KR20230151030A - 배터리 또는 배터리 시스템의 절연 상태 확인 방법 - Google Patents

배터리 또는 배터리 시스템의 절연 상태 확인 방법 Download PDF

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베바스토 에스이
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Abstract

본 발명은 적어도 2개의 배터리(10)를 포함하는 배터리(10) 또는 배터리 시스템(1), 바람직하게는 차량 또는 정적 저장 용도로 사용되 전기 자동차의 견인 배터리로 사용되는 고전압 배터리 또는 고전압 배터리 시스템의 절연 상태 점검 방법에 관한 것으로, 다음 단계를 포함한다.
- 미리 정의된 시간(t)동안 배터리(10)의 연결 요소(12)와 접지(18) 사이의 전압(U)을 측정하는 단계;
- 측정된 전압(U)을 평가하고 미리 정의된 시간적 임계값(22)에 대응하는 시점에 측정된 전압(U)의 변화(24)가 존재하는지 여부를 결정하는 단계; 및
- 결정된 결과에 기초하여 절연 상태를 특성화하는 안전 신호를 출력하는 단계

Description

배터리 또는 배터리 시스템의 절연 상태 확인 방법
본 발명은 배터리 또는 배터리 시스템, 바람직하게는 전기 자동차의 견인 배터리로 사용되거나 정적 저장 응용 분야에 사용하기 위한 고전압 배터리 또는 고전압 배터리 시스템의 절연 상태를 확인하는 방법 또는 그 장치에 관한 것이다.
예를 들어 전기 자동차에 고전압 배터리를 사용하려면, 고전압 배터리를 켜거나 함께 연결하여 배터리 시스템을 구성한 후 부하에 연결하기 전에 고전압 배터리의 절연 상태를 확인해야 한다. 고전압 배터리가 견인 배터리로 바람직하게 배치되는 전기 자동차의 정상 상태에서는 고전압 배터리와 접지 또는 섀시 사이에 갈바닉 절연(galvanic isolation)이 있어 고전압 배터리가 전환될 때 켜면 단락이 발생하지 않으며 사용자가 잠재적으로 생명을 위협할 수 있는 감전에 노출되지 않고 차량의 다른 전자 장치가 손상되지 않는 것이 보장될 수 있다. 고전압 배터리를 함께 연결하여 고전압 배터리 시스템을 구성하는 경우, 함께 연결할 고전압 배터리를 접지에서 절연하는 것이 특히 중요한데, 그렇지 않으면 고전압 배터리가 접지될 때 이미 접지 단락이 발생할 수 있기 때문이다. 전압 배터리는 함께 연결되므로 제어할 수 없을 정도로 높은 전류가 발생하여 고전압 배터리가 파손되고 사용자에게 위험을 초래할 수 있다.
절연 점검은 일반적으로 저전류에서 고전압을 인가한 후 고전압 배터리와 접지(예: 전기 자동차 섀시) 사이의 절연 저항을 계산하여 수행된다. 신뢰성 있는 계산을 위해서는 안정적인 전압, 즉 전압 포화도를 측정해야 하는데, 이는 비교적 오랜 시간이 지난 뒤, 예를 들어 약 7~10초 후에만 발생한다. 따라서 특히 고전압 배터리의 여러 연결 또는 라인에 대해 검사를 수행하는 경우 고전압 배터리의 구성과 하드웨어 및 소프트웨어 수준에 따라 최대 30초 또는 그 이상이 필요할 수 있는데, 차량 시동에 그렇게 오랜 시간이 걸리는 것은 바람직하지 않다. 그러나 각 연결에 대한 확인 시간을 단축하면 계산된 저항의 정확도와 측정 가능 범위가 손상된다.
그럼에도 불구하고, 고전압 배터리나 전기 자동차 사용자가 절연 상태를 확인하기 위해 상대적으로 긴 점검 시간을 기다리는 것은 일반적으로 바람직하지 않은데, 이는 각각의 고전압 배터리 사용 결국 차량의 사용과 관련하여 (상당한) 지연을 초래하기 때문이다.
따라서 사용자의 안전을 보장하면서도 신속한 절연 점검을 제공할 필요성이 존재한다.
본 발명의 목적은 공지된 종래 기술로부터 출발하여, 배터리의 절연 상태를 점검하는 개선된 방법뿐만 아니라 대응하는 점검 모듈 및 대응하는 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적은 청구항 1의 특징을 갖는 배터리의 절연 상태를 확인하는 방법에 의해 달성된다. 유리한 실시예는 종속항, 설명 및 도면으로부터 도출될 수 있다.
