KR20210024842A - 절연 저항 측정 장치 및 방법 - Google Patents

절연 저항 측정 장치 및 방법 Download PDF

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KR20210024842A KR1020190104538A KR20190104538A KR20210024842A KR 20210024842 A KR20210024842 A KR 20210024842A KR 1020190104538 A KR1020190104538 A KR 1020190104538A KR 20190104538 A KR20190104538 A KR 20190104538A KR 20210024842 A KR20210024842 A KR 20210024842A
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Abstract

본 발명은 절연 측정 저항의 양단에 커패시터가 연결되기 때문에 차량에 포함된 인버터의 스위칭 대역 및 이로 인한 무작위 노이즈를 회피할 수 있으며, 이에 따라 절연 저항을 정확도 높게 추정할 수 있게 된다. 또한, 본 발명에서 절연 저항 추정을 위해 설계된 관측기는 복잡도가 비교적 낮으며, 이에 따라 배터리의 절연 저항을 추정하는 시간을 보다 빠르게 할 수 있다.

Description

절연 저항 측정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING INSULATION RESISTANCE}
본 발명은 배터리의 절연 저항을 측정하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 관측기 설계를 통해 배터리의 절연 저항을 정확하고 빠르게 측정할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.
고전압 배터리를 사용하는 차량(전기 자동차나 하이브리드 자동차 등)에 있어서, 배터리의 절연 저항은 접지 사고(Ground Fault)가 발생했음을 알려주기 때문에 매우 중요하다. 배터리의 음극 단자와 접지(예를 들어, 차량의 샷시 접지) 사이의 음극 절연 저항과, 배터리의 양극 단자와 접지 사이의 양극 절연 저항은 접지 사고가 발생하지 않았을 경우에는 무한대의 값을 갖지만, 접지 사고가 발생했을 경우에는 유한한 값을 갖게 된다.
이러한 배터리의 절연 저항을 추정하기 위해, 종래에는 특허문헌 1에 개시된 바와 같이, 제어부가 양극 스위치 및 음극 스위치를 교대로 온오프하고, 분배저항 양단에 인가되는 전압을 이용하여 절연 저항의 저항 값을 계산하였다. 하지만 특허문헌 1에 의하면, 모터 구동을 위해 차량에 포함된 인버터의 스위칭(보다 구체적으로는, 인버터에 포함된 IGBT 스위치의 스위칭)에 의해 무작위 노이즈가 발생하여 절연 저항의 저항 값에 영향을 미친다는 문제점이 있다. 더불어, 절연 저항 계산에 사용되고 있는 분배저항의 저항 값은 분배저항 자체의 오차 내지는 장치 주변의 온도 변화에 매우 취약하기 때문에 절연 저항의 저항 값을 정확하게 측정해내기 어렵다.
그리고 특허문헌 2에 개시된 절연 저항 측정 장치는 DC 링크단과 샤시 그라운드(chassis GND) 사이에 설치된 Y-커패시터를 절연 저항 계산 모델에 추가하여 확장형 칼만 필터를 적용할 수 있는 상태 방정식을 유도하고, 상기 상태 방정식을 이용하여 배터리의 절연 저항을 추정하고 있다. 다만, 특허문헌 2에 의하면, DC 링크단과 샤시 그라운드(chassis GND) 사이에 설치된 Y-커패시터를 이용하여 상태 방정식을 유도하고 있기 때문에, 그 결과물인 절연 저항 계산 모델(즉, 시스템 방정식)이 4×4 행렬식을 포함하게 된다. 즉, 특허문헌 2에 의하면, 절연 저항 계산 모델의 복잡도가 높은 편에 속하며, 이에 따라 절연 저항을 추정할 때 비교적 오랜 시간이 소요되게 된다.
공개특허공보 제2015-0081988호 (2015.07.15) 공개특허공보 제2013-0127828호 (2013.11.25)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 차량에 포함된 인버터의 스위칭 대역을 회피함으로써, 배터리의 절연 저항 측정의 정확도를 높일 수 있는 방안을 제공하는 것에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 절연 저항 측정 장치에 포함된 저항들 자체의 오차 내지는 장치 주변의 온도 변화가 절연 저항의 저항 값에 미치는 영향을 최소화함으로써, 배터리의 절연 저항 측정의 정확도를 높일 수 있는 방안을 제공하는 것에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 절연 저항 계산 모델의 복잡도를 낮춤으로써, 배터리의 절연 저항을 추정하는 시간을 보다 빠르게 할 수 있는 방안을 제공하는 것에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 절연 저항 측정 장치는, 배터리의 음극 단자에 연결되는 제1 스위치; 상기 제1 스위치 및 접지에 연결되는 제1 절연 측정 저항; 상기 제1 절연 측정 저항의 양단에 연결되는 제1 커패시터; 상기 배터리의 양극 단자에 연결되는 제2 스위치; 상기 제2 스위치 및 상기 접지에 연결되는 제2 절연 측정 저항; 상기 제2 절연 측정 저항의 양단에 연결되는 제2 커패시터; 및 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치의 온오프를 제어하고, 상기 제1 절연 측정 저항의 양단에 인가되는 제1 전압 및 상기 제2 절연 측정 저항의 양단에 인가되는 제2 전압을 검출하여, 상기 배터리의 절연 저항을 추정하는 제어부를 포함한다.
여기서, 본 발명에 따른 절연 저항 측정 장치는, 상기 배터리의 음극 단자 및 상기 제1 절연 측정 저항에 연결되는 제1 보호 저항; 및 상기 배터리의 양극 단자 및 상기 제2 절연 측정 저항에 연결되는 제2 보호 저항을 더 포함할 수 있다.
그리고 상기 제1 보호 저항과 상기 제2 보호 저항의 저항 값이 동일하고, 상기 제1 절연 측정 저항과 상기 제2 절연 측정 저항의 저항 값이 동일할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 절연 저항 측정 장치는, 상기 제1 보호 저항 및 상기 접지에 연결되는 제1 전압원; 및 상기 제2 보호 저항 및 상기 접지에 연결되는 제2 전압원을 더 포함할 수 있으며, 상기 제어부가 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 오프 상태로 동작시키고, 상기 제1 전압원 및 상기 제2 전압원에 전압 인가 신호를 전송하면, 상기 제1 전압원 및 상기 제2 전압원에서는 미리 설정된 전압을 출력할 수 있다.
그리고 상기 제어부는 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 온 상태로 동작시키고, 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압의 크기를 비교하여, 상기 제1 전압과 상기 제2 전압의 차이가 미리 설정된 차이보다 큰 경우에 한해서 상기 배터리의 절연 저항을 추정할 수 있다.
그리고 상기 제어부는, 상기 제2 전압이 상기 제1 전압보다 큰 경우에는, 상기 제1 스위치가 오프 상태이고 상기 제2 스위치가 온 상태일 경우에 상기 제2 절연 측정 저항에 흐르는 전류 및 상기 음극 절연 저항의 저항 값으로 구성된 상태 변수와, 상기 제2 절연 측정 저항에 흐르는 전류로 구성된 출력 변수를 포함하는 제1 관측기를 통해 상기 배터리의 음극 절연 저항을 추정하고, 상기 제1 전압이 상기 제2 전압보다 큰 경우에는, 상기 제1 스위치가 온 상태이고 상기 제2 스위치가 오프 상태일 경우에 상기 제1 절연 측정 저항에 흐르는 전류 및 상기 양극 절연 저항의 저항 값으로 구성된 상태 변수와, 상기 제1 절연 측정 저항에 흐르는 전류로 구성된 출력 변수를 포함하는 제2 관측기를 통해 상기 배터리의 양극 절연 저항을 추정할 수 있다.
