KR20200109925A - 절연저항 측정 장치 - Google Patents

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장호상
김선용
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최용석
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Abstract

본 발명에 따른 절연저항 측정 장치는, 배터리의 플러스 단자 및 접지와 연결되는 제1 분배저항; 상기 배터리의 플러스 단자 및 상기 제1 분배저항과 연결되는 제1 스위치; 상기 배터리의 마이너스 단자 및 상기 접지와 연결되는 제2 분배저항; 상기 배터리의 마이너스 단자 및 상기 제2 분배저항과 연결되는 제2 스위치; 및 상기 제1 분배저항에 인가되는 제1 전압을 이용하여 상기 배터리의 음극 절연저항을 측정하고, 상기 제2 분배저항에 인가되는 제2 전압을 이용하여 상기 배터리의 양극 절연저항을 측정하는 절연저항 측정부를 포함한다.

Description

절연저항 측정 장치{APPARATUS FOR MEASURING INSULATION RESISTANCE}
본 발명은 배터리의 절연저항을 간소화된 구성으로 측정함과 동시에, 절연저항의 측정 속도를 향상시킨 절연저항 측정 장치에 관한 것이다.
고전압 배터리를 사용하는 전기 자동차나 하이브리드 자동차에 있어서, 배터리의 절연저항은 접지 사고(Ground Fault)가 발생했음을 알려주기 때문에 매우 중요하다. 배터리의 플러스 단자와 접지(예를 들어, 차량의 샷시 접지) 사이의 양극 절연저항과, 배터리의 마이너스 단자와 접지 사이의 음극 절연저항은 접지 사고가 발생하지 않았을 경우에는 무한대의 값을 갖지만, 접지 사고가 발생했을 경우에는 저항 값이 작아지게 된다.
이러한 배터리의 절연저항은 배터리의 플러스 단자, 접지 및 배터리의 마이너스 단자로 연결되는 전류 경로를 형성한 후 분배저항에 인가되는 전압을 이용하여 측정한다.
다만, 종래의 절연저항 측정 장치 중에는 분배저항에 인가되는 전압 측정을 위해 연산증폭기를 구비하고, 연산증폭기의 성능을 테스트하기 위해 테스트 회로를 구비한 것이 있는데, 이와 같은 연산증폭기 및 테스트 회로를 절연저항 측정 장치에 구비시킬 경우에는 장치의 복잡도와 가격을 증가시키고, 절연저항의 측정 속도 역시 떨어뜨리는 요인이 된다. 또한, 종래의 절연저항 측정 장치 중에는 분배저항만을 접지에 연결시키고 있는데, 이 경우에는 스위치가 외부 서지(surge)로부터 보호받지 못해 장치의 수명을 단축시키는 요인이 된다.
공개특허공보 제2013-0059107호(2013.06.05.)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 장치의 복잡도 및 가격은 감소시키면서도, 절연저항의 측정 속도는 향상시킨 절연저항 측정 장치를 제공하는 것에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 스위치가 외부 서지로부터 보호받을 수 있도록 함으로써, 장치의 수명을 늘릴 수 있는 절연저항 측정 장치를 제공하는 것에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 절연저항 측정 장치는, 배터리의 플러스 단자 및 접지와 연결되는 제1 분배저항; 상기 배터리의 플러스 단자 및 상기 제1 분배저항과 연결되는 제1 스위치; 상기 배터리의 마이너스 단자 및 상기 접지와 연결되는 제2 분배저항; 상기 배터리의 마이너스 단자 및 상기 제2 분배저항과 연결되는 제2 스위치; 및 상기 제1 분배저항에 인가되는 제1 전압을 이용하여 상기 배터리의 음극 절연저항을 측정하고, 상기 제2 분배저항에 인가되는 제2 전압을 이용하여 상기 배터리의 양극 절연저항을 측정하는 절연저항 측정부를 포함한다.
여기서, 상기 절연저항 측정부는 상기 제1 분배저항 및 상기 제2 분배저항에 직접적으로 연결되어, 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압을 측정할 수 있다.
또한, 상기 절연저항 측정부는 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치의 온오프를 제어하여, 상기 배터리의 플러스 단자, 상기 접지 및 상기 배터리의 마이너스 단자로 연결되는 전류 경로를 만들 수 있다.
