KR20160039987A - 신속하게 절연 저항을 측정할 수 있는 절연 저항 측정 장치 및 방법 - Google Patents

신속하게 절연 저항을 측정할 수 있는 절연 저항 측정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리 팩에 존재하는 기생 콘덴서 성분에도 불구하고, 신속하고 정확하게 절연 저항을 산출할 수 있는 절연 저항 측정 장치 및 방법을 개시한다.
본 발명의 일 측면에 따른 절연 저항 측정 장치는, 배터리 어셈블리의 양극 노드에 연결되는 양극 테스트 저항; 상기 배터리 어셈블리의 음극 노드에 연결되는 음극 테스트 저항; 상기 양극 테스트 저항과 상기 음극 테스트 저항을 각각 상기 배터리 어셈블리의 양극 노드와 음극 노드에 연결하여 소정 회로가 형성되도록 하는 스위치부; 상기 스위치부를 제어하는 스위치 제어부; 상기 양극 테스트 저항에 인가되는 제1 전압 및 상기 음극 테스트 저항에 인가되는 제2 전압을 측정하는 전압 측정부; 및 상기 스위치 제어부의 제어에 따라 상기 소정 회로가 형성된 이후, 상기 전압 측정부가 측정한 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압 중 적어도 하나의 전압을 미리 정해진 주기에 따라 적어도 2주기 이상 독출하고, 상기 독출한 전압을 이용하여 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압 중 적어도 하나의 전압의 최종 수렴값을 추정하는 전압 추정부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

신속하게 절연 저항을 측정할 수 있는 절연 저항 측정 장치 및 방법{Isolation resistance measurement apparatus that can rapidly measure isolation resistance}
본 발명은 절연 저항을 측정하는 기술에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 신속하고 정확하게 절연 저항을 측정할 수 있는 절연 저항 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
한편, 이러한 이차 전지는 단일의 이차 전지로 사용되는 경우도 있지만, 고전압 및/또는 대용량의 전력 저장 장치를 제공하기 위해 복수의 이차 전지가 직렬 및/또는 병렬로 연결된 상태로 사용되는 경우가 많으며, 내부의 이차 전지의 충방전 동작을 전반적으로 제어하는 배터리 관리 장치가 포함된 배터리 팩의 형태로 사용되고 있다.
이와 같은 고전압, 대용량 이차 전지를 사용하는 전력 저장 장치는 절연 상태를 유지하는 것이 매우 중요하다. 만일, 배터리 팩의 절연 상태가 유지되지 않을 경우, 누설 전류(leakage current)가 발생하여 다양한 문제가 야기될 수 있다. 구체적으로는 누설 전류로 인해, 배터리 팩의 수명이 단축될 수 있고, 배터리 팩이 사용되는 전기 장비의 오작동을 야기할 수 있으며, 감전 등과 같은 안전 사고가 발생할 수 있다.
이와 같은 누설 전류가 발생하지 않도록 하기 위해, 배터리 팩에는 절연 저항을 모니터링할 수 있는 절연 저항 측정 장치가 구비되어 있다. 이러한 절연 저항 측정 장치는 수시로 또는 주기적으로 배터리 팩의 절연 저항을 측정하여 배터리 팩 관리 장치로 하여금 절연 상태를 점검할 수 있도록 한다.
도 1은, 종래 기술에 따른 절연 저항 측정 장치가 구비된 배터리 팩의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 배터리 팩은 하나 이상의 배터리 셀(21)의 집합체인 배터리 어셈블리(20)를 포함한다. 그리고, 상기 배터리 어셈블리(20)의 양극 단자와 상기 배터리 어셈블리(20)의 음극 단자에 각각 절연 저항(RLeak (+), RLeak (-))이 구비되어 있다. 상기 절연 저항(RLeak (+), RLeak (-))은 배터리 팩의 절연 상태를 나타내기 위한 등가 저항이라고 할 수 있다. 만약 배터리 팩의 절연 상태가 잘 유지될 경우 상기 절연 저항의 저항값은 충분히 큰 값을 가질 것이고, 이와 달리 배터리 팩의 절연 상태가 깨어질 경우 상기 절연 저항의 저항값은 임계값 이하의 낮은 값을 가질 것이다.
다시 도 1을 참조하면, 배터리 어셈블리(20)의 양극 단자 및 음극 단자에는 절연 저항 측정 장치(10)가 연결되어 있다. 상기 절연 저항 측정 장치(10)는, 내부에 테스트 저항(11) 및 상기 테스트 저항(11)에 인가되는 전압을 측정하는 전압 측정부(12)를 구비하고 있다. 상기 절연 저항 측정 장치(10)는, 전압 측정부(12)를 통해 측정된 전압값을 이용하여 양극측 절연 저항(RLeak (+))과 음극측 절연 저항(RLeak (-))을 산출한다.
문제가 되는 것은, 배터리 팩에는 기생 콘덴서가 존재할 수 있다는 것이다. 이러한 기생 콘덴서 성분을 절연 저항과 마찬가지로 등가 회로로 모델링하면, 절연 저항에 병렬로 연결된 콘덴서로 표현될 수 있다.
도 2는, 절연 저항 및 기생 콘덴서 성분이 표현된 배터리 팩의 등가 회로를 개략적으로 나타낸 도면이다. 즉, 도 2에 도시된 배터리 팩은 절연 저항(RLeak (+), RLeak(-)) 및 절연 저항에 병렬로 연결된 기생 콘덴서(CP (+), CP (-))를 포함한다. 이와 같이, 기생 콘덴서(CP (+), CP (-))가 존재할 경우, 상술한 절연 저항 측정 장치(10)는 전압을 제대로 측정하기 곤란하다. 즉, 기생 콘덴서((CP (+), CP (-)))에 의해 스위칭 후 딜레이가 발생하기 때문에, 전압 측정부(12)가 올바른 전압을 측정하기 위해서는 소정 시간이 경과하여야만 한다.
다시 말해, 기생 콘덴서(CP (+), CP (-))가 존재하지 않는 이상적인 상황에서는 전압값이 스위칭 직후로부터 일정한 값을 갖지만, 기생 콘덴서(CP (+), CP (-))가 존재하는 경우에는, 어느 정도의 시간이 경과 이후에 전압이 안정상태에 도달하게 된다.
따라서, 종래 기술에 따를 경우, 올바른 전압값을 측정하기 위해서는 스위칭 이후 전압이 안정상태에 도달할 정도로 충분한 시간이 흘러야 한다. 바꾸어 말해, 절연 저항 측정 장치(10)가 절연 저항(RLeak (+), RLeak (-))을 산출하는데 있어서 추가적인 지연 시간이 더 필요하다.
요컨대, 종래 기술에 따르면, 배터리 팩에 존재하는 기생 콘덴서 성분(CP (+), CP(-))으로 인해, 절연 저항(RLeak (+), RLeak (-))의 산출이 즉각적으로 이루어지지 못하게 되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 배터리 팩에 존재하는 기생 콘덴서 성분에도 불구하고, 신속하고 정확하게 절연 저항을 산출할 수 있는 절연 저항 측정 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 절연 저항 측정 장치는, 배터리 어셈블리의 양극 노드에 연결되는 양극 테스트 저항; 상기 배터리 어셈블리의 음극 노드에 연결되는 음극 테스트 저항; 상기 양극 테스트 저항과 상기 음극 테스트 저항을 각각 상기 배터리 어셈블리의 양극 노드와 음극 노드에 연결하여 소정 회로가 형성되도록 하는 스위치부; 상기 스위치부를 제어하는 스위치 제어부; 상기 양극 테스트 저항에 인가되는 제1 전압 및 상기 음극 테스트 저항에 인가되는 제2 전압을 측정하는 전압 측정부; 및 상기 스위치 제어부의 제어에 따라 상기 소정 회로가 형성된 이후, 상기 전압 측정부가 측정한 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압 중 적어도 하나의 전압을 미리 정해진 주기에 따라 적어도 2주기 이상 독출하고, 상기 독출한 전압을 이용하여 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압 중 적어도 하나의 전압의 최종 수렴값을 추정하는 전압 추정부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 스위치부는, 상기 배터리 어셈블리의 양극 노드와 상기 양극 테스트 저항을 연결하는 제1 선로 상에 구비되어 선택적으로 턴 온되거나 턴 오프되는 제1 스위치; 및 상기 배터리 어셈블리의 음극 노드와 상기 음극 테스트 저항을 연결하는 제2 선로 상에 구비되어 선택적으로 턴 온되거나 턴 오프되는 제2 스위치를 포함할 수 있다.
