KR20120045844A - 배터리 누설전류 감지 장치 및 방법 - Google Patents

배터리 누설전류 감지 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리 누설전류 감지 장치 및 방법에 대하여 개시한다. 본 발명의 일면에 따른 배터리 누설전류 감지 장치는, 일단은 배터리의 양극과 연결되고, 타단은 제1 저항의 일단과 연결되는 제1 스위치; 일단은 상기 배터리의 음극과 연결되고, 타단은 상기 제1 저항의 일단과 연결되는 제2 스위치; 일단은 상기 제1 저항의 타단과 연결되고, 타단은 그라운드에 연결되는 제2 저항; 및 상기 제1 및 제2 스위치를 교대로 단락하며, 상기 제2 저항의 양단전압을 측정하여 상기 배터리 누전발생을 감지하는 제어부를 포함하되, 상기 제어부는, 상기 배터리의 양극과 상기 그라운드 간의 고유저항 Ri1과 상기 배터리의 음극과 상기 그라운드 간의 고유저항 Ri2를 고려하여 상기 배터리의 누전 여부를 판단하는 것을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 누설전류 감지 장치 및 방법{Apparatus and Method for Sensing Battery Leakage Current}
본 발명은 배터리 모니터링 장치에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 배터리 고유저항을 고려하여 배터리 누설 여부를 감지할 수 있는 배터리 누설전류 감지 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근, 화석 에너지의 고갈에 따라 전기 에너지를 이용하는 전기 자동차나, 하이브리드 자동차에 대한 관심이 높아지면서, 그에 대한 연구도 활발하게 진행되고 있다.
전기 자동차는 구동용 모터를 구동하기 위하여 1000V 정도의 고전압 배터리를 이용하는데, 고전압 배터리로부터 누설전류가 발생하면 사용자에게 치명적인 감전 피해를 줄 수 있다. 따라서, 전기 자동차는 고전압 배터리와 차체 간의 저항을 모니터링하는 회로를 이용하여 누설전류 발생 여부를 모니터링한다.
종래의 전기 자동차는 고전압 배터리와 차량 샤시 간에 임의의 시험저항을 연결하고, 회로를 구성하여 시험저항의 저항값을 확인하여 배터리 누설전류의 발생 여부를 확인하였다.
그런데, 실제 차량 환경에는 고전압 배터리와 차량 샤시 간의 고유저항이 존재하므로, 시험저항의 저항값이 아닌, 고유저항과 시험저항의 병렬값이 측정되어, 배터리 누전을 제대로 발견하지 못할 가능성이 컸다.
더욱이, 차량의 고유저항은 차종에 따라 다르며, 동일 차종에서도 차량 간 편차가 있어, 이러한 가능성은 더 커진다.
뿐만 아니라, 종래의 배터리 누전 감지 방법은 배터리 음극이나 양극 중 어느 하나의 절연 상태가 파괴된 경우에만 배터리 누전을 감지할 수 있고, 배터리 양단의 절연 상태가 모두 파괴된 경우에는 누전을 감지할 수 없다는 심각한 문제가 있었다.
본 발명은 전술한 바와 같은 기술적 배경에서 안출된 것으로서, 적용 환경에서 각기 배터리 고유저항을 측정하고, 이를 고려하여 배터리의 누전 여부를 감지할 수 있는 배터리 누설전류 감지 장치 및 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 일면에 따른 배터리 누설전류 감지 장치는, 일단은 배터리의 양극과 연결되고, 타단은 제1 저항의 일단과 연결되는 제1 스위치; 일단은 상기 배터리의 음극과 연결되고, 타단은 상기 제1 저항의 일단과 연결되는 제2 스위치; 일단은 상기 제1 저항의 타단과 연결되고, 타단은 그라운드에 연결되는 제2 저항; 및 상기 제1 및 제2 스위치를 교대로 단락하며, 상기 제2 저항의 양단전압을 측정하여 상기 배터리 누전발생을 감지하는 제어부를 포함하되, 상기 제어부는, 상기 배터리의 양극과 상기 그라운드 간의 고유저항 Ri1과 상기 배터리의 음극과 상기 그라운드 간의 고유저항 Ri2를 고려하여 상기 배터리의 누전 여부를 판단하는 것을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 면에 따른 배터리 누설전류 감지 방법은, 일단은 배터리의 양극과 연결되고, 타단은 제1 저항의 일단과 연결된 제1 스위치를 단락하여, 일단은 상기 제1 저항의 타단과 연결되고 타단은 그라운드와 연결된 제2 저항의 양단전압 V1을 측정하는 단계; 일단은 상기 배터리의 음극과 연결되고, 타단은 상기 제1 저항의 제1 저항의 일단과 연결된 제2 스위치를 교대로 단락하여, 상기 제2 저항의 양단전압 V2을 측정하는 단계; 및 상기 배터리의 양극과 상기 그라운드 간의 고유저항 Ri1, 상기 배터리의 음극과 상기 그라운드 간의 고유저항 Ri2, 상기 V1 및 V2를 이용하여 상기 배터리의 누전 여부를 판단하는 단계를 포함하되, 상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치는 교대로 단락되는 것을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 적용된 환경에서 실시간으로 변화하는 배터리 전압을 고려하여 차량의 절연저항을 측정할 수 있어, 차량 환경에서 배터리 누전을 정확히 감지할 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명은 배터리 양단의 고유저항을 고려하여 배터리 누전 여부를 감지할 수 있어, 배터리 양단의 절연 상태가 파괴된 경우에도 배터리 누전을 감지할 수 있다.
