KR20170065520A - 전기 에너지를 고전압 네트워크에 공급하도록 설계된 배터리 및 상기 배터리의 적어도 하나의 절연 저항을 측정하기 위한 측정 장치를 구비한 배터리 시스템 - Google Patents

전기 에너지를 고전압 네트워크에 공급하도록 설계된 배터리 및 상기 배터리의 적어도 하나의 절연 저항을 측정하기 위한 측정 장치를 구비한 배터리 시스템 Download PDF

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토마스 셰들리히
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은 고전압 네트워크(70)에 전기 에너지를 공급하도록 설계된 배터리 (20), 및 상기 배터리(20)와 상기 배터리(20)의 하우징 사이에 제공된 적어도 하나의 절연 저항을 측정하기 위한 측정 장치(130)를 구비한 배터리 시스템(100)에 관한 것이다. 측정 장치(130)는 배터리(20)의 2개의 고전압 연결부(21, 22) 중 하나에 각각 할당된 2개의 측정 경로(140, 150)를 구비하며, 상기 측정 경로는 각각 제 1 저항(142, 152) 및 릴레이 (145, 155)로 구성된 직렬 회로를 포함하고, 각각 관련 고전압 연결부(21, 22)와 하우징 전위를 갖는 지점(25) 사이에 연결된다. 또한, 각각의 직렬 회로는 반도체 스위치(147, 157)를 포함한다. 측정 장치(130)는 또한 측정 경로(140, 150)의 릴레이(145, 155)가 폐쇄되는 2개의 기능 모드를 갖는다. 2개의 기능 모드 중 수동 기능 모드로 전환될 때, 측정 장치(130)는 반도체 스위치(147, 157)를 각각 개방하거나 개방 상태로 유지하도록 설계된다. 또한, 2개의 기능 모드 중 능동 기능 모드로 전환될 때, 측정 장치(130)는 반도체 스위치(147, 157)를 교대로 개폐하고, 각각의 측정 경로(140, 150)의 반도체 스위치(147, 157)의 폐쇄 시에 상응하는 측정 경로(140, 150)의 제 1 저항(142, 152)을 통해 강하하는 제 1 전압을 각각 측정하며, 측정된 각각의 제 1 전압을 기초로 배터리(20)의 상응하는 절연 저항을 결정하도록 설계된다.

Description

전기 에너지를 고전압 네트워크에 공급하도록 설계된 배터리 및 상기 배터리의 적어도 하나의 절연 저항을 측정하기 위한 측정 장치를 구비한 배터리 시스템{BATTERY SYSTEM WITH A BATTERY, WHICH IS DESIGNED TO SUPPLY A HIGH-VOLTAGE NETWORK WITH ELECTRIC ENERGY, AND A MEASURING DEVICE FOR MEASURING AT LEAST ONE INSULATION RESISTANCE OF THE BATTERY}
본 발명은 고전압 네트워크에 전기 에너지를 공급하도록 설계된 배터리 및 상기 배터리의 적어도 하나의 절연 저항을 측정하기 위한 측정 장치를 구비한 배터리 시스템에 관한 것이며, 고전압 네트워크에 전기 에너지를 공급하도록 설계된 배터리의 적어도 하나의 절연 저항을 측정하기 위한 측정 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이러한 배터리 시스템을 구비한 차량에 관한 것이다.
도 1은 고전압 배터리 또는 트랙션 배터리로서 설계된 배터리(20) 및 상기 배터리(20)의 내부 또는 외부에 존재하는 배터리(20)의 적어도 하나의 절연 저항을 측정하기 위한 측정 장치(30)를 포함하는 종래 기술로부터 알려진 배터리 시스템(10)을 도시한다. 배터리(20)는 직렬 접속된 다수의 배터리 셀을 포함한다. 도시의 단순화를 위해, 몇몇 배터리 셀에는 도면 부호가 제공되지 않는다. 제 1 절연 저항(26)은 배터리(20)의 양의 고전압 연결부(21)와 배터리(20)의 하우징의 전위를 갖는 지점(25)(이하, 하우징 접지(25)라고 함) 사이에 존재하는 배터리(20)의 절연 저항이다. 또한, 제 2 절연 저항(27)은 배터리(20)의 음의 고전압 연결부(22)와 하우징 접지(25) 사이에 존재하는 배터리(20)의 절연 저항이다. 배터리(20)의 양의 고전압 연결부(21)는 이하에서 배터리(20)의 제 1 고전압 연결부(21)라고 한다. 배터리(20)의 음의 고전압 연결부(22)는 이하에서 배터리(20)의 제 2 고전압 연결부(21)라고 한다. 또한, 제 3 절연 저항(28)은, 배터리(20)의 적어도 2개의 배터리 셀을 서로 연결하는 연결 점과 하우징 접지(25) 사이에 존재하는 배터리(20)의 절연 저항이다.
