기 때문이다. 예를 들어 상기 배터리의 극들 중 하나가 상기 기계 접지에 연결되고 절연 결함이 다른 극에 나타나는 경우이다. 이는 단락(short circuit)으로 이어져 즉시 보호 퓨즈가 나간다. 이것의 효과는, 견인 파워 또는 회생 제동의 부재 때문에 상기 차량을 위험하게 만드는 것일 것이다. 따라서 이로 인해, 상기 배터리를 절연시키는 것과 인간의 안전을 이유로 이 절연을 절연 모니터링(insulation monitor)에 의해 모니터링하는 것이 필요해진다. 구체적으로, 제1 결함의 경우에 이용자에게 위험이 없다면, 상기 견인 배터리의 분리로 이어질 제2 결함의 발생 전에 이 제1 결함을 보고하는 것이 편리한바, 왜냐하면 그것이 상기 배터리의 양단자와 음단자 사이의 단락을 초래하기 때문이다. 게다가 이 제2 결함의 경우에 상기 배터리의 전압은 상기 차량의 기계 접지에 직접 연결될 것이며, 따라서 이용자는 잠재적으로 그것과 접촉하게 될 것이다. 이용자들에 대한 그러한 에너지원의 잠재적 위험 때문에 절연 및 상기 배터리와 상기 기계 접지 사이의 절연의 모니터링에 특별한 주의가 취해져야만 한다. 상기 배터리에 전기적으로 연결된 상기 차량의 임의의 부분은 상기 접지로부터 절연되어야만 한다. 이 절연은 절연 재료들을 이용하여 만들어진다. 상기 절연은 (진동, 기계적 충격, 먼지 등등 때문에) 시간이 지남에 따라 열화될 수 있으며, 따라서 상기 기계 접지가 위험한 전위에 위치될 수 있다.

게다가 상기 전기 네트워크로부터 DC-절연되지 않은 충전기를 이용하는 것이 예상(envision)될 수 있다. 규제에 의해(by regulation) 상기 차량의 기계 접지가 재충전 중에 어스(earth)에 연결되고, 종래에 늘(residentially) 이용된 중성 모드(neutral mode)(TT 모드)는 상기 중성점을 상기 어스에 연결하기 때문에, 이는 재충전 중에 상기 차량의 기계 접지를 상기 배터리의 전위들 중 하나에 연결하는 것과 등가(equivalent)이다. 따라서 이 재충전 중에 상기 배터리의 전전압(full voltage)이 상기 절연의 단자들에 인가되는바, 이는 이 전압의 절반만이 인가되고 특히(above all) 모니터링되는 명목상의 경우(nominal case)와 대조적이다. 이 절연은 제2 결함이 즉시 단락으로 이어지게 되는 전전압을 취할 수 있지 않을 수 있다.

선행기술에 따른 전기 차량은 전형적으로 3상 전기 모터에 전기 공급하도록 의도되는 배터리를 구비한다. 상기 배터리는 전기화학 축전지들을 포함한다. 퓨즈들이 제공되는 보호 장치가 상기 배터리의 단자들에 연결된다. 절연 모니터링 장치도 상기 배터리의 단자들에 연결되고 상기 차량의 기계 접지에 연결된다. 상기 절연 모니터링 장치는 검출된 절연 결함들의 신호를 컴퓨터에 보내기 위하여 상기 컴퓨터에 연결된다. 내장 네트워크 배터리에 의해 전기가 이 컴퓨터에 공급된다. 이 배터리의 음극은 상기 차량의 접지에 연결된다. 상기 배터리의 단자들은 컷오프 시스템(cutoff system)을 통하여 전압(+Vbat) 및 전압(-Vbat)을 인버터의 DC 입력부들(DC inputs)에 인가한다. 상기 컷오프 시스템은, 상기 컴퓨터에 의해 제어되는 파워 접촉기들을 포함한다. 상기 전기 모터는 상기 인버터의 AC 출력부에 연결된다. 다양한 유형들의 절연 모니터링이 선행기술로 알려져 있다.

노후화 때문에, 몇몇 절연 재료들이 상기 기계 접지와 상기 배터리의 단자 사이의 정상 작동 중 전압을 견디기에 적합한 것으로 판명될 수 있음에도 불구하고 그 몇몇 절연 재료들이 상기 배터리의 단자들 사이의 전전압에 노출되는 때에 절연 결함으로 인하여 고장날 수 있다.

알려진 모니터링 장치들은, 연쇄(chained) 절연 결함들로 이어질 수 있는 그러한 잠재적 절연 결함을 테스트 및 검출하는 것을 가능하게 하지 않는다. 일 극성 상의(on one polarity) 제1 절연 결함은 다른 극성과 접지 사이에 전전압을 인가한다. 이 다른 극성의 절연이 그 전전압을 견딜 수 없다면, 제2 절연 결함이 발생한다. 이는 단락을 생성하는바, 퓨즈들이 나간다. 이는 견인력의 손실에 해당되며, 그 후 상기 차량의 갑작스런 잠금에 해당되는바, 이는 위험하다.

