KR20230093988A - 절연저항 측정장치 및 그 측정방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 절연저항 측정장치 및 그 측정방법에 관한 것으로, 입력단이 배터리에 연결되고 적어도 하나 이상의 절연저항을 포함하고 적어도 하나 이상의 분배저항을 포함하고 상기 배터리로부터 배터리전압이 인가되면 샘플링전압을 출력하는 샘플링 페이즈부, 상기 샘플링 페이즈부의 출력단에 연결되고 적어도 하나 이상의 커패시터를 포함하고 상기 샘플링전압이 인가되면 상기 샘플링전압을 증폭하여 증폭전압을 출력하는 증폭 페이즈부, 상기 증폭 페이즈부의 출력단에 연결되고 상기 증폭전압에 대한 출력전압을 측정하고 상기 출력전압을 이용하여 상기 배터리의 절연저항을 측정하는 절연저항 측정부를 포함하여, 분배저항에 인가되는 샘플링전압을 증폭시켜, 작은 크기의 전압이 인가되더라도 정확하게 측정할 수 있고, 절연저항의 측정시간이 짧아지는 절연저항 측정장치 및 그 측정방법에 관한 것이다.

Description

절연저항 측정장치 및 그 측정방법 {Insulation resistance measuring apparatus and measuring method thereof}
본 발명은 절연저항 측정장치 및 그 측정방법에 관한 것으로, 차량용 배터리의 절연저항을 측정하는 장치 및 절연저항을 측정하는 방법에 관한 것이다.
고전압 배터리를 사용하는 전기 자동차나 하이브리드 자동차에 있어서, 배터리의 절연저항은 접지 사고(Ground Fault)가 발생했음을 알려주기 때문에 매우 중요하다. 예를 들어, 절연저항은 배터리의 양극과 접지(예를 들어, 차량의 섀시 접지) 사이의 양극 절연저항과, 배터리의 음극과 접지 사이의 음극 절연저항이 있다.
절연저항은 접지 사고가 발생하지 않았을 경우에는 무한대의 값을 갖지만, 접지 사고가 발생했을 경우에는 저항 값이 작아지게 된다.
일반적으로, 배터리의 절연저항은 배터리의 양극, 접지 및 배터리의 음극으로 연결되는 전류 경로를 형성한 후 분배저항에 인가되는 전압을 이용하여 측정한다.
선행문헌으로 한국공개특허 제10-2020-0109925호를 제시한다. 선행문헌은 절연저항 측정장치에 관한 발명이다.
선행문헌은, 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.
선행문헌에 의하면, 연산증폭기나 테스트 회로와 같은 구성을 제외시킴으로써, 배터리의 절연저항을 측정하는 장치를 단순화할 수 있고 가격을 절감할 수 있으며, 절연저항의 측정 속도를 향상시킬 수 있다.
한편, 선행문헌은 연산증폭기를 포함하지 않는다. 선행문헌에 따를 때, 절연저항 측정 장치에 연산증폭기나 테스트 회로를 구비하면, 장치의 복잡도 및 가격이 증가하게 되고, 연산증폭기에 의해 증폭된 전압을 처리하는 과정을 절연저항 측정부에 추가시켜야 하기 때문에 절연저항의 측정 속도가 떨어지게 된다. 이에 따라, 선행문헌에서는 연산증폭기나 테스트 회로와 같은 구성을 배제시킨 채, 절연저항 측정부를 제1분배저항및 제2분배저항에 직접적으로 연결시킴으로써, 절연저항 측정장치의 복잡도 및 가격을 감소시키면서도, 절연저항의 측정 속도는 향상시킨다고 한다.
하지만, 선행문헌은 연산증폭기를 포함하지 않는 바, 누설되는 전류가 작을 경우에는 이를 감지하기 어렵다는 문제점이 있다.
한국공개특허 제10-2020-0109925호
본 발명은 상기한 바와 같은 선행문헌이 갖는 문제점을 해결하기 위한 것이다. 즉, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 연산증폭기를 구비하여 분배저항에 인가되는 낮은 출력전압을 감지함과 동시에, 측정 속도가 빠른 절연저항 측정장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 절연저항 측정장치는, 입력단이 배터리에 연결되고, 적어도 하나 이상의 절연저항을 포함하고, 적어도 하나 이상의 분배저항을 포함하고, 상기 배터리로부터 배터리전압이 인가되면 샘플링전압을 출력하는 샘플링 페이즈부; 상기 샘플링 페이즈부의 출력단에 연결되고, 적어도 하나 이상의 커패시터를 포함하고, 상기 샘플링전압이 인가되면 상기 샘플링전압을 증폭하여 증폭전압을 출력하는 증폭 페이즈부; 상기 증폭 페이즈부의 출력단에 연결되고, 상기 증폭전압에 대한 출력전압을 측정하고, 상기 출력전압을 이용하여 상기 배터리의 절연저항을 측정하는 절연저항 측정부;를 포함한다.