이에, 다음과 같은 단계를 포함하는 배터리, 바람직하게는 배터리 시스템의 배터리, 특히 바람직하게는 고전압 배터리의 절연 상태를 확인하는 방법이 제안된다:
- 미리 정의된 시간 동안 배터리의 연결 요소와 접지 사이의 전압을 측정하는 단계;
- 측정된 전압을 평가하고, 미리 정의된 시간적 임계값에 해당하는 시점에 측정된 전압의 변화가 존재하는지 여부를 판단하는 단계; 및
- 결정된 결과에 기초하여 절연 상태를 특성화하는 안전 신호를 출력하는 단계
본 발명에 따르면, 전압의 포화 시간은 존재하는 커패시턴스 및 존재하는 저항에 의존한다는 것이 인식되었다. 저항이 낮은 절연 결함이 있거나 기생 커패시턴스이 낮은 경우 빠른 전압 포화가 발생한다. 따라서 전압 포화가 발생하면 더 이상 전압 변화가 측정되지 않는다.
따라서 제안된 방법은 절연 상태의 척도인 시간적 임계값을 결정하거나 사전 정의할 수 있으며, 특히 심각한 절연 결함이 시간적 임계값을 기반으로 검출되거나 결정될 수 있도록 선택된다. 단락 또는 절연 결함이 있는 경우 측정된 전압이 빠르게 포화된다. 시간적 임게값에 해당하는 시점에서 더 이상 전압 변화가 측정되거나 감지되지 않으면 전압 포화가 이미 발생한 것으로 가정되며 이에 따라 안전 신호는 절연 결함을 나타낼 수 있다. 반대로, 임시 임계값 시점에서 전압 변화가 여전히 측정되거나 감지되어 전압 포화가 아직 발생하지 않은 경우 (심각한) 절연 결함은 충분한 확률로 배제된다.
따라서 시간적 임계값은 특정 안전 조치 및/또는 미리 정의된 절연 상태 또는 절연 결함에 대응할 수 있다. 따라서 시간적 임게값을 사용하면 특정 절연 결함에 대한 표준에 따라 저항을 완전히 검사하고 계산할 필요가 없다는 이점이 있다. 대신 이러한 절연 결함은 임시 임계값 시점에서 측정된 전압 변화를 기반으로 짧은 시간 후에 이미 배제되거나 식별될 수 있다. 따라서, 예를 들어 배터리와 전기 자동차의 접지를 나타내는 섀시 사이에 결함이 있는 갈바닉 절연의 경우, 시간적 임계값 내에서 전압 포화가 이미 발생한다.
따라서 연결 요소의 절연 상태에 대한 점검 시간은 본질적으로 시간적 임계값에 의해 사전 정의되며 배터리의 구성 및 사전 정의된 절연 결함에 대한 임계값(예: 500Ω/V)에 따라 약 0.3초와 2초 사이, 특히 0.4초와 0.8초 사이일 수 있다. 이로써 사용자의 대기 시간은 상당히 줄어들거나 사용자가 상당한 정도로 감지할 수 없게 되어 원하지 않는 대기 시간을 피할 수 있고 애플리케이션에 실질적인 지연이 발생 하지 않는다. 동시에, 임시 임계값은 예를 들어 특정 안전 조치 및/또는 사전 정의된 절연 결함에 대해 결정적이므로 사용자에 대한 충분한 안전이 보장된다.
접지는 접지 또는 제로화를 가능하게 하는 모든 접지일 수 있다. 전기 자동차용 배터리의 경우, 접지는 특히 전기 자동차의 섀시일 수 있다. 그러나 대안으로 적절한 특성을 갖는 전도성 하우징을 선택할 수도 있다. 여기서 배터리는 바람직하게는 전기 자동차의 트랙션 배터리이다. 절연 점검은 특히 예를 들어 적절한 전환 가능한 단로기를 통해 배터리를 부하, 바람직하게는 온보드 전원 시스템 및/또는 전기 모터에 연결하도록 구성된 전환 장치에 대한 안전 단계로서 사용될 수 있다. 따라서 안전 신호는 충분한 절연 상태를 확인하거나 (심각한) 절연 결함의 존재를 나타낼 수 있으며, 이에 따라 스위칭 장치는 이 결과에 기초하여 스위칭될 수 있다. 즉, 안전 신호를 출력하면 스위칭 장치를 작동하거나 닫을 수 있지만 (심각한) 절연 결함이 없는 경우에만 가능하다.