상기 소정 회로는, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치가 턴 온된 제1 회로, 상기 제1 스위치는 턴 온되고 상기 제2 스위치는 턴 오프된 제2 회로, 상기 제1 스위치는 턴 오프되고, 상기 제2 스위치는 턴 온된 제3 회로 및 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치가 턴 오프된 제4 회로 중 어느 하나의 회로일 수 있다.
상기 전압 추정부는, 상기 제2 회로가 형성된 후 상기 전압 측정부가 측정한 상기 제1 전압을 상기 미리 정해진 주기에 따라 적어도 2주기 이상 독출하고, 상기 독출한 전압을 이용하여 제1 추정값을 산출하여 상기 제1 추정값을 상기 제1 전압의 최종 수렴값으로 추정할 수 있다.
상기 전압 추정부는, 상기 제3 회로가 형성된 후 상기 전압 측정부가 측정한 상기 제2 전압을 상기 미리 정해진 주기에 따라 적어도 2주기 이상 독출하고, 상기 독출한 전압을 이용하여 제2 추정값을 산출하여 상기 제2 추정값을 상기 제2 전압의 최종 수렴값으로 추정할 수 있다.
상기 절연 저항 측정 장치는, 상기 제2 회로에 대한 회로 방정식인 제2 회로 방정식, 상기 제3 회로에 대한 회로 방정식인 제3 회로 방정식, 상기 제1 추정값 및 상기 제2 추정값을 이용하여 상기 배터리 어셈블리의 양극측 절연 저항과 상기 배터리 어셈블리의 음극측 절연 저항을 산출하는 절연 저항 산출부;를 더 포함할 수 있다.
상기 절연 저항 산출부는, 상기 제2 회로 방정식에 상기 제1 추정값을 대입하고, 상기 제3 회로 방정식에 상기 제2 추정값을 대입한 다음, 상기 제2 회로 방정식과 상기 제3 회로 방정식으로 구성된 연립 2차 방정식의 해를 구하여 상기 배터리 어셈블리의 양극측 절연 저항과 상기 배터리 어셈블리의 음극측 절연 저항을 산출할 수 있다.
상기 전압 추정부는, 상기 전압 측정부가 측정한 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압 중 적어도 하나의 전압을 미리 정해진 주기에 따라 적어도 3주기 이상 독출하고, 상기 독출한 전압을 이용하여 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압 중 적어도 하나의 전압의 최종 수렴값을 추정할 수 있다.
상기 전압 추정부는, 제1 주기에 독출한 제1 독출 전압, 제2 주기에 독출한 제2 독출 전압 및 제3 주기에 독출한 제3 독출 전압을 이용하되, 하기의 수학식을 통해 상기 최종 수렴값을 추정할 수 있다.
Figure pat00001
(여기서, yf = 최종 수렴값, y1 = 제1 독출 전압, y2 = 제2 독출 전압, y3 = 제3 독출 전압)
상기 절연 저항 측정 장치는, 상기 제1 선로 상에 구비된 양극 분배 저항; 및 상기 제2 선로 상에 구비된 음극 분배 저항;을 더 포함할 수 있다.
상기 절연 저항 측정 장치는, 상기 제2 선로 상에 구비된 직류 전원부;를 더 포함할 수 있다.
상기 직류 전원부가 출력하는 전압의 크기는, 상기 전압 측정부가 측정하는 상기 제2 전압이 양수값이 되도록 설정될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 팩은 상술한 절연 저항 측정 장치를 포함한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른 전기 자동차는 상술한 절연 저항 측정 장치를 포함한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른 절연 저항 측정 방법은, 배터리 어셈블리의 양극 노드에 연결되는 양극 테스트 저항; 상기 배터리 어셈블리의 음극 노드에 연결되는 음극 테스트 저항; 상기 양극 테스트 저항과 상기 음극 테스트 저항을 각각 상기 배터리 어셈블리의 양극 노드와 음극 노드에 연결하여 소정 회로가 형성되도록 하는 스위치부; 및 상기 양극 테스트 저항에 인가되는 제1 전압 및 상기 음극 테스트 저항에 인가되는 제2 전압을 측정하는 전압 측정부;를 포함하는 절연 저항 측정 장치를 준비하는 단계; 상기 스위치부를 제어하여 소정 회로를 형성하는 단계; 상기 소정 회로가 형성된 이후, 상기 전압 측정부가 측정한 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압 중 적어도 하나의 전압을 미리 정해진 주기에 따라 적어도 2주기 이상 독출하는 단계; 및 상기 독출 단계에서 독출한 전압을 이용하여 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압 중 적어도 하나의 전압의 최종 수렴값을 추정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 스위치부는, 상기 배터리 어셈블리의 양극 노드와 상기 양극 테스트 저항을 연결하는 제1 선로 상에 구비되어 선택적으로 턴 온되거나 턴 오프되는 제1 스위치; 및 상기 배터리 어셈블리의 음극 노드와 상기 음극 테스트 저항을 연결하는 제2 선로 상에 구비되어 선택적으로 턴 온되거나 턴 오프되는 제2 스위치를 포함할 수 있다.
상기 소정 회로는, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치가 턴 온된 제1 회로, 상기 제1 스위치는 턴 온되고 상기 제2 스위치는 턴 오프된 제2 회로, 상기 제1 스위치는 턴 오프되고 상기 제2 스위치는 턴 온된 제3 회로 및 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치가 턴 오프된 제4 회로 중 어느 하나의 회로일 수 있다.
상기 소정 회로 형성 단계는, 상기 제2 회로를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 독출 단계는, 상기 제2 회로가 형성된 후 상기 제1 전압을 상기 미리 정해진 주기에 따라 적어도 2주기 이상 독출하는 단계를 포함하며, 상기 추정 단계는, 상기 독출 단계에서 독출한 전압을 이용하여 제1 추정값을 산출하여 상기 제1 추정값을 상기 제1 전압의 최종 수렴값으로 추정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 소정 회로 형성 단계는, 상기 제3 회로를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 독출 단계는, 상기 제3 회로가 형성된 후 상기 제2 전압을 상기 미리 정해진 주기에 따라 적어도 2주기 이상 독출하는 단계를 포함하며, 상기 추정 단계는, 상기 독출 단계에서 독출한 전압을 이용하여 제2 추정값을 산출하여 상기 제2 추정값을 상기 제2 전압의 최종 수렴값으로 추정하는 단계를 포함하되, 상기 제3 회로 형성 단계, 상기 제2 전압 독출 단계 및 상기 제2 추정값을 상기 제2 전압의 최종 수렴값으로 추정하는 단계는, 상기 제2 회로 형성 단계, 상기 제1 전압 측정 단계 및 상기 제1 추정값을 상기 제1 전압의 최종 수렴값으로 추정하는 단계 이전 또는 이후에 수행될 수 있다.
상기 절연 저항 측정 방법은, 상기 제2 회로에 대한 회로 방정식인 제2 회로 방정식, 상기 제3 회로에 대한 회로 방정식인 제3 회로 방정식, 상기 제1 추정값 및 상기 제2 추정값을 이용하여 상기 배터리 어셈블리의 양극측 절연 저항과 상기 배터리 어셈블리의 음극측 절연 저항을 산출하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 절연 저항 산출 단계는, 상기 제2 회로 방정식에 상기 제1 추정값을 대입하고, 상기 제3 회로 방정식에 상기 제2 추정값을 대입한 다음, 상기 제2 회로 방정식과 상기 제3 회로 방정식으로 구성된 연립 2차 방정식의 해를 구하여 상기 배터리 어셈블리의 양극측 절연 저항과 상기 배터리 어셈블리의 음극측 절연 저항을 산출할 수 있다.
