KR101473396B1 - 확장형 칼만 필터를 이용한 배터리 절연 저항 측정 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 확장 칼만 필터를 이용하여 배터리의 절연 저항을 보다 정확하게 추정할 수 있는 장치 및 방법을 개시한다. 본 발명에 따른 배터리 절연 저항 측정 장치는, 배터리의 양극 단자 및 음극 단자에 각각 연결되는 제1 절연측정 저항부 및 제2 절연측정 저항부; 상기 제1 절연측정 저항부와 상기 제2 절연측정 저항부를 각각 상기 배터리의 양극 단자와 음극 단자에 연결하여 서로 다른 회로가 형성되도록 하는 스위칭부; 상기 제1 절연측정 저항부 및 상기 제2 절연측정 저항부에 인가된 제1 절연검출전압 및 제2 절연검출전압을 측정하는 전압 검출부; 및 상기 스위칭부의 온오프를 제어하고, 상기 제1 절연검출전압, 상기 제2 절연검출전압, 상기 배터리의 양극 단자 측 절연 저항 및 상기 배터리의 음극 단자 측 절연 저항을 이용하여 구성된 변수를 상태 변수로 포함하고 상기 제1 절연검출전압 및 상기 제2 절연검출전압을 이용하여 구성된 변수를 출력 변수로 포함하는 상태 방정식을 이용하여 상태 변수 및 출력 변수를 예측하며, 상기 예측된 출력 변수를 상기 전압 검출부에 의해 측정된 출력 변수와 비교하여 상기 예측된 상태 변수를 보정함으로써, 상기 배터리의 양극 단자 측 절연 저항 및 상기 배터리의 음극 단자 측 절연 저항을 추정하는 제어부를 포함한다.

Description

확장형 칼만 필터를 이용한 배터리 절연 저항 측정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING ISOLATION RESISTANCE OF BATTERY USING EXTENDED KALMAN FILTER}

본 발명은 배터리의 절연 저항을 측정하는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 확장형 칼만 필터를 이용하여 배터리의 절연 저항을 보다 정확하게 추정할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.

근래에 들어서, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 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 충 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.

특히, 최근에는 탄소 에너지가 점차 고갈되고 환경에 대한 관심이 높아지면서, 미국, 유럽, 일본, 한국을 비롯하여 전 세계적으로 하이브리드 자동차와 전기 자동차에 대한 수요가 점차 증가하고 있다. 이러한 하이브리드 자동차나 전기 자동차는 배터리 팩의 충방전 에너지를 이용하여 차량 구동력을 얻기 때문에, 엔진만을 이용하는 자동차에 비해 연비가 뛰어나고 공해 물질을 배출하지 않거나 감소시킬 수 있다는 점에서 많은 소비자들에게 좋은 반응을 얻고 있다. 따라서, 하이브리드 자동차나 전기 자동차의 핵심적 부품인 차량용 배터리에 보다 많은 관심과 연구가 집중되고 있다.

이와 같은 배터리에는 여러 특성이 요구되고 있는데, 그 중 대표적인 것이 안전성이다. 그리고, 이와 같은 배터리의 안전성에 영향을 미치는 하나의 중요한 요소가, 배터리와 장치 간의 절연 상태를 나타내는 배터리의 절연성이다. 만일 배터리의 절연성이 파괴되면, 배터리에 누설 전류가 발생하여, 배터리의 예상치 못한 방전이 일어날 수 있음은 물론, 배터리에 연결된 전자 기기 등의 장치에 오작동을 일으키거나 손상을 입힐 수 있다. 특히, 하이브리드 자동차를 포함하는 전기 자동차는 배터리로부터 차량의 구동 전력을 공급받기 때문에, 이러한 전기 자동차용 배터리는 고출력 및/또는 고용량 특성을 가지는 경우가 대부분이다. 때문에 이와 같은 전기 자동차용 배터리의 절연성이 파괴되는 경우, 자동차의 각종 장비에 손상을 일으킬 수 있음은 물론, 탑승자나 작업자에게 치명적인 감전 사고를 일으키는 문제가 발생할 수 있다.

일반적으로 전기 자동차 구동 시스템에는 인버터 및 다른 전력 변환 장치의 노이즈를 저감시키기 위해 DC-Link 단과 차량 Chassis GND 사이에 Y자 모양으로 커패시터(capacitor)를 설치한다. 하지만, 이는 절연 저항 측정 장치의 시정수에 영향을 끼치기 때문에 보다 정확한 절연 저항 값을 얻기 위해서는 기존의 절연 저항 추정 방법을 수정할 필요가 있다. 따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 기존에 절연 저항 측정 장치 회로에 Y-커패시터 값을 추가하여 새로운 등가 회로를 구성하고, 이를 확장 칼만 필터를 이용하여 절연 저항 값을 보다 정확하게 추정할 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 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 절연 저항 측정 장치는, 배터리의 양극 단자 및 음극 단자에 각각 연결되는 제1 절연측정 저항부 및 제2 절연측정 저항부; 상기 제1 절연측정 저항부와 상기 제2 절연측정 저항부를 각각 상기 배터리의 양극 단자와 음극 단자에 연결하여 서로 다른 회로가 형성되도록 하는 스위칭부; 상기 제1 절연측정 저항부 및 상기 제2 절연측정 저항부에 인가된 제1 절연검출전압 및 제2 절연검출전압을 측정하는 전압 검출부; 및 상기 스위칭부의 온오프를 제어하고, 상기 제1 절연검출전압, 상기 제2 절연검출전압, 상기 배터리의 양극 단자 측 절연 저항 및 상기 배터리의 음극 단자 측 절연 저항을 이용하여 구성된 변수를 상태 변수로 포함하고 상기 제1 절연검출전압 및 상기 제2 절연검출전압을 이용하여 구성된 변수를 출력 변수로 포함하는 상태 방정식을 이용하여 상태 변수 및 출력 변수를 예측하며, 상기 예측된 출력 변수를 상기 전압 검출부에 의해 측정된 출력 변수와 비교하여 상기 예측된 상태 변수를 보정함으로써, 상기 배터리의 양극 단자 측 절연 저항 및 상기 배터리의 음극 단자 측 절연 저항을 추정하는 제어부를 포함한다.

바람직하게는, 상기 스위칭부는, 상기 제1 절연측정 저항부를 상기 배터리의 양극 단자에 연결하여 제1 회로를 형성하는 제1 스위치 및 상기 제2 절연측정 저항부를 상기 배터리의 음극 단자에 연결하여 제2 회로를 형성하는 제2 스위치를 포함하고, 상기 제어부는, 소정 시간 동안 상기 제1 스위치를 턴 온 시키고, 상기 소정 시간 이외의 시간에 상기 제2 스위치를 턴 온 시킨다.

또한 바람직하게는, 제1 커패시터 및 제2 커패시터를 포함하여 상기 배터리와 부하 사이에 구비되는 Y-커패시터를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 Y-커패시터의 커패시턴스를 상기 상태 방정식에 이용하여 상기 배터리의 양극 단자 측 절연 저항 및 상기 배터리의 음극 단자 측 절연 저항을 추정한다.

또한 바람직하게는, 상기 제2 절연측정 저항부는, 전원 인가 유닛을 포함한다.

또한 바람직하게는, 상기 제1 절연측정 저항부 및 상기 제2 절연측정 저항부는, 각각 직렬 연결된 2개의 저항을 포함하고, 상기 전압 검출부는, 제1 절연측정 저항부에 포함된 2개의 저항 사이의 전압을 제1 절연검출전압으로 측정하고, 제2 절연측정 저항부에 포함된 2개의 저항 사이의 전압을 제2 절연검출전압으로 측정한다.

또한 바람직하게는, 상기 상태 방정식은, 시스템 방정식 및 측정 방정식을 포함하고, 상기 시스템 방정식은

으로 표시되고, 상기 측정 방정식은,

으로 표시되며, 여기서, α= 2B-V_Pack, β = 2D-V_Pack, γ = 1/R_{Leak (+)}, δ = 1/R_{Leak (-)}이고, A = V₁/R₁₂, B = (V₁/R₁₂)R₁₁+V₁, C = (V_DC-V₂)/R₂₂, D = ((V_DC-V₂)/R₂₂)R₂₁-V₂이며, V_Pack은 배터리 전압, V₁은 제1 절연검출전압, V₂는 제2 절연검출전압, V_DC는 전원 인가 유닛의 인가 전압, R₁₁ 및 R₁₂는 제1 절연측정 저항부에 포함된 저항의 저항값, R₂₁ 및 R₂₂는 제2 절연측정 저항부에 포함된 저항의 저항값, R_{Leak (+)}는 양극 단자 측 절연 저항, R_Leak(-)는 음극 단자 측 절연 저항, C_Y는 Y-커패시터의 커패시턴스를 나타낸다.

또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자동차는, 상술한 배터리 절연 저항 측정 장치를 포함한다.

또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 절연 저항 측정 장치는, 배터리의 양극 단자 또는 음극 단자에 연결되는 절연측정 저항부; 상기 절연측정 저항부의 일측 단부를 상기 배터리의 양극 단자 또는 음극 단자에 선택적으로 연결하고 상기 절연측정 저항부의 타측 단부를 접지 또는 DC 전원 인가 유닛에 선택적으로 연결하여 서로 다른 회로를 형성하는 스위칭부; 상기 배터리의 양극 단자와 음극 단자로부터 상기 절연측정 저항부에 각각 인가되는 제1 절연검출전압 및 제2 절연검출전압을 측정하는 전압 검출부; 및 상기 스위칭부를 제어하고, 상기 제1 절연검출전압, 상기 제2 절연검출전압, 상기 배터리의 양극 단자 측 절연 저항 및 상기 배터리의 음극 단자 측 절연 저항을 이용하여 구성된 변수를 상태 변수로 포함하고 상기 제1 절연검출전압 및 상기 제2 절연검출전압을 이용하여 구성된 변수를 출력 변수로 포함하는 상태 방정식을 이용하여 상태 변수 및 출력 변수를 예측하며, 상기 예측된 출력 변수를 상기 전압 검출부에 의해 측정된 출력 변수와 비교하여 상기 예측된 상태 변수를 보정함으로써, 상기 배터리의 양극 단자 측 절연 저항 및 상기 배터리의 음극 단자 측 절연 저항을 추정하는 제어부를 포함한다.