샘플링 페이즈부는, 일 단이 상기 배터리의 양극에 연결되고, 타 단이 접지되는 양극 절연저항; 일 단이 상기 배터리의 양극에 연결되고, 상기 양극 절연저항에 병렬로 배치되는 제1분배저항; 일 단이 상기 배터리의 음극에 연결되고, 타 단이 접지되는 음극 절연저항; 일 단이 상기 배터리의 음극에 연결되고, 상기 음극 절연저항에 병렬로 배치되는 제2분배저항;을 포함할 수 있다.
상기 샘플링 페이즈부는, 일 단이 상기 배터리의 양극에 연결되는 제1분배저항; 일 단이 상기 제1분배저항에 연결되고, 타 단이 상기 샘플링 페이즈부의 출력단에 연결되는 제1스위치; 일 단이 상기 배터리의 음극에 연결되는 제2분배저항; 일 단이 상기 제2분배저항에 연결되고, 타 단이 상기 샘플링 페이즈부의 출력단에 연결되는 제2스위치;를 포함할 수 있다.
샘플링 페이즈부는, 일 단이 상기 배터리의 양극에 연결되고, 타 단이 상기 샘플링 페이즈부의 출력단에 연결되는 제1분배저항; 일 단이 상기 배터리의 음극에 연결되고, 타 단이 상기 샘플링 페이즈부의 출력단에 연결되는 제2분배저항; 일 단이 상기 샘플링 페이즈부의 출력단에 연결되고, 타 단이 접지되는 제3분배저항;을 포함할 수 있다. 이때 샘플링 페이즈부는, 일 단이 상기 샘플링 페이즈부의 출력단에 연결되고, 타 단이 접지되고, 상기 제3분배저항에 병렬로 배치된 제3스위치;를 포함할 수 있다.
증폭 페이즈부는, 제1연산증폭기; 일 단이 상기 샘플링 페이즈부의 출력단에 연결되고, 타 단이 상기 제1연산증폭기의 입력단에 연결되는 입력 커패시터; 일 단이 상기 제1연산증폭기의 입력단에 연결되고, 타 단이 상기 제1연산증폭기의 출력단에 연결되는 출력 커패시터;를 포함할 수 있다. 이때 증폭 페이즈부는, 일 단이 상기 제1연산증폭기의 입력단에 연결되고, 타 단이 상기 제1연산증폭기의 출력단에 연결되고, 상기 출력 커패시터와 병렬로 배치되는 제4스위치; 일 단이 상기 제1연산증폭기의 출력단에 연결되고, 타 단이 접지되는 제5스위치;를 포함할 수 있다.
증폭 페이즈부와 상기 절연저항 측정부 사이에 배치되고, 복수개의 증폭저항을 포함하고, 상기 증폭전압에 비례하여 출력전압을 상기 절연저항 측정부에 전달하는 반전증폭부;를 포함할 수 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 절연저항 측정방법은, 입력단이 배터리에 연결되고 적어도 하나 이상의 절연저항을 포함하고 적어도 하나 이상의 분배저항을 포함하는 샘플링 페이즈부에서, 상기 배터리로부터 배터리 전압이 인가되면 전압분배원칙에 의하여 샘플링전압을 출력하는 단계; 상기 샘플링 페이즈부의 출력단에 연결되고 적어도 하나 이상의 커패시터를 포함하는 증폭 페이즈부에서, 상기 샘플링전압이 인가되면 전하량보존법칙에 의하여 상기 샘플링전압을 증폭하여 증폭전압을 생성하는 단계; 상기 증폭 페이즈부의 출력단에 연결된 절연저항 측정부에서, 상기 증폭전압에 관한 츨력전압을 측정하는 단계; 상기 출력전압을 기 저장된 기준값과 비교하는 단계;를 포함한다.
샘플링 페이즈부는, 일 단이 상기 배터리의 양극과 연결되고, 타 단이 접지되는 양극 절연저항; 일 단이 상기 배터리의 양극과 연결되고, 상기 양극 절연저항에 병렬로 배치되는 제1분배저항; 일 단이 상기 제1분배저항에 연결되고, 타 단이 상기 샘플링 페이즈부의 출력단에 연결되는 제1스위치; 일 단이 상기 배터리의 음극과 연결되고, 타 단이 접지되는 음극 절연저항; 일 단이 상기 배터리의 음극과 연결되고, 상기 음극 절연저항에 병렬로 배치되는 제2분배저항; 일 단이 상기 제2분배저항에 연결되고, 타 단이 상기 샘플링 페이즈부의 출력단에 연결되는 제2스위치;를 포함할 수 있다. 이때 샘플링전압을 출력하는 단계는, 상기 제1스위치 또는 상기 제2스위치 중 택일적으로 어느 하나가 온되고 다른 하나가 오프될 수 있다.