배터리 시스템(10)의 배터리 제어 장치(도시되지 않음)에 배치된 측정 장치(30)는 제 1 측정 경로(40) 및 제 2 측정 경로(50)를 포함하고, 상기 측정 경로들은 각각 고저항 저항 분압기(41, 51) 및 릴레이(45, 55)를 포함하며, 2개의 고전압 연결부(21, 22) 중 관련 고전압 연결부(21, 22)와 하우징 접지(25) 사이에 접속될 수 있다. 제 1 고전압 연결부(21)는 제 1 측정 경로(40)에 할당된다. 제 2 고전압 연결부(22)는 제 2 측정 경로(50)에 할당된다. 각각의 분압기(41, 51)는 제 1 저항(42, 52) 및 제 2 저항(43, 53)으로 형성된다. 각각의 제 1 저항(42, 52)은 하우징 접지(25)에 연결되고, 각각의 제 2 저항(43, 53)은 상응하는 릴레이(45, 55)를 통해 관련 고전압 연결부(21, 22)에 연결될 수 있다. 배터리(20)와 하우징 사이에 절연 에러가 있으면, 측정 경로(40, 50)의 릴레이(45, 55)가 교대로 폐쇄될 때, 분압기들(41, 51) 중 적어도 하나를 통해 측정 가능한 전류 흐름이 생성되기 때문에, 상기 적어도 하나의 분압기(41, 51)의 제 1 저항(42, 52)을 통해 측정 가능한 전압이 강하한다. 각각의 분압기(41, 51)의 제 1 저항(42, 52)을 통해 강하하는 각각의 전압은 상응하는 측정 경로(40, 50)에 각각 할당된, 측정 장치(30)의 평가 및 제어 유닛(60)의 측정 입력부(49, 59)를 통해 측정된다. 제 1 측정 경로(40)에 할당된 측정 입력부(49)는 추가 저항(46)을 통해, 하우징 접지(25)에 접속되지 않은 제 1 측정 경로(40)의 분압기(41)의 제 1 저항(42)의 단자에 연결된다. 제 2 측정 경로(50)의 분압기(51)의 제 1 저항(52)을 통해 강하하는 전압을 측정하기 위해, 측정 장치(30) 내에 연산 증폭기(56)가 제공되고, 상기 연산 증폭기(56)는 입력 측에서 제 2 측정 경로(50)의 분압기(51)의 제 1 저항(52)에 연결되고, 출력 측에서 제 2 측정 경로(50)에 할당된 평가 및 제어 유닛(60)의 측정 입력부(59)에 연결된다. 따라서, 평가 및 제어 유닛(60)은 분압기(41, 51)의 제 1 저항(42, 52)을 통해 각각 강하하는 전압을 결정한다. 측정 경로(40, 50)를 교대로 스위칭하고, 각각의 제 1 저항(42, 52)을 통해 강하하는 전압을 결정하고, 그리고 공지된 시스템 변수를 고려함으로써, 배터리(20)의 절연 저항(26, 27, 28)이 각각 계산될 수 있다. 평가 및 제어 유닛(60)은 또한 릴레이(45, 55)를 제어하도록, 즉 개폐하도록 설계된다.
도 1에 도시된 배터리(20)는 고전압 네트워크(70)에 전기 에너지를 공급하도록 설계된다. 이를 위해, 배터리(20)는 2개의 추가 릴레이(71, 72)를 통해 고전압 네트워크(70)에 연결될 수 있다. 2개의 추가 릴레이(71, 72)를 통해 배터리(20)의 제 1 고전압 연결부(21)는 고전압 네트워크(70)의 제 1 고전압 네트워크 연결부(73)에, 그리고 배터리(20)의 제 2 고전압 연결부(22)는 고전압 네트워크(70)의 제 2 고전압 네트워크 연결부(74)에 직접 연결될 수 있다. 고전압 네트워크(70)의 2개의 고전압 네트워크 연결부(73, 74) 사이에 2개의 커패시터(75, 76)(Y 커패시터)의 직렬 회로가 배치되고, 상기 직렬 회로는 중간 회로를 형성하는 중간 회로 커패시터(77)에 대해 병렬로 접속된다. 직렬로 접속된 2개의 커패시터(75, 76)를 연결하는 연결 점은 하우징 접지(25)에 연결된다. 고전압 네트워크(70)는 또한, 인버터(78) 및 모터(79)를 포함한다. 인버터(78)는 입력 측에서 중간 회로 커패시터(77)에 대해 병렬 접속되며, 배터리(20)에 의해 제공될 수 있는 직류 전압을 3상 교류 전압으로 변환하여 이를 출력 측에서 모터(79)에 제공하도록 설계된다.
종래 기술에 따르면, 제조 공장에서 고전압 네트워크(70)로부터 갈바닉 분리된 저전압 네트워크와 배터리(20) 사이의 그리고 하우징 접지(25)와 배터리(20) 사이의 내전압뿐만 아니라 배터리(20)의 모든 보수 시에 내전압이 측정 기술로 검출될 수 있어야 한다. 이를 위해, 내전압 테스트(내전압 검사) 동안 테스트 모드로 전환되는 배터리 제어 장치(도시되지 않음)에 의해, 규정된 시간 동안 배터리(20)의 각각의 고전압 연결부(21, 22)와 하우징 접지(25) 사이에 테스트 전압이 인가된다. 여기서 사용되는 테스트 기준은 측정된 전류 값이다. 테스트 전압은 직류 전압 또는 교류 전압 형태로 제공된다.
측정 장치(30)의 측정 전자 장치를 내전압 테스트에 의한 손상으로부터 보호하고 절연 저항 측정 동안 발생하는 각각의 측정 전류의 전류 값이 미리 정해진 전류 한계치를 초과하는 것을 피하기 위해, 측정 경로 (40, 50)는 상응하는 높은 저항을 가져야 한다. 미리 정해진 전류 한계치가 무한히 작게 선택될 수 없기 때문에, 각각의 측정 경로(40, 50)는 내전압 테스트가 수행되는 시간 동안 그리고 절연 저항 측정이 수행되지 않는 시간 동안, 릴레이들(45, 55)(전기 기계식 스위치)이 개방되는 방식으로, 배터리(20)로부터, 따라서 고전압 네트워크(70)로부터 갈바닉 분리된다.