알려진 절연 모니터링 중 그 어느 것도, 직면하게 되는 산업상 제약조건들에 있어 만족스럽지 않다. 과도한 전기 소비를 유발하지 않은 채 대중에게 대규모로 거래되는 차량에 대해 기대되는 판매 가격과 양립될 수 있는 가격으로, 절연 결함을 검출하고, 상기 배터리의 어떤 극성이 상기 절연 결함에 의해 영향을 받는지를 판별하고, 절연 결함에 의해 두 극성들 모두가 영향을 받는지 여부를 판별하고, 절연 결함의 크기(amplitude)를 측정하는 것은, 알려진 절연 모니터링 중 그 어느 것에 의해서도 가능하게 되지 않는다.

본 발명은 이 단점들 중 하나 또는 여럿을 해결하는 것을 목적으로 한다. 이에 따라 본 발명은 감전 사고(electrocution)를 유발할 우려가 있는 DC 전압원의 절연 결함을 검출하기 위한 장치에 관한 것으로서, 상기 절연 결함 검출 장치는:

- 상기 전압원의 단자들에 연결되도록 의도되는 제1 입력 단자 및 제2 입력 단자;

- 전기 접지와 상기 제2 입력 단자 사이에 직렬로 연결된 제1 저항성 쌍극자 및 제3 저항성 쌍극자로서, 상기 제1 저항성 쌍극자는 상기 제3 쌍극자의 저항보다 적어도 10배 큰 저항을 가지는, 제1 저항성 쌍극자 및 제3 저항성 쌍극자;

- 상기 제1 입력 단자 및 상기 전기 접지 사이에 직렬로 연결된 제2 저항성 쌍극자 및 스위치; 및

- 상기 제3 쌍극자의 단자들에 연결되는 검출 회로;를 포함하고, 상기 검출 회로는:

- 상기 스위치를 교대로 열고 닫고;

- 상기 스위치가 열린 때 및 상기 스위치가 닫힌 때의 상기 제3 쌍극자의 단자들 양단의 전압을 측정하고;

- 절연 결함의 크기(amplitude)를 측정된 상기 전압들의 함수로서 판별하도록; 구성된다.

일 변형례에 따르면, 상기 제1 쌍극자의 저항은 상기 제2 쌍극자의 저항보다 적어도 3배 크다.

다른 일 변형례에 따르면, 상기 제3 쌍극자는 전위차계, 또는 스위치드 저항들의 네트워크이다.

또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 검출 회로는 2 내지 30초 사이의 시간 간격으로 반복적으로 상기 스위치를 닫는다.

다른 일 변형례에 따르면, 상기 검출 회로는 상기 스위치가 2% 이하의 듀티 사이클(duty cycle)로 닫히게 유지한다.

또 다른 일 변형례에 따르면, 상기 스위치는, 상기 검출 회로에 의해 제어되는 광커플러(optocoupler)를 포함한다.

일 변형례에 따르면, 상기 제1 쌍극자의 저항 및 상기 제2 쌍극자의 저항 각각은 적어도 50 kΩ과 같다.

게다가 본 발명은 동력화 시스템에 관한 것이기도 한바, 상기 동력화 시스템은:

- 위에서 설명된 바와 같은 검출 장치;

- 상기 검출 장치의 제1 입력 단자 및 제2 입력 단자에 연결되는 단자들을 가지는 배터리;

- DC 인터페이스 및 AC 인터페이스를 구비한 인버터로서, 상기 배터리의 단자들이 상기 DC 인터페이스에 연결되는, 인버터;

- 상기 인버터의 AC 인터페이스에 연결되는 전기 모터;를 포함한다.

일 변형례에 따르면, 상기 배터리의 단자들 양단의 전압은 100V보다 크다.

일 변형례에 따르면, 상기 검출 회로는, 상기 전위차계의 저항이 상기 배터리의 단자들 양단 전압에 비례하도록 상기 전위차계의 저항을 제어한다.