샘플링 페이즈부는, 일 단이 상기 샘플링 페이즈부의 출력단에 연결되고, 타 단이 접지되는 제3분배저항; 일 단이 상기 샘플링 페이즈부의 출력단에 연결되고, 타 단이 접지되고, 상기 제3분배저항에 병렬로 배치된 제3스위치;을 포함할 수 있다. 이때 제3스위치는, 상기 샘플링전압을 출력하는 단계에서 오프되고, 상기 증폭전압을 출력하는 단계에서 온될 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 절연저항 측정장치 및 그 방법에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.
첫째,　절연저항 측정장치는 연산증폭기를 구비한 증폭페이즈부 및 연산증폭기를 구비한 반전증폭부를 포함하는 바, 분배저항에 인가되는 샘플링전압을 증폭시켜, 작은 크기의 전압이 인가되더라도 정확하게 측정할 수 있다는 장점이 있다.
둘째,　증폭페이즈부는 복수개의 커패시터 및 스위치의 조합으로 구성되는 바, 스위치가 순차적으로 작동됨에 따라 전하량보전법칙에 의해서 짧은 시간에 전압이 증폭되므로, 절연저항의 측정시간이 짧아지는 장점도 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 절연저항 측정장치의 구성요소를 간략하게 도시한 도,
도 2는 본 발명에 따른 절연저항 측정장치의 내부 회로도,
도 3은 도 2에서 양극 절연저항을 측정하는 샘플링 페이즈 단계의 회로도,
도 4는 도 2에서 양극 절연저항을 측정하는 증폭 페이즈 단계의 회로도,
도 5는 도 2에서 음극 절연저항을 측정하는 샘플링 페이즈 단계의 회로도,
도 6은 도 2에서 음극 절연저항을 측정하는 증폭 페이즈 단계의 회로도,
도 7은 절연저항 측정부에서 측정한 출력전압의 그래프,
도 8은 본 발명에 따른 절연저항 측정방법의 흐름도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 의도는 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
"및/또는"이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함할 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석될 수 있으며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않을 수 있다.
아울러, 이하의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것으로서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
본 발명에 따른 절연저항 측정장치는 배터리(100)에 연결되고, 배터리(100)로부터 배터리전압(Vb)이 인가되면 절연저항을 측정할 수 있다.
배터리(100)은 전기자동차에 배치되는 구동배터리일 수 있다. 또는, 배터리는 내연기관에 배치될 수도 있다.
배터리(100)는 다수개의 배터리 셀이 직렬 또는 병렬로 연결되어 이루어진 것일 수 있다.
본 발명에 따른 절연저항 측정장치는 샘플링 페이즈부(200), 증폭 페이즈부(300), 반전증폭부(400) 및 절연저항 측정부(500)로 구분될 수 있다.
샘플링 페이즈부(200)는 배터리(100)로부터 배터리전압(Vb)이 인가되면 샘플링전압(Vd)을 출력하는 구성요소이다.
샘플링 페이즈부(200)는 입력단이 배터리(100)에 연결되고, 적어도 하나 이상의 절연저항을 포함하고, 적어도 하나 이상의 분배저항을 포함한다.
샘플링 페이즈부(200)의 입력단은 배터리(100)에 연결되고, 샘플링 페이즈부(200)의 출력단은 증폭 페이즈부(300)에 연결된다.
샘플링 페이즈부(200)는 양극 절연저항(210), 음극 절연저항(220), 제1분배저항(230), 제1스위치(240), 제2분배저항(250), 제2스위치(260), 제3분배저항(270) 및 제3스위치(280)로 구성될 수 있다.
양극 절연저항(210)은 배터리(100)의 양극과 차체 사이에 존재하는 가상의 저항이다.
양극 절연저항(210)은 일 단이 배터리(100)의 양극에 연결되고, 타 단이 접지된다.
양극 분배저항의 저항값은 RisoH로 정의한다.
음극 절연저항(220)은 배터리(100)의 음극과 차체 사이에 존재하는 가상의 저항이다.
음극 절연저항(220)은 일 단이 배터리(100)의 음극에 연결되고, 타 단이 접지된다.
음극 분배저항의 저항값은 RisoH로 정의한다.
제1분배저항(230)은 배터리(100)의 양극에 배치되는 분배저항이다.
제1분배저항(230)은 일 단이 배터리(100)의 양극에 연결되고, 양극 절연저항(210)에 병렬로 배치된다. 구체적으로, 제1분배저항(230)은 일 단이 배터리(100)의 양극에 연결되고, 타 단이 샘플링 페이즈부(200)의 출력단에 연결된다.
제1분배저항(230)의 저항값은 Rd1으로 정의한다.
제1스위치(240)는 제1분배저항(230)에 흐르는 전류를 제어하는 구성요소이다. 제1스위치(240)는 일 단이 제1분배저항(230)에 연결되고, 타 단이 샘플링 페이즈부(200)의 출력단에 연결된다.
제2분배저항(250)은 배터리(100)의 음극에 배치되는 분배저항이다.