또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 절연 저항 측정 방법은, 배터리의 양극 단자 및 음극 단자에 각각 연결되는 제1 절연측정 저항부 및 제2 절연측정 저항부로부터 검출되는 제1 절연검출전압 및 제2 절연검출전압을 이용하여 배터리의 절연 저항을 측정하는 방법으로서, 상기 제1 절연측정 저항부를 상기 배터리의 양극 단자에 연결하여 제1 절연검출전압을 측정하는 단계; 상기 제2 절연측정 저항부를 상기 배터리의 음극 단자에 연결하여 제2 절연검출전압을 측정하는 단계; 상기 제1 절연검출전압, 상기 제2 절연검출전압, 상기 배터리의 양극 단자 측 절연 저항 및 상기 배터리의 음극 단자 측 절연 저항을 이용하여 구성된 변수를 상태 변수로 포함하고 상기 제1 절연검출전압 및 상기 제2 절연검출전압을 이용하여 구성된 변수를 출력 변수로 포함하는 상태 방정식을 이용하여 상태 변수 및 출력 변수를 예측하는 단계; 상기 예측된 출력 변수를 측정된 출력 변수와 비교하여 상기 예측된 상태 변수를 보정하는 단계; 및 상기 보정된 상태 변수를 통해, 상기 배터리의 양극 단자 측 절연 저항 및 상기 배터리의 음극 단자 측 절연 저항을 추정하는 단계를 포함한다.

본 발명의 일 측면에 의하면, 확장 칼만 필터를 이용하여 배터리의 절연 저항이 보다 정확하게 추정될 수 있으므로, 배터리의 절연성 파괴 여부가 신속하면서도 정확하게 판단될 수 있다.

특히, 전기 자동차 등에 있어서 배터리와 부하(모터) 사이에 Y-커패시터가 구비되는 경우, 본 발명의 일 측면에 의하면, 이러한 Y-커패시터의 영향까지도 고려함으로써, 배터리의 절연 저항을 보다 정확하게 측정할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 측면에 의하면, 배터리의 양극 측 절연 저항과 음극 측 절연 저항을 별도로 측정함으로써, 배터리의 어느 전극에서 절연 상태가 파괴되었는지를 판단할 수 있다.

뿐만 아니라, 본 발명의 일 측면에 의하면, 배터리의 양극 및 음극 단자 측의 절연 저항값 중 절연 저항값이 작은 것을 최종 절연 저항값으로 선택함으로써, 누설 전류로 인한 안전 사고를 예방할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 측면에 의하면, 배터리의 절연성 파괴시 이러한 정보를 탑승자나 정비자 등 사용자에게 제공함으로써, 배터리의 수리나 교체 등 적절한 조치를 취하도록 할 수 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 절연 저항 측정 장치가 구비된 배터리 전원 공급 시스템의 회로 구성을 개략적으로 도시한 회로도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 절연 저항 측정 장치의 기능적 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 절연 저항 측정 장치의 등가 회로 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부의 기능적 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 5는, 도 3에서 제1 스위치가 턴 온 된 상태의 회로 구성을 폐회로 형태로 도시하는 도면이다.
도 6은, 도 3에서 제2 스위치가 턴 온 된 상태의 회로 구성을 폐회로 형태로 도시하는 도면이다.
도 7은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 절연 저항 측정 장치의 회로 구성을 개략적으로 도시한 회로도이다.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 절연 저항 측정 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.

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 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 절연 저항 측정 장치(100)가 구비된 배터리 전원 공급 시스템의 회로 구성을 개략적으로 도시한 회로도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 절연 저항 측정 장치는, 배터리(10)로부터 부하로 전력을 공급하는 배터리 전원 공급 시스템에서 배터리(10)의 양극 단자 및 음극 단자에 연결되어 있다.

여기서, 배터리(10)는 전기 에너지를 저장하는 수단으로, 충방전이 가능한 하나 이상의 단위 셀을 구비할 수 있다. 이때, 배터리(10)가 다수의 셀을 구비하는 경우, 각각의 단위 셀은 직렬 및/또는 병렬로 연결되어 셀 어셈블리를 이루고, 전기적으로 연결된 구조를 가질 수 있다. 상기 단위 셀은 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. 일 예로, 상기 배터리(10)가 전기 자동차(순수 전기 자동차 및 하이브리드 자동차 포함)에 사용되는 배터리인 경우, 상기 배터리(10)는 이를테면 200V 이상의 고전압 DC 전력을 출력할 수 있다. 다만, 본 발명이 이러한 배터리(10)의 특정 종류나, 출력 전압, 충전 용량 등에 의해 한정되는 것은 아니다.

상기 부하는, 배터리(10)로부터 출력된 전력을 공급받는 구성이다. 예를 들어, 전기 자동차의 경우 상기 부하는 구동 모터일 수 있다.

상기 배터리(10)와 부하 사이에는 구동 모터 등의 부하에서 발생하는 노이즈(noise)를 제거하기 위해 하나 이상의 커패시터가 포함될 수 있다. 그리고, 이러한 커패시터에는, DC/DC 커패시터(C_DC)와 Y-커패시터(20)(C_Y1, C_Y2)가 포함될 수 있다.

여기서, DC/DC 커패시터는 커패시턴스(capacitance)가 큰 커패시터를 채용하여 부하에서 발생하는 고주파 노이즈를 제거할 수 있다.

상기 Y-커패시터(20)는, 구동 모터와 같은 부하에서 발생하는 저주파 노이즈를 제거할 수 있다. 이때, 상기 Y-커패시터(20)는, 도면에 도시된 바와 같이, 제1 커패시터(C_Y1)와 제2 커패시터(C_Y2)를 포함하여 구성될 수 있다.

비록 도 1에서는, Y-커패시터(20)가 본 발명에 따른 배터리 절연 저항 측정 장치(100)와 별도의 구성인 것처럼 도시되었으나, 이러한 Y-커패시터(20)는 배터리 절연 저항 측정 장치(100)에 포함되는 구성 요소로 볼 수도 있다.

본 발명에 따른 배터리 절연 저항 측정 장치(100)는, 배터리(10)의 양단에 연결되어 배터리(10)의 절연 저항을 측정할 수 있다. 이러한 배터리 절연 저항 측정 장치(100)에 대해서는 이하에서 보다 상세하게 설명하도록 한다.

도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 절연 저항 측정 장치(100)의 기능적 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다. 또한, 도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 절연 저항 측정 장치(100)의 등가 회로 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 절연 저항 측정 장치(100)는, 제1 절연측정 저항부(110), 제2 절연측정 저항부(120), 스위칭부(130), 전압 검출부(140) 및 제어부(150)를 포함할 수 있다.

상기 제1 절연측정 저항부(110)는, 하나 이상의 저항 소자를 구비하여 일단이 배터리(10)의 양극 단자에 연결될 수 있다. 그리고 제1 절연측정 저항부(110)의 타단은 접지 단자에 연결, 즉 접지될 수 있다. 즉, 제1 절연측정 저항부(110)는, 배터리(10)의 양극 단자와 그라운드(ground) 사이에 구비될 수 있다.

바람직하게는, 상기 제1 절연측정 저항부(110)는 복수의 저항 소자를 구비할 수 있다. 이때, 복수의 저항 소자에 대한 저항값은 사용자에 의해 임의로 선택될 수 있다. 그리고, 이를 통해 배터리(10)로부터 각 저항 소자에 인가되는 전압의 범위가 설정될 수 있다. 일례로, 저항 소자의 값을 적절하게 선택함으로써 전압 검출부(140)에서 센싱하는 전압의 범위는 5V 이하로 조절될 수 있다.

특히, 상기 제1 절연측정 저항부(110)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 2개의 저항(R₁₁, R₁₂)을 포함할 수 있다. 그리고, 이러한 2개의 저항은 서로 직렬로 연결될 수 있다.

상기 제2 절연측정 저항부(120)는, 하나 이상의 저항 소자를 구비하여 배터리(10)의 음극 단자에 연결될 수 있다. 그리고, 제2 절연측정 저항부(120)의 타단은 접지될 수 있다. 즉, 제2 절연측정 저항부(120)는 배터리(10)의 음극 단자와 그라운드 사이에 구비될 수 있다.

또한, 제1 절연측정 저항부(110)와 마찬가지로, 상기 제2 절연측정 저항부(120)는 복수의 저항 소자를 구비할 수 있으며, 이러한 저항 소자의 저항값은 적절하게 선택될 수 있다. 또한, 상기 제2 절연측정 저항부(120)는, 도 3에 도시된 바와 같이 직렬로 연결된 2개의 저항(R₂₁, R₂₂)을 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 제2 절연측정 저항부(120)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 전원 인가 유닛을 포함할 수 있다.

상기 전원 인가 유닛은, 제2 절연측정 저항부(120)에 전원을 인가할 수 있다. 특히, 상기 전원 인가 유닛은 DC 전원을 인가할 수 있다. 제2 절연측정 저항부(120)의 경우, 배터리(10)의 음극 단자에 연결되어 있으므로, 전압 검출시 검출된 전압값이 0으로 센싱될 수 있으나, 상기 실시예와 같이 전원 인가 유닛이 구비되는 경우, 제2 절연측정 저항부(120)에 양 전압이 인가됨으로써 전압값의 센싱이 가능해질 수 있다.