또한, 상기 절연저항 측정부는, 상기 배터리의 양극 절연저항을 측정할 경우, 상기 제1 스위치는 오프 상태로, 상기 제1 스위치는 온 상태로 동작시키고, 상기 배터리의 음극 절연저항을 측정할 경우, 상기 제1 스위치는 온 상태로, 상기 제2 스위치는 오프 상태로 동작시킬 수 있다.
또한, 상기 절연저항 측정부는, 상기 배터리의 양극 절연저항을 측정할 경우, 상기 배터리의 음극 절연저항이 무한대인 것으로 가정하고, 상기 배터리의 음극 절연저항을 측정할 경우, 상기 배터리의 양극 절연저항이 무한대인 것으로 가정할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 절연저항 측정 장치는, 상기 배터리의 플러스 단자 및 상기 제1 스위치와 연결되는 제1 보호저항; 및 상기 배터리의 마이너스 단자 및 상기 제2 스위치와 연결되는 제2 보호저항을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 절연저항 측정 장치는, 상기 제2 분배저항 및 상기 접지와 연결되는 직류 전압원을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 절연저항 측정부는, 하기 수학식 1을 통해 상기 배터리의 양극 절연저항을 측정할 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
(여기서, Riso1은 상기 배터리의 양극 절연저항의 저항 값, Vb는 상기 배터리의 전압, Vdc는 상기 직류 전압원의 전압, V2는 상기 제2 분배저항에 인가되는 제2 전압, R2는 상기 제2 분배저항의 저항 값이고, Ron2는 상기 제2 보호저항의 저항 값임)
또한, 상기 절연저항 측정부는, 하기 수학식 2를 통해 상기 배터리의 음극 절연저항을 측정할 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00002
(여기서, Riso2는 상기 배터리의 음극 절연저항의 저항 값, Vb는 상기 배터리의 전압, V1은 상기 제1 분배저항에 인가되는 제1 전압, R1은 상기 제1 분배저항의 저항 값이고, Ron1은 상기 제1 보호저항의 저항 값임)
본 발명에 의하면, 연산증폭기나 테스트 회로와 같은 구성을 제외시킴으로써, 배터리의 절연저항을 측정하는 장치를 단순화할 수 있고 가격을 절감할 수 있으며, 절연저항의 측정 속도를 향상시킬 수 있다.
또한, 배터리의 플러스 단자 및 제1 스위치에 연결되는 제1 보호저항과, 배터리의 마이너스 단자 및 제2 스위치에 연결되는 제2 보호저항을 둠으로써 스위치를 외부 서지로부터 보호할 수 있으며, 이에 따라 장치의 수명을 늘릴 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 절연저항 측정 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에서 배터리의 양극 절연이 파괴된 경우를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1에서 배터리의 음극 절연이 파괴된 경우를 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 절연저항 측정 장치에 대해 상세하게 설명한다. 첨부한 도면들은 통상의 기술자에게 본 발명의 기술적 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위하여 어디까지나 예시적으로 제공되는 것으로서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들로 한정되지 않고 다른 형태로 얼마든지 구체화될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 절연저항 측정 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 절연저항 측정 장치는 제1 분배저항(130), 제1 스위치(140), 제2 분배저항(150), 제2 스위치(160) 및 절연저항 측정부(170)를 포함한다.
제1 분배저항(130)은 배터리(10)의 플러스 단자 및 접지와 연결되고, 제1 스위치(140)는 배터리(10)의 플러스 단자 및 제1 분배저항(130)과 연결된다. 제2 분배저항(150)은 배터리(10)의 마이너스 단자 및 접지와 연결되고, 제2 스위치(160)는 배터리(10)의 마이너스 단자 및 제2 분배저항(150)과 연결된다. 여기서, 배터리(10)는 다수 개의 배터리 셀이 직렬 또는 병렬로 연결되어 이루어진 것일 수 있다.
절연저항 측정부(200)는 제1 분배저항(130) 및 제2 분배저항(150)에 직접적으로 연결되어, 제1 분배저항(130)에 인가되는 제1 전압 및 제2 분배저항(150)에 인가되는 제2 전압을 측정한다. 여기서, 절연저항 측정부(200)가 제1 분배저항(130) 및 제2 분배저항(150)에 직접적으로 연결되어 있다는 것은, 절연저항 측정부(200)와 제1 분배저항(130) 사이, 및 절연저항 측정부(200)와 제2 분배저항(150) 사이에 어떠한 구성도 개재시키지 않은 채 연결되어 있다는 것을 의미한다.
