KR20180055202A - 배터리의 절연 저항 산출 장치 및 방법 - Google Patents

배터리의 절연 저항 산출 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리의 절연 저항 산출 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 저항 산출 장치는, 서로 독립적으로 제어되는 제1 스위치 및 제2 스위치를 포함하는 스위칭부; 상기 제1 스위치의 턴온 시, 배터리의 양극 단자와 접지 사이에 직렬 연결되는 제1 보호 저항 및 제1 기준 저항; 상기 제2 스위치의 턴온 시, 상기 배터리의 음극 단자와 상기 접지 사이에 직렬 연결되는 제2 보호 저항 및 제2 기준 저항; 상기 제1 기준 저항에 인가되는 제1 검출 전압 및 상기 제2 기준 저항에 인가되는 제2 검출 전압을 측정하도록 구성된 전압 측정부; 및 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 미리 정해진 규칙에 따라 제어하고, 상기 제1 검출 전압의 측정값들과 상기 제2 검출 전압의 측정값들을 기록하며, 상기 제1 검출 전압의 측정값들과 상기 제2 검출 전압의 측정값들에 측정 오류가 발생하였는지 여부를 판정하고, 상기 배터리의 양극 단자와 상기 접지 사이의 제1 절연 저항 및 상기 배터리의 음극 단자와 상기 접지 사이의 제2 절연 저항을 산출하도록 구성된 프로세서;를 포함한다.

Description

배터리의 절연 저항 산출 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING ISOLATION RESISTANCE OF BATTERY}
본 발명은 절연 저항 산출 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배터리의 기생 커패시터(stray capacitance)를 고려하여, 배터리의 절연 저항을 신속 정확하게 산출할 수 있는 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, 배터리의 절연 상태가 유지되지 않을 경우, 누설 전류(leakage current)가 발생하여 다양한 문제가 야기될 수 있다. 구체적으로는 누설 전류로 인해, 배터리의 수명이 단축될 수 있을 뿐만 아니라, 배터리와 연결된 전기 장비의 오작동을 야기할 수 있으며, 감전 등과 같은 안전 사고가 발생할 수 있다.
이와 같은 누설 전류가 발생하지 않도록 하기 위해, 배터리의 절연 저항에 대한 모니터링이 요구된다.
도 1은 배터리와 종래 기술에 따른 절연 저항 산출 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 상호 직렬 및/또는 병렬 연결되는 둘 이상의 셀(21)을 포함하는 배터리(20)를 확인할 수 있다. 그리고, 배터리(20)의 양쪽 단자와 접지(예, 차량의 섀시) 사이에는 각각 절연 저항(RLeak (+), RLeak (-))이 구비되어 있다. 절연 저항(RLeak(+), RLeak (-))은 배터리(20)의 절연 상태에 대응하는 가상의 저항 성분이라고 할 수 있다. 만약 배터리(20)의 양쪽 단자의 절연 상태가 잘 유지될 경우 절연 저항(RLeak(+), RLeak (-))의 저항값은 충분히 큰 값을 가질 것이다. 반대로, 배터리(20)의 절연 상태가 파괴된 경우, 절연 저항(RLeak (+), RLeak (-))의 저항값은 허용치 이하로 매우 작아질 것이다.
다시 도 1을 참조하면, 배터리(20)의 양극 단자 및 음극 단자에는 절연 저항 산출 장치(10)가 연결되어 있다. 절연 저항 산출 장치(10)는, 내부에 테스트 저항(11) 및 테스트 저항(11)에 인가되는 전압을 측정하는 전압 측정부(12)를 구비하고 있다. 절연 저항 산출 장치(10)는, 전압 측정부(12)를 통해 측정된 전압값을 이용하여 제1 절연 저항(RLeak (+))과 제2 절연 저항(RLeak (-))을 산출한다.
배터리(20)의 양쪽 단자에는 각각 기생 커패시터가 존재할 수 있다는 것이다. 이러한 기생 커패시터 성분을 절연 저항과 마찬가지로 등가 회로로 모델링하면, 두 절연 저항(RLeak (+), RLeak (-))에 각각 병렬로 연결된 두 커패시터로 표현될 수 있다.
도 2는 절연 저항 및 기생 커패시터 성분이 표현된 배터리 팩의 등가 회로를 개략적으로 나타낸 도면이다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 배터리(20)의 양극 단자와 접지 사이에는 절연 저항(RLeak (+))과 기생 커패시터(CP(+))가 병렬 연결되고, 배터리(20)의 음극 단자와 접지 사이에는 절연 저항(RLeak (-))과 기생 커패시터(CP(-))가 병렬 연결될 수 있다. 이와 같이, 기생 커패시터(CP(+), CP(-))가 존재할 경우, 종래 기술에 따른 절연 저항 산출 장치(10)는 전압을 제대로 측정하기 곤란하다. 이는, 전압 측정부(12)가 안정화된 전압을 측정하기 위해서는 기생 커패시터((CP(+), CP(-)))가 충분히 방전될 때까지 대기해야만 하기 때문이다.
다시 말해, 기생 커패시터(CP(+), CP(-))가 존재하지 않는 이상적인 상황에서는 전압값이 스위칭 직후로부터 일정한 값을 갖지만, 기생 커패시터(CP(+), CP(-))가 존재하는 경우에는, 어느 정도의 시간이 경과 이후에 전압이 안정상태에 도달하게 된다.
따라서, 종래 기술에 따를 경우, 올바른 전압값을 측정하기 위해서는, 테스트 저항(11)에 인가되는 전압이 안정상태에 도달할 정도로 수초 이상의 충분한 시간이 흘러야 한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 배터리의 양쪽 단자에 각각 연결되는 기생 커패시터가 충분히 방전되기 전에도 신속 정확하게 배터리의 절연 저항을 산출할 수 있는 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.
본 발명의 일 측면에 따른 절연 저항 산출 장치는, 서로 독립적으로 제어되는 제1 스위치 및 제2 스위치를 포함하는 스위칭부; 상기 제1 스위치의 턴온 시, 배터리의 양극 단자와 접지 사이에 직렬 연결되는 제1 보호 저항 및 제1 기준 저항; 상기 제2 스위치의 턴온 시, 상기 배터리의 음극 단자와 상기 접지 사이에 직렬 연결되는 제2 보호 저항 및 제2 기준 저항; 상기 제1 기준 저항에 인가되는 제1 검출 전압 및 상기 제2 기준 저항에 인가되는 제2 검출 전압을 측정하도록 구성된 전압 측정부; 및 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 미리 정해진 규칙에 따라 제어하고, 상기 제1 검출 전압의 측정값들과 상기 제2 검출 전압의 측정값들을 기록하며, 상기 배터리의 양극 단자와 상기 접지 사이의 제1 절연 저항 및 상기 배터리의 음극 단자와 상기 접지 사이의 제2 절연 저항을 산출하도록 구성된 프로세서;를 포함한다. 상기 프로세서는, 상기 제1 스위치가 턴온되고 상기 제2 스위치가 턴오프되는 제1 스위칭 모드에서, 상기 전압 측정부에 의해 적어도 3회 이상 순차적으로 측정된 상기 제1 검출 전압의 측정값들을 기록하고, 상기 제1 스위치가 턴오프되고 상기 제2 스위치가 턴온되는 제2 스위칭 모드에서, 상기 전압 측정부에 의해 적어도 3회 이상 순차적으로 측정된 상기 제2 검출 전압의 측정값들을 기록하며, 상기 제1 스위칭 모드에서 기록된 상기 제1 검출 전압의 측정값들 중 적어도 두개를 기초로, 상기 제1 스위칭 모드에서의 측정 오류가 발생하였는지 판정하고, 상기 제2 스위칭 모드에서 기록된 상기 제2 검출 전압의 측정값들 중 적어도 두개를 기초로, 상기 제2 스위칭 모드에서의 측정 오류가 발생하였는지 판정하며, 상기 제1 스위칭 모드에서 측정 오류가 발생하지 않은 것으로 판정 시, 상기 제1 스위칭 모드에서 기록된 상기 제1 검출 전압의 측정값들을 기초로, 상기 제1 검출 전압의 수렴값을 추정하고, 상기 제2 스위칭 모드에서 측정 오류가 발생하지 않은 것으로 판정 시, 상기 제2 스위칭 모드에서 기록된 상기 제2 검출 전압의 측정값들을 기초로, 상기 제2 검출 전압의 수렴값을 추정하며, 상기 제1 검출 전압의 수렴값 및 상기 제2 검출 전압의 수렴값을 기초로, 상기 제1 절연 저항 및 상기 제2 절연 저항을 산출한다.