여기에 언급된 배터리는 바람직하게는 배터리 시스템을 설정하기 위해 제공될 수도 있으며, 여기서 적어도 2개의 배터리가 함께 연결되어 배터리 시스템을 설정함으로써 결합된 배터리 시스템의 증가된 용량을 제공할 수 있다. 그런 다음 배터리 시스템을 사용하여 부하에 전력을 공급한다. 바람직하게는, 배터리는 고전압 배터리로 존재할 수 있으며, 이는 이후 적어도 하나의 추가 고전압 배터리와 함께 연결되어 고전압 배터리 시스템을 형성하고 이후에 예를 들어 전기 자동차의 트랙션 배터리 또는 정적 저장 응용 분야에 사용될 수 있다. 따라서 안전 신호는 충분한 절연 상태를 확인하거나 (심각한) 절연 결함의 존재를 나타낼 수 있으므로, 배터리 또는 고전압 배터리를 함께 연결하기 위한 스위칭 장치가 이 결과에 기초하여 스위칭될 수 있다. 즉, 안전 신호를 출력하면 스위칭 장치를 작동하거나 닫을 수 있지만 (심각한) 절연 결함이 확인되지 않은 경우에만 가능하다. 반면, (심각한) 절연 불량으로 판단되면 해당 배터리가 배터리 시스템에 연결되지 않거나 전체 배터리 시스템의 배터리가 함께 연결되지 않거나 부하에 연결되지 않을 수 있다.
연결 요소는 배터리의 연결 라인일 수도 있고, 배터리의 극이나 대응하는 접촉 요소 또는 단자일 수도 있다.
배터리는 바람직하게는 적어도 2개의 배터리 모듈을 포함한다. 즉, 배터리는 바람직하게는 복수의 배터리 셀로 각각 구성된 적어도 2개의 배터리 모듈로 구성되며, 예를 들어 원통형 또는 프리즘형 배터리 셀로 제공되거나 파우치 셀과 같은 형태로 존재할 수 있다. 배터리에는 특히 바람직하게는 배터리 모듈이 유체 기밀 방식으로 그리고 환경으로부터 보호되는 방식으로 수용되는 자체 배터리 하우징이 제공된다. 배터리는 바람직하게는 배터리 모듈에 구성되는 배터리 셀의 온도를 제어하기 위한 장치도 포함한다. 각 배터리에는 배터리의 전체 용량이 존재하는 두 개의 연결 접점 또는 단자가 있는 주 연결이 있다. 각 배터리에는 주 연결을 끊을 수 있는 단로기가 있다. 그런 다음 배터리는 단로기를 통해 부하에 연결되거나 배터리 시스템에 연결된다.
배터리 시스템을 설정하려면, 예를 들어 차량의 서로 다른 두 위치에 배치된 최소 2개의 배터리(예를 들어 차량 바닥 아래에 있는 배터리 하나와 차량 후면에 있는 다른 배터리)가 함께 연결된다. 배터리를 함께 연결하여 배터리 시스템을 구성하기 전에 공통 접지에 대한 단락을 방지하기 위해 배터리의 절연 상태를 확인해야 한다.
배터리가 2개인 경우, 4개의 전기적 연결 접점 또는 이에 연결된 연결선을 기준으로 절연 상태를 확인할 수 있다. 다만, 각 배터리의 연결접점별로 절연상태를 별도로 측정하고 평가하는 것이 바람직하다.
여러 개의 배터리가 전기적으로 연결된 배터리 시스템의 경우 접촉과 선로로 인해 배터리 사이에 기생 커패시턴스이 발생한다. 배터리 자체에도 기생 커패시턴스이 있다. 절연 결함이 없는 정상 상태에서는 단락이 발생한 절연 상태에 비해 이 수치가 상당히 높다. 즉, (심각한) 절연 결함의 경우 기생 커패시턴스이 상대적으로 작다. 이는 측정된 전압의 포화 시간에 직접적인 영향을 미치기 때문에 이러한 상태를 구별하기 위해 시간적 임계값을 미리 정의할 수 있다.
따라서 배터리 시스템은 적어도 2개의 배터리를 포함할 수 있으며, 시간적 임계값은 미리 정의된 기생 커패시턴스 및 미리 정의된 저항에 의해 결정된다.