더욱이, 본 발명은 두 개의 스위치를 이용한 비교적 간단한 회로로 배터리의 누전 여부를 감지할 수 있어, 적용 및 구현이 용이하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 누설전류 감지 장치의 회로도.
도 2는 제1 스위치를 단락한 경우를 도시한 회로도.
도 3은 제2 스위치를 단락한 경우를 도시한 회로도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 누설전류 감지 방법을 도시한 흐름도.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이제 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 누설전류 감지 장치의 회로도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 누설전류 감지 장치(10)는 제1 스위치(SW1), 제2 스위치(SW2), 제1 저항(R1), 제2 저항(R2) 및 제어부(U2)를 포함한다.
제1 스위치(SW1)는 예컨대 릴레이로서, 일단은 배터리(Vpack)의 양극(+)과 연결되며, 타단은 제1 저항의 일단과 연결된다.
제2 스위치(SW2)는 예컨대 릴레이로서, 일단은 배터리(Vpack)의 음극(-)과 연결되며, 타단은 제1 저항(R1)의 일단 및 제1 스위치(SW1)의 타단과 연결된다.
여기서, 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)는 제어부(U2)의 제어에 따라 개방 또는 단락된다.
제1 저항(R1)은 1~10 메가옴(MΩ)의 저항으로서, 일단은 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)와 연결되며, 타단은 제2 저항(R2)과 연결된다.
제2 저항(R2)은 10~500 킬로옴(kΩ)의 저항으로서, 일단은 제1 저항(R1)의 타단과 연결되며, 타단은 그라운드와 연결되며, 제어부(U2)에 의하여 양단 전압이 측정된다.
제어부(U2)는 제1 스위치(SW1)와 제2 스위치(SW2)를 교대로 단락하며, 제2 저항(R2)의 양단전압을 측정하며, 배터리 양단전압(Vpack)을 실시간으로 모니터링한다. 제어부(U2)는 측정된 제1 저항(R2)의 양단전압(V1, V2)과 배터리 양단전압(Vpack)을 기설정된 방정식(하기의 수학식 7)에 대입하여 고전압 배터리 누전을 감지한다.
이때, 제어부(U2)는 배터리 양극과 그라운드 간의 고유저항(Ri1) 및 배터리 음극과 그라운드 간의 고유저항(Ri2)을 고려함으로써, 배터리 누전발생을 좀더 정확히 감지할 수 있다.
한편, 배터리 누설전류 감지 장치(10)는 제어부(U2)의 내부 또는 제어부(U2)의 제2 저항(R2)의 양단전압 입력단에, 제2 저항(R2)의 양단전압을 아날로그 디지털 변환하는 아날로그 디지털 변환기(U1)를 더 포함한다.
한편, 배터리 누설전류 감지 장치(U2)는 고전압 배터리를 사용하여 사용자의 감전 방지가 필요한 다양한 시스템에 적용될 수 있다. 예를 들어, 배터리 누설전류 감지 장치(U2)는 차량의 고전압 배터리와 샤시 그라운드 간의 누전을 감지하는데 사용될 있다.