제2분배저항(250)은 일 단이 배터리(100)의 음극에 연결되고, 음극 절연저항(220)에 병렬로 배치된다. 구체적으로, 제2분배저항(250)은 일 단이 배터리(100)의 음극에 연결되고, 타 단이 샘플링 페이즈부(200)의 출력단에 연결된다.
제2분배저항(250)의 저항값은 Rd2로 정의한다.
제2스위치(260)는 제2분배저항(250)에 흐르는 전류를 제어하는 구성요소이다. 제2스위치(260)는 일 단이 제2분배저항(250)에 연결되고, 타 단이 샘플링 페이즈부(200)의 출력단에 연결된다.
제3분배저항(270)은 샘플링 페이즈부(200)의 출력단에 배치되는 분배저항으로, 샘플링전압(Vd)의 크기를 결정하는 구성요소이다.
제3분배저항(270)은 일 단이 샘플링 페이즈부(200)의 출력단에 연결되고, 타 단이 접지된다.
제3분배저항(270)의 저항값은 Rd3으로 정의한다.
제3스위치(280)는 샘플링 페이즈 단계를 개시하거나 종료하는 구성요소이다.
제3스위치(280)는 일 단이 샘플링 페이즈부(200)의 출력단에 연결되고, 타 단이 접지된다. 제3스위치(280)는 제3분배저항(270)에 병렬로 연결된다.
절연저항 측정부(500)가 배터리(100)의 양극 절연저항(210) 및 음극 절연저항(220)을 측정하기 위해서는, 배터리(100)의 양극, 접지 및 배터리(100)의 음극로 연결되는 전류 경로를 만들 필요가 있다. 이를 위해, 제1스위치(240) 및 제2스위치(260)가 온오프(on/off) 됨으로써 전류 경로가 만들어진다.
양극 절연저항(210)의 샘플링전압(Vd)을 측정하기 위하여, 제1스위치(240)를 오프하고 제2스위치(260)를 온한다. 이때, 정상인 경우에는 양극 절연저항(210)은 무한대 값이므로 전류가 흐르지 않는다. 이와 달리 절연파괴가 발생한 경우, 전류은 배터리(100) - 양극 절연저항(210) - 제3분배저항(270) - 제2스위치(260) - 제2분배저항(250) - 배터리(100) 순으로 흐른다.
양극 절연저항(210)의 샘플링전압(Vd)은 전압분배원칙에 의하며, 그 크기는 다음과 같다.
Figure pat00001
음극 절연저항(220)의 샘플링전압(Vd)을 측정하기 위하여, 제1스위치(240)를 온하고 제2스위치(260)를 오프한다. 이때, 정상인 경우에는 음극 절연저항(220)은 무한대 값이므로 전류가 흐르지 않는다. 이와 달리 절연파괴가 발생한 경우, 전류은 배터리(100) - 제1분배저항(230) - 제1스위치(240) - 제3분배저항(270) - 음극 절연저항(220) - 배터리(100) 순으로 흐른다.
음극 절연저항(220)의 샘플링전압(Vd)은 전압분배원칙에 의하며, 그 크기는 다음과 같다.
Figure pat00002
제1스위치(240)는 제1분배저항(230)과 제3분배저항(270) 사이에 배치된다. 제2스위치(260)는 제2분배저항(250)과 제3분배저항(270) 사이에 배치된다. 이러한 배치를 가짐으로써, 스위치를 외부 서지로부터 보호하여, 장치의 수명이 연장될 수 있다.
제3스위치(280)는 샘플링 페이즈의 종료와 증폭 페이즈의 개시를 결정한다. 구체적으로, 제3스위치(280)는 샘플링 페이즈에서 오프되고, 증폭 페이즈에서 온된다.
샘플링 페이즈에서, 제3스위치(280)는 오프된다. 이때, 제3분배저항(270)과 입력 커패시터(320)는 병렬로 배치되는 바, 입력 커패시터(320)에 충전되는 전압값은 Vd이다.
증폭 페이즈에서, 제3스위치(280)는 온된다. 따라서, 샘플링 페이즈부(200)의 출력단자는 접지되는 바, 샘플링 페이즈부(200)와 증폭 페이즈부(300)는 전기적으로 분리된다.
증폭 페이즈부(300)는 샘플링전압(Vd)이 인가되면 샘플링전압(Vd)을 증폭하여 증폭전압(Va)을 출력하는 구성요소이다.
증폭 페이즈부(300)는 샘플링 페이즈부(200)의 출력단에 연결되고, 적어도 하나 이상의 커패시터를 포함한다.
증폭 페이즈부(300)의 입력단은 샘플링 페이즈부(200)의 출력단에 연결되고, 증폭 페이즈부(300)의 출력단은 절연저항 측정부(500)에 연결된다.
반전증폭부(400)가 구비되지 않은 경우, 증폭 페이즈부(300)의 출력단은 절연저항 측정부(500)의 입력단에 연결된다. 이와 달리, 반전증폭부(400)가 구비된 경우, 증폭 페이즈부(300)의 출력단은 절연저항 측정부(500)의 입력단에 연결된다.
