KR20230002747A - 전원과 접지 간의 절연 고장을 검출하는 방법 - Google Patents

전원과 접지 간의 절연 고장을 검출하는 방법 Download PDF

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KR20230002747A
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Abstract

본 발명은 회로(40)를 통해 전원(20)과 접지(30) 간 절연 고장을 검출하는 방법에 관한 것이고, 상기 회로는 상기 전원의 한 단자와 상기 접지 간에 직렬 접속된 제어 가능한 전압 생성기 및 전기 측정 저항기를 포함하며 상기 전기 측정 저항기의 단자들에 걸린 전압을 측정하는 수단을 또 포함하고, 상기 방법은, - 상기 전압 생성기가 상기 전압 생성기의 단자들 간에 0이 아닌 전압 값을 확립하도록 상기 전압 생성기를 제어하는 단계, 및 - 상기 전원과 상기 접지 간의 절연 고장을 검출하도록 상기 전기 측정 저항기의 단자들에 걸린 전압을 측정하는 단계를 포함g한다. 본 발명에 의하면, 상기 방법은, 컴퓨터가, - 상기 절연 고장의 검출에 영향을 미치는 방해(disturbance)의 특성을 나타내는 적어도 2개의 매개변수를 적어도 상기 전기 측정 저항기의 단자들에서 측정된 전압에 의존하여 결정하고, 그리고 - 상기 2개의 매개변수 중 적어도 하나의 매개변수에 의존하여 절연 고장 검출의 신뢰성 수준을 계산하는, 검사 단계를 더 포함한다.

Description

전원과 접지 간의 절연 고장을 검출하는 방법
본 발명은 일반적으로 축전지들과 같은 전원들의 전기 안전에 관한 것이다.
이는 특히 전원과 접지 간의 절연 고장을 검출하는 장치에 관한 것이며, 이러한 장치는,
- 전원 단자와 접지 간에 직렬 연결된 제어 가능한 전압 생성기 및 전기 측정 저항기, 및
- 상기 전기 측정 저항기를 통해 흐르는 전류의 강도를 측정하는 수단
을 포함한다.
본 발명은 주로 절연 고장을 검출하는 방법에 관한 것이며, 상기 방법은,
- 전압 생성기 단자들 간에 0이 아닌 값의 전압을 확립하도록 전압 생성기를 제어하는 단계, 및
- 전원과 접지 간의 절연 고장을 검출하도록 전기 측정 저항기 단자들에 걸린 전압을 측정하는 단계
를 포함한다.
본 발명은 전기 구동 자동차에 특히 유리하게 적용될 수 있다.
전기 구동 자동차는 일반적으로 전기 모터와 상기 전기 구동 자동차를 움직이게 하기 위해 상기 전기 모터에 전류를 공급하도록 특별히 설계된 축전지를 포함한다.
그러한 축전지는 일반적으로 축전지 단자들에 걸리는 전체 전압이 상기 전기 구동 자동차를 움직이게 하기에 충분히 높도록 서로 직렬 연결된 복수 개의 저-전압 셀들을 포함한다. 그러한 배터리 단자들에 걸리는 전압은 종종 400V 정도이다.
그러한 축전지는 일반적으로 상기 축전지의 올바른 작동을 모니터링하도록 설계된 관리 시스템에 의해 제어된다.
예를 들어 문헌 EP0654673에서는 그러한 관리 시스템에 절연 고장을 검출하는 기능을 장착하는 것이 공지되어 있다. 축전지와 전기 구동 자동차 차체 간에 단락(short circuit)이 발생한 경우 이러한 경우가 지속 되는 것은 실제로 위험하다.
이 때문에, 상기 문헌 EP0654673에서는 축전지 단자와 전기 구동 자동차 차체 간에 직렬 연결된 제어 가능한 전압 생성기와 전기 측정 저항기를 포함하는 검출 회로를 사용하여 축전지와 전기 구동 자동차 차체 간 절연 저항을 측정하는 것이 교시되어 있다.
상기 문헌에서는 2개의 전압 펄스를 생성함으로써 전기 측정 저항기 단자들에 걸리는 2개의 전압 값을 측정하고 이로부터 절연 저항값을 추정하는 것이 가능하다고 설명되어 있다.
또한, 상기 문헌에서는 이러한 전압 측정이 정상 상태(stationary state)에서 수행되어야 한다고 설명되어 있다. 이 때문에, 상기 문헌에서는 원하는 측정을 가능한 한 빨리 수행할 수 있도록 과도 상태(transient state)가 종료된 시점을 결정할 수 있게 하는 방법이 제안되어 있다.
상기 문헌에서는 오류가 수행된 측정에 영향을 미칠 수 있음이 추가로 교시되어 있다. 이러한 유형의 오류를 방지하기 위해, 상기 문헌에서는 연속적으로 측정된 전압의 산술 평균을 계산하고 이러한 평균이 시간 경과에 따라 너무 많이 변하는 경우 측정 결과를 사용하지 말 것을 제안하고 있다.
이러한 해결수법의 한 가지 단점은 실제로 측정 오류를 잘못 검출하고, 그럼으로써 측정 결과가 사용 가능하지 않은 시간 대역이 길어지게 되고, 여기서 단락이 발생할 경우 잠재적으로는 위험해질 수 있다는 것이다.
이러한 해결수법의 또 다른 한 가지 단점은 어떠한 절연 고장이라도 발견될 때 상기 절연 고장이 일어난 축전지의 축전지 셀들을 정확하게 알아낼 수 없다는 것이다.