이러한 전원 인가 유닛은, 제2 절연측정 저항부(120)의 접지 단자 측에 구비될 수 있다. 예를 들어, 도 3의 실시예와 같이, 제2 절연측정 저항부(120)가 2개의 저항(R₂₁, R₂₂)으로 이루어진 경우, 접지 측 저항(R₂₂)과 접지 사이에 구비될 수 있다.

한편, 도 3에 도시된 제1 절연측정 저항부(110) 및 제2 절연측정 저항부(120)의 구성은 일례에 불과할 뿐, 본 발명이 반드시 이러한 구성에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 도 3에서는 제1 절연측정 저항부(110) 및 제2 절연측정 저항부(120)가 각각 2개의 저항으로 이루어진 실시예를 도시하였으나, 각 저항부가 3개 이상의 저항으로 이루어진 실시예도 가능하다.

상기 스위칭부(130)는, 상기 절연측정 저항부와 배터리(10) 사이에 구비되어 절연측정 저항부와 배터리(10) 사이를 연결시키거나 차단시킨다. 즉, 상기 스위칭부(130)는, 제1 절연측정 저항부(110)를 배터리(10)의 양극 단자에 선택적으로 연결시키고, 제2 절연측정 저항부(120)를 배터리(10)의 음극 단자에 선택적으로 연결시킨다. 그리고, 이와 같은 스위칭부(130)의 스위칭 동작에 의해, 제1 절연측정 저항부(110)와 배터리(10)의 양극 단자의 연결 및 제2 절연측정 저항부(120)와 배터리(10)의 음극 단자의 연결이 이루어지며, 이를 통해 각각 서로 다른 회로가 형성될 수 있다.

바람직하게는, 상기 스위칭부(130)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)를 포함할 수 있다.

상기 제1 스위치(SW1)는, 상기 제1 절연측정 저항부(110)와 배터리(10)의 양극 단자 사이에 구비되어, 상기 제1 절연측정 저항부(110)와 배터리(10)의 양극 단자 사이의 연결을 온오프할 수 있다. 이때, 제1 스위치(SW1)의 턴 온으로 제1 절연측정 저항부(110)와 배터리(10)의 양극 단자가 연결될 때 형성되는 회로를, 설명의 편의를 위해 제1 회로라 한다. 이러한 제1 회로가 형성되면, 배터리(10)의 양극 단자 측으로부터 발생된 전압이 제1 절연측정 저항부(110)에 인가될 수 있다.

상기 제2 스위치(SW2)는, 상기 제2 절연측정 저항부(120)와 배터리(10)의 음극 단자 사이에 구비되어, 상기 제2 절연측정 저항부(120)와 배터리(10)의 음극 단자 사이의 연결을 온오프할 수 있다. 이때, 제2 스위치(SW2)의 턴 온으로 제2 절연측정 저항부(120)와 배터리(10)의 음극 단자가 연결될 때 형성되는 회로를, 제1 회로와의 구별을 위해 제2 회로라 한다. 이처럼, 제2 회로가 형성되면, 배터리(10)의 음극 단자 측으로부터 발생된 전압이 제2 절연측정 저항부(120)에 인가될 수 있다.

상기 전압 검출부(140)는, 제1 절연측정 저항부(110) 및 제2 절연측정 저항부(120)에 각각 인가된 전압을 측정할 수 있다. 이때, 제1 절연측정 저항부(110)에 인가된 전압을 제1 절연검출전압이라 하고, 제2 절연측정 저항부(120)에 인가된 전압을 제2 절연검출전압이라 한다. 따라서, 전압 검출부(140)는, 제1 절연측정 저항부(110)로부터 제1 절연검출전압을 측정하고, 제2 절연측정 저항부(120)로부터 제2 절연검출전압을 측정할 수 있다.

바람직하게는, 상기 전압 검출부(140)는, 제1 절연측정 저항부(110)에 복수의 저항이 포함된 경우, 저항 소자 사이의 노드에 걸리는 전압을 제1 절연검출전압으로 측정할 수 있다. 또한, 마찬가지로, 상기 전압 검출부(140)는, 제2 절연측정 저항부(120)에 복수의 저항이 포함된 경우, 저항 소자 사이의 노드에 걸리는 전압을 제2 절연검출전압으로 측정할 수 있다.

예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 절연측정 저항부(110)가 R₁₁ 및 R₁₂의 2개의 직렬 연결된 저항으로 구성된 경우, 상기 전압 검출부(140)는, 제1 절연측정 저항부(110)에서 접지 단자 측에 구비된 저항 R₁₂의 양단에 인가되는 전압을 제1 절연검출전압(V₁)으로 측정할 수 있다.

또한, 제2 절연측정 저항부(120)가 R₂₁ 및 R₂₂의 2개의 직렬 연결된 저항으로 구성된 경우, 상기 전압 검출부(140)는 제2 절연측정 저항부(120)에서 R₂₁과 R₂₂의 사이에 인가되는 전압을 제2 절연검출전압(V₂)으로 측정할 수 있다.

상기 전압 검출부(140)는, 이와 같이 제1 절연검출전압 및 제2 절연검출전압을 측정하면, 이러한 측정값에 대한 정보를 제어부(150)로 전송할 수 있다.

상기 제어부(150)는, 상기 스위칭부(130)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 스위칭부(130)가 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)로 구성된 경우, 상기 제어부(150)는 이러한 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)로 동작 제어 신호를 출력하여, 각 스위치의 온오프 동작을 제어할 수 있다.

바람직하게는, 상기 제어부(150)는 소정 시간 동안 제1 스위치(SW1)를 턴 온시키고, 제2 스위치(SW2)에 대해서는 이러한 소정 시간 이외의 시간에 턴 온되도록 하는 것이 좋다. 즉, 제어부(150)는, 제1 스위치(SW1)에 대하여 턴 온되도록 할 때, 제2 스위치(SW2)에 대해서는 턴 오프되도록 한다. 반대로, 상기 제어부(150)는 제2 스위치(SW2)에 대하여 턴 온 되도록 할 때, 제1 스위치(SW1)에 대해서는 턴 오프 되도록 한다. 이를 통해, 상기 제어부(150)는 제1 절연측정 저항부(110) 및 제2 절연측정 저항부(120)가 서로 다른 시점에 배터리(10)의 양극 단자 및 음극 단자에 연결되도록 할 수 있다.

또한 바람직하게는, 상기 제어부(150)는 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)의 온오프가 주기적으로 수행되도록 제어할 수 있다. 예를 들어, 상기 제어부(150)는, 제1 소정 시간, 이를테면 최초 기준 시간을 0ms라 할 때 0ms에서 500ms 사이의 시간 동안 제1 스위치(SW1)를 턴 온 시키고, 제2 스위치(SW2)를 턴 오프 시킬 수 있다. 다음으로, 제어부(150)는 제2 소정 시간, 이를테면 500ms 내지 1000ms 사이의 시간 동안 제1 스위치(SW1)를 턴 오프 시키고, 제2 스위치(SW2)를 턴 온 시킬 수 있다. 그리고 나서, 제어부(150)는 다시 제3 소정 시간, 이를테면 1000ms 내지 1500ms 사이의 시간 동안 제1 스위치(SW1)를 턴 온 시키고 제2 스위치(SW2)를 턴 오프 시킬 수 있다. 이와 같은 방식으로, 제어부(150)는 계속해서 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)를 교대로, 또한 주기적으로 턴 온 시킬 수 있다.

한편, 본 명세서에서 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)는 상호 간의 구분을 위한 명칭에 불과한 것일 뿐, 동작 순서 내지 제어부(150)에 의한 제어 신호의 입력 순서 등을 나타내는 것이 아니라는 점은 자명하다.

상기 제어부(150)는 전압 검출부(140)로부터 수신된 제1 절연검출전압 및 제2 절연검출전압에 대한 정보를 수신한다. 그리고, 제어부(150)는 이와 같이 수신된 정보를 바탕으로 배터리(10)의 양극 단자 측 절연 저항(R_{Leak (+)})과 배터리(10)의 음극 단자 측 절연 저항(R_{Leak (-)})을 추정할 수 있다.

특히, 본 발명에 따른 배터리 절연 저항 측정 장치(100)에 있어서, 상기 제어부(150)는 배터리(10)의 양극 단자 측 절연 저항값(R_{Leak (+)})과 배터리(10)의 음극 단자 측 절연 저항값(R_{Leak (-)})을 추정하기 위한 알고리즘으로서, 확장 칼만 필터(Extended Kalman Filter)를 이용한다.

칼만 필터는, 배터리(10)의 동작을 모델링하고 이러한 모델에 근거하여 배터리(10)의 상태를 예측하는 기술 중 하나로서, 시스템의 출력값을 통해 동적 시스템의 내적 상태를 순환적으로 예측할 수 있도록 한다. 확장 칼만 필터는, 이러한 칼만 필터의 기본적 원리 하에, 선형 함수가 아닌 비선형 함수를 대상으로 한다는 점에 특징이 있다.

본 발명에서는 이러한 확장 칼만 필터를 이용하여 배터리(10)의 절연 저항을 추정한다. 이러한 칼만 필터 내지 확장 칼만 필터의 원리는 본 발명의 기술 분야에 속하는 당업자에게 널리 알려져 있으므로, 본 명세서에서는 본 발명의 특징적인 부분을 위주로 설명하도록 한다.

도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부(150)의 기능적 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 절연 저항 측정 장치(100)의 제어부(150)는, 예측 모듈(151), 보정 모듈(152), 추정 모듈(153) 및 판단 모듈(154)을 포함할 수 있다.