증폭 페이즈부(300)는 제1연산증폭기(310), 입력 커패시터(320), 출력 커패시터(330), 제4스위치(340) 및 제5스위치(350)를 포함한다.
연산증폭기는 부궤환의 방법에 따라서 덧셈이나 적분 등의 연산 기능을 갖게 하는 고이득의 직류 증폭기이다. 제1연산증폭기(310)는 일반적으로 널리 알려진 것으로, 자세한 설명은 생략한다.
제1연산증폭기(310)는 증폭 페이즈부(300)에 배치된다. 제1연산증폭기(310)의 입력단은 증폭 페이즈부(300)의 입력단을 구성하며, 구체적으로 제1연산증폭기(310)의 음극은 증폭 페이즈부(300)의 입력단이 된다. 제1연상증폭기의 출력단은 증폭 페이즈부(300)의 출력단을 구성한다.
제1연산증폭기(310)에는 크기가 Vdd/2인 전압이 공급된다. 즉, 제1연산증폭기(310)에서 출력되는 전압의 최대값은 Vdd/2를 넘지 않는다.
입력 커패시터(320)는 샘플링전압(Vd)을 일시적으로 저장하는 구성요소이다.
입력 커패시터(320)는 일 단이 샘플링 페이즈부(200)의 출력단에 연결되고, 타 단이 제1연산증폭기(310)의 입력단에 연결된다.
입력 커패시터(320)의 용량은 Cin으로 정의한다.
출력 커패시터(330)는 입력 커패시터(320)와 연동되어 샘플링전압(Vd)을 증폭하는 구성요소이다.
출력 커패시터(330)는 일 단이 제1연산증폭기(310)의 입력단에 연결되고, 타 단이 제1연산증폭기(310)의 출력단에 연결된다.
출력 커패시터(330)의 용량은 Cf로 정의한다.
제4스위치는(340) 제5스위치(350)와 함께 증폭 페이즈부(300)의 작동을 개시하는 구성요소이다.
제4스위치(340)는 일 단이 제1연산증폭기(310)의 입력단에 연결되고, 타 단이 제1연산증폭기(310)의 출력단에 연결되고, 출력 커패시터(330)와 병렬로 배치된다.
제5스위치는(350) 제4스위치(340)와 함께 증폭 페이즈부(300)의 작동을 개시하는 구성요소이다.
제5스위치(350)는 일 단이 제1연산증폭기(310)의 출력단에 연결되고, 타 단이 접지된다.
제4스위치(340)와 제5스위치(350)는 증폭 페이즈의 개시를 결정한다. 구체적으로, 제4스위치(340)와 제5스위치(350)는 샘플링 페이즈에서 온되고, 증폭 페이즈에서 오프된다.
샘플링 페이즈에서, 제4스위치(340)와 제5스위치(350)는 온된다. 이때, 제1연산증폭기(310)의 음극과 출력단은 모두 접지되는 바, 출력 커패시터(330)에는 전하가 충전되지 않는다.
증폭 페이즈에서, 제4스위치(340)와 제5스위치(350)는 오프된다. 이때 입력 커패시터(320)에 충전된 전하는 출력 커패시터(330)로 전달된다. 출력 커패시터(330)의 전압값은 전하량보존법칙을 따르며, 다음과 같다.
Figure pat00003
Figure pat00004
일반적인 RC회로는 일반적으로 시상수의 5배를 정상상태라고 정한다. 따라서, 반복 작동을 위하여, 스위치는 최소한 시상수의 5배에 달하는 시간이 경과한 후에 다시 변경될 수 있으므로, 응답성이 떨어진다. 하지만, 본 발명에 따른 증폭 페이즈부(300)는 전하량보존법칙에 의하여 전하가 순간적으로 이동하는 바, 시상수의 5배에 해당하는 시간 조건이 불필요하다. 따라서, 응답성이 빨라지는 효과가 있다.
특히, 선행문헌은 응답성을 향상시키기 위하여 연산증폭기를 채택하지 않고 저항만의 회로로 구성하였다. 이 경우, 누설된 전압값이 증폭될 수 없는 바, 누설된 전압값이 낮은 경우에는 측정이 어렵다는 문제점이 있다. 하지만, 본 발명에 따른 증폭 페이즈부(300)는 응답성을 향상시킴과 동시에 누설된 전압값이 증폭되는 바, 낮은 누설 전압값을 용이하게 측정할 수 있다는 효과가 있다.
반전증폭부(400)는 증폭전압(Va)의 극성과 크기를 변경한 출력전압(Vo)을 절연저항 측정부(500)에 전달하는 구성요소이다.
반전증폭부(400)는 증폭 페이즈부(300)와 절연저항 측정부(500) 사이에 배치되고, 복수개의 증폭저항을 포함하고, 증폭전압(Va)에 비례하여 출력전압(Vo)을 절연저항 측정부(500)에 전달한다.