종래 절연저항 측정 장치 중에는 절연저항 측정부와 분배저항 사이에 연산증폭기를 구비하고, 또한 연산증폭기의 성능을 테스트하기 위해 테스트 회로를 구비한 것이 있다. 하지만, 절연저항 측정 장치에 연산증폭기나 테스트 회로를 구비시키게 되면, 장치의 복잡도 및 가격이 증가하게 되고, 연산증폭기에 의해 증폭된 전압을 처리하는 과정을 절연저항 측정부에 추가시켜야 하기 때문에 절연저항의 측정 속도가 떨어지게 된다. 이에 따라, 본 발명에서는 연산증폭기나 테스트 회로와 같은 구성을 배제시킨 채, 절연저항 측정부(200)를 제1 분배저항(130) 및 제2 분배저항(150)에 직접적으로 연결시킴으로써, 절연저항 측정 장치의 복잡도 및 가격을 감소시키면서도, 절연저항의 측정 속도는 향상시킬 수 있게 된다.
한편, 절연저항 측정부(200)는 후술하는 바와 같이 제1 분배저항(130)에 인가되는 제1 전압을 이용하여 배터리(10)의 음극 절연저항(120)을 측정하고, 제2 분배저항(150)에 인가되는 제2 전압을 이용하여 배터리(10)의 양극 절연저항(110)을 측정한다.
절연저항 측정부(200)가 배터리(10)의 양극 절연저항(110) 및 음극 절연저항(120)을 측정하기 위해서는, 배터리(10)의 플러스 단자, 접지 및 배터리(10)의 마이너스 단자로 연결되는 전류 경로를 만들 필요가 있다. 이를 위해, 절연저항 측정부(200)는 제1 스위치(140) 및 제2 스위치(160)의 온오프(on/off)를 제어하여 전류 경로를 만드는 역할도 한다.
이와 같이, 분배저항(130, 150)에 인가되는 전압 측정, 측정된 전압을 이용하여 배터리(10)의 절연저항 측정, 및 전류 경로를 만들기 위한 스위치(140, 160) 제어 등의 동작을 수행하기 위하여, 절연저항 측정부(200)는 마이크로 컨트롤러 유닛(Micro Controller Unit; MCU)을 포함하여 이루어진다.
도 1에 의하면, 제1 분배저항(130)은 제1 스위치(140)와 접지 사이에 위치하고, 제2 분배저항(150)은 제2 스위치(160)와 접지 사이에 위치해 있다. 다만, 이와 같이 스위치(140, 160)와 접지 사이에만 분배저항(130, 150)이 위치할 경우에는, 스위치(140, 160)가 외부 서지로부터 보호받지 못해 장치의 수명을 단축시킬 우려가 있다. 이에 따라, 배터리(10)의 플러스 단자 및 제1 스위치(140)에 연결되는 제1 보호저항(170)과, 배터리(10)의 마이너스 단자 및 제2 스위치(160)에 연결되는 제2 보호저항(180)을 두어, 스위치(140, 160)를 외부 서지로부터 보호하는 것이 장치의 수명 연장 측면에서 바람직하다.
또한, 절연저항 측정부(200)에서 제2 분배저항(150)에 인가되는 제2 전압을 측정할 때, 상기 제2 전압의 범위(range)를 조절하기 위하여, 보다 상세하게는 제2 전압이 0이 아닌 값이 나오도록 하기 위하여, 제2 분배저항(150) 및 접지와 연결되는 직류 전압원(190)을 구비하는 것이 바람직하다.
도 2는 도 1에서 배터리의 양극 절연이 파괴된 경우를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 배터리(10)의 양극 절연이 파괴되면, 배터리(10)의 플러스 단자와 접지 사이의 양극 절연저항(110)이 무한대가 아닌 특정한 값을 갖게 된다. 이에 따라, 절연저항 측정부(200)는 배터리(10)의 양극 절연이 파괴되었는지 여부를 알기 위해, 제1 스위치(140)를 오프 상태로 동작시키고 제2 스위치(160)를 온 상태로 동작시킨다.
절연저항 측정부(200)는 배터리(10)의 양극 절연저항(110)을 측정할 경우에 배터리(10)의 음극 절연저항이 무한대인 것으로 가정한다. 이와 같이 음극 절연저항을 무한대라고 가정하면, 절연저항 측정부(200)는 후술하는 것처럼 연립방정식에 의할 필요 없이 제2 전압 하나만 측정하더라도 배터리(10)의 양극 절연저항(110)을 측정할 수 있기 때문에 빠른 측정이 가능해지게 된다.