위에 언급한 선행기술의 단점들을 해결하기 위해, 본 발명은 도입부에 정의한 것과 같은 검출 방법을 제안하지만, 컴퓨터가,
- 상기 절연 고장의 검출에 영향을 미치는 방해(disturbance)의 특성을 나타내는 적어도 2개의 매개변수를 적어도 전기 측정 저항기 단자들에서 측정된 전압의 함수로서 결정하고, 그리고
- 상기 2개의 매개변수 중 적어도 하나의 함수로 절연 고장 검출의 신뢰성 수준을 계산하는 검사 단계를 더 포함한다.
따라서, 본 발명은 단락이 발생할 경우에 절연 고장이 검출되는 지의 여부를 결정하기 위한 기초로서 2개의 매개변수를 사용하는 것을 제안한다.
이러한 매개변수들은 양자 모두 전기 측정 저항기 단자들에서 측정된 전압의 함수들이다.
실제로, 본원 출원인은 절연 고장을 신뢰성 있게 검출할 수 없는 경우에, 예를 들어 전압 펄스의 형태로 모델링될 수 있는 특성 신호가 전압원(축전지) 단자들에 걸림을 알아내었다.
이러한 특성 신호의 걸림은 전기 측정 저항기 단자들에서도 검출될 수 있다. 위에 언급한 2개의 매개변수를 사용하면 절연 고장을 잘못 감지할 위험이 있는 경우가 존재하는 지의 여부를 효과적으로 검사하도록 이러한 신호의 걸림을 매우 신뢰성 있게 특징화할 수 있다.
개별적으로 또는 모든 기술적으로 가능한 조합으로 취해진 본 발명에 따른 검출 방법의 다른 유리하고 비-제한적인 특징들은 다음과 같다.
- 측정 단계와 검사 단계 사이에는 절연 고장을 검출하는 단계가 제공된다.
- 상기 검출 단계의 결과는 계산된 신뢰도 수준의 함수로서 사용될 수도 있고 사용되지 않을 수도 있다.
- 상기 검사 단계 후에는, 단지 절연 검출이 신뢰할 수 있게 됨을 상기 신뢰성 수준이 나타내는 경우에만 절연 고장을 검출하는 단계가 제공된다.
- 절연 고장을 검출하기 위해, 컴퓨터는 접지에 대한 상기 전원의 절연 저항값을 계산한 다음에 상기 절연 저항값을 임계값과 비교한다.
- 절연 고장이 검출되면 컴퓨터는 상기 전원 내 절연 고장 위치의 결정 계수를 계산한다.
- 상기 검사 단계에서, 상기 신뢰도 수준의 계산은 상기 2개의 매개변수의 함수로 수행된다.
- 상기 검사 단계에서, 상기 신뢰도 수준의 계산은 상기 2개의 매개변수 중 적어도 한 매개변수의 시간 변화의 함수로 수행된다.
- 상기 전압 생성기가 2개의 연속적인 기간 동안 0이 아닌 2개의 서로 다른 값을 전압이 취하도록 제어되는 경우, 전기 측정 저항기 단자들에 걸리는 전압의 2개의 값이 상기 2개의 연속적인 기간 동안 각각 측정되고 각각의 매개변수는 2개의 측정된 값의 함수로서 결정된다.
- 상기 매개변수들 중 한 매개변수는 전기 측정 저항기 단자들에 걸린 전압의 2개의 측정된 값 간의 산술 평균의 함수이다.
- 상기 매개변수들 중 다른 한 매개변수는 전기 측정 저항기 단자들에 걸린 전압의 2개의 측정된 전압 간의 편차의 함수이다.
본 발명은 또한 전원과 접지 간의 절연 고장을 검출하는 장치에 관한 것이고, 상기 장치는 한편으로는 전원 단자 및 접지 간에 직렬 연결된 제어 가능한 전압 생성기 및 전기 측정 저항기를 포함하고 상기 전기 측정 저항기를 통해 흐르는 전류의 강도를 측정하는 수단을 포함하는 회로, 및 다른 한편으로는 위에 명시한 바와 같은 검출 방법을 구현하기에 적합한 컴퓨터를 포함한다.
본 발명은 또한 위에 명시한 바와 같이 전원, 접지, 및 검출 장치를 포함하는 자동차에 관한 것이다.
명백한 점으로는, 본 발명의 서로 다른 특징들, 변형들 및 실시 예들은 서로 양립할 수 없는 것이 아니거나 배타적이지 않은 한 다양한 조합에 따라 서로 연관될 수 있다.
비-제한적인 예들로서 제공되어 있는 첨부된 도면에 비추어 이어지는 설명은 본 발명이 무엇으로 구성되는지와 본 발명이 어떻게 이루어질 수 있는지에 대한 양호한 이해를 제공할 것이다.
도 1은 DC 전압 전원 및 이러한 전원 상에서 절연 고장을 검출하는 회로를 포함하는 본 발명에 따른 자동차의 개략도이다.
도 2는 도 1의 검출 회로의 개략도이다.
도 3은 한편으로는 도 1의 DC 전압 전원에 접속된 전원 릴레이의 상태와 또 한편으로는 도 2의 검출 회로에 의해 측정된 전압의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 4는 도 3의 구역 IV의 상세도이다.
도 5는 DC 전압 전원과의 접속시, 한편으로는 도 1의 DC 전압 전원에 접속되기에 적합한 충전기의 상태와 또 한편으로는 도 2의 검출 회로에 의해 측정된 전압의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 6은 DC 전압 전원과의 접속해제시, 한편으로는 충전기의 상태와 또 다른 한편으로는 도 2의 검출 회로에 의해 측정된 전압의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 7은 도 2의 검출 회로에 의해 측정된 전압의 변화를 모델링한 일 예를 보여주는 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따른 방법의 단계들을 보여주는 흐름도이다.