그리고 상기 제1 관측기는 하기 수학식과 같이 설계될 수 있다.
Figure pat00001
Figure pat00002
(여기서, L은 게인 팩터(gain factor), I22는 측정된 출력 변수로서 상기 제1 스위치가 오프 상태이고 상기 제2 스위치가 온 상태일 경우에 상기 제2 절연 측정 저항에 흐르는 전류 측정 값,
Figure pat00003
은 예측된 출력 변수로서 상기 제1 스위치가 오프 상태이고 상기 제2 스위치가 온 상태일 경우에 상기 제2 절연 측정 저항에 흐르는 전류 예측 값,
Figure pat00004
은 상기 배터리의 음극 절연 저항의 저항 값의 역수, R22는 상기 제2 절연 측정 저항의 저항 값, C2는 상기 제2 커패시터의 커패시턴스, k1은 상기 제1 보호 저항의 저항 값과 상기 제1 절연 측정 저항의 저항 값의 합을 상기 제1 절연 측정 저항의 저항 값으로 나눈 값, k2는 상기 제2 보호 저항의 저항 값과 상기 제2 절연 측정 저항의 저항 값의 합을 상기 제2 절연 측정 저항의 저항 값으로 나눈 값, V1은 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치가 온 상태일 경우에 상기 제1 절연 측정 저항의 양단에 인가되는 전압, V2는 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치가 온 상태일 경우에 상기 제2 절연 측정 저항의 양단에 인가되는 전압,
Figure pat00005
은 상기 제1 스위치가 오프 상태이고 상기 제2 스위치가 온 상태일 경우에 상기 제2 절연 측정 저항의 양단에 인가되는 전압임)
그리고 상기 제2 관측기는 하기 수학식과 같이 설계될 수 있다.
Figure pat00006
Figure pat00007
(여기서, L은 게인 팩터, I12는 측정된 출력 변수로서 상기 제1 스위치가 온 상태이고 상기 제2 스위치가 오프 상태일 경우에 상기 제1 절연 측정 저항에 흐르는 전류 측정 값,
Figure pat00008
는 예측된 출력 변수로서 상기 제1 스위치가 온 상태이고 상기 제2 스위치가 오프 상태일 경우에 상기 제1 절연 측정 저항에 흐르는 전류 예측 값,
Figure pat00009
은 상기 배터리의 양극 절연 저항의 저항 값의 역수, R12는 상기 제1 절연 측정 저항의 저항 값, C1은 상기 제1 커패시터의 커패시턴스, k1은 상기 제1 보호 저항의 저항 값과 상기 제1 절연 측정 저항의 저항 값의 합을 상기 제1 절연 측정 저항의 저항 값으로 나눈 값, k2는 상기 제2 보호 저항의 저항 값과 상기 제2 절연 측정 저항의 저항 값의 합을 상기 제2 절연 측정 저항의 저항 값으로 나눈 값, V1은 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치가 온 상태일 경우에 상기 제1 절연 측정 저항의 양단에 인가되는 전압, V2는 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치가 온 상태일 경우에 상기 제2 절연 측정 저항의 양단에 인가되는 전압,
Figure pat00010
은 상기 제1 스위치가 온 상태이고 상기 제2 스위치가 오프 상태일 경우에 상기 제1 절연 측정 저항의 양단에 인가되는 전압임)
본 발명에 의하면, 절연 측정 저항의 양단에 커패시터가 연결되어 있고, 이러한 커패시터의 커패시턴스를 조정함에 따라 차량에 포함된 인버터의 스위칭 대역 및 이로 인한 무작위 노이즈를 회피할 수 있으며, 이에 따라 절연 저항을 정확도 높게 추정할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 의하면, 보호 저항 및 절연 측정 저항의 저항 값을 미리 알고 있다는 전제 하에서 절연 저항 추정에 상기 저항 값을 그대로 이용하는 것이 아니라, 제어부가 제1 스위치 및 제2 스위치를 오프 상태로 동작시키고, 전압원에 전압 인가 신호를 전송하여 상기 전압원에서 미리 설정된 전압을 출력시키며, 이때 절연 측정 저항의 양단에 걸리는 전압과 상기 미리 설정된 전압을 통해 저항 상수를 구하고, 상기 저항 상수를 절연 저항 추정을 위한 관측기 설계에 이용하고 있다. 이에 의하면, 보호 저항 및 절연 측정 저항 자체의 오차가 절연 저항의 저항 값에 미치는 영향 내지는 장치 주변의 온도 변화가 절연 저항의 저항 값에 미치는 영향을 최소화할 수 있고, 이에 따라 배터리의 절연 저항을 보다 정확도 높게 추정할 수 있게 된다.
게다가, 본 발명에 의하면, 절연 저항 추정을 위해 설계된 관측기가 2×2 행렬식만을 포함하게 되어 절연 저항 계산 모델의 복잡도가 비교적 낮으며, 이에 따라 배터리의 절연 저항을 추정하는 시간을 보다 빠르게 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 저항 측정 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 제1 스위치 및 제2 스위치는 온 상태이고, 제1 전압원 및 제2 전압원의 내부 스위치는 오프 상태인 경우를 나타낸 도면이다.
도 3은 제1 스위치 및 제2 스위치는 오프 상태이고, 제1 전압원 및 제2 전압원의 내부 스위치는 온 상태인 경우를 나타낸 도면이다.
도 4는 제1 스위치는 오프 상태이고, 제2 스위치는 온 상태이며, 제1 전압원 및 제2 전압원의 내부 스위치는 오프 상태인 경우를 나타낸 도면이다.
도 5는 제1 스위치는 온 상태이고, 제2 스위치는 오프 상태이며, 제1 전압원 및 제2 전압원의 내부 스위치 역시 오프 상태인 경우를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 저항 측정 장치가 관측기 실행을 통해 배터리의 절연 저항을 추정하는 순서를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 절연 저항 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 절연 저항 측정 장치를 나타낸 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 절연 저항 측정 장치는 제1 스위치(110), 제1 보호 저항(120), 제1 절연 측정 저항(130), 제1 커패시터(140), 제1 연산증폭기(150), 제1 전압원(160), 제2 스위치(210), 제2 보호 저항(220), 제2 절연 측정 저항(230), 제2 커패시터(240), 제2 연산증폭기(250), 제2 전압원(260) 및 제어부(300)를 포함하여 이루어질 수 있다.
제1 스위치(110)는 배터리(10)의 음극 단자(11)에 연결된다. 여기서, 배터리(10)는 다수 개의 배터리 셀이 직렬로 연결되거나, 병렬로 연결되거나, 또는 직병렬 혼합으로 연결된 것일 수 있다.