반전증폭부(400)는 제2연산증폭기(410) 및 제1증폭저항(420) 내지 제4증폭저항(450)을 포함한다.
제2연산증폭기(410)는 반전증폭부(400)에 배치된다. 제2연산증폭기(410)의 입력단은 반전증폭부(400)의 입력단을 구성하며, 구체적으로 제2연산증폭기(410)의 음극은 반전증폭부(400)의 입력단이 된다. 제2연상증폭기의 출력단은 반전증폭부(400)의 출력단을 구성한다.
제2연산증폭기(410)에는 크기가 Vdd인 전압이 공급된다. 즉, 제2연산증폭기(410)에서 출력되는 전압의 최대값은 Vdd를 넘지 않는다.
증폭전압(Va)이 입력되면, 반전증폭부(400)는 아래의 관계식에 따라 증폭전압(Va)을 증폭하여 출력전압(Vo)을 출력한다.
Figure pat00005
반전증폭부(400)는 전압값을 증폭시킴과 동시에 극성을 변경한다.
증폭 페이즈부(300)는 내부에 제1연산증폭기(310)가 배치됨에 따라 증폭 페이즈부(300)의 입력값과 출력값은 극성이 반대된다. 따라서 반전증폭부(400)가 배치됨으로써, 샘플링전압(Vd)과 출력전압(Vo)은 극성이 동일해지는 효과가 있다.
또한, 반전증폭부(400)는 증폭전압(Va)을 한번 더 증폭시킴으로써, 샘플링전압(Vd)을 2단으로 증폭하여, 보다 낮은 누설전압을 측정할 수 있다는 효과가 있다.
절연저항 측정부(500)는 츨력전압을 이용하여 배터리(100)의 절연저항을 측정하는 구성요소이다.
절연저항 측정부(500)는 증폭 페이즈부(300)의 출력단에 연결되고, 증폭전압(Va)에 대한 출력전압(Vo)을 측정한다.
반전증폭부(400)가 구비되지 않은 경우, 절연저항 측정부(500)의 입력단은 증폭 페이즈부(300)의 출력단에 연결된다. 이와 달리, 반전증폭부(400)가 구비된 경우, 절연저항 측정부(500)의 입력단은 반전증폭부(400)의 출력단에 연결된다.
한편, 절연저항 측정부(500)는 후술하는 바와 같이 제1분배저항(230)에 인가되는 전압을 이용하여 배터리(100)의 음극 절연저항(220)을 측정하고, 제2분배저항(250)에 인가되는 전압을 이용하여 배터리(100)의 양극 절연저항(210)을 측정한다.
분배저항에 인가되는 전압 측정, 측정된 전압을 이용하여 배터리(100)의 절연저항 측정, 및 전류 경로를 만들기 위한 스위치 제어 등의 동작을 수행하기 위하여, 절연저항 측정부(500)는 마이크로 컨트롤러 유닛(Micro Controller Unit; MCU)을 포함할 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 절연저항 측정부(500)에서 측정된 전압값을 도시한 도이다.
Vold 및 Vohd는 저장부에 기 저장된 기준값이다. 절연저항 측정부(500)는 측정된 전압값을 Vold 또는 Vohd와 비교하여 절연저항의 파괴 여부를 판단한다.
예를 들어, 측정된 전압값이 Vohd보다 낮은 경우, 양극 절연저항(210)이 파괴되었다고 판단할 수 있다. 또는, 측정된 전압값이 Vold보다 높은 경우, 음극 절연저항(220)이 파괴되었다고 판단할 수 있다.
이하, 절연저항 측정방법을 설명한다.
샘플링 페이즈(S10)는 샘플링전압(Vd)을 출력하는 단계로서, 샘플링 페이즈부(200)에서 수행된다. 구체적으로, 배터리(100)로부터 배터리 전압(Vb)이 인가되면, 전압분배원칙에 의하여 샘플링전압(Vd)이 출력된다.
샘플링전압(Vd)을 출력하는 단계는, 제1스위치(240) 또는 제2스위치(260) 중 택일적으로 어느 하나가 온되고 다른 하나가 오프된다.
제3스위치(280)는, 샘플링전압(Vd)을 출력하는 단계에서 오프되고, 증폭전압(Va)을 출력하는 단계에서 온된다.
구체적으로 도 3을 참조하면, 양극 절연저항(210)을 측정하기 위해서는, 제1스위치(240)는 오프되고, 제2스위치(260)는 온되고, 제3스위치(280)는 오프되고, 제4스위치(340) 및 제5스위치(350)는 온된다. 또는, 도 5를 참조하면, 음극 절연저항(220)을 측정하기 위해서는, 제1스위치(240)는 오프되고, 제2스위치(260)는 온되고, 제3스위치(280)는 오프되고, 제4스위치(340) 및 제5스위치(350)는 온된다.
양극 절연저항(210)을 측정하기 위해서, 제1스위치(240)는 오프되고 제2스위치(260)는 온되는 바, 도 3에 도시한 것과 같이 전류가 흐른다. 또는, 음극 절연저항(220)을 측정하기 위해서, 제1스위치(240)는 온되고 제2스위치(260)는 오프되는 바, 도 5에 도시한 것과 같이 전류가 흐른다.