종래 기술에 따르면, 측정 장치(30)는 각각의 절연 저항 측정 시에 제 1 측정 경로(40)의 릴레이(45)를 통해 또는 제 2 측정 경로(50)의 릴레이(55)를 통해 배터리(20)에 연결된다. 각각의 릴레이(45, 55)는 서비스 수명 동안 수만 내지 수십만 회의 스위칭 과정 또는 스위칭 사이클을 겪는다. 절연 저항 측정 시에 발생하는 낮은 측정 전류, 및 수백 볼트의 전압 값을 갖는 높은 스위칭 전압은 상기 릴레이(45, 55)의 스위칭 과정 중에 저에너지 글로 방전을 촉진한다. 이는 릴레이 하우징의 잠재적으로 기체를 방출하는 재료와 조합해서, 릴레이(45, 55)의 스위칭 접점에서 바람직하지 않은 탄화 또는 층 형성을 초래할 수 있다. 릴레이(45, 55)의 전류 의존적인 스위칭 접점 접촉 저항이 생겨서 측정을 왜곡시킬 수 있다.
CN 101603986 A에는, 다수의 릴레이를 갖는 고전압 스위칭 유닛 및 전압 측정 유닛을 포함하는 고전압 절연 저항 측정 회로가 개시되어 있으며, 테스트 모드의 경우 고전압 신호는 폐쇄된 릴레이를 통해 전압 측정 유닛의 상이한 구성 요소들에 제공된다.
본 발명의 과제는 전술한 방식의 배터리 시스템 및 측정 방법을 개선하는 것이다.
본 발명에 따르면, 고전압 네트워크에 전기 에너지를 공급하도록 설계된 배터리, 및 상기 배터리와 상기 배터리의 하우징 사이에 존재하는 적어도 하나의 절연 저항을 측정하기 위한 측정 장치를 구비한 배터리 시스템이 제공된다. 측정 장치 내에, 배터리의 2개의 고전압 연결부 중 하나의 고전압 연결부에 각각 할당된 2개의 측정 경로가 배치되고, 상기 측정 경로들은 각각 제 1 저항과 릴레이로 구성된 직렬 회로를 포함하며 관련 고전압 연결부와 하우징 전위를 갖는 지점 사이에 각각 접속된다. 또한, 각각의 직렬 회로는 반도체 스위치를 포함한다. 측정 장치는 측정 경로의 릴레이가 폐쇄되는 2개의 기능 모드를 갖는다. 상기 2개의 기능 모드 중 수동 기능 모드로 전환될 때 측정 장치는 반도체 스위치를 각각 개방하거나 개방된 상태로 유지하도록 설계된다. 상기 2개의 기능 모드 중 능동 기능 모드로 전환될 때 측정 장치는 반도체 스위치를 교대로 개폐하도록 설계되고, 각각의 측정 경로의 반도체 스위치의 폐쇄 시에 상응하는 측정 경로의 제 1 저항을 통해 강하하는 제 1 전압을 각각 측정하고, 각각의 측정된 제 1 전압을 기초로 배터리의 상응하는 절연 저항을 결정하도록 설계된다.
본 발명에 따르면, 또한 고전압 네트워크에 전기 에너지를 공급하도록 설계된 배터리와 상기 배터리의 하우징 사이에 존재하는 적어도 하나의 절연 저항을 측정 장치에 의해 측정하기 위한 측정 방법이 제공된다. 상기 측정 장치 내에, 배터리의 2개의 고전압 연결부 중 하나의 고전압 연결부에 각각 할당된 2개의 측정 경로가 배치되고, 상기 측정 경로들은 각각 제 1 저항과 릴레이로 구성된 직렬 회로를 포함하며, 관련 고전압 연결부와 하우징 전위를 갖는 지점 사이에 각각 접속된다. 또한, 각각의 직렬 회로는 반도체 스위치를 포함한다. 측정 장치는 릴레이가 폐쇄되는 2개의 기능 모드를 갖는다. 측정 장치는 2개의 기능 모드 중, 반도체 스위치가 각각 개방되거나 개방된 상태로 유지되는 수동 기능 모드로부터 2개의 기능 모드 중, 반도체 스위치가 교대로 개폐되는 능동 기능 모드로 전환되고, 각각의 측정 경로의 반도체 스위치의 폐쇄 시에 상응하는 측정 경로의 제 1 저항을 통해 강하하는 제 1 전압이 각각 측정되고, 각각의 측정된 제 1 전압을 기초로 상응하는 절연 저항이 결정된다.
종속 청구항들은 본 발명의 바람직한 개선들을 제시한다.
본 발명에서, 본 발명에 따른 측정 장치 내에 배치된 릴레이는 측정 장치에 배터리로부터 전기 에너지가 공급되지 않는 상태, 즉 절연 측정이 수행되지 않은 상태에서 폐쇄된다. 이는 본 발명에 따른 측정 장치가 보통의 경우 배터리 또는 배터리에 의해 공급받는 고전압 네트워크에 영구적으로 갈바닉 연결된다는 것을 의미한다. 측정 장치의 각각의 측정 경로 또는 측정 채널을 스위칭 가능하게 구현하기 위해, 각각의 측정 경로 내에서 비용 효율적인 반도체 스위치가 상응하는 릴레이에 직렬로 연결된다.
바람직하게는, 측정 경로에 사용되는 반도체 스위치는 상응하는 절연 저항 측정 중에 발생하는 측정 신호의 전도 또는 차단 시에 필요한 기술적 요구 조건만을 충족시키면 된다. 더 바람직하게, 반도체 스위치는, 고전압 범위에 있는 테스트 전압이 배터리의 고전압 연결부들의 각각과 하우징 사이에 인가되거나 인가될 수 있는 내전압 테스트를 실시할 때 필요한 기술적 요구 조건에 대해 설계되지 않는다.