상기 예측 모듈(151)은, 상태 방정식(state equation)을 이용하여 상태 변수 및 출력 변수를 예측할 수 있다. 여기서, 상태 방정식에는 상태 변수에 관한 시스템 방정식과 출력 변수에 관한 측정 방정식을 포함할 수 있다. 특히, 본 발명에 있어서 상태 방정식의 상태 변수에는 제1 절연검출전압, 제2 절연검출전압, 배터리의 양극 단자 측 절연 저항값(R_{Leak (+)}) 및 배터리의 음극 단자 측 절연 저항값(R_{Leak (-)})을 인자로서 포함하는 변수가 포함될 수 있다. 그리고, 상태 방정식의 출력 변수에는 제1 절연검출전압 및 제2 절연검출전압을 인자로서 포함하는 변수가 포함될 수 있다.

상기 제어부(150)의 예측 모듈(151)에서 사용하는 확장 칼만 필터의 일반적인 상태 방정식을 나타내면 다음의 수학식 1 및 2와 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 1]

[수학식 2]

상기 수학식 1은 확장 칼만 필터의 일반적인 시스템 방정식을 나타내고, 상기 수학식 2는 일반적인 측정 방정식을 나타낸다.

이러한 상태 방정식을 이산화 방정식(discretized eqution) 형태로 표현하면 다음의 수학식 3 및 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 3]

[수학식 4]

여기서, k는 시간 스텝을 나타낸다. 그리고, x_k는 상태 변수로서 추정하고자 하는 값이며, u_k는 입력값이다. 그리고, y_k는 출력 변수로서 측정할 수 있는 값이다.

이와 같은 상태 방정식은 노이즈 성분을 고려할 경우, 다음과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, w_k는 시스템 노이즈 성분이고, v_k는 측정 노이즈 성분이다.

본 발명에 따른 제어부(150)의 예측 모듈(151)은 배터리의 양극 단자 측 절연 저항값(R_{Leak (+)}) 및 배터리의 음극 단자 측 절연 저항값(R_{Leak (-)})을 구하기 위해 상태 방정식을 이용하는데, 이는 다음과 같은 방식으로 유도될 수 있다.

도 3의 회로 구성에서, 제1 스위치(SW1)와 제2 스위치(SW2)는 선택적으로 턴 온 될 수 있다. 즉, 제1 스위치(SW1)가 턴 온 된 경우 제2 스위치(SW2)는 턴 오프 되고, 제2 스위치(SW2)가 턴 온 된 경우 제1 스위치(SW1)는 턴 오프 될 수 있다. 이와 같이 제1 스위치(SW1) 또는 제2 스위치(SW2)가 턴 온 된 상태의 회로 구성에 대해서는, 도 5 및 도 6을 참조하여 살펴보도록 한다.

도 5는, 도 3에서 제1 스위치(SW1)가 턴 온 된 상태의 회로 구성을 폐회로 형태로 도시하는 도면이다. 즉, 도 3에서 제1 스위치(SW1)가 온 상태인 경우, 도 3의 회로는 도 5에 도시된 바와 같이 바꾸어 표현될 수 있다.

도 5를 참조하면, 제1 스위치(SW1)가 턴 온 되고 제2 스위치(SW2)가 턴 오프 됨으로써, 제1 절연측정 저항부(110)와 배터리(10)의 양극 단자는 서로 연결되어 폐회로가 형성될 수 있는데, 이때 형성되는 회로를 제1 회로라 하는 것은 앞서 살펴본 바와 같다. 이때, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 절연측정 저항부(110)의 저항 소자를 흐르는 전류를 I₁, 배터리의 양극 단자 측 절연 저항(R_{Leak (+)})에 흐르는 전류를 I₂, Y-커패시터(20)의 제1 커패시터에 흐르는 전류를 I_C1, Y-커패시터(20)의 제2 커패시터에 흐르는 전류를 I_C2, 배터리의 음극 단자 측 절연 저항(R_{Leak (-)})에 흐르는 전류를 I₃라 하고, 접지와 연결된 노드 n을 기준으로 키르히호프의 전류 법칙을 적용하면, 아래의 수학식 5와 같은 관계가 성립한다.

[수학식 5]

I₁ + I₂ + I_C1 = I₃ + I_C2

한편, 제1 절연측정 저항부(110)의 저항소자 R₁₁과 R₁₂의 사이에 걸리는 전압을 제1 절연검출전압 V₁이라 할 때, V₁에 대해서는 다음 수학식 6과 같은 관계가 성립할 수 있다.

[수학식 6]

V₁ = I₁R₁₂

그리고, 이러한 수학식 6은 다음 수학식 7과 같이 바꾸어 표현될 수 있다.

[수학식 7]

I₁ = V₁/R₁₂

또한, 배터리의 양극 단자 측 절연 저항 소자(R_{Leak (+)})의 양단에 걸리는 전압을 V_TOP이라 할 때 다음의 수학식 8과 같은 관계가 성립할 수 있다.

[수학식 8]

상기 수학식 8 및 수학식 7을 이용하면, I₂에 대하여, 다음의 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 9]

또한, 상기 수학식 8에서, I_C1은 다음의 수학식 10과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 10]

한편, 도 5의 회로 구성에서 배터리(10)의 양단 전압을 V_Pack1이라 하면, 배터리의 음극 단자 측 절연 저항 소자(R_{Leak (-)})에 흐르는 전류 I₃는 다음의 수학식 11과 같이 표시될 수 있다.

[수학식 11]

그리고, Y-커패시터의 제2 커패시터(C_Y2)에 흐르는 전류 I_C2에 대해서는 다음의 수학식 12와 같이 표시될 수 있다.

[수학식 12]

상기 수학식 7, 수학식 9, 수학식 10, 수학식 11 및 수학식 12를 수학식 5에 대입하면, 하기 수학식 13과 같은 방정식을 얻을 수 있다.

[수학식 13]

도 6은, 도 3에서 제2 스위치(SW2)가 턴 온 된 상태의 회로 구성을 폐회로 형태로 도시하는 도면이다. 즉, 도 3에서 제2 스위치(SW2)가 온 상태인 경우, 도 3의 회로는 도 6에 도시된 바와 같이 표시될 수 있다.

도 6을 참조하면, 제2 스위치(SW2)가 턴 온 되고 제1 스위치(SW1)가 턴 오프 됨으로써, 제2 절연측정 저항부(120)와 배터리(10)의 음극 단자가 서로 연결될 수 있으며, 이때 형성되는 회로는 제2 회로라 한다. 여기서, 도 6에 도시된 바와 같이, 제2 절연측정 저항부(120)의 저항 소자(R₂₁, R₂₂)에 흐르는 전류를 I₁, 배터리의 음극 단자 측 절연 저항(R_{Leak (-)})에 흐르는 전류를 I₂, Y-커패시터의 제2 커패시터에 흐르는 전류를 I_C2, Y-커패시터의 제1 커패시터에 흐르는 전류를 I_C1, 배터리의 양극 단자 측 절연 저항(R_{Leak (+)})에 흐르는 전류를 I₃라 하고, 접지와 연결된 노드 n을 기준으로 키르히호프의 전류 법칙을 적용하면, 아래의 수학식 14와 같은 관계가 성립할 수 있다.

[수학식 14]

I₃ + I_C1 = I₁ + I₂ + I_C2

한편, 제2 절연측정 저항부(120)에 포함된 전압 인가 유닛의 인가 전압을 V_DC라 하고, 제2 절연측정 저항부(120)의 저항소자 R₂₁과 R₂₂의 사이에 걸리는 전압을 제2 절연검출전압 V₂라 할 때, 제2 절연측정 저항부(120)에 흐르는 전류 I₁에 대해서는 다음의 수학식 15와 같은 관계가 성립될 수 있다.

[수학식 15]

또한, 배터리의 음극 단자 측 절연 저항 소자(R_{Leak (-)})의 양단에 걸리는 전압을 -V_BOTTOM이라 할 때 다음의 수학식 16과 같은 관계가 성립할 수 있다.

[수학식 16]

상기 수학식 16 및 수학식 15를 이용하면, I₂에 대하여 다음의 수학식 17과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 17]

또한, 상기 수학식 16에서, I_C2는 다음의 수학식 18과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 18]

한편, 도 6의 회로 구성에서 배터리(10)의 양단 전압을 V_Pack2라 하면, 배터리의 양극 단자 측 절연 저항 소자(R_{Leak (+)})에 흐르는 전류 I₃는 다음의 수학식 19와 같이 표시될 수 있다.

[수학식 19]

그리고, Y-커패시터의 제1 커패시터(C_Y1)에 흐르는 전류 I_C1에 대해서는 하기 수학식 20과 같이 표시될 수 있다.

[수학식 20]

상기 수학식 15, 수학식 17, 수학식 18, 수학식 19 및 수학식 20을 수학식 14에 대입하면, 다음의 수학식 21과 같은 방정식을 얻을 수 있다.

[수학식 21]

상기 수학식 13 및 수학식 21에서,

라 하고, Y-커패시터(20)에 포함된 각 커패시터의 커패시턴스를 C_Y라 하면, 상기 수학식 13 및 수학식 21은 다음의 수학식 22 및 수학식 23과 같이 표시될 수 있다. 이때, Y-커패시터(20)에 포함된 커패시터의 커패시턴스 C_Y는, 이를테면 Y-커패시터의 제1 커패시터의 커패시턴스값(C_Y1)과 제2 커패시터의 커패시턴스값(C_Y2)이 같은 경우 C_Y=C_Y1=C_Y2와 같이 나타낼 수 있다. 또는 C_Y는 Y-커패시터(20)를 구성하는 복수의 커패시터에 대한 평균 커패시턴스값을 의미하는 것으로 볼 수도 있다.

[수학식 22]

[수학식 23]

그리고, 이와 같은 수학식 22 및 수학식 23은 다음의 수학식 24 및 수학식 25와 같이 정리될 수 있다.

[수학식 24]

[수학식 25]

여기서, 2B-V_Pack1 = α, 2D-V_Pack2 = β, 1/R_{Leak (+)}= γ, 1/R_{Leak (-)}= δ라 하면, 상기 수학식 24 및 수학식 25는 다음의 수학식 26 및 수학식 27과 같이 정리될 수 있다.