상기 독출 단계는, 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압 중 적어도 하나의 전압을 미리 정해진 주기에 따라 적어도 3주기 이상 독출하고, 상기 추정 단계는, 상기 독출한 전압을 이용하여 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압 중 적어도 하나의 전압의 최종 수렴값을 추정할 수 있다.
상기 추정 단계는, 제1 주기에 독출한 제1 독출 전압, 제2 주기에 독출한 제2 독출 전압 및 제3 주기에 독출한 제3 독출 전압을 이용하되, 하기의 수학식을 통해 상기 최종 수렴값을 추정할 수 있다.
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(여기서, yf = 최종 수렴값, y1 = 제1 독출 전압, y2 = 제2 독출 전압, y3 = 제3 독출 전압)
본 발명의 일 측면에 따르면, 일정한 시간 간격으로 전압을 독출하고, 독출한 전압을 이용하여 전압의 최종 수렴값을 예측할 수 있다. 즉, 전압이 안정 상태에 도달하기 이전에, 안정 상태의 전압값인 최종 수렴값을 예측하고 이를 이용하여 신속하게 절연 저항을 측정할 수 있다.
이외에도 본 발명은 다른 다양한 효과를 가질 수 있으며, 이러한 본 발명의 다른 효과들은 하기의 설명에 의해 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은, 종래 기술에 따른 절연 저항 측정 장치가 구비된 배터리 팩의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는, 절연 저항 및 기생 콘덴서 성분이 표현된 배터리 팩의 등가 회로를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 저항 측정 장치의 기능적 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 다른 절연 저항 측정 장치가 구비된 배터리 팩의 회로 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는, 도 4의 회로 구성에 대한 제2 회로를 나타낸 도면이다.
도 6은, 도 4의 회로 구성에 대한 제3 회로를 나타낸 도면이다.
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 저항 측정 방법을 나타낸 순서도이다.
도 8은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 절연 저항 측정 방법을 나타낸 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 저항 측정 장치의 기능적 구성을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 저항 측정 장치가 구비된 배터리 팩의 회로 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 저항 측정 장치(100)는, 배터리 팩에 구비된 배터리 어셈블리(200)의 양극 노드(NP) 및 음극 노드(NN)에 연결되어 있다.
여기서, 상기 배터리 어셈블리(200)는, 단일의 배터리 셀(210) 또는 배터리 셀(210)의 집합체를 의미하며, 상기 배터리 셀의 집합체는, 직렬, 병렬 또는 직병렬된 배터리 셀(210)로 구성될 수 있다.
상기 배터리 셀(210)은, 울트라 커패시터를 포함하는 전기 이중층 커패시터 또는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등과 같은 이차 전지일 수 있다.
한편, 상기 배터리 어셈블리(200)의 양극 노드(NP) 및 음극 노드(NN)에는 절연 저항(RLeak (+), RLeak (-))이 연결되어 있다. 즉, 상기 배터리 어셈블리(200)의 양극 노드(NP)에는 양극측 절연 저항(RLeak (+))이 연결되어 있고, 상기 배터리 어셈블리(200)의 음극 노드(NN)에는 음극측 절연 저항(RLeak (-))이 연결되어 있다. 이러한 절연 저항(RLeak (+), RLeak(-))은 배터리 팩의 절연 상태를 나타내기 위한 등가 저항이라고 할 수 있다. 만약 배터리 팩의 절연 상태가 잘 유지될 경우 상기 절연 저항의 저항값은 충분히 큰 값을 가질 것이고, 이와 달리 절연 상태가 깨어질 경우 상기 절연 저항의 저항값은 임계값 이하의 낮은 값을 가질 것이다.
또한, 상기 배터리 어셈블리(200)의 양극 노드(NP) 및 음극 노드(NN)에는 기생 콘덴서(CP(+), CP(-))가 연결되어 있다. 즉, 상기 배터리 어셈블리(200)의 양극 노드(NP)에는 양극측 기생 콘덴서(CP (+))가 연결되어 있고, 상기 배터리 어셈블리(200)의 음극 노드(NN)에는 음극측 기생 콘덴서(CP (-))가 연결되어 있다. 이러한 기생 콘덴서(CP (+), CP (-))는, 상술한 절연 저항(RLeak (+), RLeak (-))과 마찬가지로 콘덴서 성분을 나타내기 위한 등가 콘덴서라고 할 수 있다. 상기 기생 콘덴서(CP (+), CP (-))는 도 4에 도시된 바와 같이, 배터리 어셈블리(200)의 절연 저항(RLeak (+), RLeak (-))에 병렬 연결된 형태로 모델링될 수 있다.
다시 도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 저항 측정 장치(100)는 양극 테스트 저항(110), 음극 테스트 저항(120), 스위치부(130), 전압 측정부(150), 스위치 제어부(140), 전압 추정부(160) 및 절연 저항 산출부(170)를 포함할 수 있다.
상기 양극 테스트 저항(110)은, 배터리 어셈블리(200)의 양극 노드(NP)에 연결될 수 있다. 상기 양극 테스트 저항(110)은 일단이 배터리 어셈블리(200)의 양극 노드(NP)에 연결될 수 있으며, 타단은 접지 노드에 연결될 수 있다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 양극 테스트 저항(110)은 배터리 어셈블리(200)의 양극 노드(NP)와 접지 노드인 그라운드 사이에 구비될 수 있다.
상기 음극 테스트 저항(120)은, 배터리 어셈블리(200)의 음극 노드(NN)에 연결될 수 있다. 상기 음극 테스트 저항(120)은 일단이 배터리 어셈블리(200)의 음극 노드(NN)에 연결될 수 있으며, 타단은 접지 노드에 연결될 수 있다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 음극 테스트 저항(120)은 배터리 어셈블리(200)의 음극 노드(NN)와 접지 노드인 그라운드 사이에 구비될 수 있다.
상기 스위치부(130)는, 상기 테스트 저항과 배터리 어셈블리(200)를 전기적으로 연결시키거나 차단시킬 수 있다. 즉, 상기 스위치부(130)는, 양극 테스트 저항(110)을 배터리 어셈블리(200)의 양극 노드(NP)와 연결시키거나 차단시킬 수 있고, 음극 테스트 저항(120)을 배터리 어셈블리(200)의 음극 노드(NN)와 연결시키거나 차단시킬 수 있다. 이러한 스위치부(130)의 스위칭 동작에 의해, 양극 테스트 저항(110)과 배터리 어셈블리(200)의 양극 단자가 연결되거나 차단될 수 있고, 음극 테스트 저항(120)과 배터리 어셈블리(200)의 음극 단자가 연결되거나 차단될 수 있으며, 이를 통해 소정 회로가 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 스위치부(130)는 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 스위치(SW1)와 제2 스위치(SW2)를 포함할 수 있다.
상기 제1 스위치(SW1)는, 상기 배터리 어셈블리(200)의 양극 노드(NP)와 상기 양극 테스트 저항(110)을 연결하거나 연결을 차단할 수 있다. 상기 제1 스위치(SW1)는, 상기 배터리 어셈블리(200)의 양극 노드(NP)와 상기 양극 테스트 저항(110)을 연결하는 제1 선로(L1) 상에 구비되어 선택적으로 턴 온되거나 턴 오프될 수 있다.
상기 제2 스위치(SW2)는, 상기 배터리 어셈블리(200)의 음극 노드(NN)와 상기 음극 테스트 저항(120)을 연결하거나 연결을 차단할 수 있다. 상기 제2 스위치(SW2)는, 상기 배터리 어셈브리의 음극 노드(NN)와 상기 음극 테스트 저항(120)을 연결하는 제2 선로(L2) 상에 구비되어 선택적으로 턴 온되거나 턴 오프될 수 있다.