또한, 상기 전압 측정부는, 상기 제1 스위칭 모드에서, 미리 정해진 제1 시간마다 상기 제1 검출 전압을 적어도 3회 이상 순차적으로 측정하고, 상기 제2 스위칭 모드에서, 미리 정해진 제2 시간마다 상기 제2 검출 전압을 적어도 3회 이상 순차적으로 측정한다.
또한, 상기 제1 스위칭 모드에서의 측정값들은 제1 측정값, 상기 제1 측정값 이후의 제2 측정값 및 상기 제2 측정값 이후의 제3 측정값을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 프로세서는, 상기 제1 측정값이 상기 제2 측정값 이하인 경우 또는 상기 제2 측정값이 상기 제3 측정값 이하인 경우, 상기 제1 스위칭 모드에서 측정 오류가 발생한 것으로 판정할 수 있다.
또한, 상기 제2 스위칭 모드에서의 측정값들은 제4 측정값 및 상기 제4 측정값 이후의 제5 측정값 및 상기 제5 측정값 이후의 제6 측정값을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 프로세서는, 상기 제4 측정값이 상기 제5 측정값 이하인 경우 또는 상기 제5 측정값이 상기 제6 측정값 이하인 경우, 상기 제2 스위칭 모드에서 측정 오류가 발생한 것으로 판정할 수 있다.
또한, 상기 제1 스위칭 모드에서의 측정값들은 제1 측정값, 상기 제1 측정값 이후의 제2 측정값 및 상기 제2 측정값 이후의 제3 측정값을 포함할 수 있다. 상기 프로세서는, 상기 제1 측정값과 상기 제2 측정값 사이의 직선 기울기의 절대값이 상기 제2 측정값과 상기 제3 측정값 사이의 직선 기울기의 절대값 이하인 경우, 상기 제1 스위칭 모드에서 측정 오류가 발생한 것으로 판정할 수 있다.
또한, 상기 제2 스위칭 모드에서의 측정값들은 제4 측정값 및 상기 제4 측정값 이후의 제5 측정값 및 상기 제5 측정값 이후의 제6 측정값을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 프로세서는, 상기 제4 측정값과 상기 제5 측정값 사이의 직선 기울기의 절대값이 상기 제5 측정값과 상기 제6 측정값 사이의 직선 기울기의 절대값 이하인 경우, 상기 제2 스위칭 모드에서 측정 오류가 발생한 것으로 판정할 수 있다.
또한, 상기 프로세서는, 상기 제1 스위칭 모드에서 측정 오류가 발생한 것으로 판정 시, 상기 제1 스위칭 모드를 재실행하고, 상기 제2 스위칭 모드에서 측정 오류가 발생한 것으로 판정 시, 상기 제2 스위칭 모드를 재실행할 수 있다.
또한, 상기 제2 기준 저항과 상기 접지 사이에 연결되는 직류 전압원;을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 프로세서는, 상기 제1 스위치가 턴온되고 상기 제2 스위치가 턴온되는 제3 스위칭 모드에서, 상기 제1 검출 전압과 상기 제2 검출 전압을 측정하고, 상기 제3 스위칭 모드에서의 상기 제1 검출 전압의 측정값과 상기 제2 검출 전압의 측정값을 더 기초로, 상기 제1 절연 저항 및 상기 제2 절연 저항을 산출할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리의 절연 저항을 산출하는 방법은, 상기 절연 저항 측정 장치를 이용한다. 절연 저항 산출 방법은, 상기 제1 스위치가 턴온되고 상기 제2 스위치가 턴오프되는 제1 스위칭 모드에서, 상기 제1 검출 전압을 적어도 3회 이상 순차적으로 측정하는 단계; 상기 제1 스위치가 턴오프되고 상기 제2 스위치가 턴온되는 제2 스위칭 모드에서, 상기 제2 검출 전압을 적어도 3회 이상 순차적으로 측정하는 단계; 상기 제1 스위칭 모드에서의 측정값들 중 적어도 두개를 기초로, 상기 제1 스위칭 모드에서의 측정 오류가 발생하였는지 판정하는 단계; 상기 제2 스위칭 모드에서의 측정값들 중 적어도 두개를 기초로, 상기 제2 스위칭 모드에서의 측정 오류가 발생하였는지 판정하는 단계; 상기 제1 스위칭 모드에서 측정 오류가 발생하지 않은 것으로 판정 시, 상기 제1 스위칭 모드에서의 측정값들을 기초로, 상기 제1 검출 전압의 수렴값을 추정하는 단계; 상기 제2 스위칭 모드에서 측정 오류가 발생하지 않은 것으로 판정 시, 상기 제2 스위칭 모드에서의 측정값들을 기초로, 상기 제2 검출 전압의 수렴값을 추정하는 단계; 및 상기 제1 검출 전압의 수렴값 및 상기 제2 검출 전압의 수렴값을 기초로, 상기 제1 절연 저항 및 상기 제2 절연 저항을 산출하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리의 양쪽 단자에 연결되는 기생 커패시터가 충분히 방전되기 전에도 신속 정확하게 배터리의 양쪽 단자에 연결된 두 절연 저항을 각각 산출할 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 배터리와 종래 기술에 따른 절연 저항 산출 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 절연 저항 및 기생 커패시터 성분이 표현된 배터리 팩의 등가 회로를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 저항 산출 장치의 기능적 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 회로 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 저항 산출 장치가 제1 스위칭 모드에 있는 동안에 배터리 팩에 형성되는 제1 회로를 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 제1 회로가 형성되어 있는 동안에 제1 검출 전압의 변화를 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 저항 산출 장치가 제2 스위칭 모드에 있는 동안에 배터리 팩에 형성되는 제2 회로를 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
도 8은 도 7에 도시된 제2 회로가 형성되어 있는 동안에 제2 검출 전압의 변화를 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 저항 산출 장치가 제1 스위칭 모드에서의 측정값들에 측정 오류가 발생하였는지 여부를 판정하는 동작을 설명하는 데에 참조되는 도면이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 저항 산출 장치가 제2 스위칭 모드에서의 측정값들에 측정 오류가 발생하였는지 여부를 판정하는 동작을 설명하는 데에 참조되는 도면이다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 저항 산출 장치가 제1 수렴값과 제2 수렴값을 기초로 제1 절연 저항 및 제2 절연 저항을 산출하는 동작을 설명하는 데에 참조되는 도면이다.
도 15 및 도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 저항 산출 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 산출 장치의 기능적 구성을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(10)의 회로 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 절연 저항 산출 장치(100)는, 배터리 팩(10)에 구비된 배터리(20)의 양극 단자(NP) 및 음극 단자(NN)에 연결되어 있다.
여기서, 배터리(20)는, 단일의 배터리 셀(21) 또는 배터리 셀(21)의 집합체를 의미하며, 배터리 셀의 집합체는, 직렬, 병렬 또는 직병렬된 배터리 셀(21)로 구성될 수 있다.
배터리 셀(21)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, 배터리(20)의 양극 단자(NP) 및 음극 단자(NN)에는 절연 저항(RLeak (+), RLeak (-))이 연결되어 있다. 상세하게는, 배터리(20)의 양극 단자(NP)와 접지 사이에는 제1 절연 저항(RLeak (+))이 연결되어 있고, 배터리(20)의 음극 단자(NN)와 접지 사이에는 제2 절연 저항(RLeak (-))이 연결되어 있다.
이러한 절연 저항(RLeak (+), RLeak (-))은 배터리 팩(10)의 절연 상태를 나타내기 위한 등가 저항이라고 할 수 있다. 만약 배터리 팩(10)의 절연 상태가 잘 유지될 경우 제1 및 제2 절연 저항(RLeak (+), RLeak (-))의 저항값은 충분히 큰 값을 가질 것이고, 이와 달리 절연 상태가 깨어질 경우 제1 및 제2 절연 저항(RLeak (+), RLeak (-)) 중 적어도 하나의 저항값은 임계값 이하의 매우 작은 값을 가질 것이다.