[수학식 26]

[수학식 27]

상기 수학식 26 및 수학식 27을, 확장 칼만 필터의 일반적인 상태 방정식인 상기 수학식 1 및 수학식 2와 비교해보면, 다음과 같은 관계가 성립될 수 있다.

그러므로, 상기 수학식 26 및 수학식 27은 다음과 같은 상태 방정식으로 정리될 수 있다.

[수학식 28]

[수학식 29]

상기 수학식 28은 본 발명에 따른 제어부(150)의 예측 모듈(151)에서 이용하는 확장 칼만 필터의 시스템 방정식을 나타내고, 상기 수학식 29는 본 발명에 따른 제어부(150)의 예측 모듈(151)에서 이용하는 확장 칼만 필터의 측정 방정식을 나타낸다고 할 수 있다.

상기 수학식 28 및 수학식 29에서, k는 시간 스텝을 나타내며, 상태 변수(x_k)는

이고, 입력값(u_k)은

이다. 그리고, 출력 변수(y_k)는

이다. 따라서,

는 현재 상태에서 예측되는 상태 변수의 값이고,

는 직전 상태에서 예측 및 보정된 상태 변수의 값이라 할 수 있다.

한편, 상기 수학식에서 α= 2B-V_Pack1, β = 2D-V_Pack2, γ = 1/R_{Leak (+)}, δ = 1/R_Leak(-)을 나타낸다. 그리고, A = V₁/R₁₂, B = (V₁/R₁₂)R₁₁+V₁, C = (V_DC-V₂)/R₂₂, D = ((V_DC-V₂)/R₂₂)R₂₁-V₂을 나타낸다. 이때, V₁은 제1 절연검출전압, V₂는 제2 절연검출전압, V_DC는 전원 인가 유닛의 인가 전압, R₁₁ 및 R₁₂는 제1 절연측정 저항부(110)에 포함된 저항의 저항값, R₂₁ 및 R₂₂는 제2 절연측정 저항부(120)에 포함된 저항의 저항값, R_{Leak (+)}는 배터리의 양극 단자 측 절연 저항, R_{Leak (-)}는 배터리의 음극 단자 측 절연 저항, C_Y는 Y-커패시터(20)의 커패시턴스를 각각 나타낸다. 또한, V_Pack1은 제1 회로가 형성될 때의 배터리 전압, 즉 제1 스위치(SW1)가 턴 온 될 때의 배터리 전압을 의미하고, V_Pack2는 제2 회로가 형성될 때의 배터리 전압, 즉 제2 스위치(SW2)가 턴 온 될 때의 배터리 전압을 의미한다.

여기서, 절연측정 저항부에 포함된 각 저항의 저항값 R₁₁, R₁₂, R₂₁ 및 R₂₂, Y-커패시터(20)의 커패시턴스값(C_Y) 및 배터리 전압 V_Pack1와 V_Pack2는 미리 알려질 수 있는 값이다.

따라서, 본 발명에 따른 제어부(150)에서 이용하는 상태 방정식의 상태 변수

및 출력 변수

에 포함된 변수 α_k, β_k, γ_k 및 δ_k는, 각각 제1 절연검출전압(V₁), 제2 절연검출전압(V₂), 배터리의 양극 단자 측 절연 저항(R_{Leak (+)}) 및/또는 음극 단자 측 절연 저항(R_{Leak (-)})이라는 파라미터를 이용하도록 구성된 것으로 볼 수 있다.

한편, 배터리(10)의 전압 V_Pack1 및 V_Pack2는 동일한 하나의 전압 V_Pack으로 입력될 수 있다. 하지만, 배터리(10)의 전압은 제1 회로가 형성될 때와, 제2 회로가 형성될 때 서로 다른 값을 가질 수 있다. 따라서, 상기 실시예와 같이 배터리(10) 전압을 제1 회로가 형성될 때와 제2 회로가 형성될 때를 구분하여 입력되도록 하는 경우, 배터리(10)의 보다 정확한 전압값이 입력되므로, 보다 정밀한 상태 방정식의 구현이 가능해질 수 있다.

본 발명에 따른 제어부(150)의 예측 모듈(151)은, 수학식 28과 같은 시스템 방정식을 이용하여 상태 변수

를 예측하고, 수학식 29와 같은 출력 방정식을 이용하여 출력 변수

를 예측할 수 있다.

특히, 상기 제어부(150)의 예측 모듈(151)은, 첫 번째 단계에서는 초기 파라미터의 입력을 통해 상태 변수를 예측할 수 있다. 하지만, 이후 단계에서는 제어부(150)의 보정 모듈(152)에 의해 보정된 상태 변수를 통해 상태 변수를 예측할 수 있다.

또한, 상기 예측 모듈(151)은, 상태 변수 추정에 의한 오차에 대한 분산, 즉 추정오차 분산을 예측할 수 있다. 이때, 추정오차 분산(P_k)은 다음의 수학식 30과 같이 계산될 수 있다.

[수학식 30]

여기서, A_{k -1}은 비선형 행렬식

로 나타나는 f_{k -1}을 상태 변수로 미분하여 선형화시킨 것이고, A_{k -1} ^T는 A_{k -1}의 전치 행렬을 의미한다. 또한, Q_{k -1}은 시스템 노이즈의 분산값, 즉 각 상태별 상태 변수의 분산값이다.

상기 제어부(150)의 보정 모듈(152)은, 예측 모듈(151)에 의해 예측된 출력 변수

를 전압 검출부(140)에 의해 측정된 출력 변수와 비교한다. 즉, 출력 변수를 구성하는 α 및 β는 각각 2B-V_Pack1 및 2D-V_Pack2을 의미하고, B 및 D는 각각 (V₁/R₁₂)R₁₁+V₁ 및 ((V_DC-V₂)/R₂₂)R₂₁-V₂을 의미한다. 여기서, R₁₁, R₁₂, R₂₁, R₂₂ 및 V_DC는 미리 정해진 값으로서, 제어부(150)가 미리 알 수 있는 값이므로, 전압 검출부(140)에 의해 제1 절연검출전압 V₁ 및 제2 절연검출전압 V₂가 측정되면, 이 값을 통해 출력 변수

의 측정값이 결정될 수 있다. 제어부(150)의 보정 모듈(152)은 이와 같이 구해진 출력 변수

의 측정값과 예측 모듈(151)에 의해 구해진 출력 변수

의 예측값을 서로 비교할 수 있다.

그리고, 보정 모듈(152)은 이러한 비교 결과를 이용하여 예측된 상태 변수를 보정한다.

이를 위해, 상기 보정 모듈(152)은 다음의 수학식 31과 같은 수식을 통해 칼만 게인(K_k), 즉 게인 팩터를 생성할 수 있다.

[수학식 31]

여기서, P_k는 추정오차 분산을 의미하고, H_k는 예측된 상태 변수와 출력 변수에 관한 함수를 선형화하기 위해서 미분한 행렬을 나타내는 것으로, dh_k/dx_k로 표현될 수 있다. 또한, H_k ^T는 H_k의 전치 행렬을 의미하고, R_k는 측정 모델에 의해 발생하는 오차의 분산, 즉 측정 노이즈의 분산값을 의미한다.

이와 같이 게인 팩터가 얻어지면, 상기 보정 모듈(152)은 다음의 수학식 32와 같이, 이러한 게인 팩터와 함께 예측된 출력 변수 및 측정된 출력 변수를 이용하여 예측된 상태 변수를 보정할 수 있다.

[수학식 32]

여기서, x_k는 예측된 상태 변수, x_k'은 이러한 예측된 상태 변수(x_k)의 보정된 값을 의미하며, K_k는 게인 팩터, 즉 칼만 게인을 의미한다. 또한, y_k는 측정된 출력 변수, 즉

의 측정값을 의미하고, H_kx_k는 예측 모듈(151)에 의해 예측된 출력 변수, 즉

의 예측값을 의미한다.

이와 같이 예측된 상태 변수가 보정되면, 보정된 상태 변수는 다음 단계의 상태 변수를 예측하기 위한 이전 값으로 입력될 수 있다. 예를 들어, 수학식 32에서 얻어지는 x_k'은 다음 단계에서 x_k로서 수학식 28의 상태 변수로 입력되어 다음 단계의 상태 변수 x_{k +1}을 예측하는데 이용될 수 있다.

또한, 상기 보정 모듈(152)은, 예측 모듈(151)에 의해 예측된 추정오차 분산을 칼만 게인을 이용하여 보정할 수 있으며, 이에 대해서는 다음의 수학식 33과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 33]

여기서, P_k'은 예측된 추정오차 분산(P_k)의 보정된 값을 의미하며, K_k는 칼만 게인을 의미한다.

이와 같이 예측된 추정오차 분산이 보정되면, 보정된 추정오차 분산은 다음 단계의 추정오차 분산을 예측하기 위한 이전 값으로 입력될 수 있다. 예를 들어, 수학식 33의 P_k'은 수학식 30의 P_{k -1}로 입력되어 다음 단계의 추정오차 분산 P_k를 예측하는데 이용될 수 있다.

상기 제어부(150)의 추정 모듈(153)은, 보정 모듈(152)에 의해 보정된 상태 변수를 이용하여 배터리의 양극 단자 측 절연 저항(R_{Leak (+)}) 및 배터리의 음극 단자 측 절연 저항(R_{Leak (-)})을 추정할 수 있다.

즉, 예측 모듈(151)에 의해 예측되어 보정 모듈(152)에 의해 보정된 상태 변수, x_k는

인데, 여기에 포함된 상태 변수 중 γ_k는 1/R_{Leak (+)}을 의미하고, δ_k는 1/R_{Leak (-)}을 의미한다. 따라서, 보정 모듈(152)이 γ_k 및δ_k의 보정값을 얻으면, 추정 모듈(153)은 이와 같이 얻어진 γ_k 및δ_k의 보정값에 역수를 취하여 배터리의 양극 단자 측 절연 저항(R_{Leak (+)}) 및 배터리의 음극 단자 측 절연 저항(R_{Leak (-)})을 추정할 수 있다.

