KR102701207B1 - 배터리 절연 진단 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리의 절연 파괴 여부를 진단하는 장치를 개시한다. 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 절연 진단 장치는, 배터리 셀의 양극 단자와 접지 사이에 위치하며, 서로 직렬로 연결된 제1 분배 저항 및 제1 기준 저항을 구비하고, 상기 배터리 셀의 충방전 경로에 직접 연결된 제1 전압분배 회로; 상기 배터리 셀의 음극 단자와 접지 사이에 위치하며, 서로 직렬로 연결된 제2 분배 저항, 제2 기준 저항 및 기준 전원을 구비하고, 상기 배터리 셀의 충방전 경로에 직접 연결된 제2 전압분배 회로; 상기 제1 분배 저항과 상기 제1 기준 저항 사이의 제1 진단 전압, 및 상기 제2 분배 저항과 상기 제2 기준 저항 사이의 제2 진단 전압을 측정하는 전압 검출부; 및 상기 전압 검출부에 의해 측정된 상기 제1 진단 전압과 상기 제2 진단 전압, 및 상기 제1 전압분배 회로와 상기 제2 전압분배 회로에 흐르는 전류를 이용하여 배터리의 절연 파괴 여부를 진단하는 제어부를 포함한다.

Description

배터리 절연 진단 장치{APPARATUS FOR DIAGNOSING ISOLATION OF BATTERY}
본 발명은 배터리 절연 진단 기술에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배터리의 누전 여부 등을 판단하기 위해 배터리의 절연 파괴 여부를 진단하는 장치 및 이를 포함하는 배터리 팩 등에 관한 것이다.
근래에 들어서, 스마트폰, 노트북 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 특히, 최근에는 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같이 배터리 구동 자동차에 대한 수요와 관심이 점차 증가되고 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 출력이 우수하다는 등의 장점으로 널리 이용되고 있다.
이와 같은 배터리에는 여러 특성이 요구되고 있는데, 그 중 중요한 특성 중 하나가 안전성이다. 배터리의 안전성을 확보하기 위한 사항으로 여러 가지 항목이 포함될 수 있다. 특히, 배터리의 안전성을 위한 중요한 요소 중 하나가, 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 고전압 및 고출력 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. 따라서, 배터리의 절연성이 제대로 확보되었는지 확실하게 파악될 필요가 있다.
이러한 배터리의 절연성을 판단하기 위해, 기존에 배터리의 누설 전류를 검출하기 위한 여러 방안이 제안 내지 채용되고 있다. 특히, 배터리의 누설 전류를 검출하기 위한 대표적인 기술로서, 절연형 스위치와 다수의 저항이 배터리의 양단에 배치된 형태로 구성된 전압 분배 회로를 들 수 있다. 이러한 기존의 전압 분배 회로 구성에서는, 양단에 배치된 절연형 스위치가 순차적으로 온/오프되고, 이러한 스위치의 온/오프 과정에서 수집된 정보를 바탕으로 절연 저항이 판단된다.
그러나, 이러한 종래의 전압 분배 회로에 의한 절연 저항 측정 기술은, 절연형 스위치가 반드시 구비되어야 하고, 더욱이 절연형 스위치를 적절하게 제어한 상태에서 여러 정보가 수집되어야 한다. 따라서, 절연 저항 측정을 위한 스위치의 제어 구성이 복잡하고 이 과정에서 정확도가 떨어질 수 있으며, 시간이 오래 소요되고 전력 소모가 심하다는 등의 문제를 가질 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 절연형 스위치의 제어가 불필요하고 보다 간소화된 구성을 갖는 절연 진단 장치 등을 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 진단 장치는, 배터리 셀의 양극 단자와 접지 사이에 위치하며, 서로 직렬로 연결된 제1 분배 저항 및 제1 기준 저항을 구비하고, 상기 배터리 셀의 충방전 경로에 직접 연결된 제1 전압분배 회로; 상기 배터리 셀의 음극 단자와 접지 사이에 위치하며, 서로 직렬로 연결된 제2 분배 저항, 제2 기준 저항 및 기준 전원을 구비하고, 상기 배터리 셀의 충방전 경로에 직접 연결된 제2 전압분배 회로; 상기 제1 분배 저항과 상기 제1 기준 저항 사이의 제1 진단 전압, 및 상기 제2 분배 저항과 상기 제2 기준 저항 사이의 제2 진단 전압을 측정하는 전압 검출부; 및 상기 전압 검출부에 의해 측정된 상기 제1 진단 전압과 상기 제2 진단 전압, 및 상기 제1 전압분배 회로와 상기 제2 전압분배 회로에 흐르는 전류를 이용하여 배터리의 절연 파괴 여부를 진단하는 제어부를 포함한다.