이하, 도 2 내지 3을 참조하여 제어부가 제2 저항의 양단전압을 이용하여 배터리 양단과 그라운드 간의 고유저항(Ri1, Ri2)을 산출하는 과정에 대하여 설명한다. 도 2는 제1 스위치를 단락한 경우를 도시한 회로도이며, 도 3은 제2 스위치를 단락한 경우를 도시한 회로도이다. 이하, 제1 저항(R1)이 4MΩ이며, 제2 저항(R2)이 100kΩ인 경우를 예로 들어 설명한다.
도 2와 같이, 제1 스위치(SW1)가 단락된 배터리 누설전류 감지 장치(10)의 회로에서, 노튼의 법칙에 의하여 하기의 수학식 1과 수학식 2가 유도될 수 있다.
Figure pat00001
Figure pat00002
여기서, V1은 제1 스위치(SW1)가 단락된 경우의 제2 저항(R2)의 양단전압이다.
이때, 상기 수학식 2에 상기 수학식 1을 대입하면, 하기의 수학식 3이 유도될 수 있다.
Figure pat00003
여기서, 상기의 수학식 3을 정리하면, 하기의 수학식 4의 방정식이 유도될 수 있다.
Figure pat00004
Figure pat00005
도 3과 같이, 제2 스위치(SW2)가 단락되면, 노튼의 법칙에 의하여 배터리 누설전류 감지 장치의 회로에서 하기의 수학식 5가 유도될 수 있다. 여기서, V2는 제2 스위치(SW2)가 단락된 경우의 제2 저항(R2)의 양단전압이다.
Figure pat00006
Figure pat00007
상기의 수학식 5를 정리하면, 하기의 수학식 6의 방정식이 유도될 수 있다.
Figure pat00008
Figure pat00009
제어부(U2)는 상기의 수학식 4 및 수학식 6을 연립 방정식으로 해를 구하면, 하기의 수학식 7과 같이 배터리 양단과 그라운드 간의 고유저항(Ri1, Ri2)을 산출할 수 있다.
Figure pat00010
Figure pat00011
제어부(U2)는 상기의 수학식 7에 의하여 산출된, 배터리 양단과 그라운드 간의 고유저항(Ri1, Ri2)이 기설정된 임계치(예를 들어, 300kΩ) 이하이면, 배터리 누전을 감지한다. 이 같이, 제어부(U2)는 상기의 수학식 7과 같은 연릭방정식을 이용하여 배터리 누전을 감지하므로, 배터리 양단 모두의 절연 상태가 파괴된 경우에도 배터리 누전을 감지할 수 있다.
이후, 제어부(U2)는 고전압 배터리의 누전을 차단할 수 있는 기설정된 다른 조치를 취하거나, 고전압 배터리의 누전을 시각적인 방법이나, 청각적인 방법으로 사용자에게 알릴 수 있다.
요약하면, 제어부(U2)는 제1 스위치(SW1)를 단락하여 V1을 측정하여 저장부(미도시)에 저장하고, 제2 스위치(SW2)를 단락하여 V2를 측정하여 저장부(미도시)에 저장한다. 또한, 제어부(U2)는 실시간으로 모니터링한 배터리 양단전압 값, V1 및 V2을 상기의 수학식 7에 대입하여 절연저항 즉, 배터리 양단전압과 그라운드 간의 저항을 측정하여 기설정된 임계치 이하이면, 배터리 누전을 감지하여 사용자에게 경고한다.
이하, 도 4를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 배터리 누설전류 감지 방법에 대하여 설명한다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 누설전류 감지 방법을 도시한 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 배터리 누설전류 감지 장치(10)는 제1 스위치(SW1)를 단락하여 제2 저항(R2)의 양단전압 V1을 측정한다(S410).
배터리 누설전류 감지 장치(10)는 제2 스위치(SW2)를 단락하여 제2 저항(R2)의 양단전압 V2를 측정한다(S420).
배터리 누설전류 감지 장치(10)는 배터리의 양단과 그라운드 간의 고유저항 Ri1, Ri2과 제2 저항의 양단전압 V1 및 V2를 이용하여 배터리의 누전발생 여부를 모니터링한다(S430).
배터리 누설전류 감지 장치(10)는 배터리 누전이 감지되면, 시각적인 방법 또는 청각적인 방법으로 사용자에게 경고한다(S440).