본 발명의 다른 특성들 및 장점들이 첨부된 도면들을 참조하여 어떠한 한정도 없이, 아래에 예시(indication)로서 주어지는 설명으로부터 분명해질 것인바, 그 첨부된 도면들 중에서:
- 도 1은 배터리에 의해 공급되는 전기 모터를 가지는 차량의 예시의 개략적 표현이며;
- 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 절연 결함을 검출 및 측정하기 위한 장치의 개략적 표현이며;
- 도 3에는 제1 유형의 절연 결함의 맥락에 있어서 도 2의 검출 및 측정 장치가 도시되며;
- 도 4에는 제2 유형의 절연 결함의 맥락에 있어서 도 2의 검출 및 측정 장치가 도시되며;
- 도 5 및 도 6에는 검출 장치의 민감도 다이어그램들(sensitivity diagrams)이 상이한 저항값들의 함수로서 도시되며;
- 도 7 및 도 8에는 이중 결함(double fault)이 있는 때에 절연 결함을 검출하기 위한 장치의 작동이 도시되며;
- 도 9 및 도 10에는 절연 결함을 검출 및 측정하기 위한 장치의 2개의 변형례들의 작동 결과들이 도시되며;
- 도 11 내지 14에는 절연 결함을 검출하기 위한 장치들의 다양한 변형례들이 도시된다.

본 발명에는 감전 사고를 유발할 우려가 있는 DC 전압원의 절연 결함을 검출 및 측정하기 위한 장치가 제공된다. 이 장치는, 상기 전압원의 단자들에 연결되는 제1 입력 단자 및 제2 입력 단자를 포함한다.

도 1에는 본 발명의 실시예가 구현되는 차량(1)의 예시가 도시된다. 상기 차량(1)은, 직렬로 연결된 전기화학 축전지들(21)을 포함하는 배터리(2)를 알려진 방식 그 자체로(in a manner known per se) 포함하는 전기 차량이다. 상기 배터리(2)는 직렬로 연결된 많은 수의 축전지들(21), 전형적으로 40 내지 150개의 축전지들을 포함하는바, 이는 요구되는 전압 및 이용되는 축전지들의 유형에 의존한다. 충전되는 때에 배터리(2)의 단자들 양단의 전압은 전형적으로 400V 대이다. 상기 배터리(2)는 전압(+Vbat)을 제1 단자에 인가하고, 전압(-Vbat)을 제2 단자에 인가한다. 상기 축전지들(21)은 파워 전기적 연결들에 의해 직렬로 연결된다. 상기 배터리(2)의 단자들은 인버터(6)의 DC 인터페이스에 연결된다. 전기 모터(7)는 상기 인버터(6)의 AC 인터페이스에 연결된다.

상기 배터리(2)의 단자들과 상기 인버터(6)의 DC 인터페이스 사이의 연결은 보호 회로(3)에 의해, 그리고 파워 결합 회로(power coupling circuit; 5)에 의해 만들어진다. 상기 보호 회로(3)는 단락의 경우에 상기 연결을 개방하도록 구성되는 퓨즈들을 알려진 방식 그 자체로 포함할 수 있다. 상기 파워 결합 회로(5)는, 상기 배터리(2)의 단자들이 상기 인버터(6)의 DC 인터페이스에/로부터 선별적으로 연결/분리되게 할 수 있는 스위치들(51 및 52)을 포함한다. 상기 스위치들(51 및 52)의 엶/닫음(opening/closing)은 제어 회로(8)에 의해, 전형적으로 상기 배터리(2)의 작동을 모니터링하기 위한 컴퓨터에 의해, 제어된다. 상기 제어 회로(8)에는 전형적으로 상기 차량(1)의 내장 네트워크의 공급 배터리(92)에 의해 전기가 공급되는바, 그 공급 배터리(92)는 상기 배터리(2)의 전압 수준보다 훨씬 더 낮은 전압 수준을 가진다. 상기 제어 회로(8)는 전형적으로 상기 기계 접지(91)에 연결되는바, 상기 기계 접지(91)는 상기 차량(1)의 차체(93) 및 금속 섀시를 포함한다.

절연 결함을 검출 및 측정하기 위한 장치(4)는 상기 배터리(2)의 단자들에 연결되고 상기 기계 접지(91)에 연결된다. 그러한 검출 장치(4)의 실시예는 도 2에 개념적으로 상세화된다.

상기 검출 및 측정 장치(4)는 입력 단자들(+Vbat 및 -Vbat)을 포함하는바, 상기 배터리의 전압들(+Vbat 및 -Vbat)은 각각 파워 연결들에 의해 인가된다. 상기 장치(4)는 제1 저항성 쌍극자(41), 제2 저항성 쌍극자(42) 및 제3 저항성 쌍극자(43)를 포함한다. 상기 저항성 쌍극자들(41 및 43)은 상기 기계 접지(91)와 상기 입력 단자(+Vbat) 사이에 직렬로 연결된다. 상기 저항성 쌍극자(42)는 상기 입력 단자(-Vbat)와 상기 기계 접지(91) 사이에 스위치(45)와 직렬로 연결된다.

상기 배터리(2)의 단자들 양단의 전압은 아래에서 Vbat로 표기될 것이며, 쌍극자들(41, 42 및 43) 각각의 저항들은 R1, R2 및 R3으로 표기될 것이다.