여기서, 상기 제어부는, 상기 제1 전압분배 회로에 흐르는 전류와 상기 제2 전압분배 회로 사이의 차로서 누설 전류를 계산하고, 상기 계산된 누설 전류를 이용하여 상기 배터리의 절연 파괴 여부를 진단할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 절연 진단 장치는, 상기 배터리 셀의 양극 단자와 접지 사이에 위치하며, 상기 제1 전압분배 회로와 병렬로 연결된 양극 진단 저항; 및 상기 배터리 셀의 음극 단자와 접지 사이에 위치하며, 상기 제2 전압분배 회로와 병렬로 연결된 음극 진단 저항을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 양극 진단 저항과 상기 음극 진단 저항은, 동일한 저항값을 갖도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 제1 전압분배 회로에 흐르는 전류와 상기 제2 전압분배 회로, 상기 양극 진단 저항 및 상기 음극 진단 저항 모두에 흐르는 전류 사이의 차로서 배터리 누설 전류를 계산하고, 계산된 배터리 누설 전류를 이용하여 배터리의 절연 파괴 여부를 진단할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 배터리 셀의 양극 단자 전압과 상기 양극 진단 저항의 저항값을 이용하여 상기 양극 진단 저항에 흐르는 전류를 계산하고, 상기 배터리 셀의 음극 단자 전압과 상기 음극 진단 저항의 저항값을 이용하여 상기 음극 진단 저항에 흐르는 전류를 계산할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 배터리 셀의 양극 단자 전압과 상기 배터리 셀의 음극 단자 전압을 비교하여, 배터리의 절연 파괴 위치를 판단할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 배터리의 절연 파괴 위치가 상기 배터리 셀의 양극 단자 측으로 판단된 경우, 배터리 누설 전류와 상기 제1 진단 전압을 이용하여 상기 배터리의 양극 단자 측 절연 저항을 추정할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 배터리의 절연 파괴 위치가 상기 배터리 셀의 음극 단자 측으로 판단된 경우, 배터리 누설 전류, 상기 제2 진단 전압, 및 상기 기준 전원에 의해 공급되는 기준 전압을 이용하여 상기 배터리의 음극 단자 측 절연 저항을 추정할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 본 발명에 따른 배터리 절연 진단 장치를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 절연 진단 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 배터리의 전류 누설 여부를 측정하기 위한 배터리의 절연 저항 검출이 보다 효과적으로 이루어질 수 있다.
특히, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 배터리의 절연 저항을 검출하는 과정에서, 전압 분배 회로의 절연형 스위치를 제어할 필요가 없다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 배터리의 절연 저항을 검출하기 위한 스위칭 동작을 수행함에 있어, 스위칭 안정화 과정을 거칠 필요가 없다.
나아가, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 배터리의 절연 저항을 검출하기 위한 전압 분배 회로에 있어서, 배터리의 양단 모두에 절연형 스위치를 구비할 필요가 없다.
따라서, 본 발명의 적어도 일 실시 구성에 의하면, 배터리의 절연 저항을 검출하기 위한 구성이나 동작이 보다 간소화될 수 있다.
그러므로, 이 경우, 배터리의 절연 저항을 검출하는데 소요되는 시간이나 전력 등을 감소할 수 있다.
또한, 이 경우, 배터리의 절연 저항 검출에 대한 정확도가 보다 향상될 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 진단 장치의 기능적 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 절연 진단 장치가 포함된 배터리 팩의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 절연 진단 장치가 포함된 배터리 팩의 회로 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 절연 진단 장치가 포함된 배터리 팩의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는, 도 4의 배터리 절연 진단 장치가 적용된 회로 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 절연 진단 장치가 포함된 배터리 팩에서 양극 단자 측 절연이 파괴된 경우의 회로 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 절연 진단 장치가 포함된 배터리 팩에서 음극 단자 측 절연이 파괴된 경우의 회로 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
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 진단 장치의 기능적 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 절연 진단 장치가 포함된 배터리 팩의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 절연 진단 장치는, 제1 전압분배 회로(100), 제2 전압분배 회로(200), 전압 검출부(300) 및 제어부(400)를 포함한다.
상기 제1 전압분배 회로(100)는, 배터리 셀(1)의 양극 단자와 접지 사이에 위치할 수 있다.
여기서, 배터리 셀(1)은, 전기적 에너지를 저장하는 수단으로서, 하나 이상의 이차 전지를 구비할 수 있다. 예를 들어, 배터리 셀(1)은, 다수의 이차 전지가 직렬 및/또는 병렬로 연결된 형태로 구성될 수 있다.
또한, 배터리 팩에는 팩 단자(Pack+, Pack-)가 구비되어, 배터리 팩의 외부 장치가 연결되도록 구성될 수 있다. 즉, 배터리 팩의 팩 단자(Pack+, Pack-)에는 외부 장치가 구비되어, 배터리 셀(1)로부터 에너지를 공급받거나(배터리 팩의 방전) 배터리 셀(1)로 에너지를 공급할 수 있다(배터리 팩의 충전). 이를 위해, 배터리 팩의 내부 공간에는, 배터리 셀(1)과 팩 단자(Pack+, Pack-) 사이의 경로에 충방전 경로가 구비될 수 있다. 충방전 경로는, 팩 단자 측에 부하가 연결되는 경우, 전기적으로 연결되어 하나의 폐회로를 형성함으로써 충방전 전류가 흐를 수 있는데, 구조적으로 양극 충방전 경로(P+)와 음극 충방전 경로(P-)로 구분될 수 있다. 양극 충방전 경로(P+)는 배터리 셀(1)의 양극 단자(C+)와 양극 팩 단자(Pack+) 사이의 경로를 나타내고, 음극 충방전 경로(P-)는 배터리 셀(1)의 음극 단자(C-)와 음극 팩 단자(Pack-) 사이의 경로를 나타낼 수 있다.
상기 제1 전압분배 회로(100)는, 배터리 셀(1)의 양극 충방전 경로(P+)와 접지 사이에 위치할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 배터리 절연 진단 장치는, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 전압분배 경로(D1)로서, 배터리 셀(1)의 양극 충방전 경로(P+) 상의 한 노드(N1)와 접지를 연결하는 경로를 구비할 수 있다. 그리고, 상기 제1 전압분배 회로(100)는, 이러한 제1 전압분배 경로(D1) 상에 위치할 수 있다.