제1 보호 저항(120)은 배터리(10)의 음극 단자(11) 및 제1 절연 측정 저항(130)에 연결된다. 도 1에서는 제1 보호 저항(120)이 제1 스위치(110)를 통해 배터리(10)의 음극 단자(11)에 연결된 것으로 도시되어 있으나, 제1 스위치(110) 및 제1 보호 저항(120)의 위치를 서로 바꾸어, 제1 보호 저항(120)이 제1 스위치(110)를 통하지 않고 배터리(10)의 음극 단자(11)에 직접적으로 연결될 수도 있다. 또한, 제1 보호 저항(120)은 경우에 따라서는 생략될 수도 있다.
제1 절연 측정 저항(130)은 제1 스위치(110) 및 접지에 연결된다. 도 1에서는 제1 절연 측정 저항(130)이 제1 보호 저항(120)을 통해 제1 스위치(110)에 연결된 것으로 도시되어 있으나, 제1 스위치(110) 및 제1 보호 저항(120)의 위치가 서로 바뀐 경우, 또는 제1 보호 저항(120)이 생략된 경우 제1 절연 측정 저항(130)은 제1 스위치(110)에 직접적으로 연결될 수도 있다.
제1 커패시터(140)는 제1 절연 측정 저항(130)의 양단에 연결될 수 있다. 본 발명에서는 이와 같이 제1 커패시터(140)가 제1 절연 측정 저항(130)의 양단에 연결된 상태에서 배터리(10)의 절연 저항 측정을 위한 관측기를 설계한다.
제1 연산증폭기(150)는 제1 절연 측정 저항(130)의 양단에 연결될 수 있다. 제1 연산증폭기(150)는 제1 절연 측정 저항(130)의 양단에 인가되는 전압을 미리 설정된 증폭도로 증폭하여 제어부(300)에 전달하는 역할을 한다.
제1 전압원(160)은 제1 보호 저항(120) 및 접지에 연결된다. 제1 전압원(160)에는 내부 스위치(미도시)가 구비되어 있으며, 이러한 내부 스위치는 제어부(300)에서 전송되는 전압 인가 신호에 따라 온오프가 제어된다. 만일 제어부(300)가 제1 전압원(160)에 전압 인가 신호를 전송하면, 제1 전압원(160)의 내부 스위치가 오프 상태에서 온 상태로 전환되며, 이에 따라 제1 전압원(160)에서는 미리 설정되어 있는 전압을 출력하게 된다. 그리고 제1 전압원(160)에 미리 설정된 전압은 제1 스위치(110) 및 제2 스위치(210)가 모두 오프 상태일 경우에 출력되며, 이와 같이 제1 전압원(160)에서 미리 설정된 전압을 출력함에 따라 제1 전압원(160), 제1 보호 저항(120), 제1 절연 측정 저항(130) 및 접지로 이루어지는 전류 경로가 형성된다.
한편, 제2 스위치(210)는 배터리(10)의 양극 단자(12)에 연결된다. 그리고 제2 보호 저항(220)은 배터리(10)의 양극 단자(12) 및 제2 절연 측정 저항(230)에 연결된다. 도 1에서는 제2 보호 저항(220)이 제2 스위치(210)를 통해 배터리(10)의 양극 단자(12)에 연결된 것으로 도시되어 있으나, 제2 스위치(210) 및 제2 보호 저항(220)의 위치를 서로 바꾸어, 제2 보호 저항(220)이 제2 스위치(210)를 통하지 않고 배터리(10)의 양극 단자(12)에 직접적으로 연결될 수도 있다. 또한, 제2 보호 저항(220)은 경우에 따라서는 생략될 수도 있다.
제2 절연 측정 저항(230)은 제2 스위치(210) 및 접지에 연결된다. 도 1에서는 제2 절연 측정 저항(230)이 제2 보호 저항(220)을 통해 제2 스위치(210)에 연결된 것으로 도시되어 있으나, 제2 스위치(210) 및 제2 보호 저항(220)의 위치가 서로 바뀐 경우, 또는 제2 보호 저항(220)이 생략된 경우 제2 절연 측정 저항(230)은 제2 스위치(210)에 직접적으로 연결될 수도 있다.
제2 커패시터(240)는 제2 절연 측정 저항(230)의 양단에 연결될 수 있다. 본 발명에서는 이와 같이 제2 커패시터(240)가 제2 절연 측정 저항(230)의 양단에 연결된 상태에서 배터리(10)의 절연 저항 측정을 위한 관측기를 설계한다.
제2 연산증폭기(250)는 제2 절연 측정 저항(230)의 양단에 연결될 수 있다. 제2 연산증폭기(250)는 제2 절연 측정 저항(230)의 양단에 인가되는 전압을 미리 설정된 증폭도로 증폭하여 제어부(300)에 전달하는 역할을 한다.
제2 전압원(260)은 제2 보호 저항(220) 및 접지에 연결된다. 제2 전압원(260)에는 내부 스위치(미도시)가 구비되어 있으며, 이러한 내부 스위치는 제어부(300)에서 전송되는 전압 인가 신호에 따라 온오프가 제어된다. 만일 제어부(300)가 제2 전압원(260)에 전압 인가 신호를 전송하면, 제2 전압원(260)의 내부 스위치가 오프 상태에서 온 상태로 전환되며, 이에 따라 제2 전압원(260)에서는 미리 설정되어 있는 전압을 출력하게 된다. 그리고 제2 전압원(260)에 미리 설정된 전압은 제1 스위치(110) 및 제2 스위치(210)가 모두 오프 상태일 경우에 출력되며, 이와 같이 제2 전압원(260)에서 미리 설정된 전압을 출력함에 따라 제2 전압원(260), 제2 보호 저항(220), 제2 절연 측정 저항(230) 및 접지로 이루어지는 전류 경로가 형성된다.
제어부(300)는 제1 ADC(analog-digital converter)(310), 제2 ADC(320), 절연 저항 추정부(330) 및 스위치 제어부(340)를 포함할 수 있다.
제1 ADC(310)는 제1 절연 측정 저항(130)의 양단에 인가되는 전압을 획득하여, 이를 디지털 신호로 변환하는 역할을 한다. 그리고 제2 ADC(320)는 제2 절연 측정 저항(230)의 양단에 인가되는 전압을 획득하여, 이를 디지털 신호로 변환하는 역할을 한다. 이때, 제1 ADC(310)가 획득하는 전압은 제1 연산증폭기(150)에 의해 증폭된 전압일 수 있으며, 제2 ADC(320)가 획득하는 전압은 제2 연산증폭기(250)에 의해 증폭된 전압일 수 있다.
절연 저항 추정부(330)는 제1 ADC(310)에 의해 변환된 디지털 신호를 입력받아 제1 절연 측정 저항(130)의 양단에 인가되는 전압(즉, 제1 전압)을 검출하고, 제2 ADC(320)에 의해 변환된 디지털 신호를 입력받아 제2 절연 측정 저항(230)의 양단에 인가되는 전압(즉, 제2 전압)을 검출하여, 배터리(10)의 절연 저항을 추정한다.
그리고 스위치 제어부(340)는 절연 저항 추정부(330)로부터 스위치 제어 신호를 입력받아, 제1 스위치(110) 또는 제2 스위치(210)에 상기 스위치 제어 신호를 전달하여, 제1 스위치(110) 또는 제2 스위치(210)의 온오프를 제어한다. 또한, 스위치 제어부(340)는 절연 저항 추정부(330)로부터 전압 인가 신호를 입력받아, 제1 전압원(160) 또는 제2 전압원(260)에 상기 전압 인가 신호를 전달하여, 제1 전압원(160)의 내부 스위치 또는 제2 전압원(260)의 내부 스위치의 온오프를 제어한다.