본 발명의 바람직한 실시 예에서, 본 발명에 따른 배터리 시스템은 측정 장치를 보호하기 위한 보호 장치를 포함한다. 보호 장치는 제어 유닛을 포함하고, 상기 제어 유닛은 2개의 고전압 연결부 중 적어도 하나의 고전압 연결부와 하우징 사이에 및/또는 고전압 네트워크의 2개의 고전압 네트워크 연결부 중 적어도 하나의 고전압 네트워크 연결부와 하우징 사이에 테스트 전압이 각각 적어도 일시적으로 인가되는, 배터리 시스템의 배터리 제어 장치의 테스트 모드의 존재를 검출하도록 설계된다. 바람직하게는 테스트 전압은 미리 정해진 프로파일을 갖는 고전압과 동일하다. 더 바람직하게는, 테스트 전압은 0V의 절대값으로부터 미리 정해진 절대값까지 연속적으로 증가하는 크기를 가지며, 미리 정해진 절대값에 도달한 직후의 테스트 전압은 미리 정해진 프로파일을 갖는 고전압과 동일하다. 또한, 제어 유닛은 테스트 모드가 시작될 때 릴레이를 개방하고 테스트 모드가 끝난 후 릴레이를 폐쇄하도록 설계된다.
바람직하게는, 각각의 고전압 연결부는 이 고전압 연결부에 할당된 추가 릴레이를 통해, 2개의 고전압 네트워크 연결부 중, 이 고전압 연결부에 할당된 고전압 네트워크 연결부에 직접 연결될 수 있다.
제어 유닛은 배터리 제어 유닛 내에 배치된 마이크로 컨트롤러인 것이 바람직하다.
더 바람직하게, 보호 장치는 전압 측정 유닛을 포함하고, 상기 전압 측정 유닛은, 각각의 고전압 연결부와 하우징 사이에 및/또는 각각의 고전압 네트워크 연결부와 하우징 사이에 인가된 제 2 전압을 각각 측정하고, 각각의 제 2 전압의 크기가 미리 정해진 한계치와 동일하거나 이 한계치를 초과하면 제어 유닛에 제어 신호를 제공하도록 설계된다. 이 경우 제어 유닛은 각각의 제어 신호가 제공되면 테스트 모드의 시작을 검출하고 릴레이를 개방하도록 설계된다.
본 발명에서, 본 발명에 따른 측정 장치는 임계 테스트 전압이 인가되는 각각의 내전압 테스트 동안 배터리로부터 또는 배터리에 의해 전기 에너지를 공급받을 고전압 네트워크로부터 갈바닉 분리된다. 이를 위해, 본 발명에 따른 측정 장치를 배터리로부터 또는 상기 고전압 네트워크로부터 갈바닉 분리하는 것은 임계 테스트 전압이 인가되기 직전에 이루어진다. 이 과정에 의해, 측정 장치 내에 배치된 릴레이 또는 전자기 스위치가 서비스 수명 동안 충족시켜야 하는 기술적 요구 조건들이 현저히 감소한다. 이 경우 매우 바람직하게는, 측정 장치 내에 배치된 릴레이의 주기적 스위칭이 부하 하에서 이루어질 필요가 없으며, 건조 부하 하에서 이루어져야 하는 상기 릴레이의 순수 기계식 스위칭 과정의 수가 최소로 감소한다. 또한, 상기 릴레이의 스위칭 접점에서 글로 방전 및 바람직하지 않은 층 형성의 발생 위험이 제거된다.
본 발명의 다른 바람직한 실시 예에서, 각각의 반도체 스위치는 하우징 전위를 갖는 지점과 상응하는 측정 경로의 릴레이 사이에 배치되고 및/또는 미리 정해진 추가 한계치를 초과하지 않는 크기의 전압을 스위칭하도록 설계된다. 바람직하게는, 각각의 제 1 저항은 하우징 전위를 갖는 지점에 직접 연결된다. 바람직하게는, 각각의 직렬 회로는 상응하는 직렬 회로를 갖는 측정 경로에 할당된 고전압 연결부에 특히 직접 연결되는 제 2 저항을 포함한다.
본 발명의 다른 양상은 본 발명에 따른 배터리 시스템을 구비한 차량에 관한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예가 상세히 설명된다. 동일한 구성 요소에는 동일한 도면 부호가 사용된다.
도 1은 종래 기술로부터 알려진 배터리 시스템이며,
도 2는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 배터리 시스템이고,
도 3은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 배터리 시스템이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 배터리 시스템(100)을 도시한다. 배터리 시스템(100)은 고전압 네트워크(70)에 전기 에너지를 공급하기 위한 배터리(20)를 포함한다. 배터리(20)는 배터리 전압(VB)을 제공한다. 배터리(20)는 또한, 2개의 추가 릴레이(71, 72)를 통해 고전압 네트워크(70)에 연결될 수 있다.
도 2에 도시된 배터리 시스템(100)과 도 1에 도시된 배터리 시스템(10)의 차이점은 배터리(20)와 상기 배터리(20)의 하우징 사이에 제공된 적어도 하나의 절연 저항(도시되지 않음)을 측정하기 위해 배터리 시스템(100) 내에 배치된 측정 장치(130)의 형성 방식에 있다. 배터리(20), 제 1 실시 예에 따른 배터리 시스템(100)의 적어도 하나의 절연 저항 및 2개의 추가 릴레이(71, 72) 그리고 관련 고전압 네트워크(70)는 각각 도 1에 도시된 상응하는 구성 요소와 동일한 방식으로 형성된다. 도시의 단순화를 위해, 도 2에는 상기 적어도 하나의 절연 저항이 도시되지 않고, 고전압 네트워크(70)는 고전압 네트워크(70)의 2개의 고전압 네트워크 연결부(73, 74) 사이에 존재하는 2개의 커패시터(Y 커패시터)의 직렬 회로가 도시되지 않음으로써 단순화된 형태로 도시된다.