상기 제1 전압분배 회로(100)는, 제1 분배 저항(110) 및 제1 기준 저항(120)을 구비할 수 있다. 더욱이, 이러한 제1 분배 저항(110) 및 제1 기준 저항(120)은 서로 직렬로 연결된 형태로 구성될 수 있다. 이에 대해서는, 도 3을 참조하여 보다 상세하게 설명하도록 한다.
특히, 본 발명에 따른 배터리 절연 진단 장치에서, 상기 제1 전압분배 회로(100)는, 배터리 셀(1)의 충방전 경로에 직접 연결될 수 있다. 여기서, 직접 연결되었다는 것은 그 사이에 다른 구성요소가 개재되지 않음을 의미할 수 있다. 즉, 제1 전압분배 회로(100)는 일단이 배터리 셀(1)의 양극 충방전 경로(P+)에 연결될 수 있는데, 이러한 제1 전압분배 회로(100)와 배터리 셀(1)의 양극 충방전 경로(P+) 사이에는 다른 구성요소가 존재하지 않을 수 있다. 특히, 상기 제1 전압분배 회로(100)와 배터리 셀(1)의 양극 충방전 경로(P+) 사이에는 스위칭 소자가 구비되지 않을 수 있다.
뿐만 아니라, 상기 제1 전압분배 회로(100) 내에는 물론이고, 제1 전압분배 회로(100)와 접지 사이에도 스위칭 소자가 구비되지 않을 수 있다. 다시 말해, 제1 전압분배 회로(100)가 위치하는 제1 전압분배 경로(D1)에는 어떠한 스위칭 소자도 구비되지 않을 수 있다.
따라서, 상기 제1 전압분배 회로(100)는, 상기 배터리 셀(1)의 양극 충방전 경로(P+)와 접지 사이에서 항상 연결된 상태가 유지되도록 구성될 수 있다. 물론, 이러한 연결 유지 상태는, 스위칭 소자를 구비하되, 해당 스위칭 소자가 항상 턴온 상태로 유지되는 것도 포함될 수 있다.
상기 제2 전압분배 회로(200)는, 배터리 셀(1)의 음극 단자와 접지 사이에 위치할 수 있다. 즉, 상기 제2 전압분배 회로(200)는, 배터리 셀(1)의 음극 충방전 경로(P-)와 접지 사이에 위치할 수 있다. 보다 구체적으로 도 2에 도시된 바를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 절연 진단 장치는, 제2 전압분배 경로(D2)로서, 배터리 셀(1)의 음극 충방전 경로(P-) 상의 한 노드와 접지를 연결하는 경로를 구비할 수 있다. 그리고, 상기 제2 전압분배 회로(200)는, 이러한 제2 전압분배 경로(D2) 상에 위치할 수 있다.
상기 제2 전압분배 회로(200)는, 제2 분배 저항(210), 제2 기준저항 및 기준 전원(230)을 구비할 수 있다. 더욱이, 이러한 제2 분배 저항(210), 제2 기준저항 및 기준 전원(230)은 서로 직렬로 연결된 형태로 구성될 수 있는데, 이에 대해서는 도 3을 참조하여 보다 상세하게 설명하도록 한다.
특히, 본 발명에 따른 배터리 절연 진단 장치에서, 상기 제2 전압분배 회로(200)는, 배터리 셀(1)의 충방전 경로에 직접 연결될 수 있다. 여기서, '직접 연결'의 의미는 앞서 제1 전압분배 회로(100)에서 설명한 바와 같이, 그 사이에 다른 구성요소가 개재되지 않음을 의미할 수 있다. 즉, 제2 전압분배 회로(200)는 일단이 배터리 셀(1)의 음극 충방전 경로(P-)에 연결될 수 있는데, 이러한 제2 전압분배 회로(200)와 배터리 셀(1)의 음극 충방전 경로(P-) 사이에는 다른 구성요소가 존재하지 않을 수 있다. 특히, 상기 제2 전압분배 회로(200)와 배터리 셀(1)의 음극 충방전 경로(P-) 사이에는 스위칭 소자가 구비되지 않을 수 있다.
뿐만 아니라, 상기 제2 전압분배 회로(200) 내에는 물론이고, 제2 전압분배 회로(200)와 접지 사이에도 스위칭 소자가 구비되지 않을 수 있다. 다시 말해, 제2 전압분배 회로(200)가 위치하는 제2 전압분배 경로(D2)에는 어떠한 스위칭 소자도 구비되지 않을 수 있다.
따라서, 상기 제2 전압분배 회로(200)는, 상기 배터리 셀(1)의 음극 충방전 경로(P-)와 접지 사이에서 항상 연결된 상태가 유지되도록 구성될 수 있다. 물론, 이러한 연결 유지 상태는, 스위칭 소자를 구비하되, 해당 스위칭 소자가 항상 턴온 상태로 유지되는 것도 포함될 수 있다.
상기 전압 검출부(300)는, 제1 전압 분배 회로에서 제1 분배 저항(110)과 제1 기준 저항(120) 사이의 전압인 제1 진단 전압을 측정하도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 전압 검출부(300)는, 제2 전압 분배 회로에서 제2 분배 저항(210)과 제2 기준 저항(220) 사이의 전압인 제2 진단 전압을 측정하도록 구성될 수 있다. 그리고, 전압 검출부(300)는, 측정된 전압에 대한 정보를 제어부(400) 등으로 송신하도록 구성될 수 있다.
상기 전압 검출부(300)는, 이러한 제1 진단 전압 및 제2 진단 전압을 측정하고 전송하기 위해, 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 전압 측정 및 데이터 전송 기술을 채용할 수 있다. 예를 들어, 상기 전압 검출부(300)는, 본 발명의 출원 시점에 공지된 다양한 전압 센서 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다.