또한, 배터리(20)의 양극 단자(NP) 및 음극 단자(NN)에는 기생 커패시터(CP(+), CP(-))가 연결되어 있다. 상세하게는, 배터리(20)의 양극 단자(NP)과 접지 사이에는 양극측 기생 커패시터(CP(+))가 연결되어 있고, 배터리(20)의 음극 단자(NN)와 접지 사이에는 음극측 기생 커패시터(CP(-))가 연결되어 있다. 이러한 기생 커패시터(CP(+), CP(-))는, 상술한 절연 저항(RLeak (+), RLeak (-))과 마찬가지로 커패시터 성분을 나타내기 위한 등가 커패시터라고 할 수 있다. 기생 커패시터(CP(+), CP(-))는 도 4에 도시된 바와 같이, 절연 저항(RLeak (+), RLeak (-))에 각각 병렬 연결된 형태로 등가화될 수 있다.
다시 도 3 및 도 4를 참조하면, 절연 저항 산출 장치(100)는 제1 보호 저항(R11), 제2 보호 저항(R21), 제1 기준 저항(R12), 제2 기준 저항(R22), 스위칭부(130), 전압 측정부(150) 및 프로세서(160)를 포함한다. 제1 보호 저항(R11) 및 제1 기준 저항(R12)는 제1 공통 노드(NC1)를 통해 상호 연결되는 것으로서, 제1 전압 분배부(110)라고 칭할 수 있다. 제2 보호 저항(R21) 및 제2 기준 저항(R22)는 제2 공통 노드(NC2)를 통해 상호 연결되는 것으로서, 제2 전압 분배부(120)라고 칭할 수 있다.
구현예에 따라, 절연 저항 산출 장치(100)는 제2 기준 저항(R22)과 접지 사이에 연결되는 직류 전압원(140)을 더 포함할 수 있다. 제2 기준 저항(R22)은 배터리(20)의 음극 단자(NN)와 접지 사이에 연결되므로, 제2 공통 노드(NC2)와 접지 사이에 인가되는 전압은 음의 값이 될 수 있다. 따라서, 제2 공통 노드(NC2)와 접지 사이에 인가되는 전압이 양의 값을 갖도록 하기 위해 직류 전압원(140)이 구비될 수 있다. 이때, 이러한 직류 전압원(140)이 출력하는 전압값(VDC)은, 제2 공통 노드(NC2)와 접지 사이에 인가되는 전압이 양수값이 되도록(즉, 제2 검출 전압이 0V 이상이 되도록) 설정된 후, 프로세서(160)에 미리 저장될 수 있다.
선택적으로, 절연 저항 산출 장치(100)는 정보 안내부를 더 포함할 수 있다. 정보 안내부는 LED, 디스플레이 및 스피커 중 적어도 하나를 포함하여, 배터리(20)의 절연 상태에 관한 정보를 사용자가 인지할 수 있는 형태의 신호로 출력할 수 있다.
프로세서(160)는 스위치 제어부(161), 전압 추정부(162) 및 절연 저항 산출부(163)를 포함할 수 있다. 또한, 프로세서(160)는 전압 측정부(150)까지 포함하는 형태로 구현될 수도 있다.
스위칭부(130)는 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)를 포함할 수 있다. 제1 스위치(SW1)는 양극 단자(NP)와 제1 전압 분배부(110) 사이에 연결될 수 있다. 제2 스위치(SW2)는 양극 단자(NN)와 제2 전압 분배부(120) 사이에 연결될 수 있다. 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)는 스위치 제어부(161)로부터의 신호에 응답하여, 서로 독립적으로 제어될 수 있다. 즉, 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)는 각각 턴온 또는 턴오프될 수 있는바, 최대 4가지의 스위칭 모드에 따라 동작될 수 있다. 4가지 스위칭 모드는 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)가 '턴온-턴오프'되는 제1 스위칭 모드, '턴오프-턴온'되는 제2 스위칭 모드, '턴온-턴온'되는 제3 스위칭 모드, '턴오프-턴오프'되는 제4 스위칭 모드일 수 있다. 이에, 스위칭 모드별로 배터리 팩(10)에 서로 다른 회로가 형성될 수 있다.
제1 보호 저항(R11) 및 제1 기준 저항(R12)은, 제1 스위치(SW1)의 턴온 시, 배터리(20)의 양극 단자(NP)와 접지 사이에 직렬 연결될 수 있다. 제1 보호 저항(R11) 및 제1 기준 저항(R12)은, 제1 스위치(SW1)의 턴오프 시, 배터리(20)의 양극 단자(NP)로부터 전기적으로 분리될 수 있다.
구체적으로, 제1 보호 저항(R11) 및 제1 기준 저항(R12)의 일단은 제1 공통 노드(NC1)를 통해 서로 연결된다. 또한, 제1 보호 저항(R11)의 타단은 제1 스위치(SW1)를 통해 양극 단자(NP)에 연결 또는 분리된다. 또한, 제1 기준 저항(R12)의 타단은 접지에 연결된다.
제2 보호 저항(R21) 및 제2 기준 저항(R22)은, 제2 스위치(SW2)의 턴온 시, 배터리(20)의 음극 단자(NN)와 접지 사이에 직렬 연결될 수 있다. 제2 보호 저항(R21) 및 제2 기준 저항(R22)은, 제2 스위치(SW2)의 턴오프 시, 배터리(20)의 음극 단자(NN)로부터 전기적으로 분리될 수 있다.
구체적으로, 제2 보호 저항(R21) 및 제2 기준 저항(R22)의 일단은 제2 공통 노드(NC2)를 통해 서로 연결된다. 또한, 제2 보호 저항(R21)의 타단은 제2 스위치(SW2)를 통해 음극 단자(NN)에 연결 또는 분리된다. 또한, 제2 기준 저항(R22)의 타단은 접지에 연결된다.
제1 보호 저항(R11), 제1 기준 저항(R12), 제2 보호 저항(R21) 및 제2 기준 저항(R22) 각각의 저항값은 프로세서(160)에 미리 저장될 수 있다. 바람직하게는, 제1 보호 저항(R11)의 저항값과 제1 기준 저항(R12)의 저항값 간의 비율은, 제2 보호 저항(R21)의 저항값과 제2 기준 저항(R22)의 저항값 간의 비율과 동일할 수 있다. 예컨대, 제1 보호 저항(R11)의 저항값과 제2 보호 저항(R21)의 저항값은 서로 동일하고, 제1 기준 저항(R12)의 저항값과 제2 기준 저항(R22)의 저항값은 서로 동일할 수 있다.
제1 전압 분배부(110)에 인가된 전압은 제1 보호 저항(R11)의 저항값과 제1 기준 저항(R12)의 저항값 간의 비율에 따라 분배되어, 전압 측정부(150)에 의해 측정될 수 있다. 이와 유사하게, 제2 전압 분배부(120)에 인가된 전압은 제2 보호 저항(R12)의 저항값과 제2 기준 저항(R22)의 저항값 간의 비율에 따라 분배되어, 전압 측정부(150)에 의해 측정될 수 있다.
스위치 제어부(161)는, 미리 정해진 규칙에 따라 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)를 독립적으로 제어할 수 있다. 즉, 스위치 제어부(161)는, 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)를 선택적으로 턴 온시키거나 턴 오프시킬 수 있다. 스위치 제어부(161)는 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)를 제어함으로써, 배터리 팩(10) 내에 서로 다른 회로들을 형성할 수 있다.
보다 구체적으로, 스위치 제어부(161)는 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)를 제어하여 아래와 같은 다양한 회로를 형성할 수 있다.
스위치 제어부(161)는, 제1 스위칭 모드에서 제1 스위치(SW1)를 턴 온시키고 제2 스위치(SW2)를 턴 오프시켜 제1 회로(CC1)를 형성할 수 있다. 제1 회로(CC1)는, 제1 전압 분배부(110)는 양극 단자(NP)에 연결되고, 제2 전압 분배부(120)는 음극 단자(NN)로부터 분리되는 회로를 의미한다.