상기 스위치 제어부(140)는, 상기 제1 스위치(SW1) 및 상기 제2 스위치(SW2)를 제어할 수 있다. 즉, 상기 스위치 제어부(140)는, 상기 제1 스위치(SW1) 및 상기 제2 스위치(SW2)를 선택적으로 턴 온시키거나 턴 오프시킬 수 있다. 상기 스위치 제어부(140)는 상기 제1 스위치(SW1) 및 상기 제2 스위치(SW2)를 제어하여 소정의 회로를 형성할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 스위치 제어부(140)는 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)를 제어하여 아래와 같은 다양한 회로를 형성할 수 있다.
상기 스위치 제어부(140)는, 상기 제1 스위치(SW1) 및 상기 제2 스위치(SW2)를 턴 온시켜 제1 회로를 형성할 수 있다. 상기 제1 회로는, 양극 테스트 저항(110)은 양극 노드(NP)에 연결되고, 음극 테스트 저항(120)은 음극 노드(NN)에 연결된 회로를 의미한다.
또한, 상기 스위치 제어부(140)는, 상기 제1 스위치(SW1)를 턴 온시키고 상기 제2 스위치(SW2)를 턴 오프시켜 제2 회로를 형성할 수 있다. 상기 제2 회로는, 양극 테스트 저항(110)은 양극 노드(NP)에 연결되고, 음극 테스트 저항(120)은 음극 노드(NN)에 연결되지 않은 회로를 의미한다.
또한, 상기 스위치 제어부(140)는, 상기 제1 스위치(SW1)를 턴 오프시키고 상기 제2 스위치(SW2)를 턴 온시켜 제3 회로를 형성할 수 있다. 상기 제3 회로는, 양극 테스트 저항(110)은 양극 노드(NP)에 연결되지 않고, 음극 테스트 저항(120)은 음극 노드(NN)에 연결된 회로를 의미한다.
또한, 상기 스위치 제어부(140)는, 상기 제1 스위치(SW1) 및 상기 제2 스위치(SW2)를 턴 오프시켜 제4 회로를 형성할 수 있다. 상기 제4 회로는, 양극 테스트 저항(110)은 양극 노드(NP)에 연결되지 않고 음극 테스트 저항(120)은 음극 노드(NN)에 연결되지 않은 회로를 의미한다.
이와 같이, 상기 스위치 제어부(140)는, 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)를 제어하여 다양한 서로 다른 회로를 형성할 수 있다.
상기 전압 측정부(150)는, 상기 양극 테스트 저항(110)에 인가되는 전압과 상기 음극 테스트 저항(120)에 인가되는 전압을 측정할 수 있다. 여기서, 양극 테스트 저항(110)에 인가되는 전압은 제1 전압, 음극 테스트 저항(120)에 인가되는 전압은 제2 전압이라고 명명될 수 있다. 또한, 상기 전압 측정부(150)는, 양극 전압 측정부(150) 및 음극 전압 측정부(150)로 구성될 수 있다. 즉, 상기 전압 측정부(150)는, 양극 테스트 저항(110)에 인가되는 전압을 측정하는 양극 전압 측정부와 음극 테스트 저항(120)에 인가되는 전압을 측정하는 음극 전압 측정부로 세분화될 수 있다.
상기 전압 추정부(160)는, 스위치 제어부(140)의 제어에 따라 소정 회로가 형성된 다음 제1 전압 및 제2 전압 중 적어도 하나의 전압의 최종 수렴값을 추정할 수 있다. 즉, 상기 전압 추정부(160)는, 스위치 제어부(140)의 제어에 따라 소정 회로가 형성된 다음 제1 전압이 안정 상태에 도달했을 때의 전압값을 추정하거나, 제2 전압이 안정 상태에 도달했을 때의 전압값을 추정할 수 있다.
발명의 배경이 되는 기술에서 전술한 바와 같이, 배터리 팩에는 기생 콘덴서(CP (+), CP (-))가 존재하기 때문에, 스위치 제어부(140)의 제어에 따라 소정 회로가 형성된 다음, 전압 측정부(150)가 곧바로 제1 전압 또는 제2 전압을 측정하면 과도 상태의 전압값이 측정될 수 있다. 따라서, 안정 상태에서의 제1 전압 및 제2 전압을 측정하기 위해서는 충분히 시간이 경과될 필요가 있다.
상기 전압 추정부(160)는, 제1 전압 또는 제2 전압이 안정 상태에 도달하기까지 기다리지 않고, 제1 전압 또는 제2 전압이 안정 상태에 도달했을 때의 전압값인 최종 수렴값을 추정함으로써, 신속하게 절연 저항을 측정할 수 있도록 할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 전압 추정부(160)는, 스위치 제어부(140)의 제어에 따라 소정 회로가 형성된 이후, 상기 전압 측정부(150)가 측정한 제1 전압 및 제2 전압 중 적어도 하나의 전압을 미리 정해진 주기에 따라 적어도 2주기 이상 독출하고, 독출한 전압을 이용하여 제1 전압 및 제2 전압 중 적어도 하나의 전압의 최종 수렴값을 추정할 수 있다.
일 예로, 상기 전압 추정부(160)는, 스위치 제어부(140)의 제어에 따라 제2 회로가 형성된 이후 제1 전압에 대한 최종 수렴값을 추정할 수 있다. 상기 전압 추정부(160)는, 제2 회로가 형성된 이후, 상기 전압 측정부(150)가 측정한 제1 전압을 이용하여 제1 전압의 최종 수렴값을 추정할 수 있다. 즉, 상기 전압 추정부(160)는, 상기 전압 측정부(150)가 측정한 제1 전압을 이용하되, 미리 정해진 주기에 따라 제1 전압을 2주기 이상 독출할 수 있다. 상기 전압 추정부(160)는, 미리 정해진 주기에 따라 2주기 이상 독출하고, 2주기 이상 독출한 제1 전압을 이용하여 제1 전압의 최종 수렴값을 추정할 수 있다. 여기서, 제1 전압의 최종 수렴값으로 추정된 값은 제1 추정값이라고 명명될 수 있다.
유사한 방법으로, 상기 전압 추정부(160)는, 스위치 제어부(140)의 제어에 따라 제3 회로가 형성된 후 상기 제2 전압에 대한 최종 수렴값을 추정할 수 있다. 상기 전압 추정부(160)는, 제3 회로가 형성된 이후, 상기 전압 측정부(150)가 측정한 제2 전압을 이용하여 제2 전압의 최종 수렴값을 추정할 수 있다. 즉, 상기 전압 추정부(160)는, 상기 전압 측정부(150)가 측정한 제2 전압을 이용하되, 미리 정해진 주기에 따라 제2 전압을 2주기 이상 독출하고, 2주기 이상 독출한 제2 전압을 이용하여 제2 전압의 최종 수렴값을 추정할 수 있다. 여기서, 제2 전압의 최종 수렴값으로 추정된 값은 제2 추정값이라고 명명될 수 있다.
상기 전압 추정부(160)에 의해 제1 전압의 최종 수렴값 및 제2 전압의 최종 수렴값이 결정되면, 절연 저항 측정 장치(100)는, 제1 전압 및 제2 전압의 최종 수렴값을 이용하여 배터리 어셈블리(200)의 양극측 절연 저항(RLeak (+))과 음극측 절연 저항(RLeak (-))을 산출할 수 있다.
상기 절연 저항 산출부(170)는, 제1 전압의 최종 수렴값 및 제2 전압의 최종 수렴값을 이용하여 배터리 어셈블리(200)의 양극측 절연 저항(RLeak (+))과 배터리 어셈블리(200)의 음극측 절연 저항(RLeak (-))을 산출할 수 있다. 보다 구체적으로 상기 절연 저항 산출부(170)는, 상기 최종 수렴값을 산출하는 근거가 된 회로에 대한 회로 방정식과 최종 수렴값을 이용하여 배터리 어셈블리(200)의 양극측 절연 저항(RLeak (+))과 음극측 절연 저항(RLeak (-))을 산출할 수 있다.