예를 들어, 정상 상태의 배터리의 경우 최대 기생 커패시턴스는 약 900nF, 즉 각 전기 연결 라인에 대해 약 450nF일 수 있다. 충분한 안전성을 제공하고 예를 들어 미리 정의된 시간 내에 충분한 확실성을 가지고 존재하는 단락 회로를 감지하기 위해 저항은 추가로 예를 들어 100kOhm 또는 150kOhm인 것으로 가정될 수 있다. 측정된 전압의 포화 시간은 이들 최대 기생 커패시턴스 및 저항 값을 기반으로 결정되거나 계산된다. 여기서, 전기 자동차용 배터리 시스템과 같은 애플리케이션에서 섀시는 접지 역할을 할 수 있으며, 이는 시간적 임계값을 계산하기 위해 예를 들어 약 500kOhm의 저항으로 정의된다. 이 경우 배터리 시스템 또는 배터리의 전압은 예를 들어 약 400V 또는 800V이다. 위에 설명된 값을 사용하면 계산된 시간적 임게값 또는 해당 최대 포화 시간은 대략 0.5초에서 0.7초 사이이다.
따라서 측정된 전압의 포화가 설정된 시간적 임게값에 해당하는 시점에 아직 존재하지 않는다는 것이 확인되면 심각한 절연 결함을 충분한 확률로 배제할 수 있다.
시간적 임계값은 배터리 구성 및/또는 하드웨어 및 소프트웨어 수준에 따라 제공된 샘플링 속도에 맞게 조정될 수 있다. 예를 들어, 100ms의 샘플링 레이트에서 시간적 임계값은 약 0.41초와 0.5초 사이, 또는 약 0.61초와 0.7초 사이의 대응하는 시간적 임계값을 포함하도록 5 또는 7개의 측정 지점을 포함할 수 있다. 이 경우 시간적 임게값은 통신 모듈을 통해 분산형 또는 중앙 장치로부터 저장되거나 수신될 수 있다.
기생 커패시턴스는 바람직하게는 배터리에 따라 다르다. 이러한 방식으로 동일한 유형 또는 동일한 구성의 각 배터리에 대해 동일한 시간적 임게값을 사용하는 것이 가능하며, 그 결과 기존 배터리 및 배터리 시스템에 대해 예를 들어 소프트웨어 수준에서 방법을 쉽게 구현할 수도 있다. 그리고 (중요한) 적응이 필요하지 않으며, 특히 각 기생 커패시턴스에 대한 애플리케이션별 또는 배터리별 측정이 하드웨어 수준에서 필요하지 않다.
기생 커패시턴스는 바람직하게는 배터리에 대해 측정 및/또는 계산되거나 계산되며, 여기서 기생 커패시턴스는 바람직하게는 미리 정의된 안전 계수만큼 증가된다. 측정 및/또는 계산은 또한 예를 들어 공장에서 동일한 유형의 하나 이상의 배터리에 대해 수행될 수 있으며 동일한 유형의 배터리에 대해 결정될 수 있다. 즉, 이 방법에 따르면 활성 측정 및/또는 계산이 필요하지 않다. 오히려 기생 커패시턴스는 임의로 또는 순전히 이론적으로 결정되는 값이 아니라 실제 측정 및/또는 계산을 기반으로 하는 값이다. 바람직하게는, 기생 커패시턴스에 대한 값은 측정되고 계산되어, 예를 들어 계산된 값이 확인되고 이에 의존하는 시간적 임게값을 사용할 때의 안전성이 더욱 증가될 수 있다.
예를 들어, 계산 및/또는 측정된 기생 커패시턴스는 약 100nF와 300nF 사이일 수 있다. 이 최대 기생 커패시턴스는 안전성을 향상시키기 위해 적절한 안전 인자에 의해 증가될 수 있으며, 이에 따라 해당 시간적 임게값을 사용할 때 안전성은 이 인자에 의해 증가될 수 있다. 예를 들어, 약 220nF의 측정 또는 계산된 기생 커패시턴스의 경우, 450nF의 최대 기생 커패시턴스가 선택되거나 선택될 수 있으며, 이는 그에 따라 시간적 임게값 계산을 위한 기초로 사용된다.