이하에서는 제어부(300)의 절연 저항 추정부(330)에 마련되는 관측기의 설계 방안과, 절연 저항 추정부(330)가 상기 관측기를 이용하여 배터리(10)의 절연 저항을 추정하는 동작에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 제1 스위치 및 제2 스위치는 온 상태이고, 제1 전압원 및 제2 전압원의 내부 스위치는 오프 상태인 경우를 나타낸 도면이다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 제1 스위치(110) 및 제2 스위치(210)가 모두 온 상태인 경우, 제1 절연 측정 저항(130)의 양단에 인가되는 전압 V1은 수학식 1과 같다. 여기서, 제1 전압원(160) 및 제2 전압원(260) 각각의 내부 스위치는 오프 상태로 되어 있기 때문에, 제1 전압원(160) 및 제2 전압원(260)으로부터는 전압이 출력되지 않는다.
[수학식 1]
Figure pat00011
수학식 1에서 R11은 제1 보호 저항(120)의 저항 값, R12는 제1 절연 측정 저항(130)의 저항 값, Vn은 제1 절연 측정 저항(130)과 제2 절연 측정 저항(230) 사이의 전압, 즉 노드 n에서의 전압을 나타낸다.
그리고 제1 스위치(110) 및 제2 스위치(210)가 모두 온 상태인 경우, 제2 절연 측정 저항(230)의 양단에 인가되는 전압 V2는 수학식 2와 같다.
[수학식 2]
Figure pat00012
수학식 2에서 R21은 제2 보호 저항(220)의 저항 값, R22는 제2 절연 측정 저항(230)의 저항 값, Vpack은 배터리(10)의 전압, Vn은 노드 n에서의 전압을 나타낸다.
다음으로, 수학식 1 및 수학식 2를 Vn의 소거와 함께 결합하면 수학식 3과 같다.
[수학식 3]
Figure pat00013
더불어, 제1 보호 저항(120)과 제2 보호 저항(220)의 저항 값이 동일하고, 또한 제1 절연 측정 저항(130)과 제2 절연 측정 저항(230)의 저항 값이 동일한 경우, 배터리(10)의 음극 절연 저항(20)의 저항 값(R1)과 배터리(10)의 양극 절연 저항(30)의 저항 값(R2)의 비율은, 제1 절연 측정 저항(130)의 양단에 인가되는 전압(V1)과 제2 절연 측정 저항(230)의 양단에 인가되는 전압(V2)의 비율과 동일하므로, 다음과 같은 수학식 4가 성립하게 된다.
[수학식 4]
Figure pat00014
한편, 도 3은 제1 스위치 및 제2 스위치는 오프 상태이고, 제1 전압원 및 제2 전압원의 내부 스위치는 온 상태인 경우를 나타낸 도면으로서, 이는 제어부가 저항 상수를 산출하기 위한 것이다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 제어부(300)의 스위치 제어부(340)는 제1 스위치(110) 및 제2 스위치(210)에 스위치 제어 신호를 전달하여 제1 스위치(110) 및 제2 스위치(210)를 모두 오프 상태로 동작시킬 수 있다. 또한, 제어부(300)의 스위치 제어부(340)는 제1 전압원(160) 및 제2 전압원(260)에 각각 전압 인가 신호를 전달하여, 제1 전압원(160)의 내부 스위치 및 제2 전압원(260)의 내부 스위치를 온 상태로 동작시킬 수 있다. 본 발명에서 제어부(300)가 이와 같이 스위치들의 동작을 제어하는 이유는, 절연 저항 측정에 사용되는 보호 저항(120, 220) 및 절연 측정 저항(130, 230) 자체의 오차를 최소화함과 동시에, 장치 주변의 온도에 따른 저항 값 변동 역시 최소화하기 위함이다.
제1 전압원(160)이 제어부(300)의 스위치 제어부(340)로부터 상기 전압 인가 신호를 수신할 경우, 제1 전압원(160)은 내부 스위치를 오프 상태에서 온 상태로 전환하여 미리 설정된 전압 VDC를 출력한다. 그리고 제2 전압원(260)이 제어부(300)의 스위치 제어부(340)로부터 상기 전압 인가 신호를 수신할 경우, 제2 전압원(260) 역시 내부 스위치를 오프 상태에서 온 상태로 전환하여 미리 설정된 전압 VDC를 출력한다.
제1 전압원(160)이 전압 VDC를 출력할 경우, 제1 절연 측정 저항(130)의 양단에 인가되는 전압
Figure pat00015
은 수학식 5와 같다.
[수학식 5]
Figure pat00016
그리고 상기 수학식 5는 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 6]
Figure pat00017
상기 수학식 6에서, 제1 전압원(160)이 출력하는 전압 VDC는 제어부(300)의 절연 저항 추정부(330)에 미리 저장된 값일 수 있다. 그리고 제1 절연 측정 저항(130)의 양단에 인가되는 전압
Figure pat00018
은 제1 연산증폭기(150)를 통해 제어부(300)의 절연 저항 추정부(330)에 입력되기 때문에, 제어부(300)는 전압
Figure pat00019
을 알 수 있게 된다. 이에 따라, 제어부(300)의 절연 저항 추정부(330)는 제1 전압원(160)이 출력하는 전압 VDC를 제1 절연 측정 저항(130)의 양단에 인가되는 전압
Figure pat00020
으로 나누어 제1 저항 상수 k1을 산출할 수 있고, 상기 제1 저항 상수 k1을 저장할 수 있다.
제2 전압원(260)이 전압 VDC를 출력할 경우, 제2 절연 측정 저항(230)의 양단에 인가되는 전압
Figure pat00021
는 수학식 7과 같다.
[수학식 7]
Figure pat00022
그리고 상기 수학식 7은 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 8]
Figure pat00023
상기 수학식 8에서, 제2 전압원(260)이 출력하는 전압 VDC는 제어부(300)의 절연 저항 추정부(330)에 미리 저장된 값일 수 있다. 그리고 제2 절연 측정 저항(230)의 양단에 인가되는 전압
Figure pat00024
는 제2 연산증폭기(250)를 통해 제어부(300)의 절연 저항 추정부(330)에 입력되기 때문에, 제어부(300)는 전압
Figure pat00025
를 알 수 있다. 이에 따라, 제어부(300)의 절연 저항 추정부(330)는 제2 전압원(260)이 출력하는 전압 VDC를 제2 절연 측정 저항(230)의 양단에 인가되는 전압
Figure pat00026
로 나누어 제2 저항 상수 k2를 산출할 수 있고, 상기 제2 저항 상수 k2를 저장할 수 있다.
제어부(300)가 이와 같은 방식으로 제1 보호 저항(120) 및 제1 절연 측정 저항(130) 간의 관계에 관한 제1 저항 상수 k1과, 제2 보호 저항(220) 및 제2 절연 측정 저항(230) 간의 관계에 관한 제2 저항 상수 k2를 산출하고, 후술하는 관측기 설계에 상기 제1 저항 상수 k1 및 제2 저항 상수 k2를 이용할 경우에는, 보호 저항(120, 220) 및 절연 측정 저항(130, 230) 자체의 오차가 절연 저항의 저항 값에 미치는 영향 내지는 장치 주변의 온도 변화가 절연 저항의 저항 값에 미치는 영향을 최소화할 수 있고, 이에 따라 배터리(10)의 절연 저항을 보다 정확도 높게 추정할 수 있게 된다.