또한, 스위치 제어부(161)는, 제2 스위칭 모드에서 제1 스위치(SW1)를 턴 오프시키고 제2 스위치(SW2)를 턴 온시켜 제2 회로(CC2)를 형성할 수 있다. 제2 회로(CC2)는, 제1 전압 분배부(110)는 양극 단자(NP)로부터 분리되고, 제2 전압 분배부(120)는 음극 단자(NN)에 연결된 회로를 의미한다.
또한, 스위치 제어부(161)는, 제3 스위칭 모드에서 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)를 턴 온시켜 제3 회로를 형성할 수 있다. 제3 회로는, 제1 전압 분배부(110)는 양극 단자(NP)에 연결되고, 제2 전압 분배부(120)는 음극 단자(NN)에 연결된 회로를 의미한다.
또한, 스위치 제어부(161)는, 제4 스위칭 모드에서 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)를 턴 오프시켜 제4 회로를 형성할 수 있다. 제4 회로는, 제1 기준 저항(R12)은 양극 단자(NP)에 연결되지 않고 제2 기준 저항(R22)은 음극 단자(NN)에 연결되지 않은 회로를 의미한다.
전압 측정부(150)는, 제1 공통 노드(NC1)에 인가되는 전압(이하, '제1 검출 전압'이라고 함)과 제2 공통 노드(NC2)에 인가되는 전압 전압(이하, '제2 검출 전압'이라고 함)을 측정할 수 있다.
이를 위해, 전압 측정부(150)는 제1 공통 노드(NC1)에 연결되는 제1 입력 포트(IN1) 및 제2 공통 노드(NC2)에 연결되는 제2 입력 포트(IN2)를 포함할 수 있다. 전압 측정부(150)는 전압 센서로서 ADC(Analog-Digital Converter)를 포함할 수 있는데, ADC는 제1 입력 포트(IN1)에 형성된 전위에 대응하는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하고, 제2 입력 포트(IN2)에 형성된 전위에 대응하는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다.
전압 측정부(150)는 제1 스위칭 모드에서는 미리 정해진 제1 시간마다 제1 검출 전압을 적어도 3회 이상 순차적으로 측정하고, 제2 스위칭 모드에서는 미리 정해진 제2 시간마다 제2 검출 전압을 적어도 3회 이상 순차적으로 측정할 수 있다. 이때, 제1 시간 및 제2 시간 중 어느 하나는 다른 하나와는 같거나 다를 수 있다. 또한, 전압 측정부(150)는 제3 스위칭 모드에서는 제1 검출 전압 및 제2 검출 전압 각각을 적어도 1회 이상 측정할 수 있다.
전압 측정부(150)는 제1 스위칭 모드에서의 측정값들, 제2 스위칭 모드에서의 측정값들 및 제3 스위칭 모드에서의 측정값을 전압 추정부(162)로 전송할 수 있다.
전압 추정부(162)는, 전압 측정부(150)로부터 전송되는 제3 스위칭 모드에서의 제1 검출 전압의 측정값과 제2 검출 전압의 측정값을 기초로, 배터리(20)의 전압(VBat)을 산출할 수 있다.
또한, 전압 추정부(162)는, 전압 측정부(150)로부터 전송되는 제1 스위칭 모드 및 제2 스위칭 모드와 관련된 측정값들을 기초로, 제1 스위칭 모드에서의 제1 검출 전압 및 제2 스위칭 모드에서의 제2 검출 전압 각각의 수렴값을 추정할 수 있다.
전술한 바와 같이, 제1 스위칭 모드에서, 기생 커패시터(CP(+))로 인해 제1 검출 전압이 안정화(즉, 전압 변화율이 임계치 이하)되기까지는 상당한 시간이 소요되는데, 전압 추정부(162)는 제1 검출 전압의 측정값들을 기초로, 제1 검출 전압이 최종적으로 도달하게 될 전압값인 제1 수렴값을 제1 검출 전압이 실제로 안정화되기 전에 미리 추정할 수 있다.
이와 마찬가지로, 제2 스위칭 모드에서, 기생 커패시터(CP(-))로 인해 제2 검출 전압이 안정화되기까지는 상당한 시간이 소요되는데, 전압 추정부(162)는 제2 검출 전압의 측정값들을 기초로, 제2 검출 전압이 최종적으로 도달하게 될 전압값인 제2 수렴값을 제2 검출 전압이 실제로 안정화되기 전에 미리 추정할 수 있다.
구체적으로, 전압 추정부(162)는, 제1 회로(CC1)가 형성되어 있는 동안에 전압 측정부(150)에 의해 적어도 3회 이상 순차적으로 측정된 제1 검출 전압의 측정값들을 기록하고, 기록된 제1 검출 전압의 측정값들을 기초로, 제1 검출 전압에 대한 제1 수렴값을 추정할 수 있다.
이와 별개로, 전압 추정부(162)는 제2 회로(CC2)가 형성되어 있는 동안에 전압 측정부(150)에 의해 적어도 3회 이상 순차적으로 측정된 제2 검출 전압의 측정값들을 기록하고, 기록된 제2 검출 전압의 측정값들을 기초로, 제2 검출 전압에 대한 제2 수렴값을 추정할 수 있다.
전압 추정부(162)는 제1 수렴값과 제2 수렴값을 각각 추정하기 위해, 아래의 수학식 1을 이용할 수 있다.
Figure pat00001
만약, 수학식 1에서, 제1 스위칭 모드에서 미리 정해진 제1 시간마다 제1 검출 전압을 순차적으로 측정하여 얻어진 3개의 측정값들을 y1, y2 및 y3에 대입하는 경우, yf는 제1 수렴값이 된다.
만약, 수학식 1에서, 제2 스위칭 모드에서 미리 정해진 제2 시간마다 제2 검출 전압을 순차적으로 측정하여 얻어진 3개의 측정값들을 y1, y2 및 y3에 대입하는 경우, yf는 제2 수렴값이 된다.
수학식 1은 아래의 수학식 2 내지 9을 통해 도출되는 것일 수 있다.
제1 스위칭 모드에서 형성되는 제1 회로(CC1)의 저항들(R11, R12, RLeak (+), RLeak (-))의 저항값과 커패시터(CP(+), CP(-))의 커패시턴스를 등가화하면, 제1 회로(CC1)는 1차 회로(first-order circuit)가 된다. 이와 마찬가지로, 제2 스위칭 모드에서 형성되는 제2 회로(CC2)의 저항들(R21, R22, RLeak (+), RLeak (-))의 저항값과 커패시터(CP(+), CP(-))의 커패시턴스를 등가화하면, 제2 회로(CC2)는 역시 제1 회로(CC1)와는 다른 1차 회로(first-order circuit)가 된다.
따라서, 제1 회로(CC1)가 형성되어 있는 동안의 제1 검출 전압과 제2 회로(CC2)가 형성되어 있는 동안의 제2 검출 전압은, 아래의 수학식 2와 같은 임의의 1차 회로의 완전 응답의 형식으로 표현될 수 있다.
Figure pat00002
수학식 2에서, t는 1차 회로가 형성된 직후부터의 경과 시간이고, RC는 1차 회로의 시상수이며, yf는 1차 회로의 강제 응답에 대응하는 수렴값이고, yi는 1차 회로가 형성된 직후의 초기값이며, v(t)는 t에 따른 완전 응답이다.
수학식 2의 양변에서 yf를 빼면 수학식 2는 아래의 수학식 3으로 표현될 수 있다.
Figure pat00003
t1 < t2 < t3이고, v(t1) = y1, v(t2) = y2, v(t2) = y3라고 하고, 수학식 3의 t에 각각 t1, t2, t3를 대입하면 아래의 3개의 수학식이 도출된다.
Figure pat00004
Figure pat00005
Figure pat00006
수학식 4를 수학식 5로 나누면 아래의 수학식 7이 도출되고, 수학식 5를 수학식 6으로 나누면 아래의 수학식 8이 도출된다.
Figure pat00007
Figure pat00008
수학식 7 및 수학식 8에서, t2 - t1 = t3 - t2이면, 아래의 수학식 9가 도출된다.