상기 제어부(150)의 판단 모듈(154)은, 추정 모듈(153)에 의해 배터리의 양극 단자 측 절연 저항(R_{Leak (+)}) 및 배터리의 음극 단자 측 절연 저항(R_{Leak (-)})이 추정된 경우, 추정된 값을 이용하여, 배터리(10)의 절연 상태 파괴 여부를 판단할 수 있다.

예를 들어, 제어부(150)의 판단 모듈(154)은, 배터리의 양극 단자 측 절연 저항(R_{Leak (+)})의 추정값과 배터리의 음극 단자 측 절연 저항(R_{Leak (-)})의 추정값을 각각 기준 절연 저항값과 비교하여, 추정값이 기준 절연 저항값보다 낮은 경우, 배터리의 절연 상태가 파괴되었다고 판단할 수 있다.

특히, 상기 실시예와 같이, 추정 모듈(153)이 배터리의 양극 단자 측 절연 저항(R_{Leak (+)})과 배터리의 음극 단자 측 절연 저항(R_{Leak (-)})을 각각 추정하는 경우, 이들 각각을 기준 절연 저항값과 비교함으로써, 절연 파괴가 발생한 배터리의 전극을 정확하게 파악할 수 있다.

바람직하게는, 상기 제어부(150)의 판단 모듈(154)은 배터리의 양극 단자 측 절연 저항(R_{Leak (+)})과 배터리의 음극 단자 측 절연 저항(R_{Leak (-)}) 중 저항값이 작은 것을 최종 절연 저항값으로 판단할 수 있다. 그리고, 상기 제어부(150)의 판단 모듈(154)은 상기 최종 절연 저항값과 미리 저장된 기준 절연 저항값을 대비함으로써 배터리의 절연 파괴 여부를 판단할 수 있다. 예를 들어, 상기 판단 모듈(154)은 최종 절연 저항값과 기준 절연 저항값을 비교하여, 최종 절연 저항값이 기준 절연 저항값보다 낮은 경우, 해당 배터리의 절연 상태가 파괴되었다고 판단할 수 있다. 이와 같이 배터리의 양극 단자 측 절연 저항(R_{Leak (+)})과 배터리의 음극 단자 측 절연 저항(R_{Leak (-)}) 중 저항값이 작은 것을 기준으로 절연 파괴 여부를 판단하면, 보다 신속하게 배터리의 절연 파괴 여부를 감지할 수 있고, 누설 전류로 인한 안전 사고의 발생 위험을 낮출 수 있다.

상기와 같이 제어부(150)는, 확장 칼만 필터를 이용하여 배터리의 양극 단자 측 절연 저항(R_{Leak (+)}) 및 배터리의 음극 단자 측 절연 저항(R_{Leak (-)})을 산출한다. 특히, 전기 자동차 등의 경우, 배터리와 부하 사이에는 Y-커패시터(20)가 구비될 수 있는데, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부(150)는, 이러한 Y-커패시터(20)의 커패시턴스(C_Y)를 상태 방정식에 이용하여 배터리의 양극 단자 측 절연 저항(R_{Leak (+)}) 및 배터리의 음극 단자 측 절연 저항(R_{Leak (-)})을 산출한다. 그러므로, 본 발명의 이러한 실시예에 의하면, Y-커패시터(20)의 영향까지 고려한 보다 정확한 배터리의 절연 저항값이 측정될 수 있다.

한편, 상기 제어부(150)는, 상술한 방식을 통해 절연 저항값 산출 및 다양한 제어 로직을 실행하기 위해, 본 발명이 속한 기술 분야에 알려진 프로세서, ASIC(Application Specific Integrated Circuit), 다른 칩셋, 논리 회로, 레지스터, 통신 모뎀, 데이터 처리 장치 등을 포함할 수 있다. 또한, 상술한 제어 로직이 소프트웨어로 구현될 때, 상기 제어부(150)는 프로그램 모듈의 집합으로 구현될 수 있다.

바람직하게는, 상기 제어부(150)는, 배터리의 BMS(Battery Management System)에 의해 수행될 수 있다. 여기서, BMS란, 배터리 팩의 충방전 동작을 전반적으로 제어하는 관리 장치로서, 이러한 BMS는 배터리 팩 보호 장치에 통상적으로 포함될 수 있다. 특히, BMS에는 MCU(Micro Controller Unit)가 구비될 수 있는데, 상기 제어부(150)는 이러한 MCU에 의해 구현될 수 있다.

본 발명에 따른 배터리 절연 저항 측정 장치(100)는, 메모리부(160)를 더 포함할 수 있다.

상기 메모리부(160)는, 본 발명에 따른 배터리 절연 저항 측정 장치(100)의 각 구성요소가 작동하는데 필요한 정보를 저장할 수 있다. 예를 들어, 상기 메모리부(160)는, 배터리 전압값(V_Pack1, V_Pack2, V_Pack), 전원 인가 유닛의 인가 전압(V_DC), R₁₁ 및 R₁₂와 같은 제1 절연측정 저항부(110)에 포함된 각 저항 소자의 저항값, R₂₁ 및 R₂₂와 같은 제2 절연측정 저항부(120)에 포함된 각 저항 소자의 저항값, 기준 절연 저항값, Y-커패시터(20)의 커패시턴스값(C_Y, C_Y1, C_Y2) 등을 저장할 수 있다. 또한, 메모리부(160)는 제어부(150)가 다양한 제어 로직을 실행하는데 필요한 프로그램 등을 저장할 수도 있다.

이와 같은 메모리부(160)는, 제어부(150) 등 배터리 절연 저항 측정 장치(100)의 각 구성요소와 정보를 주고 받을 수 있다. 이러한 메모리부(160)는 RAM, ROM, EEPROM 등 데이터를 기록하고 소거할 수 있는 공지의 반도체 소자나 하드 디스크와 같은 저장매체로 이루어질 수 있으며, 특정 디바이스의 종류에 한정되지 않고 정보의 저장이 가능한 디바이스라면 메모리부(160)로 이용될 수 있다.

또한, 상기 메모리부(160)는, 둘 이상의 단위 메모리로 이루어질 수 있으며, 제어부(150) 등 특정 구성 요소에 내장된 형태 또는 별도로 분리된 형태 등 다양한 형태로 구성될 수 있다.

바람직하게는, 본 발명에 따른 배터리 절연 저항 측정 장치(100)는 전송부(미도시)를 더 포함할 수 있다.

상기 전송부는, 통신 인터페이스를 통해 외부 디바이스와 각종 정보를 주고 받을 수 있다. 이러한 실시예에 의하면, 상기 제어부(150)는 절연 파괴 여부에 관한 정보를 이러한 전송부를 통해서 외부 디바이스로 전송할 수 있다. 이때, 상기 외부 디바이스는 배터리 분석 장치 또는 배터리가 탑재된 시스템의 제어 장치가 될 수 있다.

또한 바람직하게는, 본 발명에 따른 배터리 절연 저항 측정 장치(100)는, 경고부(170)를 더 포함할 수 있다.

상기 경고부(170)는, 배터리의 절연 파괴 여부를 사용자에게 알릴 수 있다. 예를 들어, 경고부(170)는, 제어부(150)에 의해 배터리가 절연 파괴 상태인 것으로 판단된 경우, 이와 같은 절연 파괴 사실을 시각적 또는 청각적으로 경고할 수 있다. 이를 위해, 경고부(170)는, 모니터와 같은 디스플레이 장치나 경고 램프, 스피커 등을 구비하여, 이를 통해 사용자에게 배터리의 절연 파괴 사실을 알릴 수 있다. 만일, 배터리가 전기 자동차 등에 사용되는 차량용 배터리인 경우, 경고부(170)는 운전석의 계기판 등에 마련되어, 램프 등으로 사용자에게 배터리의 절연 파괴 정보를 전달할 수 있다.

도 7은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 절연 저항 측정 장치(100)의 회로 구성을 개략적으로 도시한 회로도이다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 절연 저항 측정 장치(100)는, 절연측정 저항부(115), 스위칭부(130), 전압 검출부(140) 및 제어부(150)를 포함한다. 도 7의 실시예에 포함된 각각의 구성요소는 도 3의 실시예에 대하여 설명된 각각의 구성요소와 유사한 동작 및 기능을 수행할 수 있다. 따라서, 도 3의 실시예에 대한 설명이 도 7의 실시예에 대해서도 적용될 수 있는 경우에는 상세한 설명을 생략하고, 차이점이 있는 부분을 위주로 설명하도록 한다.

상기 절연측정 저항부(115)는, 스위칭부(130)의 온 오프 동작에 따라 배터리의 양극 단자 또는 음극 단자에 연결된다.

상기 스위칭부(130)는, 상기 절연측정 저항부(115)의 일측 단부를 배터리의 양극 또는 음극에 연결시키는 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)와, 상기 절연측정 저항부(115)의 타측 단부를 접지 또는 전원 인가 유닛에 연결시키는 제3 스위치(SW3) 및 제4 스위치(SW4)를 포함할 수 있다.

상기 제어부(150)는, 상기 스위칭부(130)에 제어 신호를 전송하여 스위칭부(130)를 제어할 수 있다. 특히, 상기 제어부(150)는, 제1 스위치(SW1) 및 제3 스위치(SW3)의 턴 온과 제2 스위치(SW2) 및 제4 스위치(SW4)의 턴 온을 선택적으로 수행할 수 있다.