한편, 이와 같이, 절연 저항을 산출함에 있어서, 전압의 최종 수렴값을 예측하고 이를 이용함으로써, 절연 저항의 산출이 신속하게 이루어질 수 있다. 이하, 구체적인 절연 저항 산출 과정의 일 실시예를 설명하도록 한다.
일 실시예에 따르면, 절연 저항 산출은 다음과 같은 과정을 통해 수행될 수 있다.
먼저, 스위치 제어부(140)는, 스위치를 제어하여, 도 5에 도시된 바와 같이, 제2 회로를 형성한다. 즉, 스위치 제어부(140)는, 양극 테스트 저항(110)과 배터리 어셈블리(200)의 양극 노드(NP)가 전기적으로 연결되되, 음극 테스트 저항(120)과 배터리 어셈블리(200)의 음극 노드(NN)는 전기적으로 연결되지 않도록 스위치부(130)를 제어한다. 이어서, 전압 측정부(150)는, 제2 회로가 형성된 후 양극 테스트 저항(110)에 인가되는 전압인 제1 전압을 측정한다. 다음으로, 전압 추정부(160)는, 상기 전압 측정부(150)가 측정한 제1 전압을 미리 정해진 주기에 따라 2주기 이상 독출한다. 예를 들어, 전압 추정부(160)는, 제2 회로가 형성된 시점으로부터 임의의 시간인 t1이 경과한 이후로부터 미리 정해진 주기인 D1주기에 따라 3주기 동안의 제1 전압을 독출한다. 즉, 전압 추정부(160)는, t1+D1 시점에서의 제1 전압인 제1 독출 전압, t1+2*D1 시점에서의 제1 전압인 제2 독출 전압 및 t1+3*D1 시점에서의 제1 전압인 제3 독출 전압을 독출한다. 그 다음으로, 상기 전압 추정부(160)는, 상기 독출된 제1 전압을 이용하여 제1 전압의 최종 수렴값을 추정한다. 이와 같은 과정에 의해 제1 전압의 최종 수렴값이 추정되면, 유사한 방법을 통해 제2 전압의 최종 수렴값을 추정한다.
스위치 제어부(140)는, 스위치를 제어하여, 도 6에 도시된 바와 같이, 제3 회로를 형성한다. 즉, 스위치 제어부(140)는, 음극 테스트 저항(120)과 배터리 어셈블리(200)의 음극 노드(NN)가 전기적으로 연결되되, 양극 테스트 저항(110)과 배터리 어셈블리(200)의 양극 노드(NP)는 전기적으로 연결되지 않도록 스위치부(130)를 제어한다. 이어서, 전압 측정부(150)는, 제3 회로가 형성된 후 음극 테스트 저항(120)에 인가되는 전압인 제2 전압을 측정한다. 다음으로, 전압 추정부(160)는, 상기 전압 측정부(150)가 측정한 제2 전압을 미리 정해진 주기에 따라 2주기 이상 독출한다. 한편, 제2 전압을 독출하는 주기는 상기 제1 전압을 독출하는 주기와 같을 수 있으나, 다르게 설정되어도 무방하다. 전압 추정부(160)는, 제1 전압을 독출할 때와 마찬가지로, 제3 회로가 형성된 시점으로부터 임의의 시간인 t2가 경과한 이후로부터 미리 정해진 주기인 D2 주기에 따라 3주기 동안의 제2 전압을 독출한다. 즉, 전압 추정부(160)는, t2+D2 시점에서의 제2 전압인 제1 독출 전압, t2+2*D2 시점에서의 제2 전압인 제2 독출 전압 및 t2+3*D2 시점에서의 제2 전압인 제3 독출 전압을 독출한다. 그 다음으로, 상기 전압 추정부(160)는, 상기 독출된 제2 전압을 이용하여 제2 전압의 최종 수렴값을 추정한다.
이와 같이 제1 전압의 최종 수렴값과 제2 전압의 최종 수렴값이 추정되면, 상기 제1 전압의 최종 수렴값을 결정하는 근거가 된 회로인 제2 회로에 대한 회로 방정식인 제2 회로 방정식과, 상기 제2 전압의 최종 수렴값을 결정하는 근거가 된 회로인 제3 회로에 대한 회로 방정식인 제3 회로 방정식을 이용하여 배터리 어셈블리(200)의 양극측 절연 저항(RLeak (+))과 음극측 절연 저항(RLeak (-))을 산출한다. 즉, 절연 저항 산출부(170)는, 제2 회로 방정식, 제3 회로 방정식, 제1 전압의 최종 수렴값인 제1 추정값 및 제2 전압의 최종 수렴값인 제2 추정값을 이용하여 배터리 어셈블리(200)의 양극측 절연 저항(RLeak (+))과 음극측 절연 저항(RLeak (-))을 산출한다.
보다 구체적으로는, 상기 절연 저항 산출부(170)는, 제2 회로 방정식에 제1 추정값을 대입하고, 제3 회로 방정식에 제2 추정값을 대입하여, 양극측 절연 저항 (RLeak(+))및 음극측 절연 저항(RLeak (-))을 미지수로 하는 2개의 방정식을 도출할 수 있다. 즉, 상기 절연 저항 산출부(170)는, 제1 추정값이 대입된 제2 회로 방정식과 제2 추정값이 대입된 제3 회로 방정식으로 구성된 연립 2차 방정식을 도출할 수 있다. 상기 절연 저항 산출부(170)는, 이러한 연립 2차 방정식을 풀이하여, 2개의 미지수에 대한 해를 구할 수 있다. 즉, 상기 절연 저항 산출부(170)는, 상기 연립 2차 방정식을 풀이하여, 미지수인 양극측 절연 저항(RLeak (+)) 및 음극측 절연 저항(RLeak (-))을 산출할 수 있다.
바람직하게는, 상기 전압 추정부(160)는, 전압의 최종 수렴값을 추정함에 있어서, 3주기 이상의 전압을 독출하고 3주기 이상의 전압을 이용할 수 있다. 즉, 상기 전압 추정부(160)는, 상기 전압 측정부(150)가 측정한 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압 중 적어도 하나의 전압을 미리 정해진 주기에 따라 적어도 3주기 이상 독출하고, 상기 독출한 전압을 이용하여 상기 제1 전압 및 제2 전압 중 적어도 하나의 전압의 최종 수렴값을 추정할 수 있다.
일 예로, 상기 전압 추정부(160)는, 3주기의 전압을 독출하고, 하기의 수학식을 통해 최종 수렴값을 추정할 수 있다. 즉, 상기 전압 추정부(160)는, 제1 주기에 독출한 제1 독출 전압, 제2 주기에 독출한 제2 독출 전압 및 제3 주기에 독출한 제3 독출 전압을 하기의 수학식에 대입하여 최종 수렴값을 추정할 수 있다.
Figure pat00003
여기서, yf는 최종 수렴값이고, y1은 제1 독출 전압이며, y2는 제2 독출 전압이고, y3는 제3 독출 전압이다.
예를 들어, 제1 전압의 최종 수렴값을 추정하기 위해, 상기 전압 추정부(160)는, 제1 전압에 대해 3주기의 전압을 독출할 수 있다. 즉, 상기 전압 추정부(160)는 제1 전압에 대한 제1 독출 전압, 제2 독출 전압 및 제3 독출 전압을 독출할 수 있다. 그리고, 상기 전압 추정부(160)는, 독출한 전압값을 상기 수학식에 대입하여 제1 전압에 대한 최종 수렴값을 추정할 수 있다.
이와 마찬가지의 방법으로 제2 전압의 최종 수렴값을 추정할 수 있으며, 반복적인 설명은 생략하도록 한다.
한편, 상기 수학식 1에 의해 전압의 최종 수렴값이 도출되는 과정은 다음과 같다.