시간적 임계값에 사용되는 저항은 애플리케이션에 따라 바람직하게는 50kΩ과 250kΩ 사이, 바람직하게는 75kΩ과 175kΩ 사이이다. 이러한 방식으로 표준 방법보다 낮은 저항을 사용할 수 있다. 그러나 이러한 저항 값은 단락의 존재와 같은 심각한 절연 결함을 판단할 수 있으므로 사용자와 배터리 모듈에 대해 여전히 충분한 안전을 제공한다. 또한 저항이 낮으면 절연 점검 시간을 상당히 단축할 수 있다.
저항은 바람직하게는 미리 정의된 시작 저항 또는 공칭 저항이다. 따라서 시간적 임계값은 서로 다른 작동 상태에 대해 미리 정의되거나 미리 결정될 수 있다.
전압 변화의 결정 또는 검출의 정확성을 높이기 위해, 마지막 2개 내지 5개의 측정 지점, 바람직하게는 마지막 2개 또는 3개의 측정 지점에 대해 전압 변화가 결정되고/되거나 전압 변화가 결정되는 것이 또한 제공될 수 있다. 미리 정의된 최소 크기 이상이 있을 때 결정된다.
이를 통해 존재할 수 있는 모든 측정 오류나 변동을 평균화하고 출력되는 안전 신호의 유효성을 향상시킬 수 있다. 사전 정의된 최소 크기를 사용하면 전압 변화를 결정할 때 관련 전압 값만 고려하고 감지된 배경 신호, 잔류 값 또는 노이즈를 페이드 아웃할 수 있다. 예를 들어, 최소 크기는 0.2V와 1.0V 사이 또는 약 0.5V일 수 있으므로, 0.5V 미만으로 감지된 측정값은 전압 변화로 감지되지 않는다.
또는, 해당 시점에 측정된 절대 전압값을 기반으로 안전 신호를 더 출력할 수도 있다. 이에 따라, 측정된 전압이 예상 및/또는 미리 정의된 범위 내에 있는지 여부를 검출할 수 있어 측정 및 전압 변화의 타당성을 더욱 높일 수 있다.
따라서 측정된 절대 전압 값은 예를 들어 배터리 모듈의 미리 정의된 최대 전압 값과 비교하여 미리 정의된 최대 전압 값의 10%와 70% 사이, 바람직하게는 15%와 55% 사이인 경우 유효한 것으로 간주될 수 있다.
예를 들어, 400V 정도의 배터리의 측정된 절대 전압 값은 40V ~ 280V일 수 있으며, 바람직하게는 60V ~ 220V 사이일 수 있다. 이에 따른 전압 변화는 시간적 임계치 시점에서 결정되어야 한다. 절대 전압 값은 설정된 결과의 타당성을 확인하고 사전 정의된 범위 내에 있지 않은 경우 출력되는 안전 신호를 통해 잠재적인 절연 결함 또는 측정 오류를 나타낼 수 있다.
시점에서 결정된 전압 변화의 경우, 안전 신호는 바람직하게는 고전압 스위칭 장치에 대한 작동 신호를 포함하거나, 전압 변화가 없는 경우 안전 신호는 바람직하게는 추가 절연 검사, 특히 표준에 따른 완전한 절연 점검을 시작한다.
전술한 바와 같이, 배터리 시스템은 특히 전기 자동차용 견인 배터리로서 설계될 수 있고 따라서 다수의 배터리를 포함할 수 있다. 잠재적인 단락으로부터 차량 사용자와 배터리를 보호하기 위해 해당 배터리를 고전압 스위칭 장치 및 잠재적으로 단로기를 경유하여 온보드 전원 시스템이나 전기 모터와 같은 부하에 연결하기 전에 절연 상태를 확인한다. 측정 시점이나 측정 도중, 그리고 일시적 임계값 발생 시나 직후에 전압 변화가 계속해서 감지되면 (심각한) 절연 결함이 없는 것으로 판단되므로 배터리 시스템은 작동할 수 있다. 이에 따라 소비자에게 연결되고 이에 따라 작동 신호가 출력될 수 있다. 그러나 전압 포화가 이미 발생한 것으로 판단되면 오류 또는 오류 메시지가 출력될 수 있으며/또는 표준에 따라 제공된 저항을 결정하는 것과 같은 추가 절연 검사가 즉시 시작될 수 있다. 절연 상태를 결정하기 위한 추가 검사 또는 대체 방법은 추가 안전 장치 및 백업 역할을 할 수 있다.