도 1에서는, 전기 구동 자동차(1)가 나타나 있다.
이러한 자동차(1)는 본 예에서 인버터(11) 및 전기 모터(12)를 포함하는 전동 파워트레인(10)을 포함한다. 상기 인버터(11)는 통상적으로 DC 전압을 AC 전압으로 변환하도록 설계된 것이다.
상기 인버터(11)에 전류를 공급하기 위해, 상기 자동차(1)는 DC 전압원을 포함한다.
이러한 전압원은 여기에서 충전식 축전지(20)이다.
이러한 축전지(20)는 일반적으로 작은 크기의 복수 개의 셀(21)들을 수용하는 하우징을 포함하며, 상기 셀(21)들의 개수는 전기 모터가 사전에 결정된 시간 동안 자동차를 움직이게 하기에 충분한 토크와 동력을 발생시킬 수 있도록 계산된 것이다.
도 1에서, 명료함의 목적을 위해 3개의 축전지 셀(21)만이 나타나 있다.
각각의 셀은 각각의 셀의 단자들에 걸리는 전압이 3~5V 정도인 것이 일반적이다. 그 후에, 이러한 셀들은 애플리케이션에 의해 요구되는 전압 레벨에 이르도록 직렬 접속된다. 따라서 구동 축전지 단자들에서 측정된 전압(Vbat)은 상기 축전지가 충전될 때 400V를 넘는 전압에 이를 수 있다.
모든 축전지 셀(21)들이 접속되어 있는 축전지(20)의 2개의 단자는 단자 V- 및 V+ 라고 지칭된다.
상기 자동차(1)는 또한 몸체(30)를 포함하며, 여기서 상기 몸체(30)는 일반적으로 전기 전도성 금속 소재로 만들어진 이러한 자동차의 섀시 및 차체에 의해 형성된다. 이러한 몸체(30)는 상기 몸체(30)가 지면(earth)에 영구적으로 전기 연결되어 있지 않으므로 부동 접지를 형성한다. 이러한 몸체(30)는 도 1 및 도 2에서 접지 심볼로 도시되어 있다.
도 1에 또한 도시된 바와 같이, 여기서 상기 자동차(1)는 또한 상기 축전지(20)의 단자들과 상기 인버터(11)의 단자들 사이에 보호 회로(31) 및 전원 결합 회로(32)를 포함한다.
상기 보호 회로(31)는, 그 자체로 공지된 바와 같이, 단락 시 접속을 차단하도록 구성된 퓨즈들을 포함한다. 여기서, 축전지(20)의 단자들 중 한 단자를 인버터(11)에 연결하는 각각의 전기 라인 상에는 퓨즈가 제공된다. 한 변형 예로서, 이러한 보호 회로에는 단일 퓨즈만이 포함될 수 있다.
상기 전원 결합 회로(32)는 상기 축전지(20)의 단자들을 상기 인버터(11)에 접속하고 대안으로는 상기 축전지(20)의 단자들을 선택적으로 접속해제하는 것을 가능하게 하는 적어도 하나의 스위치를 포함한다. 도 1에서, 이러한 회로는 상기 축전지(20)의 단자들 중 하나의 단자를 상기 인버터(11)에 접속하는 각각의 전기 라인 상에 스위치(33, 34)를 포함하는 것으로 나타나 있다. 실제로, 이러한 전원 결합 회로(32)는 예를 들어 상기 축전지(20)의 단자(V+)와 상기 인버터(11) 간에 접속된 단일 스위치만을 포함할 수 있다.
상기 자동차(1)는 또한 상기 축전지(20)의 절연을 측정하는 것을 가능하게 하는 시스템을 포함한다. 이러한 시스템은 실제로 상기 축전지(20)와 상기 몸체(30) 간의 절연 고장을 검출하는 회로(40)에 의해 형성된다. 본 설명에서 이후에 구체적으로 설명하게 될 이러한 검출 회로(40)는 상기 몸체(30)에 그리고 상기 축전지(20)의 단일 단자, 여기서는 단자(V-)에 전기적으로 접속된다.
상기 자동차(1)는 최종적으로 축전지 관리 컴퓨터(50)('축전지 관리 시스템' 또는 'BMS')를 포함한다. 이러한 컴퓨터는 프로세서, 메모리, 및 데이터 입력 및 출력 인터페이스를 포함한다.
이러한 인터페이스 및 데이터 교환 버스를 통해, 상기 컴퓨터는 상기 검출 회로(40)로부터 정보를 수신하도록 구성되고 상기 전원 결합 회로(32)의 스위치들(33, 34)을 제어하도록 구성된다.
상기 컴퓨터의 메모리를 통해, 상기 컴퓨터는 상기 프로세서에 의한 실행시 이하에서 설명되는 방법을 상기 컴퓨터가 구현할 수 있게 하는 명령어들을 포함하는 컴퓨터 프로그램들로 구성된 컴퓨터 애플리케이션을 저장한다.
여기서, 이러한 컴퓨터(50)는 상기 축전지(20)와는 별개인 DC 전압원(51)을 통해 공급된다. 이 경우에 상기 DC 전압원(51)은 상기 자동차의 온보드 네트워크의 전원 공급 배터리이다.
실제로, 상기 컴퓨터(50)가 절연 고장이 검출되었음을 나타내는 정보를 상기 검출 회로(40)로부터 수신할 때, 상기 컴퓨터(50)는 상기 전원 결합 회로(32)의 2개의 스위치(33, 34)의 개방을 구동하도록 프로그램된다.