이와 같이, 본 발명은 적용된 환경에서 실시간으로 변화하는 배터리 전압을 고려하여 차량의 절연저항을 측정할 수 있어, 차량 환경에서 배터리 누전을 정확히 감지할 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명은 배터리 양단의 고유저항을 고려하여 배터리 누전 여부를 감지할 수 있어, 배터리 양단의 절연 상태가 파괴된 경우에도 배터리 누전을 감지할 수 있다.
더욱이, 본 발명은 두 개의 스위치를 이용한 비교적 간단한 회로로 배터리의 누전 여부를 감지할 수 있어, 적용 및 구현이 용이하다.
이상, 본 발명의 구성에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 보호 범위는 전술한 실시예에 국한되어서는 아니되며 이하의 특허청구범위의 기재에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 일단은 배터리의 양극과 연결되고, 타단은 제1 저항의 일단과 연결되는 제1 스위치;
    일단은 상기 배터리의 음극과 연결되고, 타단은 상기 제1 저항의 일단과 연결되는 제2 스위치;
    일단은 상기 제1 저항의 타단과 연결되고, 타단은 그라운드에 연결되는 제2 저항; 및
    상기 제1 및 제2 스위치를 교대로 단락하며, 상기 제2 저항의 양단전압을 측정하여 상기 배터리 누전발생을 감지하는 제어부를 포함하되,
    상기 제어부는, 상기 배터리의 양극과 상기 그라운드 간의 고유저항 Ri1과 상기 배터리의 음극과 상기 그라운드 간의 고유저항 Ri2를 고려하여 상기 배터리의 누전 여부를 판단하는 것인 배터리 누설전류 감지 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 Ri1 및 Ri2 중 적어도 하나가 기설정된 임계치 이하이면 상기 배터리 누전이 발생하였다고 판단하는 것인 배터리 누설전류 감지 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 제1 스위치를 단락하여 상기 제2 저항의 양단전압(V1)을 측정하고, 상기 제2 스위치를 단락하여 상기 제2 저항의 양단전압(V2)을 측정한 후, 상기 V1과 V2를 하기의 방정식
    Figure pat00012

    Figure pat00013

    에 대입하여 상기 Ri1 및 Ri2를 산출하는 것인 배터리 누설전류 감지 장치(여기서, Vpack은 상기 배터리의 전압).
  4. 제3항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 배터리의 전압을 실시간으로 모니터링하여 상기 Ri1 및 Ri2의 산출에 이용하는 것인 배터리 누설전류 감지 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 저항이 100 킬로옴(kΩ)일 때,
    상기 제2 저항은 1 내지 1000 메가옴(MΩ)인 것인 배터리 누설전류 감지 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 배터리가 차량용 고전압 배터리일 때,
    상기 그라운드는 차량의 샤시인 배터리 누설전류 감지 장치.
  7. 일단은 배터리의 양극과 연결되고, 타단은 제1 저항의 일단과 연결된 제1 스위치를 단락하여, 일단은 상기 제1 저항의 타단과 연결되고 타단은 그라운드와 연결된 제2 저항의 양단전압 V1을 측정하는 단계;
    일단은 상기 배터리의 음극과 연결되고, 타단은 상기 제1 저항의 제1 저항의 일단과 연결된 제2 스위치를 교대로 단락하여, 상기 제2 저항의 양단전압 V2을 측정하는 단계; 및
    상기 배터리의 양극과 상기 그라운드 간의 고유저항 Ri1, 상기 배터리의 음극과 상기 그라운드 간의 고유저항 Ri2, 상기 V1 및 V2를 이용하여 상기 배터리의 누전 여부를 판단하는 단계를 포함하되,
    상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치는 교대로 단락되는 것인 배터리 누설전류 감지 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 판단하는 단계는,
    상기 V1과 V2를 기설정된 방정식에 대입하여 상기 Ri1 및 Ri2를 산출하는 단계; 및
    상기 Ri1 및 Ri2 중 적어도 하나가 기설정된 임계치 이하이면, 상기 배터리가 누전된다고 판단하는 단계
    를 포함하는 것인 배터리 누설전류 감지 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    Figure pat00014

    Figure pat00015

    로 표현되는 상기 기설정된 방정식을 이용하여 상기 배터리의 양극 및 음극에서 모두 누전이 발생한 경우에도 상기 배터리 누전을 감지가능한 것인 배터리 누설전류 감지 방법.
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