Figure pat00009
수학식 9를 yf에 대하여 정리하면 바로 위의 수학식 1이 도출된다. 즉, 1차 회로의 완전 응답을 나타내는 수학식 2에 있어서, yf, yi 및 RC만이 미지수이므로, y1, y2 및 y3 각각에 대입할 서로 다른 3개의 측정값들이 결정된다면, 1차 회로의 완전 응답에 대한 yf, yi 및 RC을 구할 수 있다.
절연 저항 산출부(163)는, 전압 추정부(162)에 의해 제1 수렴값 및 제2 수렴값의 추정이 완료되면, 추정된 제1 수렴값 및 제2 수렴값을 기초로, 제1 절연 저항(RLeak (+))과 제2 절연 저항(RLeak (-))을 각각 산출할 수 있다.
이하에서는, 도 5 내지 도 8을 참조하여, 제1 수렴값과 제2 수렴값을 추정하는 동작에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 저항 산출 장치가 제1 스위칭 모드에 있는 동안에 배터리 팩(10)에 형성되는 제1 회로(CC1)를 설명하기 위해 참조되는 도면이고, 도 6은 도 5에 도시된 제1 회로(CC1)가 형성되어 있는 동안에 제1 검출 전압의 변화를 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 제1 스위칭 모드에서 제1 스위치는 턴온되고 제2 스위치는 턴오프됨에 따라, 배터리 팩(10)에 제1 회로(CC1)가 형성된다. 도 6에 도시된 그래프에서 실선은 기생 커패시터(CP(+), CP(-))가 존재하는 경우의 프로파일이고, 점선은 기생 커패시터(CP(+), CP(-))가 존재하지 않는 경우의 프로파일이다.
제1 회로(CC1)가 형성되어 있는 동안, 전압 측정부(150)는 제1 검출 전압을 적어도 3회 이상 순차적으로 측정하여, 그 측정값들을 전압 추정부(162)로 전송한다. 제1 회로(CC1)가 형성되어 있는 동안, 전압 측정부(150)는 제2 검출 전압에 대한 측정은 보류한다.
가령, TSW1 _i에서 TSW1 _f까지 제1 스위칭 모드로 유지되는 상황을 가정해보자. 이때, TSW1_i는 절연 저항 산출 장치가 제1 스위칭 모드에 진입한 시점으로서, 제1 회로(CC1)가 형성되는 시점과 동일하다. 또한, TSW1 _f는 제1 검출 전압이 실제로 안정 상태에 도달하는 시점으로서, 기생 커패시터(CP(+), CP(-))의 충전 정도에 따라 달라질 수 있다. 또한, 도 6에 도시된 그래프에서 TSW1 _i 전과 TSW1 _f 후에 대응하는 부분은 제1 스위치가 턴오프되어 있을 때의 제1 검출 전압을 나타낸다.
전압 측정부(150)는 TSW1 _i 이후에 제1 검출 전압을 제1 시간마다 적어도 3회 이상 순차적으로 측정할 수 있다. 예컨대, 전압 측정부(150)는 ta, tb 및 tc에서 제1 검출 전압을 측정하고, 측정값들(Va, Vb, Vc)을 전압 추정부(162)로 전송할 수 있다. 이때, 제1 시간 = tb - ta = tc - tb 일 수 있다. 이에 따라, 전압 추정부(162)는 ta에서의 측정값(Va), tb에서의 측정값(Vb) 및 tc에서의 측정값(Vc)을 기록할 수 있다.
전압 추정부(162)는 기록된 측정값들(Va, Vb, Vc)을 위 수학식 1의 y1, y2 및 y3 각각에 대입함으로써, 제1 수렴값을 TSW1 _f에 도달하기 전에 추정할 수 있다. 예를 들어, Va = 5V, Vb=2V, Vc=1V라고 하면, 수학식 1에 의해 제1 수렴값 = yf=(4-5)/(4-6)=0.5V가 된다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 저항 산출 장치가 제2 스위칭 모드에 있는 동안에 배터리 팩(10)에 형성되는 제2 회로(CC2)를 설명하기 위해 참조되는 도면이고, 도 8은 도 7에 도시된 제2 회로(CC2)가 형성되어 있는 동안에 제2 검출 전압의 변화를 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 제2 스위칭 모드에서 제1 스위치는 턴오프되고 제2 스위치는 턴온됨에 따라, 배터리 팩(10)에 제2 회로(CC2)가 형성된다. 도 8에 도시된 그래프에서 실선은 기생 커패시터(CP(+), CP(-))가 존재하는 경우의 프로파일이고, 점선은 기생 커패시터(CP(+), CP(-))가 존재하지 않는 경우의 프로파일이다.
제2 회로(CC2)가 형성되어 있는 동안, 전압 측정부(150)는 제2 검출 전압을 적어도 3회 이상 순차적으로 측정하여, 그 측정값들을 전압 추정부(162)로 전송한다. 제2 회로(CC2)가 형성되어 있는 동안, 전압 측정부(150)는 제1 검출 전압에 대한 측정은 보류한다.
가령, TSW2 _i에서 TSW2 _f까지 제2 스위칭 모드로 유지되는 상황을 가정해보자. 이때, TSW2_i는 절연 저항 산출 장치가 제2 스위칭 모드에 진입한 시점으로서, 제2 회로(CC2)가 형성되는 시점과 동일하다. 또한, TSW2 _f는 제2 검출 전압이 실제로 안정 상태에 도달하는 시점으로서, 기생 커패시터(CP(+), CP(-))의 충전 정도에 따라 달라질 수 있다. 또한, 도 8에 도시된 그래프에서 TSW2 _i 전과 TSW2 _f 후에 대응하는 부분은 제2 스위치가 턴오프되어 있을 때의 제2 검출 전압을 나타낸다.
전압 측정부(150)는 TSW2 _i 이후에 제2 검출 전압을 제2 시간마다 적어도 3회 이상 순차적으로 측정할 수 있다. 예컨대, 전압 측정부(150)는 td, te 및 tf에서 제2 검출 전압을 측정하고, 측정값들(Vd, Ve, Vf)을 전압 추정부(162)로 전송할 수 있다. 이때, 제2 시간 = te - td = tf - te 일 수 있다. 이에 따라, 전압 추정부(162)는 td에서의 측정값(Vd), te에서의 측정값(Ve) 및 tf에서의 측정값(Vf)을 기록할 수 있다.
전압 추정부(162)는 기록된 측정값들을 위 수학식 1의 y1, y2 및 y3 각각에 대입함으로써, TSW2 _f에 도달하기 전에 제2 수렴값을 추정할 수 있다. 예를 들어, Vd = 6V, Ve=9V, Vf=10V라고 하면, 수학식 1에 의해 제2 수렴값 = yf=(81-60)/(18-16)=10.5V가 된다.
한편, 전압 측정부(150)의 측정 오류로 인해, 전압 측정부(150)에 의해 측정된 제1 검출 전압 및/또는 제2 검출 전압은 실제와는 달라질 수 있다. 실제와는 다른 측정값들을 기초로 제1 수렴값 및/또는 제2 수렴값을 추정하는 경우, 크게 두가지 문제가 발생할 수 있다. 첫번째 문제는 배터리 팩(10)의 절연이 파괴된 상태임에도, 절연이 파괴되지 않은 상태로 잘못 판정되는 것이다. 두번째 문제는 배터리 팩(10)의 절연이 파괴되지 않은 상태임에도 배터리 팩(10)의 절연이 파괴된 것으로 잘못 판정되는 것이다.
따라서, 제1 수렴값 및 제2 수렴값을 기초로 절연 저항(RLeak (+), RLeak (-))을 산출하기 전에, 제1 스위칭 모드와 제2 스위칭 모드 각각에서의 측정 과정 중에 측정 오류가 존재하는지 확인하는 것이 요구된다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 저항 산출 장치가 제1 스위칭 모드에서의 측정값들에 측정 오류가 발생하였는지 여부를 판정하는 동작을 설명하는 데에 참조되는 도면이다. Δt1 = t12-t11 = t13-t12 이라고 가정한다.
제1 스위칭 모드에서 측정 오류가 발생하였는지 여부에 판정의 기준은, 1차 회로의 완전 응답의 변화 특성을 고려하여 미리 설정될 수 있다.