측정의 대상이 되는 전압은, 테스트 저항에 인가되는 전압으로서, 테스트 저항에 인가되는 전압은 콘덴서 성분의 영향으로 인해, 다음과 같은 수학식으로 표현될 수 있다. 즉, 테스트 저항에 인가되는 전압은, 저항 성분과 콘덴서 성분의 영향으로 인해, 1차 RC회로에 대한 응답으로 표현될 수 있다.
Figure pat00004
여기서, v(t)는 테스트 저항에 인가되는 전압이고, yf는 v(t)의 최종 수렴값이며, yi는 v(t)의 초기값이고, R은 소정 회로의 등가 저항이며, C는 소정 회로의 콘덴서 또는 커패시턴스이다.
상기 수학식 2의 양변에 yf를 빼면 상기 수학식 2는 아래의 수학식으로 표현될 수 있다.
Figure pat00005
t1, t2, t3에서 측정된 v(t)를 각각 y1, y2, y3라고 하고, 수학식 3의 t에 각각 t1, t2, t3를 대입하면 아래의 3개의 수학식이 도출된다.
Figure pat00006
Figure pat00007
Figure pat00008
상기 수학식 4를 상기 수학식 5로 나누고, 상기 수학식 5를 상기 수학식 6으로 나누면, 다음과 같은 수학식이 도출된다.
Figure pat00009
Figure pat00010
상기 수학식 7 및 수학식 8에서, t1, t2 및 t3가 같은 간격으로 측정되었을 경우, 상기 수학식 7의 우변인 지수함수 부분과 상기 수학식 8의 우변인 지수함수 부분은 동일한 값을 가지게 된다. 따라서, 수학식 7과 수학식 8은 다음과 같은 관계를 가진다.
Figure pat00011
상기 수학식 9를 yf에 대하여 정리하면 수학식 1이 도출된다. 따라서, 수학식 1에 제1 독출 전압, 제2 독출 전압 및 제3 독출 전압을 대입하여, 전압의 최종 수렴값을 구할 수 있다.
선택적으로, 상기 전압 추정부(160)는, 최종 수렴값을 반복적으로 추정할 수 있다. 이때, 전압 추정부(160)는, 동일한 주기에 대한 최종 수렴값을 반복적으로 추정할 수도 있고, 이와 달리, 다른 주기에 대한 최종 수렴값을 반복적으로 추정할 수도 있다. 그리고, 반복적으로 추정된 최종 수렴값들에 대한 산술 평균값을 산출하여 최종 수렴값을 추정할 수도 있다.
또한 선택적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 저항 측정 장치(100)는, 전압 분배 저항을 더 포함할 수 있다. 다시 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 저항 측정 장치(100)는 제1 선로(L1) 상에 구비된 양극 분배 저항(RDP) 및 제2 선로(L2) 상에 구비된 음극 분배 저항(RDN)을 포함한다. 상기 양극 분배 저항(RDP) 및 음극 분배 저항(RDN)은 각각 양극 테스트 저항(110)과 음극 테스트 저항(120)과 직렬 연결된다. 즉, 상기 양극 분배 저항(RDP)은 양극 테스트 저항(110)과 직렬 연결되어 양극 테스트 저항(110)에 인가되는 전압을 적절한 수준으로 조절할 수 있다. 마찬가지로, 상기 음극 분배 저항(RDN)은 음극 테스트 저항(120)과 직렬 연결되어 음극 테스트 저항(120)에 인가되는 전압을 적절한 수준으로 조절할 수 있다.
또한 선택적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 저항 측정 장치(100)는, 제2 선로(L2) 상에 구비된 직류 전원부(VDC)를 더 포함할 수 있다. 즉, 절연 저항 측정 장치(100)는, 음극 테스트 저항(120)에 소정 전압을 인가하는 직류 전원부(VDC)를 더 포함할 수 있다. 음극 테스트 저항(120)은 배터리 어셈블리(200)의 음극 노드(NN)에 연결되므로 음극 테스트 저항(120)에 인가되는 전압값은 양수값이 아닐 수 있다. 따라서, 음극 테스트 저항(120)에 인가되는 전압값이 양수값이 되도록 하기 위해 제2 선로(L2) 상에는 직류 전원부(VDC)가 구비될 수 있다. 그리고, 이러한 직류 전원부(VDC)가 출력하는 전압의 크기는, 음극 테스트 저항(120)에 인가되는 제2 전압이 양수값이 되도록 설정될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상술한 절연 저항 측정 장치(100)는, 배터리 팩에 포함될 수 있다. 즉, 본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 팩은, 상술한 절연 저항 측정 장치(100)를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상술한 절연 저항 측정 장치(100)는, 전기 자동차에 포함될 수 있다. 즉, 본 발명의 또 다른 측면에 따른 전기 자동차는, 상술한 절연 저항 측정 장치(100)를 포함할 수 있다. 여기서, 전기 자동차는, 전기 에너지를 동력원으로 하는 운송 수단으로서, 전기 자동차 뿐만 아니라 하이브리드 자동차를 포함한다.
이하, 본 발명의 또 다른 측면에 따른 절연 저항 측정 방법에 대해 설명하도록 한다. 본 발명의 또 다른 측면에 따른 절연 저항 측정 방법에 대해서는, 상술한 절연 저항 측정 장치에 대한 설명 등이 그대로 적용될 수 있으므로 반복적은 부분에 대한 설명은 생략하도록 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 절연 저항 측정 방법은, 상술한 절연 저항 측정 장치를 이용하여 절연 저항을 측정하는 방법으로서, 상기 절연 저항 측정 방법을 수행하는 각 단계의 주체는 상술한 절연 저항 측정 장치의 각 구성요소일 수 있다.
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 저항 측정 방법을 나타낸 순서도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 저항 측정 방법은, 먼저, 양극 테스트 저항(110), 음극 테스트 저항(120), 스위치부(130) 및 전압 측정부(150)를 포함하는 절연 저항 측정 장치를 준비한다(S710). 여기서, 양극 테스트 저항(110)은 배터리 어셈블리(200)의 양극 노드(NP)에 연결되고, 음극 테스트 저항(120)은 배터리 어셈블리(200)의 음극 노드(NN)에 연결될 수 있다. 그리고, 스위치부(130)는 상기 양극 테스트 저항(110)과 상기 음극 테스트 저항(120)을 각각 상기 배터리 어셈블리(200)의 양극 노드(NP)와 음극 노드(NN)에 연결하여 소정 회로가 형성되도록 할 수 있으며, 상기 전압 측정부(150)는 상기 양극 테스트 저항(110)에 인가되는 제1 전압 및 상기 음극 테스트 저항(120)에 인가되는 제2 전압을 측정할 수 있다.
상기 스위치부(130)는, 제1 스위치(SW1)와 제2 스위치(SW2)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제1 스위치(SW1)는 상기 배터리 어셈블리(200)의 양극 노드(NP)와 상기 양극 테스트 저항(110)을 연결하는 제1 선로(L1) 상에 구비되어 선택적으로 턴 온되거나 턴 오프될 수 있다. 또한, 상기 제2 스위치(SW2)는 상기 배터리 어셈블리(200)의 음극 노드(NN)와 상기 음극 테스트 저항(120)을 연결하는 제2 선로(L2) 상에 구비되어 선택적으로 턴 온되거나 턴 오프될 수 있다.
이어서, 상기 절연 저항 측정 방법은, 상기 스위치부(130)를 제어하여 소정 회로를 형성하는 단계를 수행할 수 있다(S720). 여기서, 상기 소정 회로는, 상술한 제1 회로, 제2 회로, 제3 회로 및 제4 회로 중 어느 하나의 회로일 수 있다.
다음으로, 상기 절연 저항 측정 방법은 상기 소정 회로가 형성된 이후, 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압 중 적어도 하나의 전압을 미리 정해진 주기에 따라 적어도 2주기 이상 독출하는 단계를 수행할 수 있다(S730).