여기서 절연 고장은 상기 몸체(30)와 상기 축전지(20)의 전위 포인트 간 전기 저항의 전기적 접촉이 비정상적으로 존재함을 의미하는 것으로 이해될 것이다. 이러한 전위 포인트는 상기 축전지의 단자들(V+, V-) 중 하나의 단자에 의해 형성될 수 있지만 이에 국한되지 않는다. 이는 이러한 2개의 단자 간에 위치하게 되는 임의의 구역일 수 있다.
여기서 저항이 사전에 정의된 안전 임계값, 예를 들어 100㏀보다 낮거나 같으면 저항이 낮은 것으로 한다.
상기 축전지(20)가 고정되어 있고 이러한 축전지에 의해 전류가 상기 자동차의 몸체에 대한 부하들에 공급되기 때문에, 상기 축전지(20)와 상기 몸체(30) 간에는 필연적으로 소위 절연 저항이 존재한다. 일반적으로, 이러한 절연 저항은 위에서 언급한 안전 임계값보다 훨씬 크다.
도 2는 축전지 전원(20)의 포인트(22)와 상기 몸체(30) 간 단일의 절연 고장을 보여준다. 이러한 절연 고장은 이러한 포인트(22)와 상기 몸체(30)를 접속하고 위에서 언급한 안전 임계값보다 낮은, Ri로 표기된 값을 나타내는 절연 저항(66)의 존재에 의해 여기서 반영된다.
이 경우에, 잠재적으로 위험한 누설 전류가 이러한 절연 저항(66)을 통해 상기 몸체(30)로 흐르게 된다. 이러한 누설 전류는 바람직하지 않으며 상기 몸체(30)와 직접 접촉할 수 있는 상기 자동차(1)의 사용자에게 위험을 초래할 수 있다.
상기 검출 회로(40)는 그러한 경우를 검출하도록 특히 설계된 것이다. 이 대문에, 이는 도 2의 회로 형태를 취하는 절연 고장의 모델링을 기초로 이루어진다.
이러한 도 2에서 유념할 점은 상기 축전지(20)가 상기 포인트(22)의 양측 상에서, 상기 단자들(V+, V-) 간에 서로 직렬 접속된 2개의 DC 전압원(23, 24)으로 표현되었다는 것이다.
이때 표기될 수 있는 바와 같이, 이러한 2개의 DC 전압원(23, 24)은 각각 상기 DC 전압원들의 단자들 간에 전압들((1-α)·Vbat, α·Vbat)을 공급하고, 여기서 α는 간격 [0;1]에 속하는 실수이다.
이러한 계수(α)를 알면 상기 축전지(20) 내 절연 고장의 위치를 정확하게 알 수가 있다.
이러한 도 2에서, 상기 검출 회로(40)의 한 실시 예가 또한 더 구체적으로 나타나 있다.
도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 이러한 검출 회로(40)는,
- 상기 축전지(20)의 단자(V-)와 상기 몸체(30) 간에 Vd로 표기된 DC 전압을 인가하기에 적합한 전원(41),
- Rm으로 표기된 값의 측정 저항기(43)와 Cm으로 표기된 커패시턴스의 커패시터(44)를 포함하는 병렬 RC 회로, 및
- Rd로 표기된 값의 전류 제한 저항기(42)
를 포함한다.
상기 전원(41), 상기 병렬 RC 회로 및 상기 전류 제한 저항기(42)는 상기 축전지의 단자(V-)와 상기 몸체(30) 간에 직렬로 접속된다.
상기 전원(41)은 상기 전류 제한 저항기(42)를 통해 흐르는 전류(Id)의 존재로 이어지는 전압(Vd)를 인가하도록 상기 컴퓨터(50)에 의해 제어된다.
그 후에, 이러한 저항기(52)의 값(Rd)은 전류(Id)의 측정을 용이하게 하기에 충분히 낮지만 상기 축전지(20)의 절연을 저하하지 않을 만큼 충분히 높도록 선택된다. 여기서 이는 사전에 정의된 안전 임계값(여기서 상기할 점은 사전에 정의된 안전 임계값은 100㏀이다는 것임)보다 최소 5배 더 크다.
상기 측정 저항기(43)의 값(Rm)은 전류 값(Id)을 좁은 범위 내로 유지하기 위해 Rd/Rm 비율이 1과 100 사이에 있도록 선택되는 것이 유리하다.
상기 검출 회로(40)는 여기에서 예를 들어 상기 병렬 RC 회로와 전기적으로 병렬 접속된 차동 증폭기들에 기초하여 이루어진 아날로그/디지털 변환기에 의해 상기 병렬 RC 회로의 단자에 걸린 전압(Vm)을 측정하기에 적합하다. 이러한 전압(Vm)의 측정은 전류(Id)를 측정하는 것과 같다.
상기 축전지(20)의 절연 고장을 검출하기 위해, 상기 컴퓨터(50)는 일정한 시간 간격으로 루프식 검출(looped detection) 방법을 구현한다. 각각의 루프 상에서는, 상기 컴퓨터가 연속적으로(어느 방향으로든) 또는 동시에 구현될 수 있는 2개의 단계로 진행하게 된다.
우선적으로, 상기 컴퓨터(50)는 가능한 절연 고장을 검출하는 것으로 이루어진 방법의 제1 단계를 구현한다. 그러한 고장이 검출된 경우에, 상기 컴퓨터(50)가, 더 구체적으로는 본 발명의 주제인 제2 단계를 구현하며, 이는 그러한 고장을 검출하는 조건이 실제로 충족되고 이러한 방식으로 이루어진 검출이 신뢰성 있게 이루어졌음을 검사하는 것으로 이루어진다.