먼저, 제어부(150)가 제1 스위치(SW1) 및 제3 스위치(SW3)를 턴 온 시키고, 제2 스위치(SW2) 및 제4 스위치(SW4)가 턴 오프 되도록 하면, 절연측정 저항부(115)는 배터리(10)의 양극 단자에 연결될 수 있다. 그리고, 이러한 도 7의 회로 구성은 도 5에 도시된 바와 같다. 따라서, 이에 대해서는 도 5의 실시예에 대한 설명이 적용될 수 있다. 다만, 도 5의 실시예에 대한 설명에서 배터리 전압 V_Pack1은, 도 7의 실시예에서 V_Pack으로 대체될 수 있다. 또한, 도 5의 실시예에서 제1 절연측정 저항부(110)에 포함된 저항 소자의 저항값 R₁₁ 및 R₁₂는, 도 7의 실시예에서 R₁ 및 R₂로 대체될 수 있다.

다음으로, 제어부(150)가 제2 스위치(SW2) 및 제4 스위치(SW4)를 턴 온 시키고, 제1 스위치(SW1) 및 제3 스위치(SW3)가 턴 오프 되도록 하면, 절연측정 저항부(115)는 배터리(10)의 음극 단자에 연결될 수 있다. 그리고, 이러한 도 7의 회로 구성은 도 6에 도시된 바와 같다. 따라서, 이에 대해서는 도 6의 실시예에 대한 설명이 적용될 수 있다. 다만, 도 6의 실시예에 대한 설명에서 배터리 전압 V_Pack2는, 도 7의 실시예에서 V_Pack으로 대체될 수 있다. 또한, 도 6의 실시예에서 제2 절연측정 저항부(120)에 포함된 저항 소자의 저항값 R₂₁ 및 R₂₂는, 도 7의 실시예에서 R₁ 및 R₂로 대체될 수 있다.

이처럼, 도 7에 도시된 배터리 절연 저항 측정 장치(100)의 실시예를 도 3에 도시된 배터리 절연 저항 측정 장치(100)의 실시예와 비교하면, 절연 측정 저항부(115) 및 스위칭부(130)의 회로 구성에만 차이점이 있을 뿐, 대부분의 구성은 유사하다는 것을 알 수 있다. 따라서, 앞서 설명된 전압 검출부(140) 및 제어부(150)의 역할은 도 7의 실시예에서도 적용될 수 있다. 따라서, 전압 검출부(140) 및 제어부(150)에 의해 확장 칼만 필터 알고리즘을 이용하여 배터리의 양극 단자 측 절연 저항값(R_{Leak (+)}) 및 배터리의 음극 단자 측 절연 저항값(R_{Leak (-)})을 추정하고, 이를 통해 배터리의 절연 상태 파괴 여부를 판단하는 과정에 대한 설명은 생략하도록 한다.

본 발명에 따른 자동차는, 상술한 배터리 절연 저항 측정 장치(100)를 포함할 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 배터리 절연 저항 측정 장치(100)는, 전기 자동차나 하이브리드 자동차에 적용되는 것이 좋다. 전기 자동차나 하이브리드 자동차의 경우, 고출력, 고용량 배터리를 사용하기 때문에, 감전 사고 등과 같은 피해를 방지하기 위해 배터리의 절연 상태 유지는 매우 중요하다. 그러므로, 본 발명에 따른 배터리 절연 저항 측정 장치(100)가 포함되는 경우, 자동차에 구비된 배터리의 절연 상태를 정확하고 신속하게 판단함으로써, 운전자나 정비자 등의 사용자를 보호하고, 차량의 각종 장비에 손상을 입히는 것을 방지할 수 있다.

도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 절연 저항 측정 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다. 도 8에서, 각 단계의 주체는 상술한 배터리 절연 저항 측정 장치(100)의 각 구성요소이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따라 배터리 절연 저항을 측정하기 위해서는, 먼저 배터리의 전압값(V_Pack), 전원인가유닛의 인가 전압값(V_DC), 제1 절연측정 저항부(110)에 포함된 저항 소자의 저항값(R₁₁, R₁₂), 제2 절연측정 저항부(120)에 포함된 저항 소자의 저항값(R₂₁, R₂₂) 및 기준 절연 저항값을 저장한다(S110). 또한, 배터리와 부하 사이에 Y-커패시터(20)가 포함된 경우, 상기 S110 단계에서는 이러한 Y-커패시터(20)의 커패시턴스값을 저장할 수 있다. 이와 같이 저장된 값들은 절연검출전압과 함께 확장 칼만 필터의 상태 방정식에 대입되어 절연 저항을 측정하는데 이용될 수 있다. 한편, 상기 S110 단계에서 저장되는 배터리 전압값(V_Pack)은 BMS와 같이 배터리 전압 검출 회로를 이용하여 측정된 값일 수 있으며, 제1 회로가 형성될 때와 제2 회로가 형성될 때를 구분하여 측정 및 저장될 수도 있다.

다음으로, 제어부(150)의 제어 하에 스위칭부(130)가 제어된다(S120). 즉, 도 3의 실시예에서 제어부(150)는 제1 절연측정 저항부(110)를 배터리의 양극 단자에 연결하기 위해 제2 스위치(SW2)가 오프된 상태에서 제1 스위치(SW1)를 턴 온 시킴으로써 제1 회로를 형성한다. 그리고, 이와 같이 제1 회로가 형성되면, 전압 검출부(140)에 의해 제1 절연검출전압이 측정된다(S130).

다음으로, 제어부(150)는 제2 회로를 형성하기 위해 다시 스위칭부(130)를 제어한다(S140). 이를테면, 상기 S140 단계에서 제어부(150)는 제1 스위치(SW1)를 오프시키고 제2 스위치(SW2)를 턴 온 시켜 제2 절연측정 저항부(120)를 배터리의 음극 단자에 연결시킬 수 있다. 그리고, 이와 같이 제2 회로가 형성되면, 전압 검출부(140)에 의해 제2 절연검출전압이 측정된다(S150).

바람직하게는, 제1 절연검출전압의 측정과 제2 절연검출전압의 측정은 서로 다른 시간에 측정될 수 있다. 즉, 제1 회로와 제2 회로의 형성은 서로 다른 시간에 수행되도록 함으로써, 제1 회로가 형성될 때 전압 검출부(140)는 제1 절연검출전압을 측정하고, 제2 회로가 형성될 때 전압 검출부(140)는 제2 절연검출전압을 측정할 수 있다.

다음으로, 제어부(150)는 이와 같이 S130 단계 및 S150 단계에서 측정된 제1 절연검출전압 및 제2 절연검출전압에 대한 정보를 수신하고, 이와 같이 수신된 정보와, 상기 S110 단계에서 저장된 배터리 전압값, 전원인가유닛의 전압값, 제1 절연측정 저항부(110)의 저항값, 제2 절연측정 저항부(120)의 저항값 및 기준 절연 저항값에 대한 정보를 이용하여 배터리의 양극 단자 측 절연 저항값(R_{Leak (+)}) 및 배터리의 음극 단자 측 절연 저항값(R_{Leak (-)})을 추정한다(S160). 이때, 배터리와 부하 사이에 Y-커패시터(20)가 포함된 경우, 이러한 Y-커패시터(20)의 커패시턴스값(C_Y)도 이용될 수 있다.

특히, 본 발명에 의하면, 상기 S160 단계에서 배터리의 절연 저항값을 측정하기 위해 확장 칼만 필터가 이용된다. 따라서, 상기 S160 단계는, 상태 변수 및 출력 변수의 예측 단계, 예측된 상태 변수의 보정 단계 및 절연 저항 추정 단계를 포함할 수 있다.

상기 상태 변수 및 출력 변수의 예측 단계는, 제1 절연검출전압, 제2 절연검출전압, 배터리의 양극 단자 측 절연 저항(R_{Leak (+)}) 및 배터리의 음극 단자 측 절연 저항을 이용하도록 구성된 변수를 상태 변수로 포함하고, 상기 S130 단계 및 상기 S150 단계에서 측정된 제1 절연검출전압 및 제2 절연검출전압을 이용하도록 구성된 변수를 출력 변수로 포함하는 상태 방정식을 이용하여 상태 변수 및 출력 변수를 예측하는 단계이다.

다음으로, 예측된 상태 변수의 보정 단계는, 상기 상태 변수 및 출력 변수의 예측 단계에서 예측된 출력 변수를 측정된 출력 변수와 비교하여 예측된 상태 변수를 보정하는 단계이다.

다음으로, 절연 저항 추정 단계는, 상기 예측된 상태 변수의 보정 단계에서 보정된 상태 변수를 통해, 배터리의 양극 단자 측 절연 저항(R_{Leak (+)}) 및 배터리의 음극 단자 측 절연 저항(R_{Leak (-)})을 추정하는 단계이다.

이처럼, 상기 S160 단계에서 배터리의 양극 단자 측 절연 저항(R_{Leak (+)}) 및 배터리의 음극 단자 측 절연 저항(R_{Leak (-)})이 추정되면, 본 발명에 따른 배터리 절연 저항 측정 방법은, 이와 같이 추정된 절연 저항값을 기초로, 배터리의 절연 파괴 여부를 판단하는 단계(S170)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 S170 단계에서 배터리의 양극 단자 측 절연 저항(R_{Leak (+)}) 및 배터리의 음극 단자 측 절연 저항(R_{Leak (-)})의 추정값을 기준 절연 저항값과 비교하여, 기준 절연 저항값보다 낮은 경우 배터리가 절연 파괴되었다고 판단할 수 있다.

만일, S170 단계에서 배터리가 절연 파괴된 것으로 판단된 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 절연 저항 측정 방법은, 배터리의 절연 파괴 여부를 사용자에게 알리는 경고 단계를 더 포함할 수 있다(S180).

이상과 같이, 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.

한편, 본 명세서에서 '저항부', '스위칭부', 전압 검출부', '제어부', '예측 모듈', '보정 모듈' 등과 같이 '부' 및 '모듈'이라는 용어를 사용하였으나, 이는 논리적인 구성 단위를 나타내는 것으로서, 반드시 물리적으로 분리될 수 있거나 물리적으로 분리되어야 하는 구성요소를 나타내는 것이 아니라는 점은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에게 자명하다.