바람직하게는, 상기 독출 단계(S730)는, 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압 중 적어도 하나의 전압을 미리 정해진 주기에 따라 적어도 3주기 이상 독출할 수 있다. 일 예로, 상기 독출 단계(S730)는 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압 중 적어도 하나의 전압을 미리 정해진 주기에 따라 3회 독출할 수 있다. 이때, 제1 주기에 독출된 전압을 제1 독출 전압, 제2 주기에 독출된 전압을 제2 독출 전압, 제3 주기에 독출된 전압을 제3 독출 전압이라고 할 수 있다.
그 다음으로, 상기 절연 저항 측정 방법은, 상기 독출 단계(S730)에서 독출한 전압을 이용하여 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압 중 적어도 하나의 전압의 최종 수렴값을 추정하는 단계를 수행할 수 있다(S740).
바람직하게는, 상기 추정 단계(S740)는 상기 독출 단계에서 3주기 동안 독출한 전압을 이용하되, 하기의 수학식1을 통해 최종 수렴값을 추정할 수 있다.
(수학식 1)
Figure pat00012
여기서, yf는 최종 수렴값이고, y1은 제1 독출 전압이며, y2는 제2 독출 전압이고, y3는 제3 독출 전압이다.
그 다음으로, 상기 절연 저항 측정 방법은, 상기 전압의 최종 수렴값을 이용하여 배터리 어셈블리(200)의 절연 저항을 산출하는 단계를 수행할 수 있다(S750).
도 8은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 절연 저항 측정 방법을 나타낸 순서도이다.
도 8에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따른 절연 저항 측정 방법은, 제2 회로를 형성하고, 제1 전압에 대한 최종 수렴값을 추정한 다음, 제3 회로를 형성하고, 제2 전압에 대한 최종 수렴값을 추정하여, 절연 저항을 측정하는 방법이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 절연 저항 측정 방법은, 먼저, 양극 테스트 저항(110), 음극 테스트 저항(120), 스위치부(130) 및 전압 측정부(150)를 포함하는 절연 저항 측정 장치를 준비하는 단계를 수행한다(S810).
이어서, 상기 절연 저항 측정 방법은, 상기 스위치부(130)를 제어하여 제2 회로를 형성하는 단계를 수행한다(S820).
다음으로, 상기 절연 저항 측정 방법은, 상기 제2 회로가 형성된 후 제1 전압을 미리 정해진 주기에 따라 3주기 독출하는 단계를 수행한다(S830).
그 다음으로, 상기 절연 저항 측정 방법은, 상기 제1 전압에 대한 제1 독출 전압, 제2 독출 전압 및 제3 독출 전압을 상술한 수학식1에 대입하여 제1 전압에 대한 최종 수렴값인 제1 추정값을 추정하는 단계를 수행한다(S840).
그 다음으로, 상기 절연 저항 측정 방법은, 상기 스위치부(130)를 제어하여 제3 회로를 형성하는 단계를 수행한다(S850).
그 다음으로, 상기 절연 저항 측정 방법은, 상기 제3 회로가 형성된 후 제2 전압을 미리 정해진 주기에 따라 3주기 독출하는 단계를 수행한다(S860).
그 다음으로, 상기 절연 저항 측정 방법은, 상기 제2 전압에 대한 제1 독출 전압, 제2 독출 전압 및 제3 독출 전압을 상술한 수학식1에 대입하여 제2 전압에 대한 최종 수렴값인 제2 추정값을 추정하는 단계를 수행한다(S870).
그 다음으로, 상기 절연 저항 측정 방법은, 상기 제2 회로에 대한 회로 방정식인 제2 회로 방정식과 상기 제3 회로에 대한 회로 방정식인 제3 회로 방정식, 상기 제1 추정값 및 상기 제2 추정값을 이용하여 배터리 어셈블리(200)의 양극측 절연 저항(RLeak (+))과 음극측 절연 저항(RLeak (-))을 산출하는 단계를 수행한다(S880).
선택적으로, 상기 절연 저항 산출 단계(S880)는, 상기 제2 회로 방정식에 제1 추정값을 대입하고, 상기 제3 회로 방정식에 제2 추정값을 대입한 다음, 상기 제2 회로 방정식과 상기 제3 회로 방정식으로 구성된 연립 2차 방정식의 해를 구하여 상기 배터리 어셈블리(200)의 양극측 절연 저항(RLeak (+))과 상기 배터리 어셈블리(200)의 음극측 절연 저항(RLeak (-))을 산출할 수 있다.
한편, 도 8에서, 제1 전압에 대한 최종 수렴값을 추정하기 위한 단계들(S820, S830, S840)은 제2 전압에 대한 최종 수렴값을 추정하는 단계들(S850, S860, S870)보다 먼저 수행되는 것처럼 도시되어 있으나, 본 발명이 이러한 순서에 한정되는 것은 아니다. 즉, 제2 전압에 대한 최종 수렴값을 추정하는 단계들(S850, S860, S870)이 제1 전압에 대한 최종 수렴값을 추정하는 단계들(S820, S830, S840)보다 먼저 수행될 수도 있음은 물론이다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
본 명세서의 개별적인 실시예에서 설명된 특징들은 단일 실시예에서 결합되어 구현될 수 있다. 반대로, 본 명세서에서 단일 실시예에서 설명된 다양한 특징들은 개별적으로 다양한 실시예에서 구현되거나, 적절한 부결합(subcombination)에서 구현될 수 있다.
100: 절연 저항 측정 장치
110: 양극 테스트 저항
120: 음극 테스트 저항
130: 스위치부
140: 스위치 제어부
150: 전압 측정부
160: 전압 추정부
170: 절연 저항 산출부
RLeak (+): 양극측 절연 저항
RLeak (-): 음극측 절연 저항
CP (+), CP (-): 기생 콘덴서

Claims (23)

  1. 배터리 어셈블리의 양극 노드에 연결되는 양극 테스트 저항;
    상기 배터리 어셈블리의 음극 노드에 연결되는 음극 테스트 저항;
    상기 양극 테스트 저항과 상기 음극 테스트 저항을 각각 상기 배터리 어셈블리의 양극 노드와 음극 노드에 연결하여 소정 회로가 형성되도록 하는 스위치부;
    상기 스위치부를 제어하는 스위치 제어부;
    상기 양극 테스트 저항에 인가되는 제1 전압 및 상기 음극 테스트 저항에 인가되는 제2 전압을 측정하는 전압 측정부; 및
    상기 스위치 제어부의 제어에 따라 상기 소정 회로가 형성된 이후, 상기 전압 측정부가 측정한 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압 중 적어도 하나의 전압을 미리 정해진 주기에 따라 적어도 2주기 이상 독출하고, 상기 독출한 전압을 이용하여 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압 중 적어도 하나의 전압의 최종 수렴값을 추정하는 전압 추정부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 절연 저항 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위치부는, 상기 배터리 어셈블리의 양극 노드와 상기 양극 테스트 저항을 연결하는 제1 선로 상에 구비되어 선택적으로 턴 온되거나 턴 오프되는 제1 스위치; 및 상기 배터리 어셈블리의 음극 노드와 상기 음극 테스트 저항을 연결하는 제2 선로 상에 구비되어 선택적으로 턴 온되거나 턴 오프되는 제2 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 절연 저항 측정 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 소정 회로는, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치가 턴 온된 제1 회로, 상기 제1 스위치는 턴 온되고 상기 제2 스위치는 턴 오프된 제2 회로, 상기 제1 스위치는 턴 오프되고, 상기 제2 스위치는 턴 온된 제3 회로 및 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치가 턴 오프된 제4 회로 중 어느 하나의 회로인 것을 특징으로 하는 절연 저항 측정 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 전압 추정부는, 상기 제2 회로가 형성된 후 상기 전압 측정부가 측정한 상기 제1 전압을 상기 미리 정해진 주기에 따라 적어도 2주기 이상 독출하고, 상기 독출한 전압을 이용하여 제1 추정값을 산출하여 상기 제1 추정값을 상기 제1 전압의 최종 수렴값으로 추정하는 것을 특징으로 하는 절연 저항 측정 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 전압 추정부는, 상기 제3 회로가 형성된 후 상기 전압 측정부가 측정한 상기 제2 전압을 상기 미리 정해진 주기에 따라 적어도 2주기 이상 독출하고, 상기 독출한 전압을 이용하여 제2 추정값을 산출하여 상기 제2 추정값을 상기 제2 전압의 최종 수렴값으로 추정하는 것을 특징으로 하는 절연 저항 측정 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 절연 저항 측정 장치는, 상기 제2 회로에 대한 회로 방정식인 제2 회로 방정식, 상기 제3 회로에 대한 회로 방정식인 제3 회로 방정식, 상기 제1 추정값 및 상기 제2 추정값을 이용하여 상기 배터리 어셈블리의 양극측 절연 저항과 상기 배터리 어셈블리의 음극측 절연 저항을 산출하는 절연 저항 산출부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 절연 저항 측정 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 절연 저항 산출부는, 상기 제2 회로 방정식에 상기 제1 추정값을 대입하고, 상기 제3 회로 방정식에 상기 제2 추정값을 대입한 다음, 상기 제2 회로 방정식과 상기 제3 회로 방정식으로 구성된 연립 2차 방정식의 해를 구하여 상기 배터리 어셈블리의 양극측 절연 저항과 상기 배터리 어셈블리의 음극측 절연 저항을 산출하는 것을 특징으로 하는 절연 저항 측정 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압 추정부는, 상기 전압 측정부가 측정한 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압 중 적어도 하나의 전압을 미리 정해진 주기에 따라 적어도 3주기 이상 독출하고, 상기 독출한 전압을 이용하여 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압 중 적어도 하나의 전압의 최종 수렴값을 추정하는 것을 특징으로 하는 절연 저항 측정 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 전압 추정부는, 제1 주기에 독출한 제1 독출 전압, 제2 주기에 독출한 제2 독출 전압 및 제3 주기에 독출한 제3 독출 전압을 이용하되, 하기의 수학식을 통해 상기 최종 수렴값을 추정하는 것을 특징으로 하는 절연 저항 측정 장치.