측정 장치(130)는 제 1 측정 경로(140) 및 제 2 측정 경로(150)를 포함하고, 상기 측정 경로들은 각각 상기 배터리(20)의 하우징의 전위를 갖는 지점(25)(여기서는 하우징 접지(25)라고도 함)과 배터리(20)의 2개의 고전압 연결부(21, 22) 중 관련 고전압 연결부(21, 22) 사이에 각각 연결된다. 배터리(20)의 2개의 고전압 연결부(21, 22) 중 제 1 고전압 연결부(21)는 제 1 측정 경로(140)에 할당된다. 또한, 배터리(20)의 2개의 고전압 연결부(21, 22) 중 제 2 고전압 연결부(22)는 제 2 측정 경로(150)에 할당된다.
각각의 측정 경로(140, 150)는 상응하는 직렬 회로를 포함하고, 상기 직렬 회로는 각각 제 1 저항(142, 152), 제 2 저항(143, 153), 릴레이(145, 155) 및 반도체 스위치(147, 157)를 포함한다. 각각의 측정 경로(140, 150)의 제 1 저항(142)은 하우징 접지(25)에 그리고 상응하는 반도체 스위치(147, 157)에 직접 연결된다. 또한, 각각의 측정 경로(140, 150)의 제 2 저항(143, 153)은 이것에 할당된 배터리(20)의 고전압 연결부(21, 22)에 그리고 상응하는 측정 경로(140, 150)의 릴레이(145, 155)에 직접 연결된다. 따라서, 각각의 측정 경로(140, 150)의 반도체 스위치(147, 157)는 제 1 저항(142, 152)과 상응하는 측정 경로(140, 150)의 릴레이(145, 155) 사이에 배치된다.
측정 장치(130)는 능동 기능 모드 및 수동 기능 모드를 갖는다. 능동 기능 모드 동안, 측정 경로들(140, 150)의 릴레이들(145, 155)은 폐쇄된 채로 유지되고, 측정 경로들(140, 150)은 반도체 스위치들(147, 157)을 통해 교대로 스위칭 된다. 스위칭 될 측정 경로(140, 150)의 반도체 스위치 (147, 157)가 폐쇄되고, 다른 측정 경로(150, 140)의 반도체 스위치(157, 147)가 개방되거나 개방된 상태로 유지되는 방식으로, 각각의 측정 경로(140, 150)는 개별적으로 스위칭 될 수 있다. 이 경우, 각각의 스위칭 된 측정 경로(140, 150)의 제 1 저항(142, 152)을 통해 강하하는 제 1 전압은 바람직하게는 측정 장치(130) 내에 배치된 평가 유닛(160)의, 상응하는 측정 경로(140, 150)에 각각 할당된 측정 입력부(149, 159)를 통해 측정된다. 평가 유닛(160)은 각각의 측정된 제 1 전압에 의해 배터리(20)의 상응하는 절연 저항(도시되지 않음)을 결정한다. 제 2 측정 경로(150)의 제 1 저항(152)을 통해 강하하는 제 1 전압을 측정하기 위해, 연산 증폭기(158)가 측정 장치(130) 내에 제공되고, 상기 연산 증폭기(158)는 입력 측에서 하우징 접지(25)에 연결되지 않은, 제 2 측정 경로(150)의 제 1 저항(152)의 단자에 연결되며, 상기 연산 증폭기(158)는 출력 측에서 제 2 측정 경로(150)에 할당된 평가 유닛(160)의 측정 입력부(159)에 연결된다. 반도체 스위치(147, 157)는 각각 최대 전압 크기 VH를 가진 양 또는 음 전압을 스위칭하도록 설계된다. 즉, -VH와 + VH 사이에 있는 전압을 스위칭하도록 설계되고 따라서 상응하는 절연 저항 측정에서 생긴 측정 신호의 전도 또는 차단 시에 필요한 기술적 요구 조건만을 충족시키면 된다.
절연 저항 측정이 수행되지 않는, 측정 장치(130)의 수동 기능 모드 동안, 측정 경로(140, 150)의 릴레이(145, 155)는 폐쇄된 상태로 유지되고, 반도체 스위치(147, 157)가 각각 개방되거나 개방된 상태로 유지됨으로써, 측정 경로(140, 150)는 반도체 스위치(147, 157)를 통해 배터리(20)로부터 전기적으로 분리된다.
본 발명의 제 1 실시 예에서, 측정 장치(130)는 바람직하게는 배터리 시스템(100)의 배터리 제어 장치(131) 내에 배치된다.
배터리 시스템(100)은 또한 제어 유닛(170)을 갖는 측정 장치(130)를 보호하기 위한 보호 장치를 포함한다. 상기 제어 유닛(170)은 본 발명의 제 1 실시 예에서 평가 유닛(160)을 포함할 수 있는 배터리 제어 장치(131)의 중앙 마이크로 컨트롤러(170)이다. 이 경우, 측정 경로(140, 150)의 전기 기계 릴레이(145, 155)는 중앙 마이크로 컨트롤러(170)를 통해 직접 제어된다.