상기 제어부(400)는, 전압 검출부(300)로부터 송신된 전압에 대한 정보를 수신할 수 있다. 즉, 상기 제어부(400)는, 전압 검출부(300)에 의해 측정된 제1 진단 전압과 제2 진단 전압을 수신할 수 있다. 그리고, 제어부(400)는, 이러한 제1 진단 전압과 제2 진단 전압, 그리고, 제1 전압분배 회로(100) 및 제2 전압분배 회로(200)에 흐르는 전류를 이용하여 배터리의 절연성, 즉 배터리의 절연 파괴 여부를 진단하도록 구성될 수 있다.
한편, 상기 제어부(400)는 본 발명에서 수행되는 다양한 제어 로직들을 실행하기 위해 당업계에 알려진 프로세서, ASIC(application-specific integrated circuit), 다른 칩셋, 논리 회로, 레지스터, 통신 모뎀, 데이터 처리 장치 등을 선택적으로 포함할 수 있다. 또한, 제어 로직이 소프트웨어로 구현될 때, 상기 제어부(400)는 프로그램 모듈의 집합으로 구현될 수 있다. 이때, 프로그램 모듈은 메모리에 저장되고, 프로세서에 의해 실행될 수 있다. 상기 메모리는 프로세서 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 잘 알려진 다양한 수단으로 프로세서와 연결될 수 있다. 더욱이, 배터리 팩에는 MCU(Micro Controller Unit) 내지 BMS(Battery Management System)와 같은 용어로 지칭되는 제어 유닛이 포함되는 경우가 많다. 상기 제어부(400)는, 이러한 종래 배터리 팩에 구비된 MCU나 BMS 등의 구성요소에 의해 구현될 수도 있다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 절연 진단 장치가 포함된 배터리 팩의 회로 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다. 다만, 도 3에서는 회로 구성의 명확한 도시를 위해 전압 검출부(300) 및 제어부(400)에 대해서는 도시되지 않도록 한다.
한편, 도 3에는, 점선으로 표시된 바와 같이, 배터리 팩의 양극 단자 측과 배터리 팩의 음극 단자 측에 각각 저항 성분이 연결된 것으로 도시되어 있다. 여기서, 배터리 팩의 양극 단자 측에 연결된 저항 성분은 배터리의 양극 단자 측 절연 저항이고, 배터리 셀(1)의 음극 단자 측에 연결된 저항 성분은 배터리의 음극 단자 측 절연 저항이라 할 수 있다. 이러한 절연 저항 성분들은, 배터리의 절연 상태에 대응되는 가상의 저항 성분으로서, 배터리의 절연 상태가 잘 유지된 경우, 충분히 큰 저항값을 가질 것이다. 그러나, 배터리의 절연 상태가 파괴된 경우, 이러한 절연 저항 성분들은, 기준치 이하로 매우 작아질 것이다. 따라서, 이러한 절연 저항의 저항값을 통해, 배터리의 절연 상태가 파괴되었는지 판단될 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 제1 전압분배 회로(100)에 구비된 제1 분배 저항(110) 및 제1 기준 저항(120)은, 서로 직렬로 연결될 수 있다. 특히, 제1 전압분배 회로(100)는, 제1 분배 저항(110)이 배터리 팩의 양극 충방전 경로(P+) 측에 위치하고, 제1 기준 저항(120)이 접지(샤시) 측에 위치하도록 구성될 수 있다. 그리고, 제1 전압분배 회로(100)에서 제1 분배 저항(110)과 제1 기준 저항(120) 사이의 전압은, 제1 진단 전압(Vc1)으로서 전압 검출부(300)에 의해 측정될 수 있다.
특히, 제1 전압분배 회로(100)는, 제1 분배 저항(110)의 저항값이 제1 기준 저항(120)의 저항값보다 매우 크게 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 전압분배 회로(100)에서, 제1 분배 저항(110)은 8㏁의 저항값을 갖는 저항 소자로 구현되고, 제1 기준 저항(120)은 72㏀의 저항값을 갖는 저항 소자로 구현될 수 있다.
또한, 도 3을 참조하면, 제2 전압분배 회로(200)에 구비된 제2 분배 저항(210), 제2 기준 저항(220) 및 기준 전원(230)은, 서로 직렬로 연결될 수 있다. 특히, 배터리 팩의 음극 충방전 경로로부터 접지까지, 제2 분배 저항(210), 제2 기준 저항(220) 및 기준 전원(230)이 순차적으로 위치할 수 있다. 즉, 제2 전압분배 회로(200) 내에서, 제2 분배 저항(210)이 음극 충방전 경로 측에 위치하고, 기준 전원(230)이 접지 측에 위치하며, 제2 기준 저항(220)은, 제2 분배 저항(210)과 기준 전원(230) 사이에 배치될 수 있다. 더욱이, 기준 전원(230)은, 양극 단자가 제2 기준 저항(220) 측에 위치하고, 음극 단자가 접지 측에 위치하도록 구성될 수 있다.