추가 측면에 따르면, 배터리, 바람직하게는 전기 자동차의 견인 배터리의 절연 상태를 점검하기 위한 점검 모듈이 제안되며, 점검 모듈은 설명된 방법을 수행하도록 구성된다.
검사 모듈은 예를 들어 미리 정의된 시간에 걸쳐 배터리의 연결 요소와 접지 사이의 측정된 전압을 측정 및/또는 수신하기 위한 인터페이스를 포함할 수 있다. 확인 모듈은 인터페이스에 연결되어 측정된 전압을 평가하도록 구성되는 평가 유닛을 더 포함할 수 있으며, 평가 유닛은 또한, 미리 정의된 시간적 임게값에 대응하는 시점에서 측정된 전압에 변화가 있는지를 결정하도록 더 구성된다. 점검 모듈 또는 점검 모듈의 평가 유닛은 또한 결정된 결과에 기초하여 절연 상태를 특징짓는 안전 신호를 출력하도록 구성된다.
평가 유닛은 검사 모듈의 독립형 유닛이거나 적어도 부분적으로 배터리에 대한 각 애플리케이션의 제어 유닛의 형태로 존재할 수 있다. 즉, 평가 장치의 (부분) 작업은 예를 들어 제어 장치에 대한 통신 연결을 통해 위임될 수 있거나 평가 장치가 제어 장치에 통합될 수 있다. 따라서 평가 유닛은 온보드 제어 유닛으로서 적어도 부분적으로 설계될 수 있다.
시간적 임계값은 더욱 바람직하게는 평가 유닛에 저장되고 각각의 배터리에 특정된다. 전압 측정이 시작되면 미리 정의된 시간 동안 저장된 시간적 임게값의 시점에서 전압 변화가 있는지 여부가 그에 따라 설정되고 검사 모듈 또는 평가 장치는 해당 안전 신호를 출력한다.
본 발명의 추가 측면에 따르면, 바람직하게는 전기 자동차용 견인 배터리를 형성하기 위한 적어도 2개의 배터리, 및 이에 통신 가능하게 및/또는 전기 전도성으로 결합된 검사 모듈을 포함하는 배터리 시스템이 제안된다.
배터리 시스템은 예를 들어 온보드 배터리 관리 시스템을 포함할 수 있다. 배터리 시스템은 서로 전기 전도성으로 연결 가능한 2개 이상의 배터리를 포함하며, 각 배터리는 각각 복수의 배터리 셀을 갖는 2개 이상의 배터리 모듈을 포함한다. 배터리 시스템은 바람직하게는 검사 모듈에 의해 출력된 안전 신호에 기초하여 각 배터리를 배터리 시스템에 연결하고 이에 따라 배터리 시스템을 부하에 전기 전도성으로 연결하도록 구성된 고전압 스위칭 장치를 더 포함한다. 전기 모터 또는 전기 모터의 컨트롤러로 사용된다.
본 발명의 바람직한 추가 실시예는 다음의 도면 설명을 통해 더 자세히 설명될 것이다.
도 1a 및 1b는 전기 자동차의 섀시에 대해 두 개의 배터리를 갖는 배터리 시스템의 절연 결함을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 기존 방법에서 절연 결함이 없는 정상 상태의 예시적인 전압 측정 곡선을 도시한 것이다.
그림 3a 및 3b는 각각 절연 결함이 있는 경우와 없는 경우의 예시적인 전압 측정 곡선을 개략적으로 도시한 것이다.
바람직한 예시적인 실시예가 도면을 참조하여 아래에 설명된다. 이 경우, 다양한 도면에서 동일하거나 유사하거나 기능적으로 동일한 요소에는 동일한 참조 부호가 제공되며 일부 경우 중복을 피하기 위해 이러한 요소에 대한 반복된 설명은 생략된다.
도 1a는 2개의 배터리(10)를 갖는 배터리 시스템(1)을 개략적으로 도시한 것이며, 여기서 배터리(10)는 대응하는 연결 라인(12) 또는 연결 요소를 통해 서로 전기 전도성으로 직렬로 연결된다. 예를 들어 단로기 및/또는 고전압 스위칭 장치(미도시)를 통해 배터리 시스템 또는 각각의 배터리(10)를 부하에 전기 전도성으로 연결하기 위한 추가 연결 라인도 제공된다. 또한, 각각의 배터리(10)는 대응 연결 라인을 통해 전기적으로 연결될 수 있는 양극(14) 및 음극(16)을 포함한다.