상기 제1 단계를 구현하기 위해, 상기 컴퓨터(50)는 상기 전원(41)이 제1 기간(T2) 동안 Vd2로 표기된 값의 제2 전압을 인가하므로 상기 전원(41)이 제1 기간(T1) 동안 Vd1으로 표기된 값의 제1 전압을 인가하도록 상기 전원(41)을 제어한다.
이러한 2개의 기간은 연속적이다. 그들은 서로를 즉시 따르거나 분리될 수 있으며, 이러한 2개의 기간 간에 경과된 시간 간격은 짧아야 한다.
여기서 각각의 기간은 1초 단위의 지속 시간을 지닌다.
상기 인가된 전압 값들(Vd1, Vd2)은 여기에서 서로 다르지만 그들의 극성은 동일하다.
이러한 전압 값들 각각은 상응하는 전류 값(Id1, Id2) 및 전압(Vm) 값(Vm1, Vm2)을 지닌다.
커패시터들의 존재로 인해 전압이 인가될 때 전류(Id)와 측정된 전압(Vm)은 우선 과도 영역(transient regime)이라고 하는 위상을 지니며 상기 위상 동안 그들의 값들이 크게 변하고 그러한 위상 다음으로는 영구 영역(permanent regime)이라 지칭되는 위상이 뒤따르며, 이러한 위상 동안 그들의 값들이 일정하게 안정화된다. 상기 전압(Vm) 값들(Vm1, Vm2)의 측정을 진행하기 위해 영구 영역이 확립되기를 대기하는 것이 바람직하다. 실제로, 이러한 값들의 측정은 상기 기간들(T1, T2)의 종료시에서 이루어진다.
상기 컴퓨터(50)는 하기 수학식 1
Figure pct00001
에 의해 절연 저항(66)의 값(Ri)의 계산을 진행한다.
일부에 대한 계수(α)의 값은 하기 수학식 2
Figure pct00002
를 사용하여 상기 컴퓨터(50)에 의해 계산된다.
이러한 2개의 수학식에서 가정된 점은 상기 축전지(20)의 단자들에 걸린 전압(Vbat)이 한 주기에서부터 다른 주기에 이르기까지 일정하게 유지된다는 것이다.
한 변형 예로서, Vbat1로 표기된 하나의 값으로부터 Vbat2로 표기된 다른 하나의 값으로 이러한 전압의 가능한 변동을 고려하려는 경우, 하기 수학식 3
Figure pct00003
및 하기 수학식 4
Figure pct00004
가 사용될 수 있다.
실제로, 상기 측정된 전압(Vm)에 의해 취해진 값에는 일반적으로 노이즈가 있다. 이때, 사용되는 2개의 수학식의 결과들이 필터링된다. 우선적으로는, RLS('recursive least squares(재귀적 최소 자승)') 필터가 상기 계수(α) 및 상기 절연 저항(66)의 값(Ri)의 안정적 근사치를 획득하기 위해 사용되게 된다.
그 후에, 상기 컴퓨터는 이러한 값(Ri)을 사전에 정의된 안전 임계값(여기에서는 100㏀임)과 비교한다.
이러한 값이 상기 임계값 이상이면, 상기 컴퓨터에 의해 어떠한 액션도 수행되지 않는다. 실제로 이 경우 상기 저항이 어떠한 누설 전류도 존재하지 않게 하는 것으로 추정된다.
이와는 달리 이러한 값이 상기 임계값 미만이면, 상기 계수(α)에 의해 위치가 결정될 수 있는 축전지 셀 상에서 가능한 누설 전류가 검출된다.
이 경우 상기 컴퓨터는 이러한 검출이 신뢰 가능한지를 검사하도록 상기 방법의 제2 단계를 구현한다.
실제로, 상기 컴퓨터(50)가 전류가 누설됨을 잘못 검출하게 되는 경우들이 있다. 이는 이하에서 '위험한 경우'라고 지칭된다.
이러한 위험한 경우들은 상기 검출 회로(40)에 의해 측정된 신호가 상기 축전지에 접속된 전자 구성요소들에 의해 방해를 받게 될 때 발생한다.
그러므로 상기 제2 단계에서는 이러한 위험한 경우들 중 하나가 적용되는 지의 여부를 검사할 수 있다.
이러한 위험한 경우들은 상기 전압(Vd)과 상기 측정된 전압(Vm) 간의 동기화가 손실된 경우에 발생한다.
이러한 제2 단계가 실제로 구현되는 방법을 설명하기 전에 절연 고장의 검출이 불량하게 이루어지는 위험한 경우들의 2가지 비-제한적인 예가 먼저 설명된다.
위험한 경우의 제1 예는 상기 전원 결합 회로(32)의 스위치들(33, 34)의 전환과 연관된다.
이미 설명한 바와 같이, 스위치 또는 스위치들(33, 34)의 폐쇄는 상기 축전지(20)를 상기 인버터(11)에 접속하는 것을 가능하게 한다. 이는 예를 들어 상기 자동차가 장시간 주차된 후에 상기 자동차의 시동을 걸 때마다 제어된다. 그러므로 이는 정기적으로 이루어진다.
여기서 알 수 있는 점은 상기 스위치들(33, 34)의 폐쇄가 상기 컴퓨터(50)가 스위칭 신호를 전달한 직후에 이루어지지 않는다는 것이다.