검출 및 측정 회로(44)는 상기 제3 쌍극자(43)의 단자들에 연결된다. 상기 검출 및 측정 회로(44)는 상기 스위치(45)를 교대로 열고 닫도록 구성된다. 상기 검출 및 측정 회로(44)는 상기 쌍극자(43)의 단자들 양단의 전압을 측정하고, 그 전압으로부터 절연 결함의 존재, 이 절연 결함의 극성 및/또는 이 절연 결함의 크기를 도출하도록 구성된다.

도 3에는, 단자(+Vbat)와 상기 기계 접지(91) 사이의 저항(Rd1)에 비길 수 있는 절연 결함이 있는 때의 상기 장치(4)의 등가 회로도가 도시된다. 도 4에는 단자(-Vbat)와 상기 기계 접지(91) 사이의 저항(Rd2)에 비길 수 있는 절연 결함이 있는 때의 상기 장치(4)의 등가 회로도가 도시된다. 그러한 장치(4)는 특히 파워 배터리에 대해 적합한 것으로 판명되며, 그것의 정격 전압은 전형적으로 100V보다 높다.

실제로 상기 쌍극자(43)의 단자들 양단의 최대 전압은 상기 기계 접지(91)와 상기 단자(-Vbat) 사이에 단락이 있는 때에 도달된다. 상기 검출 및 측정 회로(4)에 인가되는 전압을 제한하기 위하여, 상기 쌍극자(41)의 저항은 상기 쌍극자(43)의 저항보다 적어도 10배 더 크다. 상기 회로(44)의 단자들에서의 원하는 전압 범위(VoutMax)를 위하여 R3는 다음과 같이 결정될 수 있다:

R3 = (R1*VoutMax)/(Vbat-VoutMax)

상기 회로(44) 내에 흔하기 이용되는 저가의 전자 구성요소들을 채용할 수 있도록 VoutMax는 유리하게 3.5V 이하일 것이다. 게다가, 상기 검출 및 측정 회로(44)가 연결된 상기 단자들의 쌍극자(43)는 유리하게 상기 배터리(2)의 양단자와 상기 접지(91) 사이에 연결됨으로써 상기 검출 및 측정 회로(44)는 양전압들만을 측정한다. 상기 회로(44)는, 대향되는 극성의 단자들에 대한 절연 결함을 측정할 수 있게 하고, 부호(sign)가 바뀌지 않은 채 유지되는 측정 전압(Vout)을 가지고 그렇게 할 수 있게 한다.

상기 쌍극자(43)는 유리하게 상기 기계 접지(91)에 연결된다. 상기 스위치(45)는 유리하게 상기 기계 접지(91)에 연결된다.

상기 스위치(45)가 닫힌 때에 상기 단자(+Vbat)와 상기 접지(91) 사이에만 절연 결함(Rd1)이 있다면 상기 회로(44)의 단자들에 인가되는 전압(Vout)은 다음과 같을 것이다:

상기 스위치(45)가 닫힌 때에 상기 단자(-Vbat)와 상기 접지(91) 사이에만 절연 결함(Rd2)이 있다면 상기 회로(44)의 단자들에 인가되는 전압(Vout)은 다음과 같을 것이다:

이 2개의 수치적 경우에 있어서, 그로부터 상기 절연 결함들의 크기(amplitude)가 도출될 수 있다:

따라서 절연 결함의 크기의 측정은 상기 쌍극자(43)의 단자들 양단의 전압의 DC 성분의 진폭에 기초한다.

도 5 및 6에는 상기 검출 및 측정 회로(44)의 단자들 양단의 전압이 상기 쌍극자들(41 및 42)의 상이한 저항값들에 대한 절연 결함들(Rd1 또는 Rd2)의 크기의 함수로서 도시된다. 이 측정들을 위하여 상기 스위치(45)는 닫힌다. 이 다양한 수치적 경우들에 있어서 상기 저항(R1)은 상기 저항(R3)보다 적어도 100배 크다. R3는 VoutMax = 3.3V이도록 그 치수가 정해진다. 이 다양한 수치적 경우들에 있어서 R1=R2이다.

상기 도표에는 상기 회로(44)가 절연 결함이 검출되지 않는 범위(너무 낮은 진폭의 절연 결함), 측정 범위(절연 결함 크기가 판별될 수 있음) 및 검출 범위(절연 결함이 식별될 수 있으나 그것의 크기는 그렇지 않음)를 가진다는 점이 보여진다.

R1 및 R2의 값들에 있어서의 증가는 절연 결함을 더 일찍 검출할 수 있게 한다는 점이 이해될 수 있다. R1 및 R2의 값들에 있어서의 증가는 또한 상기 측정 범위와 상기 검출 범위 사이의 전이 문턱값(transition threshold)을 증가시킨다. 결과적으로 R1 및 R2의 값들은 유리하게 상기 측정 범위와 비-검출 범위 사이의 전이 문턱값의 함수로서, 그리고 상기 측정 범위에 대하여 요구되는 정도(extent)의 함수로서 선택될 것이다.