내전압 테스트를 실시하기 위해, 고전압 범위에 있는 양 또는 음의 테스트 전압 ±VT가 배터리(20)의 2개의 고전압 연결부(21, 22) 중 적어도 하나의 고전압 연결부(21, 22)와 하우징 접지(25) 사이에 인가되는 테스트 모드에 배터리 제어 장치(131)가 있으면, 측정 경로(140, 150)의 릴레이(145, 155)가 마이크로 컨트롤러(170)에 의해 개방된다. 릴레이들(145, 155)은 총 테스트 시간에 걸쳐 개방된 상태로 유지된다. 따라서 테스트 모드 동안 또는 전체 테스트 시간 동안 보호될 측정 장치(130)가 배터리(20)로부터 또는 고전압 네트워크(70)로부터 확실하게 갈바닉 분리된다. 릴레이(145, 155)의 접점 개방은 테스트 전압 ±VT가 외부로부터 인가되는 것을 차단한다. 마이크로 컨트롤러(170)는 또한 차량 인터페이스(171)에 연결되고, 상기 차량 인터페이스(171)는 버스 시스템 인터페이스(172)를 통해 내전압 테스트를 실시하기 위한 내전압 테스터(173)에 연결된다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 배터리 시스템(200)을 도시한다. 배터리 시스템(200)은 고전압 네트워크(70)에 전기 에너지를 공급하기 위한 배터리(20)를 포함한다. 배터리(20)는 배터리 전압 VB를 제공한다. 배터리(20)는 2개의 추가 릴레이(71, 72)를 통해 고전압 네트워크(70)에 연결될 수 있다. 상기 2개의 추가 릴레이(71, 72)를 통해, 배터리(20)의 제 1 고전압 연결부(21)는 고전압 네트워크(70)의 제 1 고전압 네트워크 연결부(73)에, 그리고 배터리(20)의 제 2 고전압 연결부(22)는 고전압 네트워크(70)의 제 2 고전압 네트워크 연결부(74)에 직접 연결될 수 있다. 또한, 배터리 시스템(200)은 측정 장치(130)를 포함하고, 상기 측정 장치는 배터리(20)와 상기 배터리(20)의 하우징 사이에 존재하는 적어도 하나의 절연 저항(도시되지 않음)을 측정하도록 설계된다. 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 배터리 시스템(200)의 배터리(20), 적어도 하나의 절연 저항 및 추가 릴레이들(71, 72) 그리고 관련 고전압 네트워크(70)는 각각 도 1에 도시된 상응하는 구성 요소와 동일한 방식으로 형성된다. 또한, 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 배터리 시스템(200)의 측정 장치(130)는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 배터리 시스템(100)의 측정 장치(130)와 동일한 방식으로 형성된다. 도시의 단순화를 위해, 도 3에는 적어도 하나의 절연 저항이 도시되지 않고, 고전압 네트워크(70)는 고전압 네트워크(70)의 2개의 고전압 네트워크 연결부(73, 74) 사이에 존재하는 2개의 커패시터(Y 커패시터)의 직렬 회로가 도시되지 않음으로써 단순화된 형태로 도시된다. 동일한 이유로, 도 3에 도시된 측정 장치(130)에서는 측정 장치(130)의 단 2개의 측정 경로(140, 150) 그리고 2개의 측정 경로(140, 150)의 2개의 릴레이(145, 155)만이 도면 부호를 갖는다. 여기서도, 2개의 측정 경로(140, 150) 중 제 1 측정 경로(140)가 배터리(20)의 제 1 고전압 연결부(21)에 할당된다. 또한, 2개의 측정 경로(140, 150) 중 제 2 측정 경로(150)가 배터리(20)의 제 2 고전압 연결부(22)에 할당된다.
배터리 시스템(200)은 또한 본 발명의 제 2 실시 예에서 측정 장치(130)의 2개의 측정 경로(140, 150)의 2개의 릴레이(145, 155)를 제어하기 위한 모니터링 회로(230)를 갖는 측정 장치(130)를 보호하기 위한 보호 장치를 포함한다. 추가 릴레이(71, 72)를 통해 측정 장치(130)에 적어도 하나의 제 2 전압이 인가될 수 있으면, 즉 추가 릴레이(71, 72)를 통해 배터리(20)의 2개의 고전압 연결부(21, 22) 중 적어도 하나의 고전압 연결부(21, 22)와 하우징 접지(25) 사이에 각각 제 2 전압이 인가될 수 있으면, 측정 경로(140, 150)의 2개의 릴레이(140, 150)는 모니터링 회로(230)에 의해 자동으로 개방된다. 상기 제 2 전압은 측정 장치(130)의 주어진 측정 범위 밖에 있고 따라서 최대 절대값 이상으로 상승하는 크기를 갖는다. 상기 개방을 위해, 내전압 테스트 시에 추가 릴레이(71, 72)를 통해 배터리(20)의 2개의 고전압 연결부(21, 22) 중 적어도 하나의 고전압 연결부(21, 22)와 하우징 접지(25)에 인가될 수 있는 테스트 전압 ±VT1이 소정 고전압에 이를 때까지 램프 함수에 의해 변화됨으로써, 측정 장치(130)는 2개의 측정 경로(140, 150)의 2개의 릴레이(145, 155)의 각각의 지연 시간을 고려해서 적시에 모니터링 회로(230)에 의해 배터리(20)로부터 또는 고전압 네트워크(70)로부터 갈바닉 분리될 수 있다. 모니터링 회로(230)는 양 극성 방향으로 인가될 수 있는 테스트 전압 ±VT1을 검출하여, 미리 정해진 임계치와 비교하도록 설계된다.
모니터링 회로(230)는 전압 측정 유닛(231)을 포함한다. 전압 측정 유닛(231)은 제 1 전압 측정 입력부(도시되지 않음) 및 이것에 할당된 제 1 전압 측정 회로(240)를 포함한다. 또한, 전압 측정 유닛(231)은 제 2 전압 측정 입력부(도시되지 않음) 및 이것에 할당된 제 2 전압 측정 회로(250)를 포함한다. 제 1 전압 측정 입력부와 제 1 전압 측정 회로(240)에는 측정 장치(130)의 제 1 측정 경로(140)와 고전압 네트워크(70)의 제 1 고전압 네트워크 연결부(73)가 할당된다. 제 2 전압 측정 입력부와 제 2 전압 측정 회로(250)에는 또한 측정 장치 (130)의 제 2 측정 경로(150)와 고전압 네트워크(70)의 제 2 고전압 네트워크 연결부(74)가 할당된다.