즉, 본 발명에 있어서의 각각의 구성은 본 발명의 기술사상을 실현하기 위하여 논리적인 구성요소에 해당하므로 각각의 구성요소가 통합 또는 분리되더라도 본 발명의 논리 구성이 수행하는 기능이 실현될 수 있다면 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 하며, 동일 또는 유사한 기능을 수행하는 구성요소라면 그 명칭 상의 일치성 여부와는 무관하게 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 함은 물론이다.

10: 배터리
20: Y-커패시터
100: 배터리 절연 저항 측정 장치
110: 제1 절연측정 저항부
120: 제2 절연측정 저항부
130: 스위칭부
140: 전압 검출부
150: 제어부

Claims (18)

1. 배터리의 양극 단자 및 음극 단자에 각각 연결되는 제1 절연측정 저항부 및 제2 절연측정 저항부;
   상기 제1 절연측정 저항부와 상기 제2 절연측정 저항부를 각각 상기 배터리의 양극 단자와 음극 단자에 연결하여 서로 다른 회로가 형성되도록 하는 스위칭부;
   상기 제1 절연측정 저항부 및 상기 제2 절연측정 저항부에 인가된 제1 절연검출전압 및 제2 절연검출전압을 측정하는 전압 검출부; 및
   상기 스위칭부의 온오프를 제어하고, 상기 제1 절연검출전압, 상기 제2 절연검출전압, 상기 배터리의 양극 단자 측 절연 저항 및 상기 배터리의 음극 단자 측 절연 저항을 이용하여 구성된 변수를 상태 변수로 포함하고 상기 제1 절연검출전압 및 상기 제2 절연검출전압을 이용하여 구성된 변수를 출력 변수로 포함하는 상태 방정식을 이용하여 상태 변수 및 출력 변수를 예측하며, 상기 예측된 출력 변수를 상기 전압 검출부에 의해 측정된 출력 변수와 비교하여 상기 예측된 상태 변수를 보정함으로써, 상기 배터리의 양극 단자 측 절연 저항 및 상기 배터리의 음극 단자 측 절연 저항을 추정하는 제어부
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 절연 저항 측정 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 스위칭부는, 상기 제1 절연측정 저항부를 상기 배터리의 양극 단자에 연결하여 제1 회로를 형성하는 제1 스위치 및 상기 제2 절연측정 저항부를 상기 배터리의 음극 단자에 연결하여 제2 회로를 형성하는 제2 스위치를 포함하고,
   상기 제어부는, 상기 제1 스위치에 대하여 턴 온되도록 할 때 상기 제2 스위치에 대해서는 턴 오프되도록 하고, 상기 제2 스위치에 대하여 턴 온되도록 할 때 상기 제1 스위치에 대해서는 턴 오프되도록 하는 것을 특징으로 하는 배터리 절연 저항 측정 장치.
3. 제1항에 있어서,
   제1 커패시터 및 제2 커패시터를 포함하여 상기 배터리와 부하 사이에 구비되는 Y-커패시터를 더 포함하고,
   상기 제어부는, 상기 Y-커패시터의 커패시턴스를 상기 상태 방정식에 이용하여 상기 배터리의 양극 단자 측 절연 저항 및 상기 배터리의 음극 단자 측 절연 저항을 추정하는 것을 특징으로 하는 배터리 절연 저항 측정 장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제2 절연측정 저항부는, 전원 인가 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 절연 저항 측정 장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 제1 절연측정 저항부 및 상기 제2 절연측정 저항부는, 각각 직렬 연결된 2개의 저항을 포함하고,
   상기 전압 검출부는, 제1 절연측정 저항부에 포함된 2개의 저항 사이의 전압을 제1 절연검출전압으로 측정하고, 제2 절연측정 저항부에 포함된 2개의 저항 사이의 전압을 제2 절연검출전압으로 측정하는 것을 특징으로 하는 배터리 절연 저항 측정 장치.
6. 제5항에 있어서,
   상기 상태 방정식은, 시스템 방정식 및 측정 방정식을 포함하고,
   상기 시스템 방정식은
   

   

   으로 표시되고,
   상기 측정 방정식은,
   

   

   으로 표시되며,
   여기서, α= 2B-V_Pack, β = 2D-V_Pack, γ = 1/R_{Leak (+)}, δ = 1/R_{Leak (-)}이고, A = V₁/R₁₂, B = (V₁/R₁₂)R₁₁+V₁, C = (V_DC-V₂)/R₂₂, D = ((V_DC-V₂)/R₂₂)R₂₁-V₂이며, V_Pack은 배터리 전압, V₁은 제1 절연검출전압, V₂는 제2 절연검출전압, V_DC는 전원 인가 유닛의 인가 전압, R₁₁ 및 R₁₂는 제1 절연측정 저항부에 포함된 저항의 저항값, R₂₁ 및 R₂₂는 제2 절연측정 저항부에 포함된 저항의 저항값, R_{Leak (+)}는 양극 단자 측 절연 저항, R_{Leak (-)}는 음극 단자 측 절연 저항, C_Y는 Y-커패시터의 커패시턴스를 나타내는 것을 특징으로 하는 배터리 절연 저항 측정 장치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 배터리 전압 V_pack은 상기 스위칭부의 동작에 따라 별도로 측정된 값인 것을 특징으로 하는 배터리 절연 저항 측정 장치.
8. 제1항에 있어서,
   상기 제어부는, 추정된 양극 단자 측 절연 저항과 음극 단자 측 절연 저항 중 저항값이 작은 것을 최종 절연 저항값으로 판단하는 것을 특징으로 하는 배터리 절연 저항 측정 장치.
9. 제8항에 있어서,
   상기 제어부는, 상기 최종 절연 저항값과 미리 설정된 기준 절연 저항값을 대비하여 배터리의 절연 파괴 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 배터리 절연 저항 측정 장치.
10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 절연측정 저항부와 상기 제2 절연측정 저항부에 포함된 저항의 저항값을 저장하는 메모리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 절연 저항 측정 장치.
11. 제1항에 있어서,
    상기 배터리의 절연 파괴 여부를 사용자에게 알리는 경고부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 절연 저항 측정 장치.
12. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 배터리의 BMS에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 배터리 절연 저항 측정 장치.
13. 제1항에 따른 배터리 절연 저항 측정 장치를 포함하는 자동차.
14. 배터리의 양극 단자 또는 음극 단자에 연결되는 절연측정 저항부;
    상기 절연측정 저항부의 일측 단부를 상기 배터리의 양극 단자 또는 음극 단자에 선택적으로 연결하고 상기 절연측정 저항부의 타측 단부를 접지 또는 DC 전원 인가 유닛에 선택적으로 연결하여 서로 다른 회로를 형성하는 스위칭부;
    상기 배터리의 양극 단자와 음극 단자로부터 상기 절연측정 저항부에 각각 인가되는 제1 절연검출전압 및 제2 절연검출전압을 측정하는 전압 검출부; 및
    상기 스위칭부를 제어하고, 상기 제1 절연검출전압, 상기 제2 절연검출전압, 상기 배터리의 양극 단자 측 절연 저항 및 상기 배터리의 음극 단자 측 절연 저항을 이용하여 구성된 변수를 상태 변수로 포함하고 상기 제1 절연검출전압 및 상기 제2 절연검출전압을 이용하여 구성된 변수를 출력 변수로 포함하는 상태 방정식을 이용하여 상태 변수 및 출력 변수를 예측하며, 상기 예측된 출력 변수를 상기 전압 검출부에 의해 측정된 출력 변수와 비교하여 상기 예측된 상태 변수를 보정함으로써, 상기 배터리의 양극 단자 측 절연 저항 및 상기 배터리의 음극 단자 측 절연 저항을 추정하는 제어부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 절연 저항 측정 장치.
15. 배터리의 양극 단자 및 음극 단자에 각각 연결되는 제1 절연측정 저항부 및 제2 절연측정 저항부로부터 검출되는 제1 절연검출전압 및 제2 절연검출전압을 이용하여 배터리의 절연 저항을 측정하는 방법에 있어서,
    상기 제1 절연측정 저항부를 상기 배터리의 양극 단자에 연결하여 제1 절연검출전압을 측정하는 단계;
    상기 제2 절연측정 저항부를 상기 배터리의 음극 단자에 연결하여 제2 절연검출전압을 측정하는 단계;
    상기 제1 절연검출전압, 상기 제2 절연검출전압, 상기 배터리의 양극 단자 측 절연 저항 및 상기 배터리의 음극 단자 측 절연 저항을 이용하여 구성된 변수를 상태 변수로 포함하고 상기 제1 절연검출전압 및 상기 제2 절연검출전압을 이용하여 구성된 변수를 출력 변수로 포함하는 상태 방정식을 이용하여 상태 변수 및 출력 변수를 예측하는 단계;
    상기 예측된 출력 변수를 측정된 출력 변수와 비교하여 상기 예측된 상태 변수를 보정하는 단계; 및
    상기 보정된 상태 변수를 통해, 상기 배터리의 양극 단자 측 절연 저항 및 상기 배터리의 음극 단자 측 절연 저항을 추정하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 절연 저항 측정 방법.
16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 절연검출전압 측정 단계와 상기 제2 절연검출전압 측정 단계는 서로 다른 시간에 수행되는 것을 특징으로 하는 배터리 절연 저항 측정 방법.
17. 제15항에 있어서,
    상기 배터리와 부하 사이에는 Y-커패시터를 포함하고,
    상기 상태 방정식은, 상기 Y-커패시터의 커패시턴스를 이용하는 것을 특징으로 하는 배터리 절연 저항 측정 방법.
18. 제15항에 있어서,
    상기 배터리의 절연 파괴 여부를 사용자에게 알리는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 절연 저항 측정 방법.

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