따라서 '개방'과 '폐쇄' 상태들 간의 전환(ET)은 순간적으로 이루어지지 않지만 상기 스위치들(33, 34)의 제어 코일들의 충전 및 방전 현상들을 반영하는 소위 '과도(transient)' 상태라는 중간 상태가 반드시 수반된다.
도 3에서 그리고, 도 3의 상세도인 도 4에서, 이러한 스위치들(33, 34)의 상태 변화들(ET)은 곡선(C1)을 사용하여 나타나 있다. 이러한 곡선은 상기 스위치들이 폐쇄 상태일 때 값 1을 취하고, 개방 상태일 때 값 2를 취하며, 그리고 과도 상태일 때 값 3을 취한다.
곡선(C2)은 상기 전원(41)이 상기 전원(41)의 단자들에 주기적으로 동일한 전압을 확립할 때 상기 측정된 전압의 값(Vm)의 변화를 나타낸다.
그 후에, 상기 스위치들(33, 34)의 폐쇄시, 과도 상태들 동안 전압(Vm)이 방해를 받게 되어, 누설 전류의 잘못된 검출을 야기할 위험이 있음이 관측된다.
위험한 경우의 제2 예는 구동 축전지(20)의 충전기와 연관된다.
상기 자동차(1)가 충전 가능한 전기 유형일 경우, 국부 전기 회로망의 콘센트(예를 들어, 가정 콘센트)를 통해 상기 축전지(20)를 충전하는 것을 가능하게 하는 충전기가 상기 자동차(1)에 장착된다. 그 후에, 이러한 충전기의 단자들은 상기 축전지(20)의 단자들에 각각 접속된다.
상기 충전기가 국부 전기 회로망에 접속되면 절연 고장의 검출은 더는 상기 배터리 관리 컴퓨터(50)에 의해 이루어지지 않고 충전기가 장착된 제3 컴퓨터에 의해 이루어진다.
전환 시에는, 전반적인 전기 회로망에 대한 충전기의 물리적 접속 순간과 상기 컴퓨터(50)가 절연 고장 검출의 시도를 중단하도록 하는 요청을 수신하는 순간 간에 대기 시간(latency time)의 존재가 관측된다.
이러한 시간 간격 동안, 상기 측정된 전압(Vm)이 방해를 받게 되는 것이 관측된다. 이와 동일한 종류의 방해는 상기 충전기가 국부 전기 회로망과 물리적으로 접속해제된 분리된 후에도 관측된다.
도 5 및 도 6에서는, 곡선(C3)이 상기 충전기의 접속 또는 접속해제 상태(Es)를 나타내는 데 사용된다. 이러한 곡선은 상기 충전기가 상기 국부 전기 회로망에 접속되어 있을 때 값 1을 취하고 상기 충전기가 접속해제되어 있을 때 값 0을 취한다. 곡선(C4)은 상기 측정된 전압(Vm)의 변화를 나타낸다.
이러한 도면들에서 유념할 점은 상기 충전기가 접속해제된 상태에 있을 때 상기 전원(41)이 절연 고장의 검출을 수행하도록 상기 전원(41)의 단자들에 걸린 전압을 주기적으로 확립한다는 것이다. 한편, 상기 충전기가 접속되어 있을 때 상기 전원(41)에 의해 이러한 종류의 전압이 확립되지 않는다.
그 후에, 도 5에서 관측되는 점은 상기 컴퓨터(50)가 그의 모니터링을 중단하도록 하는 요청을 받기 직전에 (절연 저항(66)의 값(Ri)의 추정에 사용되는) 전압(Vm)이 방해를 받게 되어 잘못된 절연 고장 검출을 야기할 위험이 있다는 것이다.
또한 도 6에서 관측되는 점은 상기 컴퓨터(50)가 그의 모니터링을 재개하도록 하는 요청을 수신한 직후에 상기 전압(Vm)이 방해를 받게 되어 잘못된 절연 고장 검출을 야기할 위험이 있다는 것이다.
본 발명은 간단하지만 효과적인 기준을 사용하여 (절연 고장이 잘못 검출될 위험들이 있는) 위험한 경우들을 식별함을 제안한 것이다. 따라서 본 발명은 상기 측정된 전압(Vm) 신호의 변동 형태에만 기초하여 이와 같은 위험한 경우들을 식별함을 제안한 것이다.
도 7에서, 전압 신호(Vm)의 모델링 존재는 위에 언급한 위험한 경우들 중 한 경우 또는 다른 경우가 발생할 때 나타나게 된다. 이와 같은 위험한 경우들에서, 이러한 신호는 실제로 빠르게 증가하다가 갑자기 감소한다.
잘못된 절연 고장 검출의 원인이 되는 방해들을 특징화하기 위해, 본 발명은 적어도 2개의 매개변수에 기초하여 이루어짐을 제안한 것이다.
여기서 우선적으로 절연 고장 검출의 유효성 검사는 정확히 2개의 매개변수의 사용에 기초하여 이루어진다.
여기서 이러한 2개의 매개변수는,
- ΔVm으로 표기된 2개의 기간(T1, T2) 간 측정된 전압(Vm)의 편차, 및
- V0로 표기된 2개의 기간(T1, T2) 간 측정된 전압(Vm)의 평균
이다.
이러한 2개의 매개변수는 하기 수학식 5
Figure pct00005
및 하기 수학식 6
Figure pct00006
을 사용하여 계산된다.
각각의 방해는 이러한 2개의 매개변수의 급격한 변화를 야기한다. 이러한 방법의 제2 단계 동안 이러한 매개변수들의 시간 경과에 따른 경향을 모니터링하면, 제1 단계 동안 수행된 절연 고장 검출의 신뢰성을 검사할 수 있다.