실제로, 상기 스위치(45)의 교번적인 열림/닫힘은 상기 회로(44)의 측정 범위의 정도를 증가시킬 수 있게 한다. 게다가 상기 스위치(45)의 교번적인 열림 및 닫힘은 상기 단자(-Vbat) 측 및 상기 단자(+Vbat) 측의 절연 결함들의 동시 존재를 검출할 수 있게 한다. 상기 스위치(45)는, 상기 기계 접지(91)의 양측의 절연 결함들을 보상(compensate)함으로써 절연 결함들의 검출의 부정확성 또는 부족을 회피할 수 있게 한다.

상기 스위치(45)가 닫힌 때에 상기 쌍극자(43)의 단자들 양단의 전압(Vout1)은 다음 공식에 의해 주어진다:

상기 스위치(45)가 열린 때에 상기 쌍극자(43)의 단자들 양단의 전압(Vout2)은 다음 공식에 의해 주어진다:

이에 따라 2개의 미지수들을 가진 2개의 연립 방정식이 얻어지는바, 이에는 다음의 해들이 주어진다:

여기에서 R13= R1+R3 그리고 Vb3=Vbat*R3.

결과적으로, 상기 기계 접지(91)의 일측 또는 타측의 절연 결함이 상기 검출 범위의 전이 문턱값 아래의 저항을 가지지 않는 이상, 상기 회로(44)는 상기 절연 결함들(Rd1 및 Rd2)의 진폭의 측정을 제공할 수 있다.

상기 스위치(45)가 열린 때에 절연 결함의 부재시에 상기 전압(Vout1)은 영이다. 그렇다면 상기 쌍극자들(41 내지 43)의 전기 소비도 영이다. 그렇다면 전압(Vout1)은 절연 결함(Rd2)이 발생한 때에만 증가된다.

상기 스위치(45)가 닫힌 동안에 전기 소비를 제한하기 위하여 상기 스위치는 2% 이하의 듀티 사이클을 가지고 닫히도록 유지될 수 있다. 게다가 유리하게 저항들(R1 및 R2)은 각각 적어도 50 kΩ과 같을 것이다. 상기 스위치(45)의 닫힘은 2 내지 30초 사이의 시간 간격으로 반복될 수 있다.

상기 절연 결함의 크기를 판별하기 위하여 상기 회로(44)는 측정되는 전압(Vout)의 디지털 부호화를 수행할 수 있다. 예를 들어 상기 전압 측정값(Vout)이 상기 회로(44)의 입력부에서 샘플러(sampler)에 의해 12비트에 걸쳐 부호화될 수 있다. 물론 그 부호화 워드(encoding word)의 크기는 측정을 위하여 원하는 정밀도로 적합화될 것이다.

1 MΩ의 저항들(R1 및 R2)에 대하여, 절연 결함들(Rd1=50 kΩ 및 Rd2=1 MΩ)을 가지고 테스트들이 수행되었다. 상기 회로(44)에 의해, 12비트, 10비트, 또는 8비트에 걸친 측정값(Vout)의 부호화를 가지고 10% 미만의 오차로써 Rd1 및 Rd2의 측정값들을 얻는 것을 가능했다.

1 MΩ의 저항들(R1 및 R2)에 대하여, 절연 결함들(Rd1=Rd2=100 kΩ)을 가지고 테스트들이 수행되었다. 상기 회로(44)에 의해, 12비트, 10비트, 또는 8비트에 걸친 측정값(Vout)의 부호화를 가지고 2% 미만의 오차로써 Rd1 및 Rd2의 측정값들을 얻는 것이 가능했다.

결함이 상기 배터리 내에 포함된 셀들 중 하나에서 발생한다면, 상기 전압들(Vbat 및 Vout)은 달라질 것이다. 셀들의 직렬 연결 가운데의 상기 기계 접지(91)와의 단락은 상기 기계 접지(91)의 전위를 변경시키지 않는다. 역으로 상기 스위치(45)의 열림이 그러한 단락을 식별할 수 있게 한다. 구체적으로, 단락의 부재시에 전압(Vout2)은 영일 것이다. 그러한 단락의 존재시에 다음의 값이 얻어진다:

Vout2 = +Vbat*R3/(R1+R3)

따라서 그러한 단락의 존재는 Vout2의 기대값으로부터의 편차에 기초하여 판별될 수 있다.

특히, 상기 저항(R1)이 상기 저항(R2)보다 큰 때에, 예를 들어 R1이 적어도 R2의 2배인 때에, 바람직하게는 R1이 적어도 R2의 3배인 때에 본 발명이 유리하다고 판명된다.