특히, 제2 전압분배 회로(200)는, 제2 분배 저항(210)의 저항값이 제2 기준 저항(220)의 저항값보다 매우 크게 구성될 수 있다. 더욱이, 제2 전압분배 회로(200)는, 기준 전원(230)을 제외하고는, 제1 전압분배 회로(100)와 대칭이 되는 형태로 구성될 수 있다. 즉, 제2 분배 저항(210)은 제1 분배 저항(110)과 동일한 저항값을 갖고, 제2 기준 저항(220)은 제1 기준 저항(120)과 동일한 저항값을 갖도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제2 전압분배 회로(200)에서, 제2 분배 저항(210)은 제1 분배 저항(110)과 같이 8㏁의 저항값을 갖는 저항 소자로 구현되고, 제2 기준 저항(220)은 제1 기준 저항(120)과 같이 72㏀의 저항값을 갖는 저항 소자로 구현될 수 있다. 한편, 기준 전원(230)은, 측정된 전압값을 아날로그에서 디지털로 변환(AD 컨버팅)하기에 적절한 값으로 설정될 수 있다.
상기 제어부(400)는, 제1 전압분배 회로(100)의 제1 진단 전압과 전류, 그리고 제2 전압분배 회로(200)의 제2 진단 전압과 전류를 이용하여 배터리의 절연 파괴 여부를 진단할 수 있다.
여기서, 상기 제어부(400)는, 다음의 수학식을 통해, 제1 진단 전압과 제1 기준 저항(120)의 저항값을 이용하여 제1 전압분배 회로(100)에 흐르는 전류를 계산할 수 있다.
(수학식 1)
Id1 = Vc1 / Rref1
여기서, Id1은 제1 전압분배 회로(100)에 흐르는 전류를 나타내고, Vc1은 제1 진단 전압값을 나타내며, Rref1은 제1 기준저항(120)의 저항값을 나타낸다. 여기서, Id1은 배터리 팩의 양극 충방전 경로에서 접지로 향하는 방향의 전류이다.
또한, 상기 제어부(400)는, 다음의 수학식을 통해, 제2 진단 전압과 제2 기준 저항(220)의 저항값을 이용하여 제2 전압분배 회로(200)에 흐르는 전류를 계산할 수 있다.
(수학식 2)
Id2 = (Vref -Vc2) / Rref2
여기서, Id2는 제2 전압분배 회로(200)에 흐르는 전류를 나타내고, Vref는 기준 전원(230)의 전압값을 나타내며, Vc2는 제2 진단 전압값을 나타내고, Rref2는 제2 기준저항(220)의 저항값을 나타낸다. 특히, Id2는, 도면에 도시된 바와 같이, 접지에서 배터리 팩의 음극 충방전 경로로 향하는 방향의 전류이다.
그리고, 제어부(400)는, 이와 같이 계산된 Id1과 Id2를 이용하여 배터리 누설 전류(IL)를 계산할 수 있다. 여기서, IL은, 접지로부터 배터리 팩의 양극 충방전 경로 및/또는 음극 충방전 경로로 향하는 방향의 전류일 수 있다. 특히, 배터리 누설 전류(IL)는, 양극 절연 저항(10)에 흐르는 누설 전류(ILp)이거나, 음극 절연 저항(20)에 흐르는 누설 전류(ILn)이거나, 또는 이들 양단에 흐르는 누설 전류(ILp, ILn)의 합산값일 수 있다.
상기 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 절연 진단 장치의 경우, 제1 분배 저항(110)과 제2 분배 저항(210)은, 배터리 팩의 충방전 경로에 직접 연결될 수 있다.
즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 전압분배 회로(100)에서, 제1 분배 저항(110)이 배터리 팩의 양극 충방전 경로 측에 위치하는데, 이러한 제1 분배 저항(110)은 배터리 팩의 양극 충방전 경로에 직접 연결되고, 제1 분배 저항(110)과 배터리 팩의 양극 충방전 경로 사이에는 다른 구성요소가 구비되지 않을 수 있다. 특히, 종래 배터리 절연 진단 기술에 의하면, 이러한 양극 측 전압분배 회로에서 양극 측 분배 저항과 양극 측 충방전 경로 사이에 절연형 스위치가 구비되는 경우가 많다. 그러나, 본 발명의 상기 실시예에 따른 배터리 절연 진단 장치의 경우, 양극 측 분배 저항인 제1 분배 저항(110)과 양극 충방전 경로 사이에 절연형 스위치가 구비될 필요가 없다. 더 나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 절연 진단 장치의 경우, 제1 전압분배 회로(100) 전체에서 스위치가 구비될 필요가 없다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 절연 진단 장치의 경우, 상기 제2 분배 저항(210)은, 배터리의 음극 단자에 직접 연결될 수 있다.
즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 제2 전압분배 회로(200)에서, 제2 분배 저항(210)이 배터리 팩의 음극 충방전 경로 측에 위치하는데, 이러한 제2 분배 저항(210)은 배터리 팩의 음극 충방전 경로에 직접 연결되고, 제2 분배 저항(210)과 배터리 팩의 음극 충방전 경로 사이에는 다른 구성요소가 구비되지 않을 수 있다. 특히, 종래 배터리 절연 진단 기술에 의하면, 이러한 음극 측 전압분배 회로에서 음극 측 분배 저항과 음극 측 충방전 경로 사이에 절연형 스위치가 구비되는 경우가 대부분이다. 그러나, 본 발명의 상기 실시예에 따른 배터리 절연 진단 장치의 경우, 음극 측 분배 저항인 제2 분배 저항(210)과 음극 충방전 경로 사이에 절연형 스위치가 구비될 필요가 없다. 더 나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 절연 진단 장치의 경우, 제2 전압분배 회로(200) 전체에서 스위치가 구비될 필요가 없다.