예시적인 실시예에서는 해당 번개 기호로 도시된 바와 같이 두 개의 절연 결함이 존재한다. 이 예에서, 섀시(18)(또는 다른 접지)에 대한 각각의 배터리(10)의 양극(14)의 절연 또는 갈바닉 절연은 완전하지 않으며, 이는 각각의 극(14)이 섀시(18)에 전기 전도성으로 연결된다는 것을 의미한다. 그 자체로 섀시(18)에 대한 개별 배터리(10)의 절연 결함은 문제가 있는 것으로 간주되어야 하며 피해야 한다.
그러나 배터리(10)가 서로 연결되도록 의도된 배터리 시스템(1)을 제공하는 경우, 섀시(18)를 통해 배터리(10) 사이에 단락이 발생하여 다음으로 이어질 수 있는 추가 위험이 있다. 높은 전류 흐름으로 인해 배터리(10)와 사용자에게 위험이 발생한다. 예를 들어, 배터리(10)와의 절연 불량으로 인해 한 배터리의 양극과 다른 배터리의 음극 사이에 전도성 연결이 설정되고 각각의 다른 극이 고전압 스위칭 장치에 의해 폐쇄되는 경우, 제어되지 않은 높은 전류 흐름이 발생할 수 있다. 따라서 이러한 절연 결함은 방지되어야 하며 제안된 방법에 따라 감지되어야 한다.
도 1b는 배터리(10) 사이의 병렬 회로를 도시한 것이며, 이 예에서는 해당 번개 기호로 표시되는 것처럼 한 배터리(10)의 양극(14)에 절연 결함이 있고 다른 배터리의 음극(16)에 절연 결함이 있다.
도 2는 절연 결함이 없는 정상 상태에서 기존 절연 측정의 전압 측정 곡선의 예를 도시한 것이며, 여기서 연결선과 차량 접지 사이에 작은 전류로 고전압 U를 인가한다. 그런 다음 사전 정의된 시간 t(초) 동안 전압 U(볼트 단위)가 측정된다. 측정 방법은 표준 방법을 구성하며, 이 특정 예에서는 연결 라인당 1μF의 기생 커패시턴스과 약 403V의 배터리 시스템 전압의 경우 5000kOhm 의 저항을 가정한다.
전압 측정은 미리 정의된 7초의 시간 동안 각 연결 라인에 대해 수행된다. 먼저 양극(14)과 음극(16)을 측정하고, 각 경우에는 R0(왼쪽)과 연속적으로 공칭 저항(오른쪽)을 사용하여 측정된다. 직사각형 표시로 도시된 바와 같이, 각각의 측정이 끝나면 전압 포화(20)가 발생하며, 이 시점에서는 더 이상의 전압 변화(관련되거나 미리 정의된 허용 범위 내)가 측정되지 않는다. 이 방법에 따라 이러한 측정과 달성된 전압 포화를 기반으로 배터리의 절연 상태를 특징짓는 저항이 계산된다. 이러한 방법은 최대 30초가 소요될 수 있음을 알 수 있다. 필요한 정확도, 저항 및 기생 커패시턴스에 따라 측정이 더 오래 지속될 수도 있다.
도 3a 및 3b는 본 발명에 따른 검사 방법의 기술적 이점을 개략적으로 도시한 것이다. 각 유형의 배터리에 대해 바람직하게는 측정 및/또는 계산되는 미리 정의된 기생 커패시턴스와 배터리의 알려진 전압을 사용하여 적어도 하나의 절연 결함의 특징인 미리 정의된 저항에 기초하여, 해당 절연 결함이 발생한 경우 전압 포화가 발생해야 하는 시간적 임게값(22)이 결정된다.
도 3a는 절연 결함이 없는 일반적인 경우를 도시한 것이다. 이 경우, 시간적 임게값(22)에 해당하는 시점에서 전압 변화 24dU/dt가 결정된다. 이를 통해 이 시점에서는 아직 전압 포화가 발생하지 않았다고 판단되므로 (중요한) 절연 결함이 배제될 수 있다. 이 경우 결함이 없는 상태를 나타내는 안전 신호를 출력할 수 있으며, 예를 들어 고전압 스위칭 장치를 닫고 배터리 또는 배터리 시스템과 전기 모터와 같은 부하 사이의 전기 전도성이 있는 연결을 제공하기 위해 작동 신호를 출력할 수 있다.