제3스위치(280)는 오프되는 바, 제3분배저항(270)에는 Vd의 전압이 인가되고, 입력 커패시터(320)에 전하가 충전되며 그 전압은 Vd이다.
제4스위치(340) 및 제5스위치(350)는 온되는 바, 출력 커패시터(330)에는 전하가 충전되지 않는다.
증폭 페이즈(S20)는 증폭전압(Va)을 생성하는 단계로서 증폭 페이즈부(300)에서 수행된다. 구체적으로, 샘플링전압(Vd)이 인가되면, 전하량보존법칙에 의하여 샘플링전압(Vd)을 증폭하여 증폭전압(Va)을 생성한다.
도 4 및 도 6을 참조하면, 제1스위치(240)와 제2스위치(260)는 오프되고, 제3스위치(280)는 온되고, 제4스위치(340) 및 제5스위치(350)는 오프된다.
제3스위치(280)는 온되는 바, 샘플링 페이즈부(200)와 증폭 페이즈부(300)는 전기적으로 분리된다. 나아가, 샘플링 페이즈부(200)가 증폭 페이즈부(300)에 영향을 미치는 것을 제거하기 위하여, 제1스위치(240)와 제2스위치(260)는 오프할 수 있다.
제4스위치(340) 및 제5스위치(350)는 오프되는 바, 입력 커패시터(320)에 충전된 전하는 출력 커패시터(330)로 전달된다. 이때, 전하량보존법칙에 의하여 출력 커패시터(330)에는 크기가 Va인 전압을 갖도록 전하가 충전된다.
증폭 페이즈부(300)와 절연저항 측정부(500) 사이에는 반전증폭부(400)가 배치될 수 있다. 반전증폭부(400)는 증폭전압(Va)의 극성을 바꾸고, 크기를 더욱 증폭시킬 수 있다. 이에 따라, 출력전압(Vo)과 샘플링전압(Vd)의 극성은 동일하게 되는 효과가 있다.
출력전압(Vo)을 측정하는 단계(S30)는 절연저항 측정부(500)에서 수행되고, 증폭전압(Va)에 관한 출력전압(Vo)을 측정한다.
이후, 제어부 또는 절연저항 측정부(500)에서는 출력전압(Vo)을 기 저장된 기준값과 비교한다(S40).
예를 들어, 도 3 및 도 4에 따라 측정된 출력값이 Vohd보다 작은 경우, 양극 절연저항(210)이 파괴되었다고 판단한다. 또는, 도 5 및 도 6에 따라 측정된 출력값이 Vold보다 큰 경우, 음극 절연저항(220)이 파괴되었다고 판단한다.
제어부 또는 절연저항 측정부(500)는 절연 저항이 파괴되었다고 판단한 경우, 이를 사용자에 알릴 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.
100: 배터리
200: 샘플링 페이즈부
210: 양극 절연저항 220: 음극 절연저항
230: 제1분배저항 240: 제1스위치
250: 제2분배저항 260: 제2스위치
270: 제3분배저항 280: 제3스위치
300: 증폭 페이즈부
310: 제1연산증폭기 320: 입력 커패시터
330: 출력 커패시터 340: 제4스위치
350: 제5스위치
400: 반전증폭부
410: 제2연산증폭기 420: 제1증폭저항
430: 제2증폭저항 440: 제3증폭저항
450: 제4증폭저항
500: 절연저항 측정부

Claims (13)

  1. 입력단이 배터리에 연결되고, 적어도 하나 이상의 절연저항을 포함하고, 적어도 하나 이상의 분배저항을 포함하고, 상기 배터리로부터 배터리전압이 인가되면 샘플링전압을 출력하는 샘플링 페이즈부;
    상기 샘플링 페이즈부의 출력단에 연결되고, 적어도 하나 이상의 커패시터를 포함하고, 상기 샘플링전압이 인가되면 상기 샘플링전압을 증폭하여 증폭전압을 출력하는 증폭 페이즈부;
    상기 증폭 페이즈부의 출력단에 연결되고, 상기 증폭전압에 대한 출력전압을 측정하고, 상기 출력전압을 이용하여 상기 배터리의 절연저항을 측정하는 절연저항 측정부;를 포함하는 절연저항 측정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 샘플링 페이즈부는,
    일 단이 상기 배터리의 양극에 연결되고, 타 단이 접지되는 양극 절연저항;
    일 단이 상기 배터리의 양극에 연결되고, 상기 양극 절연저항에 병렬로 배치되는 제1분배저항;
    일 단이 상기 배터리의 음극에 연결되고, 타 단이 접지되는 음극 절연저항
    일 단이 상기 배터리의 음극에 연결되고, 상기 음극 절연저항에 병렬로 배치되는 제2분배저항;을 포함하는 절연저항 측정장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 샘플링 페이즈부는,
    일 단이 상기 배터리의 양극에 연결되는 제1분배저항;
    일 단이 상기 제1분배저항에 연결되고, 타 단이 상기 샘플링 페이즈부의 출력단에 연결되는 제1스위치;
    일 단이 상기 배터리의 음극에 연결되는 제2분배저항;