각각의 전압 측정 회로(240, 250)에 의해, 2개의 추가 릴레이(71, 72)를 통해 관련 측정 경로(140, 150)에 인가될 수 있는 제 2 전압, 즉 고전압 네트워크(70)의 관련 고전압 네트워크 연결부(73, 74)와 하우징 접지(25) 사이에 인가되는 제 2 전압이 검출된다. 이렇게 검출된 각각의 제 2 전압은 상응하는 전압 측정 회로(240, 250)에 할당된 전압 측정 유닛(231)의 비교기(245, 255)에 의해 미리 정해진 임계치와 비교된다. 각각의 전압 측정 회로(240, 250)는 상응하는 전압 측정 회로(240, 250)에 할당된 고전압 네트워크(70)의 고전압 네트워크 연결부(73, 74)와 하우징 접지(25) 사이에 접속된 2개의 저항을 구비한 저항 분압기(241, 251), 및 연산 증폭기(242, 252)를 포함한다. 도시의 단순화를 위해, 2개의 전압 측정 회로(240, 250)의 2개의 분압기(241, 251)의 저항들은 도면 부호를 갖지 않는다. 각각의 전압 측정 회로(240, 250)의 연산 증폭기(242, 252)는 입력 측에서 상응하는 전압 측정 회로(240, 250) 내에 배치된 분압기(241, 251)의 2개의 저항이 연결되는 연결 점에, 그리고 출력 측에서는 상응하는 전압 측정 회로(240, 250)에 할당된 비교기(245, 255)에 연결된다. 전압 측정 유닛(231)의 2개의 비교기(245, 255)는 입력 측에서 각각 관련 전압 측정 회로(240, 250) 내에 배치된 연산 증폭기(242, 252)에 연결되며, 출력 측에서 전압 측정 유닛(231)의 OR 함수(232)를 통해 모니터링 회로(230)의 제어 유닛(233)에 연결된다.
전압 측정 유닛(231)의 2개의 비교기(245, 255) 중 하나가 2개의 추가 릴레이(71, 72)를 통해 측정 장치(140)에 인가될 수 있는 제 2 전압, 즉 측정 장치(130)의 주어진 측정 범위 밖에 있어서 최대 절대값을 초과하는 크기를 갖는 제 2 전압의 존재를 검출하면, 측정 장치(130)의 2개의 릴레이(145, 155)는 제어 유닛(233)에 의해 개방되므로, 측정 경로(140, 150)는 배터리(20)로부터 또는 고전압 네트워크(70)로부터 확실하게 분리된다. 적절한 래치 기능에 의해, 릴레이(145, 155)는 배터리 시스템(200)의 배터리 제어 장치의 중앙 마이크로 컨트롤러가 통신될 때까지 개방된 상태로 유지되고, 내전압 테스트의 종료 또는 배터리 제어 장치의 상응하는 테스트 모드의 종료가 이루어짐으로써, 테스트 전압 ± VT1이 고전압 네트워크(70)의 2개의 고전압 네트워크 연결부(73, 74) 중 적어도 하나의 고전압 네트워크 연결부(73, 74)와 하우징 접지(25) 사이에 더 이상 인가되지 않는다.
전술한 내용과 더불어, 본 발명의 추가 설명을 위해 도 2 및 도 3이 참고된다.
20 배터리
21, 22 고전압 연결부
70 고전압 네트워크
100; 200 배터리 시스템
130 측정 장치
131 배터리 제어 장치
140, 150 측정 경로
142, 152 제 1 저항
143, 153 제 2 저항
145, 155 릴레이
147, 157 반도체 스위치
170; 233 제어 유닛
231 전압 측정 유닛

Claims (9)

  1. 고전압 네트워크(70)에 전기 에너지를 공급하도록 설계된 배터리 (20), 및 상기 배터리(20)와 상기 배터리(20)의 하우징 사이에 제공된 적어도 하나의 절연 저항을 측정하기 위한 측정 장치(130)를 구비한 배터리 시스템(100; 200)으로서, 상기 측정 장치(130)는 상기 배터리(20)의 2개의 고전압 연결부(21, 22) 중 하나의 고전압 연결부(21, 22)에 각각 할당된 2개의 측정 경로(140, 150)를 구비하고, 상기 측정 경로는 각각 제 1 저항(142, 152) 및 릴레이(145, 155)로 구성된 직렬 회로를 포함하며, 관련 고전압 연결부(21, 22)와 하우징 전위를 갖는 지점(25) 사이에 각각 연결되는, 상기 배터리 시스템에 있어서,
    각각의 직렬 회로는 반도체 스위치(147, 157)를 포함하고, 상기 측정 장치(130)는 상기 측정 경로(140, 150)의 릴레이들(145, 155)이 폐쇄되는 2개의 기능 모드를 갖고, 상기 2개의 기능 모드 중 수동 기능 모드로 전환될 때, 상기 측정 장치(130)는 상기 반도체 스위치(147, 157)를 각각 개방하거나 개방 상태로 유지하도록 설계되고, 상기 2개의 기능 모드 중 능동 기능 모드로 전환될 때, 상기 측정 장치(130)는 상기 반도체 스위치(147, 157)를 교대로 개폐하도록 설계되고, 각각의 측정 경로(140, 150)의 반도체 스위치(147, 157)의 폐쇄 시에 상응하는 측정 경로(140, 150)의 상기 제 1 저항(142, 152)을 통해 강하하는 제 1 전압을 각각 측정하며, 측정된 각각의 제 1 전압을 기초로 상기 배터리(20)의 상응하는 절연 저항을 결정하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 배터리 시스템(100; 200)은 상기 측정 장치(130)를 보호하기 위한 보호 장치를 포함하고, 상기 보호 장치는 제어 유닛(170; 233)을 포함하며, 상기 제어 유닛(170; 233)은 미리 정해진 프로파일을 가진 고전압과 동일한 테스트 전압(±VT)이 또는 OV의 절대값으로부터 미리 정해진 절대값까지 연속해서 증가하고 미리 정해진 절대값에 도달한 직후에 미리 정해진 프로파일을 가진 고전압과 동일한 테스트 전압(±VT1)이 상기 2개의 고전압 연결부(21, 22) 중 적어도 하나의 고전압 연결부(21, 22)와 상기 하우징 사이에 및/또는 상기 