실제로, 이는 상기 측정 범위의 정도를 실질적으로 넓힐 수 있게 한다. 게다가 저항에 있어서의 그러한 차이는, 상기 절연의 강도(strength)를 테스트하기 위하여, 상기 배터리의 각각의 단자(-Vbat 및 +Vbat)와 상기 기계 접지(91) 사이의 전압(Vbat)에 가까운 전압을 인가할 수 있게 한다. 너무 큰 절연 결함이 부재하는 경우에 상기 스위치(45)가 열린 때에 상기 단자(-Vbat)와 상기 기계 접지(91) 사이에 실질적으로 전압(Vbat)이 인가된다. 상기 스위치(45)가 닫힌 때에 상기 저항들(R1 및 R2) 사이의 차이 때문에 Vbat에 가까운 전압이 상기 단자(+Vbat)와 상기 기계 접지(91) 사이에 인가된다. 이 장점들은 상기 장치(4)의 구성요소들에 대한 추가 비용을 유발하지 않은 채 얻어진다.

저항에 있어서 이 큰 차이 때문에, 절연 결함(Rd2)의 부재시에 상기 전압(Vout1)의 변동이 증가된다. 절연 결함(R2)이 있는 때에, 상기 저항(R2)의 낮은 값은 이 절연 결함(Rd2)의 더 큰 측정 민감도를 가능하게 한다.

도 9 및 10의 표들은 각각 동일한 저항들(R1 및 R2)(1 MΩ) 및 상이한 저항들(R1 및 R2)(각각 1 MΩ 및 100 kΩ)을 가지고 수행된 시뮬레이션들에 대응된다. 상기 전압 측정값(Vout)은 이 시뮬레이션들에 대하여 12비트에 걸쳐 부호화된다.

그 표에는 상기 절연 결함들(Rd1 및 Rd2)의 상이한 값 조합들에 대한 결과들이 도시된다.

다음의 표기법이 이용된다:

Mes: 20% 미만의 오차로써 식별되고 그 크기가 측정된 절연 결함;

NDet: 식별되지 않은 절연 결함;

Det: 검출되었으나 측정되지 않은 절연 결함, 또는 20% 초과의 오차로써 측정된 절연 결함;

Imp: 검출 에러(error) 또는 비-검출;

X: 측정 불가.

낮은 저항을 가지는 절연 결함의 정밀한 측정이 수행되지 않았으나 절연 결함의 그러한 정밀도는 필요하지 않은바, 왜냐하면 그 절연 결함은 어떤 경우에도 그 크기가 극심(severe)하지 않은 절연 결함이기 때문이라는 점이 이해될 수 있다.

상기 저항들(R1 및 R2)의 상이한 값들이, 많은 수의 경우들에 있어서 정밀한 측정(10배 덜한 저항들의 결함 측정들), 불가능한 측정의 수의 감소, 및 오류 있는 검출들의 수의 감소를 얻을 수 있게 한다는 점도 이해될 수 있다. 모든 경우에 있어서, 뚜렷한(predominant) 절연 결함이 검출된다.

낮은 값의 저항(R2)의 이용과 함께 이에 직렬인 스위치(45)의 존재로써, 어떠한 경우에도 상기 장치(4)의 전기 소비를 제한하는 동시에 상기 저항들(R1 및 R2) 사이의 그러한 차이의 장점들의 혜택을 입는 것이 가능하게 된다. 유리하게 상기 저항(R2)은, 높은 저항값들을 가지는 절연 결함들(Rd1)을 정밀하게 측정하는 것을 가능하게 하는 충분히 높은 값을 가진다.

상기 쌍극자(43)는 전위차계 또는 스위치드 저항들의 형태로 구현될 수 있으며, 그 저항값은 상기 배터리(2)의 단자들에서의 전압(Vbat)에 비례하도록 제어 회로에 의해 설정된다. 따라서 상기 절연 결함 측정에 상기 배터리(2)의 부하(load)에 있어서의 변동들을 고려될 수 있다. 따라서 그 측정 해상도는 상기 배터리(2)의 부하에 관계없이 동일할 수 있다. 예를 들어 상기 쌍극자(43)는 디지털 전위차계의 형태로 구현될 수 있다. 그러한 전위차계는, 고정된 저항을 가지는 구성요소, 및 이에 직렬 연결된 구성요소로서 저항(R3)에 대하여 요구되는 값 범위의 함수로서 가변인 저항을 가지는 구성요소를 포함할 수 있다. 유리하게 상기 쌍극자들(41 및 42)은 전위차계들일 수 있다. 따라서 측정 범위 정도들은 이 저항값들을 바꿈으로써 변경될 수 있다.