    Figure pat00013

    (여기서, yf = 최종 수렴값, y1 = 제1 독출 전압, y2 = 제2 독출 전압, y3 = 제3 독출 전압)
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연 저항 측정 장치는, 상기 제1 선로 상에 구비된 양극 분배 저항; 및 상기 제2 선로 상에 구비된 음극 분배 저항;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 절연 저항 측정 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연 저항 측정 장치는, 상기 제2 선로 상에 구비된 직류 전원부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 절연 저항 측정 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 직류 전원부가 출력하는 전압의 크기는, 상기 전압 측정부가 측정하는 상기 제2 전압이 양수값이 되도록 설정된 것을 특징으로 하는 절연 저항 측정 장치.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 절연 저항 측정 장치를 포함하는 배터리 팩.
  14. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 절연 저항 측정 장치를 포함하는 전기 자동차.
  15. 배터리 어셈블리의 양극 노드에 연결되는 양극 테스트 저항; 상기 배터리 어셈블리의 음극 노드에 연결되는 음극 테스트 저항; 상기 양극 테스트 저항과 상기 음극 테스트 저항을 각각 상기 배터리 어셈블리의 양극 노드와 음극 노드에 연결하여 소정 회로가 형성되도록 하는 스위치부; 및 상기 양극 테스트 저항에 인가되는 제1 전압 및 상기 음극 테스트 저항에 인가되는 제2 전압을 측정하는 전압 측정부;를 포함하는 절연 저항 측정 장치를 준비하는 단계;
    상기 스위치부를 제어하여 소정 회로를 형성하는 단계;
    상기 소정 회로가 형성된 이후, 상기 전압 측정부가 측정한 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압 중 적어도 하나의 전압을 미리 정해진 주기에 따라 적어도 2주기 이상 독출하는 단계; 및
    상기 독출 단계에서 독출한 전압을 이용하여 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압 중 적어도 하나의 전압의 최종 수렴값을 추정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 절연 저항 측정 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 스위치부는, 상기 배터리 어셈블리의 양극 노드와 상기 양극 테스트 저항을 연결하는 제1 선로 상에 구비되어 선택적으로 턴 온되거나 턴 오프되는 제1 스위치; 및 상기 배터리 어셈블리의 음극 노드와 상기 음극 테스트 저항을 연결하는 제2 선로 상에 구비되어 선택적으로 턴 온되거나 턴 오프되는 제2 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 절연 저항 측정 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 소정 회로는, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치가 턴 온된 제1 회로, 상기 제1 스위치는 턴 온되고 상기 제2 스위치는 턴 오프된 제2 회로, 상기 제1 스위치는 턴 오프되고 상기 제2 스위치는 턴 온된 제3 회로 및 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치가 턴 오프된 제4 회로 중 어느 하나의 회로인 것을 특징으로 하는 절연 저항 측정 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 소정 회로 형성 단계는, 상기 제2 회로를 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 독출 단계는, 상기 제2 회로가 형성된 후 상기 제1 전압을 상기 미리 정해진 주기에 따라 적어도 2주기 이상 독출하는 단계를 포함하며,
    상기 추정 단계는, 상기 독출 단계에서 독출한 전압을 이용하여 제1 추정값을 산출하여 상기 제1 추정값을 상기 제1 전압의 최종 수렴값으로 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 절연 저항 측정 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 소정 회로 형성 단계는, 상기 제3 회로를 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 독출 단계는, 상기 제3 회로가 형성된 후 상기 제2 전압을 상기 미리 정해진 주기에 따라 적어도 2주기 이상 독출하는 단계를 포함하며,
    상기 추정 단계는, 상기 독출 단계에서 독출한 전압을 이용하여 제2 추정값을 산출하여 상기 제2 추정값을 상기 제2 전압의 최종 수렴값으로 추정하는 단계를 포함하되,
    상기 제3 회로 형성 단계, 상기 제2 전압 독출 단계 및 상기 제2 추정값을 상기 제2 전압의 최종 수렴값으로 추정하는 단계는, 상기 제2 회로 형성 단계, 상기 제1 전압 측정 단계 및 상기 제1 추정값을 상기 제1 전압의 최종 수렴값으로 추정하는 단계 이전 또는 이후에 수행되는 것을 특징으로 하는 절연 저항 측정 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 절연 저항 측정 방법은, 상기 제2 회로에 대한 회로 방정식인 제2 회로 방정식, 상기 제3 회로에 대한 회로 방정식인 제3 회로 방정식, 상기 제1 추정값 및 상기 제2 추정값을 이용하여 상기 배터리 어셈블리의 양극측 절연 저항과 상기 배터리 어셈블리의 음극측 절연 저항을 산출하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 절연 저항 측정 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 절연 저항 산출 단계는, 상기 제2 회로 방정식에 상기 제1 추정값을 대입하고, 상기 제3 회로 방정식에 상기 제2 추정값을 대입한 다음, 상기 제2 회로 방정식과 상기 제3 회로 방정식으로 구성된 연립 2차 방정식의 해를 구하여 상기 배터리 어셈블리의 양극측 절연 저항과 상기 배터리 어셈블리의 음극측 절연 저항을 산출하는 것을 특징으로 하는 절연 저항 측정 방법.
  22. 제 15 항에 있어서,
    상기 독출 단계는, 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압 중 적어도 하나의 전압을 미리 정해진 주기에 따라 적어도 3주기 이상 독출하고,
    상기 추정 단계는, 상기 독출한 전압을 이용하여 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압 중 적어도 하나의 전압의 최종 수렴값을 추정하는 것을 특징으로 하는 절연 저항 측정 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 추정 단계는, 제1 주기에 독출한 제1 독출 전압, 제2 주기에 독출한 제2 독출 전압 및 제3 주기에 독출한 제3 독출 전압을 이용하되, 하기의 수학식을 통해 상기 최종 수렴값을 추정하는 것을 특징으로 하는 절연 저항 측정 방법.
    Figure pat00014

    (여기서, yf = 최종 수렴값, y1 = 제1 독출 전압, y2 = 제2 독출 전압, y3 = 제3 독출 전압)


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