이러한 단계에서 유념할 수 있는 점은 하기 수학식 7
Figure pct00007
및 하기 수학식 8
Figure pct00008
에 따라 절연 저항(66)의 값(Ri) 및 계수(α)와 직접 연관되어 있다는 것이다.
이러한 수학식들에서, 변수 β와 γ는,
하기 수학식 9
Figure pct00009
및 하기 수학식 10
Figure pct00010
와 같이 정의된다.
도 8을 지금부터 참조하여 단계 E0에서 초기화된 후에 제2 단계가 구현되는 방식을 설명하는 것이 가능하다.
제1 단계(E2) 동안, 상기 컴퓨터(50)는 이전에 측정한 2개의 전압 값(Vm1, Vm2)을 획득한다. 또한, 이는 이전 시간 간격에서 계산한 2개의 매개변수(ΔVm, V0)의 값들(ΔVm,t-1, V0,t-1로 표기됨)을 획득한다.
그 후에, 제2 단계(E4) 동안, 상기 컴퓨터는 상기 2개의 매개변수(ΔVm, V0)의 순간 값들(ΔVm,t, V0,t로 표기됨)을 계산한다.
제3 단계(E6) 동안, 상기 컴퓨터(50)는 잘못된 절연 고장 검출의 위험한 경우가 있는 지의 여부를 검출하기 위해 상기 2개의 파라미터의 시간 변화들을 관측한다.
이를 위해, 상기 컴퓨터(50)는 2개의 시간 간격 간 2개의 매개변수 각각의 변동들을 여기에서 각각 2개의 임계값(S1, S2)과 비교한다. 다시 말하면, 상기 컴퓨터(50)는 하기 2개의 부등식
Figure pct00011
과
Figure pct00012
가 성립되는 지의 여부를 검사한다.
그 후에, 상기 컴퓨터(50)는 이러한 2개의 부등식의 결과로부터 상기 방법의 제1 단계 동안 획득된 절연 저항값(Ri)의 신뢰도 수준을 추정한다. 이러한 신뢰도 수준은 여기에서 부울 유형(Boolean type)이며 2가지 상태, 다시 말하면 '신뢰할 수 있는 상태'와 '신뢰할 수 없는 상태'를 취할 수 있다.
실제로, 상기 컴퓨터(50)는 위에서 언급한 2개의 부등식을 사용하기 위해 서로 다른 방식들로 프로그램될 수 있다.
제1 실시 예에서, 상기 컴퓨터(50)는 이러한 2개의 부등식 중 하나 이하가 거짓인 지의 여부를 검사하도록 프로그램된다.
그러한 경우, 상기 컴퓨터(50)는 상기 제1 단계의 결과가 신뢰할 수 없는 것으로 간주한다. 결과적으로, 절연 저항(66)의 값(Ri)에 기초하여 이루어지는 동작은 수행되지 않는다.
그러하지 않는 경우, 상기 제1 단계의 결과는 신뢰할 수 있는 것으로 판단된다. 그러므로 이는 E8 단계 동안 사용된다. 이를 위해, 상기 컴퓨터는 절연 저항(66)의 값(Ri) 및 상기 계수(α)를 저장하고, 이러한 데이터는 그 후에 예를 들어 상기 스위치 또는 스위치들(33, 34)의 개방을 제어하는 데 사용된다.
그 후에, 상기 방법은 단계 E10 동안 완료된다.
제2 실시 예에서, 상기 컴퓨터(50)는 이러한 2개의 부등식이 동시에 거짓인 지의 여부를 검사하도록 프로그램된다. 상기 2개의 부등식이 동시에 거짓인 경우에, 상기 컴퓨터(50)는 제1 단계의 결과가 신뢰할 수 없는 것으로 간주한다. 상기 2개의 부등식이 동시에 거짓이 아닌 경우에 상기 제1 단계의 결과가 신뢰할 수 있는 것으로 판단된다.
본 발명은 기재되고 도시된 실시 예들에 결코 국한되지 않지만, 당업자는 본 발명에 부합하는 임의의 변형을 추가할 수 있을 것이다.
예를 들어, 상기 제2 단계는 상기 제1 단계 전에 구현될 수 있고 상기 제1 단계의 구현은 상기 제2 단계의 결과에 따라 달라질 수 있을 것이다.
다시 말하면, 상기 절연 저항(66)의 값(Ri)과 상기 계수(α)를 계산하기 전에 잘못된 검출의 위험이 있는 경우가 있는 지의 여부를 결정하는 것이 가능하다. 이를 위해, 상기 컴퓨터는 위에 언급한 2개의 부등식 중 하나 또는 양자 모두가 성립되는 지의 여부를 검사한다. 그 후에, 위험한 경우가 존재하면, 다른 조치가 수행되지 않는다. 위험한 경우가 존재하지 않으면, 상기 컴퓨터(50)는 상기 절연 저항(66)의 값(Ri) 및 상기 계수(α)를 계산하고 그 후에 상기 컴퓨터(50)는 이러한 데이터를 직접 사용한다.
본 발명의 다른 한 변형 예에 의하면, 사용된 2개의 매개변수는 설명한 실시 예에서 사용된 매개변수들과는 다를 수 있다. 설명한 실시 예에서, 상기 2개의 매개변수(ΔVm, V0)는 상기 측정된 전압(Vm) 신호의 특성이다. 한 변형 예로서, 이러한 2개의 매개변수는 상기 측정된 전압(Vm)의 값들의 간단한 함수일 수 있다. 일 예로서, 이러한 2개의 매개변수는 절연 저항(66)의 값(Ri)과 상기 계수(α)에 의해 형성될 수 있을 것이다.