한편, 도 4는 제1 스위치는 오프 상태이고, 제2 스위치는 온 상태이며, 제1 전압원 및 제2 전압원의 내부 스위치는 오프 상태인 경우를 나타낸 도면으로서, 이는 제어부(300)가 배터리(10)의 음극 절연 저항(20)을 추정하기 위한 것이다. 여기서, 제1 전압원(160) 및 제2 전압원(260) 각각의 내부 스위치는 오프 상태로 되어 있기 때문에, 제1 전압원(160) 및 제2 전압원(260)으로부터는 전압이 출력되지 않는다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 제1 스위치(110)가 오프 상태이고, 제2 스위치(210)가 온 상태일 경우, 제2 절연 측정 저항(230)의 양단에 인가되는 전압 V2'은 수학식 9와 같다.
[수학식 9]
Figure pat00027
상기 수학식 9를 상기 수학식 3의 Vpack에 관한 식을 이용하여 정리하면 수학식 10과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 10]
Figure pat00028
그리고 상기 수학식 10을 상기 수학식 6의 제1 저항 상수 k1 및 상기 수학식 8의 제2 저항 상수 k2를 이용하여 정리하면 수학식 11과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 11]
Figure pat00029
그리고 상기 수학식 3을 상기 수학식 6의 제1 저항 상수 k1 및 상기 수학식 8의 제2 저항 상수 k2를 이용하여 정리하면 수학식 12와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 12]
Figure pat00030
한편, 제2 보호 저항(220), 제2 절연 측정 저항(230) 및 제2 커패시터(240)에 흐르는 전류는 다음의 수학식 13을 만족한다.
[수학식 13]
Figure pat00031
여기서,
Figure pat00032
이므로, 상기 수학식 13은 수학식 14와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 14]
Figure pat00033
그리고
Figure pat00034
이므로, 상기 수학식 14는 수학식 15와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 15]
Figure pat00035
다음으로, 노드 n에 대해 KCL을 적용하면 다음의 수학식 16과 같다.
[수학식 16]
Figure pat00036
수학식 16에서 IR1 및 IR2에 옴의 법칙을 적용하고, I21을 상기 수학식 15로 대체하면 수학식 17과 같다.
[수학식 17]
Figure pat00037
그리고 상기 수학식 17을 상기 수학식 4, 수학식 11 및 수학식 12를 이용하여 정리하면 수학식 18과 같다.
[수학식 18]
Figure pat00038
한편, 일반적인 상태 방정식은 다음의 수학식 19와 같은 형태로 나타낼 수 있다.
[수학식 19]
Figure pat00039
Figure pat00040
그리고 상기 수학식 18을 상기 수학식 19와 같은 일반적인 상태 방정식 형태로 표현하면 다음의 수학식 20과 같이 나타낼 수 있다. 이때, 상기 수학식 18에서
Figure pat00041
은 계산의 편의를 위해 r1으로 치환하고, 상기 수학식 19에서
Figure pat00042
는 계측 오차를 의미하는데, 상기 계측 오차는 무시할 수 있을 정도로 작다고 가정하기로 한다.
[수학식 20]
Figure pat00043
Figure pat00044
상기 수학식 20에서
Figure pat00045
는 상태 변수를, I22는 출력 변수를 나타낸다. 따라서,
Figure pat00046
는 현재 상태에서 예측되는 상태 변수의 값이고,
Figure pat00047
는 직전 상태에서 예측된 상태 변수의 값이다.
다만, 상기 수학식 20에 따른 상태 변수의 값은 어디까지나 예측 값에 해당하기 때문에, 예측된 상태 변수를 측정된 출력 변수와 예측된 출력 변수 간의 차이를 이용하여 적절히 보정할 것이 요구되며, 이러한 보정 값을 고려한 것이 다음의 수학식 21과 같은 형태의 관측기에 해당한다.
[수학식 21]
Figure pat00048
Figure pat00049
상기 수학식 21에서
Figure pat00050
은 예측된 상태 변수,
Figure pat00051
은 상기 예측된 상태 변수의 보정 값,
Figure pat00052
은 보정된 상태 변수를 나타낸다. 그리고
Figure pat00053
에서 L은 게인 팩터(예를 들어, 칼만 게인), y는 측정된 출력 변수,
Figure pat00054
은 예측된 출력 변수를 나타낸다. 그리고 A 및 C는 상기 수학식 21을 만족시키는 행렬식을 나타낸다.
따라서, 상기 수학식 21에 기초하여 상기 수학식 20을 관측기 형태로 나타내면, 다음의 수학식 22와 같은 제1 관측기가 설계될 수 있다.
[수학식 22]
Figure pat00055
Figure pat00056
상기 수학식 22에서
Figure pat00057
은 예측된 상태 변수,
Figure pat00058
은 상기 예측된 상태 변수의 보정 값,
Figure pat00059
은 보정된 상태 변수를 나타낸다. 따라서,
Figure pat00060
은 현재 상태에서 예측되는 상태 변수의 값이고,
Figure pat00061
은 직전 상태에서 예측되는 상태 변수의 값을 의미한다. 그리고 상기 예측된 상태 변수가 보정되면, 그 보정된 상태 변수는 다음 단계의 상태 변수 예측을 위하여 이전 값으로 입력될 수 있다. 즉, 수학식 22에 의해 얻어지는
Figure pat00062
는 다음 단계에서는
Figure pat00063
으로 입력되어, 다음 단계의 상태 변수를 예측하는데 이용될 수 있다.
또한, 상기 수학식 22의
Figure pat00064
에서 L은 게인 팩터(예를 들어, 칼만 게인), I22는 측정된 출력 변수로서, 제1 스위치(110)가 오프 상태이고 제2 스위치(210)가 온 상태일 경우에 제2 절연 측정 저항(230)에 흐르는 전류 측정 값을 나타내고,
Figure pat00065
은 예측된 출력 변수로서, 제1 스위치(110)가 오프 상태이고 제2 스위치(210)가 온 상태일 경우에 제2 절연 측정 저항(230)에 흐르는 전류 예측 값을 나타낸다.
그리고
Figure pat00066
은 배터리의 음극 절연 저항(20)의 저항 값(R1)의 역수, R22는 제2 절연 측정 저항(230)의 저항 값, C2는 제2 커패시터(240)의 커패시턴스, 제1 저항 상수 k1은
Figure pat00067
, 제2 저항 상수 k2는
Figure pat00068
, V1은 제1 스위치(110) 및 제2 스위치(210)가 온 상태일 경우에 제1 절연 측정 저항(130)의 양단에 인가되는 전압, V2는 제1 스위치(110) 및 제2 스위치(210)가 온 상태일 경우에 제2 절연 측정 저항(230)의 양단에 인가되는 전압,
Figure pat00069
은 제1 스위치(110)가 오프 상태이고 제2 스위치(210)가 온 상태일 경우에 제2 절연 측정 저항(230)의 양단에 인가되는 전압을 나타낸다.