제1 스위치(140)가 오프 상태로 동작하고, 제2 스위치(160)가 온 상태로 동작하게 되면, 배터리(10)의 플러스 단자, 양극 절연저항(110), 접지, 제2 분배저항(150), 제2 보호저항(180) 및 배터리(10)의 마이너스 단자로 연결되는 전류 경로가 형성된다.
배터리(10)의 양극 절연 파괴 시 형성되는 전류 경로를 통해 전류 I2가 흐른다고 하였을 때, 전류 I2는 다음의 수학식 1과 같다.
[수학식 1]
Figure pat00003
수학식 1에서, Vb는 배터리(10)의 전압, Vdc는 직류 전압원(190)의 전압, Riso1은 배터리의 양극 절연저항(110)의 저항 값, R2는 제2 분배저항(150)의 저항 값이고, Ron2는 제2 보호저항(180)의 저항 값을 나타낸다.
전류 I2가 수학식 1과 같을 경우, 제2 분배저항(150)에 인가되는 제2 전압 V2는 다음의 수학식 2와 같다.
[수학식 2]
Figure pat00004
그리고 Riso1을 통해 수학식 2를 풀면 다음의 수학식 3과 같다.
[수학식 3]
Figure pat00005
절연저항 측정부(200)는 배터리(10)의 전압, 직류 전압원(190)의 전압, 제2 분배저항(150)의 저항 값 및 제2 보호저항(180)의 저항 값이 저장된 메모리를 포함할 수 있다. 이에 따라, 절연저항 측정부(200)는 제2 분배저항(150)에 인가되는 제2 전압을 측정하기만 하면, 양극 절연저항(110) 역시 측정해낼 수 있게 된다.
도 3은 도 1에서 배터리의 음극 절연이 파괴된 경우를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 배터리(10)의 음극 절연이 파괴되면, 배터리(10)의 마이너스 단자와 접지 사이의 음극 절연저항(120)이 무한대가 아닌 특정한 값을 갖게 된다. 이에 따라, 절연저항 측정부(200)는 배터리(10)의 음극 절연이 파괴되었는지 여부를 알기 위해, 제1 스위치(140)를 온 상태로 동작시키고 제2 스위치(160)를 오프 상태로 동작시킨다.
절연저항 측정부(200)는 배터리(10)의 음극 절연저항(120)을 측정할 경우에 배터리(10)의 양극 절연저항이 무한대인 것으로 가정한다. 이와 같이 양극 절연저항을 무한대라고 가정하면, 절연저항 측정부(200)는 후술하는 것처럼 연립방정식에 의할 필요 없이 제1 전압 하나만 측정하더라도 배터리(10)의 양극 절연저항(120)을 측정할 수 있기 때문에 빠른 측정이 가능해지게 된다.
제1 스위치(140)가 온 상태로 동작하고, 제2 스위치(160)가 오프 상태로 동작하게 되면, 배터리(10)의 플러스 단자, 제1 보호저항(170), 제1 분배저항(130), 접지, 음극 절연저항(120) 및 배터리(10)의 마이너스 단자로 연결되는 전류 경로가 형성된다.
배터리(10)의 음극 절연 파괴 시 형성되는 전류 경로를 통해 전류 I1이 흐른다고 하였을 때, 전류 I1은 다음의 수학식 4와 같다.
[수학식 4]
Figure pat00006
수학식 4에서, Vb는 배터리(10)의 전압, Ron1은 제1 보호저항(170)의 저항 값, R1은 제1 분배저항(130)의 저항 값이고, Riso2는 배터리의 음극 절연저항(120)의 저항 값을 나타낸다.
전류 I1이 수학식 4와 같을 경우, 제1 분배저항(130)에 인가되는 제1 전압 V1은 다음의 수학식 5와 같다.
[수학식 5]
Figure pat00007
그리고 Riso2를 통해 수학식 5를 풀면 다음의 수학식 6과 같다.