도 11 내지 13에는 절연 결함을 검출하기 위한 장치들의 다양한 변형례들이 도시되는바, 여기에서 상기 스위치(45)는 광커플러(optocoupler)를 포함한다. 광커플러의 이용은, 고전압이 인가되는 단자들을 가지는 쌍극자들(41 내지 43)로부터 상기 스위치(45)의 제어를 격리(isolate)할 수 있게 한다.

이 상이한 변형례들에서 제너 다이오드(431)는 상기 제3 쌍극자(43)와 병렬로 연결된다. 현저한 절연 결함이 있다면 이 다이오드(431)는 상기 회로(44) 내의 과전압을 회피할 수 있게 한다. 이 다양한 변형례들에서 캐패시터(432)가 상기 제3 쌍극자(43)와 병렬로 연결된다. 상기 캐패시터(432)는 고주파 교란들(high-frequency perturbations)을 제거하기 위하여 상기 쌍극자(43)의 단자들 양단의 전압을 필터링할 수 있게 한다.

도 11의 변형례에서 상기 스위치(45)는 단일 광커플러(451)를 포함한다. 상기 광커플러(451)는 양극형의 광트랜지스터를 이용한다. 제너 다이오드(452)는 상기 광커플러(451)와 병렬로 연결된다. 상기 광커플러(451)는 스위치의 기능을 완수하기 위하여 포화 모드(saturation mode)에서 이용된다. 상기 광커플러(451)는 저항기(46)를 통하여 제어 회로(8)에 의해 제어된다. 상기 제너 다이오드(452)는, 가능한 과전압으로부터 광커플러(451)를 보호하는바, 상기 과전압은 상기 배터리(2)에 연결된 요소들로부터, 예를 들어 구동 중의 모터 인버터 또는 재충전 중의 전기 네트워크로부터 올 수 있다. 상기 다이오드(452)의 제너 전압은 상기 광커플러의 전압(VceMax)보다 작고 상기 전압(Vbat)보다 크다. 상기 스위치(45)는 이 경우에 보통 열리며, 그렇다면 상기 스위치(45)의 제어는 정지시에(at rest) 에너지를 소비하지 않는다.

도 12의 변형례에서 상기 스위치(45)는 직렬로 연결된 2개의 광커플러들(451 및 453)을 포함한다. 그러한 구성에 의해, 특히 400V를 초과하는 정격 전압(Vbat)을 가지는 배터리들을 갖춘 상대적으로 흔한 파워 구성요소들(power components)이 이용할 수 있게 된다. 상기 광커플러들(451 및 453)은 양극형의 광트랜지스터들을 이용한다. 제너 다이오드(452)는 상기 광커플러(451)와 병렬로 연결되며, 제너 다이오드(454)는 상기 광커플러(453)와 병렬로 연결된다. 상기 다이오드들(452 및 454)의 제너 전압은 Vbat/2보다 크다. 이 예시에서 상기 광커플러들(452 및 454)의 다이오드들은 직렬로 연결된다. 제어 전압이 직렬로 된 상기 다이오드들을 구동하기에 충분하지 않다면, 병렬 제어 회로가 이용될 수 있다.

도 13의 변형례에서 상기 스위치(45)는, 전계 효과 광트랜지스터(field-effect phototransistor)를 이용하는 광커플러(451)를 포함한다. 이 유형의 광커플러의 더 나은 전압 세기(voltage strength) 때문에, 심지어 상기 전압(Vbat)이 400V를 초과하는 때에도 단일 광커플러(451)가 이용될 수 있다. 그러한 전압 수준에 대하여 직렬로 연결된 복수개의 제너 다이오드들(455 및 456)이 이용되는바, 상기 복수개의 제너 다이오드들(455 및 456)은 분기 내에서(in a branch) 상기 광커플러(451)의 광트랜지스터과 병렬로 연결된다.

도 14에는 검출 및 측정 장치(4)의 검출의 다른 일 변형례가 도시되는바, 여기에서 상기 스위치(45)의 제어는 상기 쌍극자들(41 내지 43)로부터 격리되지 않을 수 있다. 이 예시에서, 상기 스위치(45)는 상기 쌍극자(42)와 상기 기계 접지(91) 사이에 연결된다.

상기 스위치(45)는, 상기 쌍극자(42)와 상기 기계 접지(91) 사이에 직렬로 연결된 PMOS 트랜지스터(462)를 포함한다. 상기 트랜지스터(462)와 병렬로 연결된 분기(branch)는 직렬로 연결된 2개의 제너 다이오드들(455 및 456)을 포함한다. 저항기(48)가 상기 트랜지스터(462)의 게이트와 상기 단자(-Vbat) 사이에 연결된다. 제너 다이오드(457)가 상기 트랜지스터(462)의 게이트와 상기 기계 접지(91) 사이에 연결된다. 게다가 상기 스위치(45)는, 상기 제어 회로(8)에 의해 제어되는 게이트를 가지는 NMOS 트랜지스터(461)를 포함한다. 공급 전압(Vdd)이 상기 트랜지스터(461)의 드레인에 인가되며, 저항기(47)가 상기 트랜지스터(461)의 소스와 상기 트랜지스터(462)의 게이트 사이에 연결된다.