제어부(300)의 절연 저항 추정부(330)는 배터리(10)의 절연 저항을 추정할 때, 제1 스위치(110) 및 제2 스위치(210)를 온 상태로 동작시켜, 제1 절연 측정 저항(130)의 양단에 인가되는 제1 전압(V1) 및 제2 절연 측정 저항(230)의 양단에 인가되는 제2 전압(V2)을 검출한다.
이후, 절연 저항 추정부(330)는 제1 전압(V1) 및 제2 전압(V2)의 크기 비교를 통해 배터리(10)의 절연 저항을 추정한다. 일례로, 절연 저항 추정부(330)는 제2 전압(V2)이 제1 전압(V1)보다 큰 경우, 그리고 제1 전압(V1) 및 제2 전압(V2)의 오차를 고려하여 제2 전압(V2)과 제1 전압(V1)의 차이가 미리 설정된 크기보다 큰 경우에는, 절연 저항 추정부(330)에 구비된 제1 관측기를 실행시켜 배터리(10)의 음극 절연 저항(20)을 추정할 수 있다.
상기 수학식 22에서
Figure pat00070
는 예측된 상태 변수
Figure pat00071
가 보정 값
Figure pat00072
에 의해 보정된 상태 변수를 나타낸다. 상기 보정된 상태 변수에 포함된 상태 변수 중
Figure pat00073
은 배터리(10)의 음극 절연 저항(20)의 저항 값인 R1의 역수를 나타낸다. 이에 따라, 절연 저항 추정부(330)가 상기 수학식 22의 제1 관측기에 관한 식에서
Figure pat00074
의 보정 값을 얻으면, 상기
Figure pat00075
의 보정 값에 역수를 취하여 배터리(10)의 음극 절연 저항(20)을 추정할 수 있다.
한편, 도 5는 제1 스위치는 온 상태이고, 제2 스위치는 오프 상태이며, 제1 전압원 및 제2 전압원의 내부 스위치 역시 오프 상태인 경우를 나타낸 도면으로서, 이는 제어부(300)가 배터리(10)의 양극 절연 저항을 추정하기 위한 것이다. 여기서, 제1 전압원(160) 및 제2 전압원(260) 각각의 내부 스위치는 오프 상태로 되어 있기 때문에, 제1 전압원(160) 및 제2 전압원(260)으로부터는 전압이 출력되지 않는다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 제1 스위치(110)가 온 상태이고, 제2 스위치(210)가 오프 상태일 경우, 제1 절연 측정 저항(130)의 양단에 인가되는 전압 V1'은 수학식 23과 같다.
[수학식 23]
Figure pat00076
수학식 23을 상기 수학식 6의 제1 저항 상수 k1을 이용하여 정리하면 수학식 24와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 24]
Figure pat00077
그리고 도 5의 경우에도 상기 수학식 12와 마찬가지로, 배터리(10)의 전압 Vpack은 수학식 25와 같다.
[수학식 25]
Figure pat00078
한편, 제1 보호 저항(120), 제1 절연 측정 저항(130) 및 제1 커패시터(140)에 흐르는 전류는 다음의 수학식 26을 만족한다.
[수학식 26]
Figure pat00079
여기서,
Figure pat00080
이므로, 상기 수학식 26은 수학식 27과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 27]
Figure pat00081
그리고
Figure pat00082
이므로, 상기 수학식 27은 수학식 28과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 28]
Figure pat00083
다음으로, 노드 n에 대해 KCL을 적용하면 다음의 수학식 29와 같다.
[수학식 29]
Figure pat00084
수학식 29에서 IR1 및 IR2에 옴의 법칙을 적용하고, I11을 상기 수학식 28로 대체하면 수학식 30과 같다.
[수학식 30]
Figure pat00085
그리고 상기 수학식 30을 상기 수학식 4, 수학식 24 및 수학식 25를 이용하여 정리하면 수학식 31과 같다.
[수학식 31]
Figure pat00086
그리고 상기 수학식 31을 상기 수학식 19와 같은 일반적인 상태 방정식 형태로 표현하면 다음의 수학식 32와 같이 나타낼 수 있다. 이때, 상기 수학식 31에서
Figure pat00087
은 계산의 편의를 위해 r2로 치환하고, 상기 수학식 19에서
Figure pat00088
는 계측 오차를 의미하는데, 상기 계측 오차는 무시할 수 있을 정도로 작다고 가정하기로 한다.
[수학식 32]
Figure pat00089
Figure pat00090
상기 수학식 32에서
Figure pat00091
는 상태 변수를, I12는 출력 변수를 나타낸다. 따라서,
Figure pat00092
는 현재 상태에서 예측되는 상태 변수의 값이고,
Figure pat00093
는 직전 상태에서 예측된 상태 변수의 값이다.
다만, 상기 수학식 32에 따른 상태 변수의 값은 어디까지나 예측 값에 해당하기 때문에, 예측된 상태 변수를 측정된 출력 변수와 예측된 출력 변수 간의 차이를 이용하여 적절히 보정할 것이 요구된다. 이에 따라 상기 수학식 21에 기초하여 상기 수학식 32를 관측기 형태로 나타내면, 다음의 수학식 33과 같은 제2 관측기가 설계될 수 있다.
[수학식 33]
Figure pat00094
Figure pat00095
상기 수학식 33에서
Figure pat00096
은 예측된 상태 변수,
Figure pat00097
은 상기 예측된 상태 변수의 보정 값,
Figure pat00098
은 보정된 상태 변수를 나타낸다. 따라서,
Figure pat00099
은 현재 상태에서 예측되는 상태 변수의 값이고,
Figure pat00100
은 직전 상태에서 예측되는 상태 변수의 값을 의미한다. 그리고 상기 예측된 상태 변수가 보정되면, 그 보정된 상태 변수는 다음 단계의 상태 변수 예측을 위하여 이전 값으로 입력될 수 있다. 즉, 수학식 33에 의해 얻어지는
Figure pat00101
는 다음 단계에서는
Figure pat00102
으로 입력되어, 다음 단계의 상태 변수를 예측하는데 이용될 수 있다.
또한, 상기 수학식 33의
Figure pat00103
에서 L은 게인 팩터(예를 들어, 칼만 게인), I12는 측정된 출력 변수로서, 제1 스위치(110)가 온 상태이고 제2 스위치(210)가 오프 상태일 경우에 제1 절연 측정 저항(130)에 흐르는 전류 측정 값을 나타내고,
Figure pat00104
은 예측된 출력 변수로서, 제1 스위치(110)가 온 상태이고 제2 스위치(210)가 오프 상태일 경우에 제1 절연 측정 저항(130)에 흐르는 전류 예측 값을 나타낸다.
그리고
Figure pat00105
은 배터리의 양극 절연 저항(30)의 저항 값(R2)의 역수, R12는 제1 절연 측정 저항(230)의 저항 값, C1은 제1 커패시터(140)의 커패시턴스, 제1 저항 상수 k1은
Figure pat00106
, 제2 저항 상수 k2는
Figure pat00107
, V1은 제1 스위치(110) 및 제2 스위치(210)가 온 상태일 경우에 제1 절연 측정 저항(130)의 양단에 인가되는 전압, V2는 제1 스위치(110) 및 제2 스위치(210)가 온 상태일 경우에 제2 절연 측정 저항(230)의 양단에 인가되는 전압,
Figure pat00108
은 제1 스위치(110)가 온 상태이고 제2 스위치(210)가 오프 상태일 경우에 제1 절연 측정 저항(130)의 양단에 인가되는 전압을 나타낸다.