본 발명의 상기 실시예와 같이, 제1 전압분배 회로(100) 및/또는 제2 전압분배 회로(200) 내에 스위치가 구비되지 않는 구성의 경우, 스위치라는 소자를 전압 분배 회로에서 제거할 수 있으므로, 배터리 절연 진단 장치의 구성이 보다 간단해질 수 있다. 따라서, 배터리 절연 진단 장치의 제조 비용 및 시간이 감소될 수 있다. 더욱이, 상기 실시 구성에 의하면, 제1 전압분배 회로(100) 및/또는 제2 전압분배 회로(200)에 구비된 스위치를 적절한 시점에 온/오프 동작하도록 제어할 필요가 없다. 따라서, 배터리 절연성 진단 구성이 보다 간소화될 수 있으며, 배터리 절연 저항 추정의 오차가 감소하여 정확도가 보다 향상될 수 있다. 또한, 종래에는 보다 정확한 진단을 위해서는, 스위칭 동작 후 소정의 스위칭 안정화 시간이 필요하였으나, 본 발명의 상기 측면에 의하면, 이러한 스위칭 안정화 시간이 불필요하다. 따라서, 배터리 절연 진단 시간이 보다 단축될 수 있다.
바람직하게는, 상기 제어부(400)는, 제1 전압분배 회로(100)에 흐르는 전류와 제2 전압분배 회로(200)에 흐르는 전류를 이용하여 배터리 누설 전류, 즉 배터리 팩에 흐르는 누설 전류를 계산할 수 있다.
예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 전압분배 회로(100), 제2 전압분배 회로(200) 및 배터리 누설 전류를 각각, Id1, Id2, 및 IL이라 할 때, 각 전류 사이의 관계는 다음과 같이 표시될 수 있다.
(수학식 3)
IL = Id1 - Id2
즉, 배터리의 양극 단자 및 음극 단자 측에 흐르는 전체 누설 전류(IL)는, 제1 전압분배 회로(100)에 흐르는 전류에서, 제2 전압분배 회로(200)에 흐르는 전류를 뺀 값과 같다고 할 수 있다.
상기 제어부(400)는, 이와 같이 계산된 배터리의 누설 전류(IL)를 이용하여, 배터리의 절연성이 파괴되었는지 여부를 진단할 수 있다. 예를 들어, 상기 제어부(400)는, 계산된 배터리 누설 전류(IL)가 소정의 기준 전류값 이상인 경우, 배터리의 절연성이 파괴되었다고 진단할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 진단 장치는 저장부를 더 포함할 수 있다. 저장부는 제어부(400)가 절연 저항 측정 회로를 진단하는데 필요한 프로그램 및 데이터 등을 저장할 수 있다. 즉, 저장부는 본 발명의 일 실시예에 따른 절연 저항 측정 회로 진단 장치의 각 구성요소가 동작 및 기능을 수행하는데 필요한 데이터나 프로그램 또는 동작 및 기능이 수행되는 과정에서 생성되는 데이터 등을 저장할 수 있다. 예를 들어, 상기 저장부는, 제어부(400)가 배터리의 절연 파괴 여부를 진단하기 위해 필요한 데이터, 이를테면 누설 전류와 비교되기 위한 기준 전류값을 저장할 수 있다.
상기 저장부는 데이터를 기록, 소거, 갱신 및 독출할 수 있다고 알려진 공지의 정보 저장 수단이라면 그 종류에 특별한 제한이 없다. 일 예시로서, 정보 저장 수단에는 RAM, 플래쉬 메모리, ROM, EEPROM, 레지스터 등이 포함될 수 있다. 또한, 저장부는 제어부(400)에 의해 실행 가능한 프로세스들이 정의된 프로그램 코드들을 저장할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 절연 진단 장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 양극 진단 저항(500) 및 음극 진단 저항(600)을 더 포함할 수 있다. 이에 대해서는, 도 4 및 도 5를 더 참조하여 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 절연 진단 장치가 포함된 배터리 팩의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 5는 도 4의 배터리 절연 진단 장치가 적용된 회로 구성의 일례를 나타내는 도면이다. 이하에서는, 앞선 실시예와 차이점이 있는 부분을 위주로 설명하며, 앞선 실시예에 대한 설명이 동일 또는 유사하게 적용될 수 있는 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 양극 진단 저항(500)은, 배터리 셀(1)의 양극 단자(C+)와 접지 사이에 위치할 수 있다. 즉, 상기 양극 진단 저항(500)은, 배터리 팩의 양극 충방전 경로(P+) 상의 한 노드(N1')와 접지를 연결하는 경로에 구비될 수 있다. 특히, 양극 진단 저항(500)은, 도면에 도시된 바와 같이, 제1 전압분배 회로(100)와 병렬로 연결될 수 있다. 이하에서는, 제1 전압분배 경로(D1)와의 구별을 위해, 양극 진단 저항(500)이 구비된 경로를 양극 진단 경로(D+)로 나타낼 수 있다. 한편, 양극 진단 경로(D+)와 양극 충방전 경로(P+) 사이의 노드(N1')는, 제1 전압 분배 경로(D1)와 양극 충방전 경로(P+) 사이의 노드(N1)와 회로적으로 동일한 노드일 수 있다.
또한, 상기 음극 진단 저항(600)은, 배터리 셀(1)의 음극 단자(C-)와 접지 사이에 위치할 수 있다. 즉, 상기 음극 진단 저항(600)은, 배터리 팩의 음극 충방전 경로(P-) 상의 한 노드(N2')와 접지를 연결하는 경로에 구비될 수 있다. 특히, 음극 진단 저항(600)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 제2 전압분배 회로(200)와 병렬로 연결될 수 있다. 이하에서는, 제2 전압분배 경로(D2)와의 구별을 위해, 음극 진단 저항(600)이 구비된 경로를 음극 진단 경로(D-)로 나타낼 수 있다. 한편, 음극 진단 경로(D-)와 음극 충방전 경로(P-) 사이의 노드(N2')는, 제1 전압 분배 경로(D2)와 음극 충방전 경로(P-) 사이의 노드(N2)와 회로적으로 동일한 노드일 수 있다.