상기 트랜지스터(461)가 열린 때에 상기 제너 다이오드(457)는, 포화 상태(saturation)를 야기하도록 상기 트랜지스터(462)의 게이트에 음전압을 인가하게 할 수 있다. 상기 트랜지스터(461)가 닫힌 때에, 상기 공급 전압(Vdd)이 상기 트랜지스터(462)의 게이트에 인가되며, 이에 따라 상기 트랜지스터가 차단(block)됨으로 이어진다.

자동차(1)의 통합(integration)을 위하여, 상기 검출 및 측정 장치(4)에 의한 절연 결함의 모니터링은 상기 차량을 시동할 때 그리고/또는 구동 중에 수행될 수 있다.

Claims (9)

1. 감전 사고를 유발할 우려가 있는 DC 전압원의 절연 결함을 검출하기 위한 장치(4)로서:
   - 상기 전압원의 단자들에 연결되도록 의도되는 제1 입력 단자 및 제2 입력 단자(-Vbat, +Vbat);
   - 전기 접지(91)와 상기 제2 입력 단자(+Vbat) 사이에 직렬로 연결된 제1 저항성 쌍극자 및 제3 저항성 쌍극자(41, 43)로서, 상기 제1 저항성 쌍극자(41)는 상기 제3 쌍극자(43)의 저항보다 적어도 10배 큰 저항을 가지는, 제1 저항성 쌍극자 및 제3 저항성 쌍극자(41, 43);
   - 상기 제1 입력 단자(-Vbat)와 상기 전기 접지(91) 사이에 직렬로 연결된 제2 저항성 쌍극자(42) 및 스위치(45)로 구성되는 제2 전기적 연결로서, 상기 제2 전기적 연결은 한편으로는 상기 제1 입력 단자에 직접 연결되고 다른 한편으로는 상기 전기 접지에 직접 연결되며, 상기 제1 쌍극자(41)의 저항은 상기 제2 쌍극자(42)의 저항보다 적어도 3배 큰, 제2 전기적 연결; 및
   - 상기 제3 쌍극자(43)의 단자들에 연결되는 검출 회로(44);를 포함하고, 상기 검출 회로는:
   - 상기 스위치를 교대로 열고 닫고;
   - 상기 스위치가 열린 때 및 상기 스위치가 닫힌 때의 상기 제3 쌍극자의 단자들 양단의 전압을 측정하고;
   - 절연 결함의 크기(amplitude)를 측정된 상기 전압들의 함수로서 판별하도록; 구성되는 것을 특징으로 하는, 절연 결함 검출 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 제3 쌍극자(43)는 전위차계, 또는 스위치드 저항들(switched resistors)의 네트워크인, 절연 결함 검출 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 검출 회로(44)는 2 내지 30초 사이의 시간 간격으로 반복적으로 상기 스위치(45)를 닫는, 절연 결함 검출 장치.
4. 전기한 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 검출 회로(44)는 상기 스위치(45)가 2% 이하의 듀티 사이클(duty cycle)로 닫히게 유지하는, 절연 결함 검출 장치.
5. 전기한 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스위치는, 상기 검출 회로(44)에 의해 제어되는 광커플러(optocoupler; 451)를 포함하는, 절연 결함 검출 장치.
6. 전기한 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 쌍극자의 저항 및 상기 제2 쌍극자의 저항 각각은 적어도 50 kΩ과 같은, 절연 결함 검출 장치.
7. - 전기한 항들 중 어느 한 항에 따른 검출 장치(4);
   - 상기 검출 장치의 제1 입력 단자 및 제2 입력 단자에 연결되는 단자들을 가지는 배터리(2);
   - DC 인터페이스 및 AC 인터페이스를 구비한 인버터(6)로서, 상기 배터리의 단자들이 상기 DC 인터페이스에 연결되는, 인버터(6);
   - 상기 인버터(6)의 AC 인터페이스에 연결되는 전기 모터(7);를 포함하는, 동력화 시스템.
8. 제7항에 있어서, 상기 배터리(2)의 단자들 양단의 전압은 100V보다 큰, 동력화 시스템.
9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 동력화 시스템은 제2항에 따른 검출 장치를 포함하고, 상기 검출 회로(44)는, 상기 전위차계(43)의 저항이 상기 배터리(2)의 단자들 양단 전압에 비례하도록 상기 전위차계(43)의 저항을 제어하는, 동력화 시스템.

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