그러나 도 3b에서는 절연 결함이나 작은 기생 커패시턴스이 존재한다. 따라서 전압 포화는 빠르게 발생(특히 시간적 임게값(22)에 도달하여 이를 초과하기 전에 발생)한다. 즉, 시간적 임게값(22)의 시점에서는 전압 변화가 확립되지 않고, 절연 결함이 존재함을 나타냄 및/또는 절연 상태의 추가 대체 점검을 시작하는 안전 신호가 그에 따라 출력된다. 즉, 시간적 임게값(22)에서 이미 전압 포화 20이 발생했다.
이러한 방식으로 절연 상태를 빠르게 확인할 수 있어 저항 기반 확인 방법에 비해 사용자의 대기 시간이 크게 줄어든다.
적용 가능한 경우, 예시적인 실시예에 설명된 모든 개별 특징은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 서로 결합 및/또는 교환될 수 있다.
1 배터리 시스템
10 배터리
12 연결선 또는 연결요소
14 양극
16 음극
18 섀시 또는 접지
20 전압 포화
22 시간적 임게값
24 전압변화
U 전압(V)
t 시간(초)

Claims (13)

  1. 적어도 2개의 배터리(10)를 포함하는 배터리(10) 또는 배터리 시스템(1), 바람직하게는 차량 또는 정적 저장 용도로 사용되 전기 자동차의 견인 배터리로 사용되는 고전압 배터리 또는 고전압 배터리 시스템의 절연 상태 점검 방법에 있어서,
    - 미리 정의된 시간(t)동안 배터리(10)의 연결 요소(12)와 접지(18) 사이의 전압(U)을 측정하는 단계;
    - 측정된 전압(U)을 평가하고 미리 정의된 시간적 임계값(22)에 대응하는 시점에 측정된 전압(U)의 변화(24)가 존재하는지 여부를 결정하는 단계; 및
    - 결정된 결과에 기초하여 절연 상태를 특성화하는 안전 신호를 출력하는 단계
    를 포함하는 절연 상태 점검 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    적어도 2개의 연결 요소(12)가 제공되고,
    상기 방법은 배터리(10)의 각 연결 요소(12)에 대해 수행되는, 절연 상태 점검 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    시간적 임계값(temporal threshold value, 22)은 배터리(10) 또는 배터리 시스템(1)의 기생 커패시턴스(parasitic capacitance)과 배터리(10) 또는 배터리 시스템(1)의 저항에 의해 정의되는, 절연 상태 점검 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 기생 커패시턴스는 배터리 특정 방식으로 정의되는, 절연 상태 점검 방법.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 기생 커패시턴스는 배터리(10) 또는 배터리 시스템(1)에 대해 측정 및/또는 계산되고,
    상기 기생 커패시턴스는 바람직하게는 상기 시간적 임계값을 결정하기 위한 미리 정의된 안전 계수만큼 증가되는, 절연 상태 점검 방법.
  6. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저항은 50kΩ 내지 250kΩ, 바람직하게는 75kΩ 내지 175kΩ인, 절연 상태 점검 방법.
  7. 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저항은 미리 정의된 시작 저항 또는 공칭 저항인, 절연 상태 점검 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    전압 변화(24)는 마지막 2개 내지 5개의 측정 지점, 바람직하게는 마지막 2개 또는 3개의 측정 지점에 대해 결정되고, 및/또는
    전압 변화(24)는 미리 정의된 최소 크기(minumum magnitude)가 하나 이상 있을 때 결정되는, 절연 상태 점검 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 안전 신호는 상기 시점에서 측정된 절대 전압값(U)에 기초하여 더 출력되는, 절연 상태 점검 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시점에서 결정된 전압 변화(24)의 경우, 상기 안전 신호는 고전압 스위칭 장치에 대한 작동 신호를 포함하거나, 전압 변화(24)가 없으면, 추가 절연 점검이 시작되는, 절연 상태 점검 방법.
  11. 배터리(10) 또는 배터리 시스템(1), 바람직하게는 전기 자동차의 트랙션(traction) 배터리의 절연 상태를 점검하기 위한 점검 모듈에 있어서, 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하도록 구성되는, 절연 상태 점검 모듈.
  12. 적어도 2개의 배터리(10)와 이에 통신 및/또는 전기 전도성으로 연결된 제11항에 따른 검사 모듈을 포함하는 배터리 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 점검 모듈에서 출력되는 안전 신호에 기초하여 각 배터리를 연결하는 고전압 스위칭 장치를 포함하는, 배터리 시스템.
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