이와 같은 구성에서, 상기 제어부(400)는, 제1 전압분배 회로(100), 제2 전압분배 회로(200)에 흐르는 전류와 함께, 양극진단 저항 및 음극 진단 저항(600)에 흐르는 전류를 이용하여 배터리 누설 전류를 계산할 수 있다. 특히, 제어부(400)는, 제1 전압분배 회로(100)에 흐르는 전류와 제2 전압분배 회로(200), 양극 진단 저항(500) 및 음극 진단 저항(600) 모두에 흐르는 전류 사이의 차로서 누설 전류를 계산하고, 이를 통해 배터리의 절연 파괴 여부를 진단할 수 있다.
보다 구체적으로, 도 5에 도시된 구성을 참조하면, 제1 전압분배 회로(100)에 흐르는 전류를 Id1, 제2 전압분배 회로(200)에 흐르는 전류를 Id2, 양극 진단 저항(500)에 흐르는 전류를 Idp, 음극 진단 저항(600)에 흐르는 전류를 Idn이라 할 수 있다. 그리고, 양극 단자 측에 흐르는 누설 전류를 ILp, 음극 단자 측에 흐르는 누설 전류를 ILn이라 할 수 있다.
여기서, 누설 전류와 각 회로 내지 소자에 흐르는 전류 사이의 관계를 다음의 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
(수학식 4)
IL = ILp + ILn = Id1 - Id2 - Idp - Idn
여기서, IL은 배터리 누설 전류이며, Idp의 흐름 방향은 접지로부터 배터리 팩의 양극 충방전 경로(P+)를 향하는 방향이고, Idn의 흐름 방향은 접지로부터 배터리 팩의 음극 충방전 경로(P-)를 향하는 방향일 수 있다. 그리고, Id1, Id2, ILp 및 ILn의 전류 방향은 앞선 도 3의 실시예에서 각 전류의 흐름 방향과 동일하다.
상기 수학식 4에 기재된 바와 같이, 배터리의 양극 단자 및 음극 단자 측에 흐르는 전체 누설 전류는, 제1 전압분배 회로(100)에 흐르는 전류에서, 제2 전압분배 회로(200)에 흐르는 전류, 양극 진단 저항(500)에 흐르는 전류 및 음극 진단 저항(600)에 흐르는 전류의 합을 뺀 값과 같다고 할 수 있다.
그리고, 상기 제어부(400)는, 이와 같이 계산된 배터리의 누설 전류를 이용하여, 배터리의 절연성이 파괴되었는지 여부를 진단할 수 있다.
상기 수학식 4에서, Id1 및 Id2는, 앞선 도 3의 실시예에 설명된 수학식 1 및 수학식 2를 이용하여 산출될 수 있다.
그리고, 양극 진단 저항(500)에 흐르는 전류 Idp는, 다음의 수학식 5에 의해 계산될 수 있다.
(수학식 5)
Idp= - (Vcp / Rp)
여기서, Vcp는, 배터리 셀(1)의 양극 단자 전압으로서, 도 5에서 N1' 노드와 접지 사이의 전압이라 할 수 있다. 또한, 이러한 Vcp는 배터리 팩의 양극 팩 단자에 걸리는 전압이라고 할 수도 있다. Vcp는, 상대적으로 배터리 셀(1)의 양극 단자 측이 측이 + 전위이고 접지 측이 - 전위일 수 있다. 그리고, Rp는, 양극 진단 저항(500)의 저항값이라 할 수 있다. 예를 들어, 양극 진단 저항(500)은, 6㏁의 저항값을 갖는 저항 소자로 구현될 수 있는데, 이 경우 상기 수학식 5에서 Rp는 6㏁으로 입력될 수 있다.
또한, 음극 진단 저항(600)에 흐르는 전류 Idn은, 다음의 수학식 6에 의해 계산될 수 있다.
(수학식 6)
Idn = (Vcn / Rn)
여기서, Vcn은, 배터리 셀(1)의 음극 단자 전압으로서, 도 5에서 N2' 노드와 접지 사이의 전압이라 할 수 있다. 또한, 이러한 Vcn은 배터리 팩의 음극 팩 단자에 걸리는 전압이라고 할 수도 있다. Vcn은, 상대적으로 접지 측이 + 전위이고 배터리 셀(1)의 음극 단자 측이 - 전위일 수 있다. 고전압배터리 셀(1)의 양극 단자 전압 Vcn과 배터리 셀(1)의 음극 단자 전압 Vcp의 합은, 배터리 셀(1)의 양단 전압 Vpack과 같다고 할 수 있다. 즉, Vcp+Vcn = Vpack의 관계가 성립할 수 있다. 그리고, Rn은, 음극 진단 저항(600)의 저항값이라 할 수 있다. 예를 들어, 음극 진단 저항(600)은, 6㏁의 저항값을 갖는 저항 소자로 구현될 수 있는데, 이 경우 상기 수학식 6에서 Rn은 6㏁으로 입력될 수 있다. 이러한 양극 진단 저항(500)의 저항값 및 음극 진단 저항(600)의 저항값은, 저장부 등에 미리 저장될 수 있다. 그리고, 상기 제어부(400)는, 이와 같이 저장부에 저장된 양극 진단 저항(500) 및 음극 진단 저항(600)의 저항값을 독출할 수 있다.