[수학식 6]
Figure pat00008
절연저항 측정부(200)는 배터리(10)의 전압, 제1 분배저항(130)의 저항 값 및 제1 보호저항(170)의 저항 값이 저장된 메모리를 포함할 수 있다. 이에 따라, 절연저항 측정부(200)는 제1 분배저항(130)에 인가되는 제1 전압을 측정하기만 하면, 음극 절연저항(120) 역시 측정해낼 수 있게 된다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 절연저항 측정 장치는 연산증폭기나 테스트 회로와 같은 구성을 제외시킴으로써, 장치를 단순화할 수 있고 가격을 절감할 수 있으며, 절연저항의 측정 속도를 향상시킬 수 있다. 게다가, 배터리(10)의 양극 절연저항(110)을 측정할 경우에는 배터리(10)의 음극 절연저항이 무한대인 것으로 가정하고, 배터리(10)의 음극 절연저항(120)을 측정할 경우에는 배터리(10)의 양극 절연저항이 무한대인 것으로 가정함으로서, 절연저항의 측정 속도를 더욱 향상시킬 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것이 아니라 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명의 기술적 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10: 배터리 110: 양극 절연저항
120: 음극 절연저항 130: 제1 분배저항
140: 제1 스위치 150: 제2 분배저항
160: 제2 스위치 170: 제1 보호저항
180: 제2 보호저항 190: 직류 전압원
200: 절연저항 측정부

Claims (9)

  1. 배터리의 플러스 단자 및 접지와 연결되는 제1 분배저항;
    상기 배터리의 플러스 단자 및 상기 제1 분배저항과 연결되는 제1 스위치;
    상기 배터리의 마이너스 단자 및 상기 접지와 연결되는 제2 분배저항;
    상기 배터리의 마이너스 단자 및 상기 제2 분배저항과 연결되는 제2 스위치; 및
    상기 제1 분배저항에 인가되는 제1 전압을 이용하여 상기 배터리의 음극 절연저항을 측정하고, 상기 제2 분배저항에 인가되는 제2 전압을 이용하여 상기 배터리의 양극 절연저항을 측정하는 절연저항 측정부;를 포함하는 절연저항 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 절연저항 측정부는 상기 제1 분배저항 및 상기 제2 분배저항에 직접적으로 연결되어, 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압을 측정하는 것을 특징으로 하는 절연저항 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 절연저항 측정부는 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치의 온오프를 제어하여, 상기 배터리의 플러스 단자, 상기 접지 및 상기 배터리의 마이너스 단자로 연결되는 전류 경로를 만드는 것을 특징으로 하는 절연저항 측정 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 절연저항 측정부는,
    상기 배터리의 양극 절연저항을 측정할 경우, 상기 제1 스위치는 오프 상태로, 상기 제1 스위치는 온 상태로 동작시키고,
    상기 배터리의 음극 절연저항을 측정할 경우, 상기 제1 스위치는 온 상태로, 상기 제2 스위치는 오프 상태로 동작시키는 것을 특징으로 하는 절연저항 측정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 절연저항 측정부는,
    상기 배터리의 양극 절연저항을 측정할 경우, 상기 배터리의 음극 절연저항이 무한대인 것으로 가정하고,
    상기 배터리의 음극 절연저항을 측정할 경우, 상기 배터리의 양극 절연저항이 무한대인 것으로 가정하는 것을 특징으로 하는 절연저항 측정 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 배터리의 플러스 단자 및 상기 제1 스위치와 연결되는 제1 보호저항; 및
    상기 배터리의 마이너스 단자 및 상기 제2 스위치와 연결되는 제2 보호저항;을 더 포함하는 절연저항 측정 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 분배저항 및 상기 접지와 연결되는 직류 전압원을 더 포함하는 절연저항 측정 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 절연저항 측정부는,
    하기 수학식 1을 통해 상기 배터리의 양극 절연저항을 측정하는 것을 특징으로 하는 절연저항 측정 장치.
    [수학식 1]
    Figure pat00009

    여기서, Riso1은 상기 배터리의 양극 절연저항의 저항 값, Vb는 상기 배터리의 전압, Vdc는 상기 직류 전압원의 전압, V2는 상기 제2 분배저항에 인가되는 제2 전압, R2는 상기 제2 분배저항의 저항 값이고, Ron2는 상기 제2 보호저항의 저항 값임.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 절연저항 측정부는,
    하기 수학식 2를 통해 상기 배터리의 음극 절연저항을 측정하는 것을 특징으로 하는 절연저항 측정 장치.
    [수학식 2]
    Figure pat00010

    여기서, Riso2는 상기 배터리의 음극 절연저항의 저항 값, Vb는 상기 배터리의 전압, V1은 상기 제1 분배저항에 인가되는 제1 전압, R1은 상기 제1 분배저항의 저항 값이고, Ron1은 상기 제1 보호저항의 저항 값임.
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