    일 단이 상기 제2분배저항에 연결되고, 타 단이 상기 샘플링 페이즈부의 출력단에 연결되는 제2스위치;를 포함하는 절연저항 측정장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 샘플링 페이즈부는,
    일 단이 상기 배터리의 양극에 연결되고, 타 단이 상기 샘플링 페이즈부의 출력단에 연결되는 제1분배저항;
    일 단이 상기 배터리의 음극에 연결되고, 타 단이 상기 샘플링 페이즈부의 출력단에 연결되는 제2분배저항;
    일 단이 상기 샘플링 페이즈부의 출력단에 연결되고, 타 단이 접지되는 제3분배저항;을 포함하는 절연저항 측정장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 샘플링 페이즈부는,
    일 단이 상기 샘플링 페이즈부의 출력단에 연결되고, 타 단이 접지되고, 상기 제3분배저항에 병렬로 배치된 제3스위치;를 포함하는 절연저항 측정장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 증폭 페이즈부는,
    제1연산증폭기;
    일 단이 상기 샘플링 페이즈부의 출력단에 연결되고, 타 단이 상기 제1연산증폭기의 입력단에 연결되는 입력 커패시터;
    일 단이 상기 제1연산증폭기의 입력단에 연결되고, 타 단이 상기 제1연산증폭기의 출력단에 연결되는 출력 커패시터;를 포함하는 절연저항 측정장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 증폭 페이즈부는,
    일 단이 상기 제1연산증폭기의 입력단에 연결되고, 타 단이 상기 제1연산증폭기의 출력단에 연결되고, 상기 출력 커패시터와 병렬로 배치되는 제4스위치;
    일 단이 상기 제1연산증폭기의 출력단에 연결되고, 타 단이 접지되는 제5스위치;를 포함하는 절연저항 측정장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 증폭 페이즈부와 상기 절연저항 측정부 사이에 배치되고, 복수개의 증폭저항을 포함하고, 상기 증폭전압에 비례하여 출력전압을 상기 절연저항 측정부에 전달하는 반전증폭부;를 포함하는 절연저항 측정장치.
  9. 입력단이 배터리에 연결되고 적어도 하나 이상의 절연저항을 포함하고 적어도 하나 이상의 분배저항을 포함하는 샘플링 페이즈부에서, 상기 배터리로부터 배터리 전압이 인가되면 전압분배원칙에 의하여 샘플링전압을 출력하는 단계;
    상기 샘플링 페이즈부의 출력단에 연결되고 적어도 하나 이상의 커패시터를 포함하는 증폭 페이즈부에서, 상기 샘플링전압이 인가되면 전하량보존법칙에 의하여 상기 샘플링전압을 증폭하여 증폭전압을 생성하는 단계;
    상기 증폭 페이즈부의 출력단에 연결된 절연저항 측정부에서, 상기 증폭전압에 관한 츨력전압을 측정하는 단계;
    상기 출력전압을 기 저장된 기준값과 비교하는 단계;를 포함하는 절연저항 측정방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 샘플링 페이즈부는,
    일 단이 상기 배터리의 양극과 연결되고, 타 단이 접지되는 양극 절연저항;
    일 단이 상기 배터리의 양극과 연결되고, 상기 양극 절연저항에 병렬로 배치되는 제1분배저항;
    일 단이 상기 제1분배저항에 연결되고, 타 단이 상기 샘플링 페이즈부의 출력단에 연결되는 제1스위치;
    일 단이 상기 배터리의 음극과 연결되고, 타 단이 접지되는 음극 절연저항;
    일 단이 상기 배터리의 음극과 연결되고, 상기 음극 절연저항에 병렬로 배치되는 제2분배저항;
    일 단이 상기 제2분배저항에 연결되고, 타 단이 상기 샘플링 페이즈부의 출력단에 연결되는 제2스위치;를 포함하는 절연저항 측정방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 샘플링전압을 출력하는 단계는,
    상기 제1스위치 또는 상기 제2스위치 중 택일적으로 어느 하나가 온되고 다른 하나가 오프되는 절연저항 측정방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 샘플링 페이즈부는,
    일 단이 상기 샘플링 페이즈부의 출력단에 연결되고, 타 단이 접지되는 제3분배저항;
    일 단이 상기 샘플링 페이즈부의 출력단에 연결되고, 타 단이 접지되고, 상기 제3분배저항에 병렬로 배치된 제3스위치;을 포함하는 절연저항 측정방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제3스위치는,
    상기 샘플링전압을 출력하는 단계에서 오프되고,
    상기 증폭전압을 출력하는 단계에서 온되는 절연저항 측정방법.
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