본 발명의 또 다른 한 변형 예에 의하면, 위에 언급한 2개의 부등식은 2개의 연속적인 시간 간격 사이가 아니라 다수의 시간 간격 사이에서 상기 2개의 매개변수의 변화에 기초하여 이루어질 수 있다.
본 발명의 또 다른 한 변형 예에 의하면, 위에 언급한 2개의 부등식은 시간에 따른 2개의 매개변수의 변형들이 아니라 이러한 2개의 매개변수의 값들에 기초하여 이루어질 수 있다.

Claims (11)

  1. 회로(40)를 통해 전원(20)과 접지(30) 간 절연 고장을 검출하는 방법으로서, 상기 회로(40)는 상기 전원(20)의 한 단자와 상기 접지(30) 간에 직렬 접속된 제어 가능한 전압 생성기(41) 및 전기 측정 저항기(43)를 포함하며 상기 전기 측정 저항기의 단자들에 걸린 전압(Vm)을 측정하는 수단(45)을 또 포함하고, 상기 방법은,
    - 상기 전압 생성기(41)가 상기 전압 생성기(41)의 단자들 간에 0이 아닌 값의 전압(Vd)을 확립하도록 상기 전압 생성기(41)를 제어하는 단계, 및
    - 상기 전원(20)과 상기 접지(30) 간의 절연 고장을 검출하도록 상기 전기 측정 저항기(43)의 단자들에 걸린 전압(Vm)을 측정하는 단계
    를 포함하며,
    상기 방법은,
    컴퓨터가,
    - 상기 절연 고장의 검출에 영향을 미치는 방해(disturbance)의 특성을 나타내는 적어도 2개의 매개변수(ΔVm, V0)를 적어도 상기 전기 측정 저항기(43)의 단자들에서 측정된 전압(Vm)의 함수로서 결정하고, 그리고
    - 상기 2개의 매개변수(ΔVm, V0) 중 적어도 하나의 매개변수의 함수로서 절연 고장 검출의 신뢰성 수준을 계산하는, 검사 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 절연 고장의 검출 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 측정 단계와 상기 검사 단계 사이에는, 절연 고장을 검출하는 단계가 제공되고, 상기 검출 단계의 결과는 상기 계산된 신뢰도 수준에 따라 사용될 수도 있고 사용되지 않을 수도 있는, 절연 고장의 검출 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 검사 단계 후에는, 단지 절연 검출이 신뢰할 수 있게 됨을 상기 신뢰성 수준이 나타내는 경우에만 절연 고장을 검출하는 단계가 제공되는, 절연 고장의 검출 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 한 항에 있어서,
    절연 고장을 검출하기 위해, 상기 컴퓨터는 상기 접지(30)에 대한 상기 전원(20)의 절연 저항(66)의 값(Ri)을 계산한 다음에 상기 절연 저항(66)의 값(Ri)을 임계값과 비교하는, 절연 고장의 검출 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 한 항에 있어서,
    절연 고장이 검출되면 상기 컴퓨터는 상기 전원(20) 내 절연 고장 위치의 결정 계수(α)를 계산하는, 절연 고장의 검출 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 한 항에 있어서,
    상기 검사 단계에서, 상기 신뢰도 수준의 계산은 상기 2개의 매개변수(ΔVm, V0)의 함수로 수행되는, 절연 고장의 검출 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 한 항에 있어서,
    상기 검사 단계에서, 상기 신뢰도 수준의 계산은 상기 2개의 매개변수(ΔVm, V0) 중 적어도 한 매개변수의 시간 변화의 함수로 수행되는, 절연 고장의 검출 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 한 항에 있어서,
    - 상기 전압 생성기(41)가 2개의 연속적인 기간(T1, T2) 동안 0이 아닌 2개의 서로 다른 값(Vd1, Vd2)을 상기 전압(Vd)이 취하도록 제어되고,
    - 상기 전기 측정 저항기(43)의 단자들에 걸리는 전압(Vm)의 2개의 값(Vm1, Vm2)이 상기 2개의 연속적인 기간(T1, T2) 동안 각각 측정되며, 그리고
    - 각각의 매개변수(ΔVm, V0)가 상기 2개의 측정된 값(Vm1, Vm2)의 함수로서 결정되는, 절연 고장의 검출 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 매개변수들 중 한 매개변수(V0)는 상기 전기 측정 저항기(43)의 단자들에 걸린 전압(Vm)의 2개의 측정된 값(Vm1, Vm2) 간의 산술 평균의 함수이고 그리고/또는 상기 전기 측정 저항기(43)의 단자들에 걸린 전압(Vm)의 2개의 측정된 전압(Vm1, Vm2) 간의 편차(ΔVm)의 함수인, 절연 고장의 검출 방법.
  10. 전원(20)과 접지(30) 간의 절연 고장을 검출하는 장치로서, 상기 장치는
    - 상기 전원(20)의 한 단자 및 상기 접지(30) 간에 직렬 접속된 제어 가능한 전압 생성기(41) 및 전기 측정 저항기(43)를 포함하고 상기 전기 측정 저항기(43)를 통해 흐르는 전류(id)의 강도를 측정하는 수단(45)을 포함하는 회로(40), 및
    - 제1항 내지 제9항 중 한 항에 따른 검출 방법을 구현하도록 구성된 컴퓨터를 포함하는, 절연 고장의 검출 장치.
  11. 전원(20) 및 접지(30)를 포함하는 자동차에 있어서, 상기 자동차는 제10항에 따른 검출 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는, 자동차.
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