구체적으로, 수학식 2로부터 확인할 수 있는 바와 같이, 1차 회로의 완전 응답은 지수적으로 증가하거나 감소하는 특성을 가진다.
따라서, 제1 스위칭 모드에서의 측정 오류의 발생 여부는 아래의 제1 조건 및 제2 조건 중 적어도 하나를 체크함으로써 판정될 수 있다.
<제1 조건>
3개 이상의 측정값들 중, 어느 한 측정값이 그보다 늦게 측정된 측정값보다 클 것.
<제2 조건>
3개 이상의 측정값들 중, 선행하는 두 측정값 사이를 잇는 직선 기울기의 절대값이 후행하는 두 측정값 사이를 잇는 직선 기울기의 절대값보다 클 것.
전압 추정부(162)는 제1 조건 및 제2 조건 중 적어도 하나가 만족되지 않은 경우, 제1 스위칭 모드에서 측정 오류가 발생한 것으로 판정한다. 바람직하게는, 전압 추정부(162)는 제1 조건 및 제2 조건 중 어느 하나를 나머지 하나보다 먼저 체크하고, 먼저 체크된 조건이 만족된 경우에 한하여 나머지 조건의 만족 여부를 체크할 수 있다.
도 9를 참조하면, 전압 추정부(162)는 제1 조건의 만족 여부를 확인하기 위해, 제1 스위칭 모드에 있는 동안 전압 측정부(150)에 의해 t11, t12 및 t13에서 순차적으로 측정된 측정값들(V11, V12, V13) 중 적어도 두 개 간의 대소 관계를 체크할 수 있다. 즉, 전압 추정부(162)는 V11과 V12의 대소 관계 및/또는 V12와 V13의 대소 관계를 체크할 수 있다.
예컨대, 도 9에서, 측정 오류가 발생한 t12에서의 측정값(V12)이 그에 선행하는 t11에서의 측정값(V11) 이상이므로, 전압 추정부(162)는 제1 조건이 만족되지 않은 것으로 판정할 수 있다. 이 경우, 전압 추정부(162)는 제2 조건의 만족 여부를 확인할 필요도 없이 제1 스위칭 모드에서의 측정값들(V11, V12, V13) 중 적어도 하나에 측정 오류가 발생한 것으로 판정할 수 있다.
도 10을 참조하면, 전압 추정부(162)는 제2 조건의 만족 여부를 확인하기 위해, 적어도 2개의 직선 기울기를 산출한다. 상세히는, t11에서 측정된 측정값(V11)과 그보다 후인 t12에 측정된 측정값(V12)을 잇는 제1 직선 기울기 = (V12-V11)/제1 시간과, 측정값(V12)과 t13에서 측정된 측정값(V13)을 잇는 제2 직선 기울기 = (V13-V12)/제1 시간을 각각 산출할 수 있다.
제1 직선 기울기=(V12-V11)/Δt1
제2 직선 기울기=(V13-V12)/Δt1
예컨대, 도 10에 도시된 바와 같이, t12에서의 측정값(V12) 및 t13에서의 측정값(V13)에 오류가 발생함에 따라 제2 직선 기울기의 절대값이 제1 직선 기울기의 절대값 이상인 경우, 전압 추정부(162)는 제2 조건이 만족되지 않은 것으로 판정할 수 있다.
전압 추정부(162)는 제1 조건 및 제2 조건 중 적어도 하나가 만족되지 않은 경우, 제1 조건 및 제2 조건이 모두 만족될 때까지 제1 스위칭 모드를 재실행할 수 있다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 저항 산출 장치가 제2 스위칭 모드에서의 측정값들에 측정 오류가 발생하였는지 여부를 판정하는 동작을 설명하는 데에 참조되는 도면이다. Δt2 = t22-t21 = t23-t22 이라고 가정한다.
제2 스위칭 모드에서 측정 오류가 발생하였는지 여부에 판정의 기준은, 도 9 및 도10을 참조하여 전술한 바와 유사하게, 1차 회로의 완전 응답의 변화 특성을 고려하여 미리 설정될 수 있다.
제2 스위칭 모드에서의 측정 오류의 발생 여부는 아래의 제3 조건 및 제4 조건 중 적어도 하나를 체크함으로써 판정될 수 있다.
<제3 조건>
3개 이상의 측정값들 중, 어느 한 측정값이 그보다 늦게 측정된 측정값보다 작을 것.
<제4 조건>
3개 이상의 측정값들 중, 선행하는 두 측정값 사이를 잇는 직선 기울기의 절대값이 후행하는 두 측정값 사이를 잇는 직선 기울기의 절대값보다 클 것.
전압 추정부(162)는 제3 조건 및 제4 조건 중 적어도 하나가 만족되지 않은 경우, 제2 스위칭 모드에서 측정 오류가 발생한 것으로 판정한다. 바람직하게는, 전압 추정부(162)는 제3 조건 및 제4 조건 중 어느 하나를 나머지 하나보다 먼저 체크하고, 먼저 체크된 조건이 만족된 경우에 한하여 나머지 조건의 만족 여부를 체크할 수 있다.
도 11을 참조하면, 전압 추정부(162)는 제3 조건의 만족 여부를 확인하기 위해, 제2 스위칭 모드에서 전압 측정부(150)에 의해 t21, t22 및 t23에서 순차적으로 측정된 측정값들(V21, V22, V23) 중 적어도 두 개 간의 대소 관계를 체크할 수 있다. 즉, 전압 추정부(162)는 V21과 V22의 대소 관계 및/또는 V22와 V23의 대소 관계를 체크할 수 있다.
예컨대, 도 11에서, t12에서 측정된 측정값(V22)이 그보다 앞선 t11에서 측정된 측정값(V21) 이하이므로, 전압 추정부(162)는 제3 조건이 만족되지 않은 것으로 판정할 수 있다. 이 경우, 전압 추정부(162)는 제4조건의 만족 여부를 확인할 필요도 없이 제2 스위칭 모드에서의 측정값들(V21, V22, V23) 중 적어도 하나에 측정 오류가 발생한 것으로 판정할 수 있다.
도 12를 참조하면, 전압 추정부(162)는 제4 조건의 만족 여부를 확인하기 위해, 적어도 2개의 직선 기울기를 산출한다. 상세히는, 가장 먼저 측정된 측정값(V21)과 그보다 후에 측정된 측정값(V22)을 잇는 제3 직선 기울기와, 측정값(V22)과 가장 나중에 측정된 측정값(V23)을 잇는 제4 직선 기울기을 각각 산출할 수 있다.
제3 직선 기울기=(V22-V21)/Δt2
제4 직선 기울기=(V23-V22)/Δt2
예컨대, 도 12에 도시된 바와 같이, t22에서의 측정값(V12) 및 t23에서의 측정값(V13)에 오류가 발생함에 따라 제4 직선 기울기의 절대값이 제3 직선 기울기의 절대값 이상인 경우, 전압 추정부(162)는 제4 조건이 만족되지 않은 것으로 판정할 수 있다.
전압 추정부(162)는 제3 조건 및 제4 조건 중 적어도 하나가 만족되지 않은 경우, 제3 조건 및 제4 조건이 모두 만족될 때까지 제2 스위칭 모드를 재실행할 수 있다.
선택적으로, 상기 제1 내지 제4 조건이 모두 만족된 경우, 프로세서(160)는 가장 최근에 설정된 제1 시간을 소정값만큼 줄일 수 있다. 이와 유사하게, 상기 제1 내지 제4 조건이 모두 만족된 경우, 프로세서(160)는 가장 최근에 설정된 제2 시간을 소정값만큼 줄일 수 있다. 즉, 상기 제1 내지 제4 조건이 모두 만족된 경우, 제1 스위칭 모드에서의 제1 검출 전압에 대한 측정 시간 간격 Δt1을 좁히고, 이와 함께 또는 별개로 제2 스위칭 모드에서의 제2 검출 전압에 대한 측정 시간 간격 Δt2을 좁힐 수 있다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 저항 산출 장치가 제1 수렴값과 제2 수렴값을 기초로 제1 절연 저항 및 제2 절연 저항을 산출하는 동작을 설명하는 데에 참조되는 도면이다.