제어부(300)의 절연 저항 추정부(330)는 배터리(10)의 절연 저항을 추정할 때, 제1 스위치(110) 및 제2 스위치(210)를 온 상태로 동작시켜, 제1 절연 측정 저항(130)의 양단에 인가되는 제1 전압(V1) 및 제2 절연 측정 저항(230)의 양단에 인가되는 제2 전압(V2)을 검출한다.
이후, 절연 저항 추정부(330)는 제1 전압(V1) 및 제2 전압(V2)의 크기 비교를 통해 배터리(10)의 절연 저항을 추정한다. 일례로, 절연 저항 추정부(330)는 제1 전압(V1)이 제2 전압(V2)보다 큰 경우, 그리고 제1 전압(V1) 및 제2 전압(V2)의 오차를 고려하여 제1 전압(V1)과 제2 전압(V2)의 차이가 미리 설정된 크기보다 큰 경우에는, 절연 저항 추정부(330)에 구비된 제2 관측기를 실행시켜 배터리(10)의 양극 절연 저항(30)을 추정할 수 있다.
상기 수학식 33에서
Figure pat00109
는 예측된 상태 변수
Figure pat00110
가 보정 값
Figure pat00111
에 의해 보정된 상태 변수를 나타낸다. 상기 보정된 상태 변수에 포함된 상태 변수 중
Figure pat00112
은 배터리(10)의 양극 절연 저항(30)의 저항 값인 R2의 역수를 나타낸다. 이에 따라, 절연 저항 추정부(330)가 상기 수학식 33의 제2 관측기에 관한 식에서
Figure pat00113
의 보정 값을 얻으면, 상기
Figure pat00114
의 보정 값에 역수를 취하여 배터리(10)의 양극 절연 저항(30)을 추정할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 저항 측정 장치가 관측기 실행을 통해 배터리의 절연 저항을 추정하는 순서를 나타낸 도면이다.
우선, 제어부(300)의 절연 저항 추정부(330)는 스위치 제어부(340)를 통해 제1 스위치(110) 및 제2 스위치(210)를 온 상태로 동작시키고, 제1 전압원(160) 및 제2 전압원(260)의 내부 스위치는 오프 상태로 동작시켜, 제1 전압 V1 및 제2 전압 V2를 검출한다(S610).
이후, 절연 저항 추정부(330)는 제1 전압 및 제2 전압의 크기를 비교하여 제2 전압이 제1 전압보다 큰 경우에는(S621), 스위치 제어부(340)를 통해 제1 스위치(110) 및 제2 스위치(210)를 오프 상태로 동작시키고, 전압원(160, 260)의 내부 스위치는 온 상태로 동작시켜 상기 전압원(160, 260)에서 미리 설정된 전압 VDC를 출력시킬 수 있다. 그리고 이 경우 절연 저항 추정부(330)는 절연 측정 저항(130, 230)의 양단에 걸리는 전압과 상기 미리 설정된 전압을 통해 저항 상수 k1 및 k2를 산출한다(S631).
다음으로, 절연 저항 추정부(330)는 스위치 제어부(340)를 통해 제1 스위치(110)는 오프 상태로 동작시키고, 제2 스위치(210)는 온 상태로 동작시키며, 전압원(160, 260)의 내부 스위치는 오프 상태로 동작시킨다. 그리고 이 경우 절연 저항 추정부(330)는 제2 절연 측정 저항(230)에 흐르는 전류 및 음극 절연 저항(20)의 저항 값으로 구성된 상태 변수와, 제2 절연 측정 저항(230)에 흐르는 전류로 구성된 출력 변수를 포함하는 제1 관측기를 실행시켜 배터리(10)의 음극 절연 저항을 추정한다(S641).
한편, 절연 저항 추정부(330)는 제1 전압 및 제2 전압의 크기를 비교하여 제1 전압이 제2 전압보다 큰 경우에는(S622), 앞에서와 마찬가지로 스위치 제어부(340)를 통해 제1 스위치(110) 및 제2 스위치(210)를 오프 상태로 동작시키고, 전압원(160, 260)의 내부 스위치는 온 상태로 동작시켜 상기 전압원(160, 260)에서 미리 설정된 전압 VDC를 출력시킬 수 있다. 그리고 이 경우 절연 저항 추정부(330)는 절연 측정 저항(130, 230)의 양단에 걸리는 전압과 상기 미리 설정된 전압을 통해 저항 상수 k1 및 k2를 산출한다(S632).
다음으로, 절연 저항 추정부(330)는 스위치 제어부(340)를 통해 제1 스위치(110)는 온 상태로 동작시키고, 제2 스위치(210)는 오프 상태로 동작시키며, 전압원(160, 260)의 내부 스위치 역시 오프 상태로 동작시킨다. 그리고 이 경우 절연 저항 추정부(330)는 제1 절연 측정 저항(130)에 흐르는 전류 및 양극 절연 저항(30)의 저항 값으로 구성된 상태 변수와, 제1 절연 측정 저항(130)에 흐르는 전류로 구성된 출력 변수를 포함하는 제2 관측기를 실행시켜 배터리(10)의 양극 절연 저항을 추정한다(S642).