고전압 네트워크(70)의 2개의 고전압 네트워크 연결부(73, 74) 중 적어도 하나의 고전압 네트워크 연결부(73, 74)와 상기 하우징 사이에 각각 적어도 일시적으로 인가되는, 상기 배터리 시스템(100; 200)의 배터리 제어 장치(131)의 테스트 모드의 존재를 검출하고, 테스트 모드가 시작될 때 상기 릴레이(145, 155)를 개방하고 테스트 모드가 끝난 후 상기 릴레이(145, 155)를 폐쇄하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제어 유닛(170; 233)은 상기 배터리 제어 장치(131) 내에 배치된 마이크로 컨트롤러인 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 보호 장치는 전압 측정 유닛(231)을 포함하고, 상기 전압 측정 유닛(231)은, 각각의 고전압 연결부(21, 22)와 상기 하우징 사이에 및/또는 각각의 고전압 네트워크 연결부(73, 74)와 상기 하우징 사이에 인가된 제 2 전압을 각각 측정하고, 각각의 제 2 전압의 크기가 미리 정해진 한계치와 동일하거나 상기 한계치를 초과하면 상기 제어 유닛(233)에 제어 신호를 제공하도록 설계되고, 상기 제어 유닛(233)은 각각의 제어 신호가 제공되면 테스트 모드의 시작을 검출하고 상기 릴레이(145, 155)를 각각 개방하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 반도체 스위치(147, 157)는 상기 하우징 전위를 가진 지점(25)과 상기 상응하는 측정 경로(140, 150)의 상기 릴레이(145, 155) 사이에 배치되고, 및/또는 미리 정해진 추가 한계치(VH)를 초과하지 않는 크기를 가진 추가 전압을 스위칭하도록 설계되고, 및/또는 각각의 제 1 저항(142, 152)은 상기 하우징 전위를 갖는 상기 지점(25)에 직접 연결되고, 및/또는 각각의 직렬 회로는 상응하는 직렬 회로를 갖는 측정 경로(140, 150)에 할당된 고전압 연결부(21, 22)에 바람직하게는 직접 연결되는 제 2 저항(143, 153)을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  6. 고전압 네트워크(70)에 전기 에너지를 공급하도록 설계된 배터리(20)와 상기 배터리(20)의 하우징 사이에 존재하는 적어도 하나의 절연 저항을 측정 장치(130)에 의해 측정하기 위한 측정 방법으로서, 상기 측정 장치(130) 내에, 상기 배터리(20)의 2개의 고전압 연결부(21, 22) 중 하나의 고전압 연결부(21, 22)에 각각 할당된 2개의 측정 경로(140, 150)가 배치되고, 상기 측정 경로(140, 150)는 각각 제 1 저항(142, 152)과 릴레이(145, 155)로 구성된 직렬 회로를 포함하며, 관련 고전압 연결부(21, 22)와 하우징 전위를 갖는 지점(25) 사이에 각각 연결되는, 상기 측정 방법에 있어서,
    각각의 직렬 회로는 반도체 스위치(147, 157)를 포함하고, 상기 측정 장치(130)는 상기 릴레이들(145, 155)이 폐쇄되는 2개의 기능 모드를 갖고, 상기 측정 장치(130)는 상기 2개의 기능 모드 중, 상기 반도체 스위치(147, 157)가 각각 개방되거나 개방된 상태로 유지되는 수동 기능 모드로부터, 상기 2개의 기능 모드 중, 상기 반도체 스위치(147, 157)가 교대로 개폐되는 능동 기능 모드로 전환되고, 각각의 측정 경로(140, 150)의 반도체 스위치(147, 157)의 폐쇄 시에 상응하는 측정 경로(140, 150)의 상기 제 1 저항(142, 152)을 통해 강하하는 제 1 전압이 각각 측정되고 각각의 측정된 제 1 전압을 기초로 상응하는 절연 저항이 결정되는 것을 특징으로 하는 측정 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 미리 정해진 프로파일을 가진 고전압과 동일한 테스트 전압(±VT)이 또는 OV의 절대값으로부터 미리 정해진 절대값까지 연속해서 증가하고 상기 미리 정해진 절대값에 도달한 직후에 미리 정해진 프로파일을 가진 고전압과 동일한 테스트 전압(±VT1)이 상기 2개의 고전압 연결부(21, 22) 중 적어도 하나의 고전압 연결부(21, 22)와 상기 하우징 사이에 및/또는 상기 고전압 네트워크(70)의 2개의 고전압 네트워크 연결부(73, 74) 중 적어도 하나의 고전압 네트워크 연결부(73, 74)와 상기 하우징 사이에 각각 적어도 일시적으로 인가되는, 배터리 제어 장치(131)의 테스트 모드의 존재가 검출되고, 테스트 모드가 시작될 때 상기 릴레이(145, 155)가 개방되고 테스트 모드가 끝난 후 상기 릴레이(145, 155)가 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 측정 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 각각의 고전압 연결부(21, 22)와 상기 하우징 사이에 및/또는 각각의 고전압 네트워크 연결부(73, 74)와 상기 하우징 사이에 인가된 제 2 전압이 각각 측정되고, 각각의 제 2 전압의 크기가 미리 정해진 한계치와 동일하거나 상기 한계치를 초과하면 제어 신호가 생성되고, 각각의 제어 신호가 제공되면 테스트 모드의 시작이 검출되고 상기 릴레이들(145, 155)이 각각 개방되는 것을 특징으로 하는 측정 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 배터리 시스템(100; 200)을 구비한 차량.
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