도 13을 참조하면, 제1 회로(CC1)로부터 기생 커패시터(CP(+), CP(-))가 제거된 회로(C11)를 확인할 수 있다. 또한, 도 14를 참조하면, 제2 회로(CC2)로부터 기생 커패시터(CP(+), CP(-))가 제거된 회로(C12)를 확인할 수 있다.
제1 수렴값과 제2 수렴값이 추정되었다는 것은, 기생 커패시터(CP(+), CP(-))로 인하여 더 이상 제1 검출 전압과 제2 검출 전압이 변화하지 않는 안정 상태에 이르렀다는 것을 의미하는바, 제1 회로(CC1)는 회로(CC11)로 대체되고, 제2 회로(CC2)는 회로(CC12)로 대체될 수 있다.
회로(CC11)에 대한 제1 회로 방정식은 아래의 수학식 10으로 표현되고, 회로(CC12)에 대한 제2 회로 방정식은 아래의 수학식 11로 표현될 수 있다.
Figure pat00010
Figure pat00011
수학식 10 및 수학식 11에서, R1은 제1 보호 저항(R11)과 제2 보호 저항(R21)의 저항값과 동일하고, R2은 제1 기준 저항(R12)과 제2 기준 저항(R22)의 저항값과 동일하며, VBat은 배터리(20)의 전압값이고, V1은 제1 수렴값이며, V2는 제2 수렴값이다.
수학식 10 및 수학식 11의 변수들 중, R1 및 R2은 미리 정해진 값이고, V1, V2 및 VBat는 전압 추정부(162)에 의해 추정되는 값이므로, 제1 절연 저항(RLeak (+))과 제2 절연 저항(RLeak (-))만이 미지수이다. 수학식 10와 수학식 11을 제1 절연 저항(RLeak (+))과 제2 절연 저항(RLeak (-))에 대하여 정리하면 아래의 수학식 12를 도출할 수 있다.
Figure pat00012
절연 저항 산출부(163)는 수학식 12의 V1 및 V2에 각각 제1 수렴값 및 제2 수렴값을 대입하여, 배터리(20)의 제1 절연 저항(RLeak (+))과 제2 절연 저항(RLeak (-)) 각각의 값을 특정할 수 있다.
절연 저항 산출부(163)는 산출된 제1 절연 저항(RLeak (+))과 제2 절연 저항(RLeak (-)) 각각을 미리 정해진 기준값과 비교하여, 배터리(20)의 절연 파괴 여부를 판정할 수 있다. 즉, 절연 저항 산출부(163)는 산출된 제1 절연 저항(RLeak (+))과 제2 절연 저항(RLeak(-)) 중 적어도 하나가 상기 기준값 이하인 경우, 배터리(20)가 누전 상태인 것으로 판정할 수 있다. 구체적으로, 제1 절연 저항(RLeak (+))이 상기 기준값 이하인 경우에는 배터리(20)의 양극 단자측의 절연 상태가 파괴된 것으로 판정하고, 제2 절연 저항(RLeak (-))이 상기 기준값 이하인 경우에는 배터리(20)의 음극 단자측의 절연 상태가 파괴된 것으로 판정할 수 있다.
절연 저항 산출부(163)는 배터리(20)가 누전 상태인 것으로 판정된 경우, 배터리(20)가 누전 상태(즉, 절연 파괴)에 있음을 통지하기 위한 정보를 포함하는 알람 신호를 출력할 수 있다. 또한, 알람 신호는, 제1 절연 저항(RLeak (+)) 및 제2 절연 저항(RLeak(-)) 중 어느 것이 상기 기준값 이하인지에 대한 정보까지도 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상술한 절연 저항 산출 장치(100)는, 배터리 팩(10)에 포함될 수 있다. 즉, 본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 팩(10)은, 상술한 절연 저항 산출 장치(100)를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상술한 절연 저항 산출 장치(100)는, 전기 자동차에 포함될 수 있다. 즉, 본 발명의 또 다른 측면에 따른 전기 자동차는, 상술한 절연 저항 산출 장치(100)를 포함할 수 있다. 여기서, 전기 자동차는, 전기 에너지를 동력원으로 하는 운송 수단으로서, 전기 자동차뿐만 아니라 하이브리드 자동차를 포함한다.
이하, 본 발명의 또 다른 측면에 따른 절연 저항 산출 방법에 대해 설명하도록 한다. 본 발명의 또 다른 측면에 따른 절연 저항 산출 방법에 대해서는, 상술한 절연 저항 산출 장치에 대한 설명 등이 그대로 적용될 수 있으므로 반복적은 부분에 대한 설명은 생략하도록 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 절연 저항 산출 방법은, 상술한 절연 저항 산출 장치를 이용하여 절연 저항을 측정하는 방법으로서, 절연 저항 산출 방법을 수행하는 각 단계의 주체는 상술한 절연 저항 산출 장치의 각 구성요소일 수 있다.
도 15 및 도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 저항 산출 방법을 나타낸 순서도이다.
먼저, 도 15를 참조하면, 단계 S1510에서, 프로세서(160)는 스위칭부(130)를 제어하여 제1 회로(CC1)를 형성한다. 구체적으로, 프로세서(160)는 제1 스위칭 모드에 진입하여, 제1 스위치(SW1)는 턴온시키고 제2 스위치(SW2)는 턴오프시킴으로써, 제1 회로(CC1)를 형성할 수 있다.
단계 S1520에서, 프로세서(160)는 제1 회로(CC1)가 형성되어 있는 동안, 전압 측정부(150)에 의해 적어도 3회 이상 순차적으로 측정된 제1 검출 전압의 측정값들을 기록한다.
단계 S1530에서, 프로세서(160)는 단계 S1520을 통해 기록된 제1 검출 전압의 측정값들에 측정 오류가 발생하였는지 판정한다.
단계 S1540에서, 프로세서(160)는 기록된 제1 검출 전압의 측정값들을 기초로, 제1 수렴값을 추정한다.
단계 S1550에서, 프로세서(160)는 스위칭부(130)를 제어하여 제2 회로(CC2)를 형성한다. 구체적으로, 프로세서(160)는 제2 스위칭 모드에 진입하여, 제1 스위치(SW1)는 턴오프시키고 제2 스위치(SW2)는 턴온시킴으로써, 제2 회로(CC2)를 형성할 수 있다.
단계 S1560에서, 프로세서(160)는 제2 회로(CC2)가 형성되어 있는 동안, 전압 측정부(150)에 의해 적어도 3회 이상 순차적으로 측정된 제2 검출 전압의 측정값들을 기록한다.
단계 S1570에서, 프로세서(160)는 단계 S1550을 통해 기록된 제2 검출 전압의 측정값들에 측정 오류가 발생하였는지 판정한다.
단계 S1580에서, 프로세서(160)는 기록된 제2 검출 전압의 측정값들을 기초로, 제2 수렴값을 추정한다.
한편, 도 15에서, S1510, S1520, S1530 및 S1540가 S1550, S1560, S1570 및 S1580에 선행되는 것처럼 도시되어 있으나, 본 발명이 이러한 순서에 한정되는 것은 아니다.
단계 S1540 및 S1580이 완료되면, 상기 방법은 단계 S1585로 진행한다.
단계 S1585에서, 프로세서(160)는 제1 수렴값 및 제2 수렴값을 기초로, 제1 절연 저항(RLeak(+))과 제2 절연 저항(RLeak (-))을 산출한다.
단계 S1590에서, 프로세서(160)는 제1 절연 저항(RLeak (+))과 제2 절연 저항(RLeak(-))를 기초로, 배터리(20)의 절연 파괴 여부를 판정한다.
단계 S1595에서, 프로세서(160)는 단계 S1590을 통해 배터리(20)의 절연 상태가 파괴된 것으로 판정 시, 알람 신호를 출력한다. 프로세서(160)로부터 출력된 알람 신호는 절연 저항 산출 장치(100) 및/또는 외부 장치(예, 차량)에 구비된 출력 장치에 의해 사용자가 인지할 수 있는 형태(예, 이미지, 소리)로 변환될 수 있다.
도 15 및 도 16에 도시된 상기 단계들은 미리 정해진 동작 주기마다 반복적으로 수행될 수 있다.
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.