한편, 절연 저항 추정부(330)는 제1 전압 V1 및 제2 전압 V2의 크기를 비교하여 양 전압이 서로 동일한 경우에는(S623), 제1 스위치(110) 및 제2 스위치(210)를 온 상태로 유지시키고, 제1 전압 V1 및 제2 전압 V2를 계속해서 검출한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 절연 측정 저항의 양단에 커패시터가 연결되기 때문에 차량에 포함된 인버터의 스위칭 대역 및 이로 인한 무작위 노이즈를 회피할 수 있으며, 이에 따라 절연 저항을 정확도 높게 추정할 수 있게 된다. 또한, 본 발명에서 절연 저항 추정을 위해 설계된 관측기는 2×2 행렬식만을 포함하게 되어 절연 저항 계산 모델의 복잡도가 비교적 낮으며, 이에 따라 배터리의 절연 저항을 추정하는 시간을 보다 빠르게 할 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
11: 양극 단자 12: 음극 단자
110: 제1 스위치 120: 제1 보호 저항
130: 제1 절연 측정 저항 140: 제1 커패시터
150: 제1 연산증폭기 160: 제1 전압원
210: 제2 스위치 220: 제2 보호 저항
230: 제2 절연 측정 저항 240: 제2 커패시터
250: 제2 연산증폭기 260: 제2 전압원
300: 제어부
310: 제1 ADC 320: 제2 ADC
330: 절연 저항 추정부 340: 스위치 제어부

Claims (8)

  1. 배터리의 음극 단자에 연결되는 제1 스위치;
    상기 제1 스위치 및 접지에 연결되는 제1 절연 측정 저항;
    상기 제1 절연 측정 저항의 양단에 연결되는 제1 커패시터;
    상기 배터리의 양극 단자에 연결되는 제2 스위치;
    상기 제2 스위치 및 상기 접지에 연결되는 제2 절연 측정 저항;
    상기 제2 절연 측정 저항의 양단에 연결되는 제2 커패시터; 및
    상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치의 온오프를 제어하고, 상기 제1 절연 측정 저항의 양단에 인가되는 제1 전압 및 상기 제2 절연 측정 저항의 양단에 인가되는 제2 전압을 검출하여, 상기 배터리의 절연 저항을 추정하는 제어부;를 포함하는 절연 저항 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리의 음극 단자 및 상기 제1 절연 측정 저항에 연결되는 제1 보호 저항; 및
    상기 배터리의 양극 단자 및 상기 제2 절연 측정 저항에 연결되는 제2 보호 저항을 더 포함하는 절연 저항 측정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 보호 저항과 상기 제2 보호 저항의 저항 값이 동일하고, 상기 제1 절연 측정 저항과 상기 제2 절연 측정 저항의 저항 값이 동일한 것을 특징으로 하는 절연 저항 측정 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 보호 저항 및 상기 접지에 연결되는 제1 전압원; 및
    상기 제2 보호 저항 및 상기 접지에 연결되는 제2 전압원을 더 포함하며,
    상기 제어부가 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 오프 상태로 동작시키고, 상기 제1 전압원 및 상기 제2 전압원에 전압 인가 신호를 전송하면, 상기 제1 전압원 및 상기 제2 전압원에서는 미리 설정된 전압을 출력하는 것을 특징으로 하는 절연 저항 측정 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 온 상태로 동작시키고, 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압의 크기를 비교하여, 상기 제1 전압과 상기 제2 전압의 차이가 미리 설정된 차이보다 큰 경우에 한해서 상기 배터리의 절연 저항을 추정하는 것을 특징으로 하는 절연 저항 측정 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제2 전압이 상기 제1 전압보다 큰 경우에는, 상기 제1 스위치가 오프 상태이고 상기 제2 스위치가 온 상태일 경우에 상기 제2 절연 측정 저항에 흐르는 전류 및 상기 음극 절연 저항의 저항 값으로 구성된 상태 변수와, 상기 제2 절연 측정 저항에 흐르는 전류로 구성된 출력 변수를 포함하는 제1 관측기를 통해 상기 배터리의 음극 절연 저항을 추정하고,
    상기 제1 전압이 상기 제2 전압보다 큰 경우에는, 상기 제1 스위치가 온 상태이고 상기 제2 스위치가 오프 상태일 경우에 상기 제1 절연 측정 저항에 흐르는 전류 및 상기 양극 절연 저항의 저항 값으로 구성된 상태 변수와, 상기 제1 절연 측정 저항에 흐르는 전류로 구성된 출력 변수를 포함하는 제2 관측기를 통해 상기 배터리의 양극 절연 저항을 추정하는 것을 특징으로 하는 절연 저항 측정 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 관측기는 하기 수학식 1과 같이 설계되는 것을 특징으로 하는 절연 저항 측정 장치.
    [수학식 1]
    Figure pat00115

    Figure pat00116

    여기서, L은 게인 팩터, I22는 측정된 출력 변수로서 상기 제1 스위치가 오프 상태이고 상기 제2 스위치가 온 상태일 경우에 상기 제2 절연 측정 저항에 흐르는 전류 측정 값,
    Figure pat00117
    은 예측된 출력 변수로서 상기 제1 스위치가 오프 상태이고 상기 제2 스위치가 온 상태일 경우에 상기 제2 절연 측정 저항에 흐르는 전류 예측 값,
    Figure pat00118
    은 상기 배터리의 음극 절연 저항의 저항 값의 역수, R22는 상기 제2 절연 측정 저항의 저항 값, C2는 상기 제2 커패시터의 커패시턴스, k1은 상기 제1 보호 저항의 저항 값과 상기 제1 절연 측정 저항의 저항 값의 합을 상기 제1 절연 측정 저항의 저항 값으로 나눈 값, k2는 상기 제2 보호 저항의 저항 값과 상기 제2 절연 측정 저항의 저항 값의 합을 상기 제2 절연 측정 저항의 저항 값으로 나눈 값, V1은 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치가 온 상태일 경우에 상기 제1 절연 측정 저항의 양단에 인가되는 전압, V2는 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치가 온 상태일 경우에 상기 제2 절연 측정 저항의 양단에 인가되는 전압,
    Figure pat00119
    은 상기 제1 스위치가 오프 상태이고 상기 제2 스위치가 온 상태일 경우에 상기 제2 절연 측정 저항의 양단에 인가되는 전압임.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제2 관측기는 하기 수학식 2와 같이 설계되는 것을 특징으로 하는 절연 저항 측정 장치.
    [수학식 2]
    Figure pat00120

    Figure pat00121

    여기서, L은 게인 팩터, I12는 측정된 출력 변수로서 상기 제1 스위치가 온 상태이고 상기 제2 스위치가 오프 상태일 경우에 상기 제1 절연 측정 저항에 흐르는 전류 측정 값,
    Figure pat00122
    는 예측된 출력 변수로서 상기 제1 스위치가 온 상태이고 상기 제2 스위치가 오프 상태일 경우에 상기 제1 절연 측정 저항에 흐르는 전류 예측 값,
    Figure pat00123
    은 상기 배터리의 양극 절연 저항의 저항 값의 역수, R12는 상기 제1 절연 측정 저항의 저항 값, C1은 상기 제1 커패시터의 커패시턴스, k1은 상기 제1 보호 저항의 저항 값과 상기 제1 절연 측정 저항의 저항 값의 합을 상기 제1 절연 측정 저항의 저항 값으로 나눈 값, k2는 상기 제2 보호 저항의 저항 값과 상기 제2 절연 측정 저항의 저항 값의 합을 상기 제2 절연 측정 저항의 저항 값으로 나눈 값, V1은 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치가 온 상태일 경우에 상기 제1 절연 측정 저항의 양단에 인가되는 전압, V2는 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치가 온 상태일 경우에 상기 제2 절연 측정 저항의 양단에 인가되는 전압,
    Figure pat00124
    은 상기 제1 스위치가 온 상태이고 상기 제2 스위치가 오프 상태일 경우에 상기 제1 절연 측정 저항의 양단에 인가되는 전압임.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113655279A (zh) * 2021-08-13 2021-11-16 海南师范大学 一种在电动汽车动力电池断开时的绝缘阻值检测方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20130127828A (ko) 2012-05-15 2013-11-25 주식회사 엘지화학 확장형 칼만 필터를 이용한 배터리 절연 저항 측정 장치 및 방법
KR20150081988A (ko) 2014-01-07 2015-07-15 에스케이배터리시스템즈 주식회사 배터리의 절연 저항 측정 장치 및 방법

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20130127828A (ko) 2012-05-15 2013-11-25 주식회사 엘지화학 확장형 칼만 필터를 이용한 배터리 절연 저항 측정 장치 및 방법
KR20150081988A (ko) 2014-01-07 2015-07-15 에스케이배터리시스템즈 주식회사 배터리의 절연 저항 측정 장치 및 방법

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113655279A (zh) * 2021-08-13 2021-11-16 海南师范大学 一种在电动汽车动力电池断开时的绝缘阻值检测方法
CN113655279B (zh) * 2021-08-13 2023-09-26 海南师范大学 一种在电动汽车动力电池断开时的绝缘阻值检测方法

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