10: 배터리팩
20: 배터리
100: 절연 저항 산출 장치
110: 제1 전압 분배부
120: 제2 전압 분배부
130: 스위칭부
140: 직류 전압원
150: 전압 측정부
160: 프로세서
RLeak (+): 제1 절연 저항
RLeak (-): 제2 절연 저항
CP(+): 제1 기생 커패시터
CP(-): 제2 기생 커패시터

Claims (10)

  1. 서로 독립적으로 제어되는 제1 스위치 및 제2 스위치를 포함하는 스위칭부;
    상기 제1 스위치의 턴온 시, 배터리의 양극 단자와 접지 사이에 직렬 연결되는 제1 보호 저항 및 제1 기준 저항;
    상기 제2 스위치의 턴온 시, 상기 배터리의 음극 단자와 상기 접지 사이에 직렬 연결되는 제2 보호 저항 및 제2 기준 저항;
    상기 제1 기준 저항에 인가되는 제1 검출 전압 및 상기 제2 기준 저항에 인가되는 제2 검출 전압을 측정하도록 구성된 전압 측정부; 및
    상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 미리 정해진 규칙에 따라 제어하고, 상기 제1 검출 전압의 측정값들과 상기 제2 검출 전압의 측정값들을 기록하며, 상기 배터리의 양극 단자와 상기 접지 사이의 제1 절연 저항 및 상기 배터리의 음극 단자와 상기 접지 사이의 제2 절연 저항을 산출하도록 구성된 프로세서;를 포함하고,
    상기 프로세서는,
    상기 제1 스위치가 턴온되고 상기 제2 스위치가 턴오프되는 제1 스위칭 모드에서, 상기 전압 측정부에 의해 적어도 3회 이상 순차적으로 측정된 상기 제1 검출 전압의 측정값들을 기록하고,
    상기 제1 스위치가 턴오프되고 상기 제2 스위치가 턴온되는 제2 스위칭 모드에서, 상기 전압 측정부에 의해 적어도 3회 이상 순차적으로 측정된 상기 제2 검출 전압의 측정값들을 기록하며,
    상기 제1 스위칭 모드에서 기록된 상기 제1 검출 전압의 측정값들 중 적어도 두개를 기초로, 상기 제1 스위칭 모드에서의 측정 오류가 발생하였는지 판정하고,
    상기 제2 스위칭 모드에서 기록된 상기 제2 검출 전압의 측정값들 중 적어도 두개를 기초로, 상기 제2 스위칭 모드에서의 측정 오류가 발생하였는지 판정하며,
    상기 제1 스위칭 모드에서 측정 오류가 발생하지 않은 것으로 판정 시, 상기 제1 스위칭 모드에서 기록된 상기 제1 검출 전압의 측정값들을 기초로, 상기 제1 검출 전압의 수렴값을 추정하고,
    상기 제2 스위칭 모드에서 측정 오류가 발생하지 않은 것으로 판정 시, 상기 제2 스위칭 모드에서 기록된 상기 제2 검출 전압의 측정값들을 기초로, 상기 제2 검출 전압의 수렴값을 추정하며,
    상기 제1 검출 전압의 수렴값 및 상기 제2 검출 전압의 수렴값을 기초로, 상기 제1 절연 저항 및 상기 제2 절연 저항을 산출하는, 절연 저항 산출 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전압 측정부는,
    상기 제1 스위칭 모드에서, 미리 정해진 제1 시간마다 상기 제1 검출 전압을 적어도 3회 이상 순차적으로 측정하고,
    상기 제2 스위칭 모드에서, 미리 정해진 제2 시간마다 상기 제2 검출 전압을 적어도 3회 이상 순차적으로 측정하는, 절연 저항 산출 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 스위칭 모드에서의 측정값들은 제1 측정값, 상기 제1 측정값 이후의 제2 측정값 및 상기 제2 측정값 이후의 제3 측정값을 포함하고,
    상기 프로세서는,
    상기 제1 측정값이 상기 제2 측정값 이하인 경우 또는 상기 제2 측정값이 상기 제3 측정값 이하인 경우, 상기 제1 스위칭 모드에서 측정 오류가 발생한 것으로 판정하는, 절연 저항 산출 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 스위칭 모드에서의 측정값들은 제4 측정값 및 상기 제4 측정값 이후의 제5 측정값 및 상기 제5 측정값 이후의 제6 측정값을 포함하고,
    상기 프로세서는,
    상기 제4 측정값이 상기 제5 측정값 이하인 경우 또는 상기 제5 측정값이 상기 제6 측정값 이하인 경우, 상기 제2 스위칭 모드에서 측정 오류가 발생한 것으로 판정하는, 절연 저항 산출 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 스위칭 모드에서의 측정값들은 제1 측정값, 상기 제1 측정값 이후의 제2 측정값 및 상기 제2 측정값 이후의 제3 측정값을 포함하고,
    상기 프로세서는,
    상기 제1 측정값과 상기 제2 측정값을 잇는 제1 직선 기울기의 절대값이 상기 제2 측정값과 상기 제3 측정값을 잇는 제2 직선 기울기의 절대값 이하인 경우, 상기 제1 스위칭 모드에서 측정 오류가 발생한 것으로 판정하는, 절연 저항 산출 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 스위칭 모드에서의 측정값들은 제4 측정값 및 상기 제4 측정값 이후의 제5 측정값 및 상기 제5 측정값 이후의 제6 측정값을 포함하고,
    상기 프로세서는,
    상기 제4 측정값과 상기 제5 측정값을 잇는 제3 직선 기울기의 절대값이 상기 제5 측정값과 상기 제6 측정값을 잇는 제4 직선 기울기의 절대값 이하인 경우, 상기 제2 스위칭 모드에서 측정 오류가 발생한 것으로 판정하는, 절연 저항 산출 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 제1 스위칭 모드에서 측정 오류가 발생한 것으로 판정 시, 상기 제1 스위칭 모드를 재실행하고,
    상기 제2 스위칭 모드에서 측정 오류가 발생한 것으로 판정 시, 상기 제2 스위칭 모드를 재실행하는, 절연 저항 산출 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 기준 저항과 상기 접지 사이에 연결되는 직류 전압원;
    을 더 포함하는, 절연 저항 산출 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 제1 스위치가 턴온되고 상기 제2 스위치가 턴온되는 제3 스위칭 모드에서, 상기 제1 검출 전압과 상기 제2 검출 전압을 측정하고,
    상기 제3 스위칭 모드에서의 상기 제1 검출 전압의 측정값과 상기 제2 검출 전압의 측정값을 더 기초로, 상기 제1 절연 저항 및 상기 제2 절연 저항을 산출하는, 절연 저항 산출 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 하나에 따른 절연 저항 산출 장치를 이용하여 절연 저항을 산출하는 방법에 있어서,
    상기 제1 스위치가 턴온되고 상기 제2 스위치가 턴오프되는 제1 스위칭 모드에서, 상기 제1 검출 전압을 적어도 3회 이상 순차적으로 측정하는 단계;
    상기 제1 스위치가 턴오프되고 상기 제2 스위치가 턴온되는 제2 스위칭 모드에서, 상기 제2 검출 전압을 적어도 3회 이상 순차적으로 측정하는 단계;
    상기 제1 스위칭 모드에서의 측정값들 중 적어도 두개를 기초로, 상기 제1 스위칭 모드에서의 측정 오류가 발생하였는지 판정하는 단계;
    상기 제2 스위칭 모드에서의 측정값들 중 적어도 두개를 기초로, 상기 제2 스위칭 모드에서의 측정 오류가 발생하였는지 판정하는 단계;
    상기 제1 스위칭 모드에서 측정 오류가 발생하지 않은 것으로 판정 시, 상기 제1 스위칭 모드에서의 측정값들을 기초로, 상기 제1 검출 전압의 수렴값을 추정하는 단계;
    상기 제2 스위칭 모드에서 측정 오류가 발생하지 않은 것으로 판정 시, 상기 제2 스위칭 모드에서의 측정값들을 기초로, 상기 제2 검출 전압의 수렴값을 추정하는 단계; 및
    상기 제1 검출 전압의 수렴값 및 상기 제2 검출 전압의 수렴값을 기초로, 상기 제1 절연 저항 및 상기 제2 절연 저항을 산출하는 단계;
    를 포함하는, 절연 저항 산출 방법.
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