상기 실시 구성에서, 양극 진단 저항(500) 및 음극 진단 저항(600)은, 배터리 셀(1)이나 배터리 팩의 사양, 배터리 팩이 적용되는 장치의 사양 등을 고려하여 적절한 저항값을 갖는 저항 소자로 구현될 수 있다. 특히, 양극 진단 저항(500) 및 음극 진단 저항(600)은, 제1 분배 저항(110) 및 제2 분배 저항(210)보다 낮은 값을 갖도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 실시예와 같이, 제1 분배 저항(110) 및 제2 분배 저항(210)이 8㏁의 저항값을 갖는 저항 소자로 제1 전압분배 회로(100) 및 제2 전압분배 회로(200)에 포함된 경우, 양극 진단 저항(500) 및 음극 진단 저항(600)은 6㏁의 저항값을 갖는 저항 소자로 각각 양극 진단 경로 및 음극 진단 경로에 포함될 수 있다.
이와 같이, 양극 진단 저항(500) 및 음극 진단 저항(600)을 더 포함하는 실시 구성에 의하면, 배터리 절연 진단을 위한 측정 범위가 좁아짐으로써, 배터리 절연 진단에 대한 정밀도가 향상될 수 있다. 즉, 상기 실시 구성에 의하면, 제1 분배 회로 내의 저항과 양극 진단 저항(500)이 병렬로 연결되고, 제2 분배 회로 내의 저항과 음극 진단 저항(600)이 병렬로 연결되므로, 전체 저항이 낮아지게 되어, 절연 진단 과정에서 측정 범위가 좁아질 수 있다.
상기 실시 구성에서, 양극 진단 저항(500)과 상기 음극 진단 저항(600)은, 동일한 저항값을 갖도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 도 5의 구성에서, 양극 진단 저항(500)이 6㏁의 저항값을 갖는 경우, 음극 진단 저항(600) 역시 6㏁의 저항값을 가질 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 배터리 셀(1)의 양극 단자 측과 음극 단자 측 저항값이 서로 대칭이 되도록 함으로써, 배터리 절연 진단을 위한 제어 내지 계산이 용이해질 수 있다. 또한, 이러한 구성에 의하면, 배터리 팩에서 어느 한 단자 측의 저항값이 낮아 해당 단자 측으로 누설 전류가 흐르는 것을 방지할 수 있다. 더욱이, 배터리 팩의 양 단자 간 저항값이 다른 경우, 저항값이 낮은 방향으로 누설 전류가 흐르기 쉬워, 배터리의 절연성이 약화될 우려가 있다. 그러나, 상기 구성에 의하면, 이러한 문제가 예방될 수 있다. 또한, 이와 유사한 이유로, 제1 분배 저항(110)과 제2 분배 저항(210)은 서로 동일한 저항값을 갖는 저항 소자로 구현될 수 있다. 그리고 제1 기준 저항(120)과 제2 기준 저항(220) 역시, 서로 동일한 저항값을 갖는 저항 소자로 구현될 수 있다.
한편, 배터리 셀(1)의 양극 단자 전압(Vcp) 및/또는 배터리 셀(1)의 음극 단자 전압(Vcn)은, 전압 검출부(300)에 의해 측정될 수 있다. 그리고, 전압 검출부(300)는, 이와 같이 측정된 양극 단자 전압과 음극 단자 전압을 제어부(400)로 전송할 수 있다. 그러면, 제어부(400)는, 수신한 양극 단자 전압(Vcp) 및/또는 음극 단자 전압(Vcn)을 이용하여, 양극 진단 저항(500) 및/또는 음극 진단 저항(600)에 흐르는 전류를 계산할 수 있다.
다른 예로, 상기 제어부(400)는, 다음의 수학식 7과 같은 방식으로, 양극 단자 전압(Vcp)을 계산할 수 있다.
(수학식 7)
Vcp = Vc1 + (Vc1/Rref1)×Rd1
여기서, Vc1은 제1 진단 전압이고, Rref1은 제1 기준 저항(120)의 저항값이며, Rd1은 제1 분배 저항(110)의 저항값을 각각 나타낸다. 그리고, 제1 기준 저항(120)의 저항값(Rref1) 및/또는 제1 분배 저항(110)의 저항값(Rd1)은, 메모리와 같은 저장부 등에 미리 저장될 수 있다.
즉, 상기 제어부(400)는, 전압 검출부(300)에 의해 측정되어 전송된 제1 진단 전압(Vc1)과 저장부에 미리 저장된 제1 기준 저항(120)의 저항값(Rref1)과 제1 분배 저항(110)의 저항값(Rd1)을 이용하여 배터리 셀(1)의 양극 단자 전압(Vcp)을 계산할 수 있다.
또한, 상기 제어부(400)는, 다음의 수학식 8과 같은 방식으로, 음극 단자 전압(Vcn)을 계산할 수 있다.
(수학식 8)
Vcn = (Vref - Vc2) + (Vref - Vc2)/Rref2 × Rd2 - Vref
여기서, Vref는 기준 전원(230)의 전압값이고, Vc2는 제2 진단 전압이며, Rref2는 제2 기준 저항(220)의 저항값이고, Rd2는 제2 분배 저항(210)의 저항값을 각각 나타낸다. 그리고, 기준 전원(230)의 전압값(Vref), 제2 기준 저항(220)의 저항값(Rd2) 및/또는 제2 분배 저항(210)의 저항값(Rd2)은, 메모리와 같은 저장부 등에 미리 저장될 수 있다.
즉, 상기 제어부(400)는, 전압 검출부(300)에 의해 측정되어 전송된 제2 진단 전압(Vc2)과 저장부에 미리 저장된 기준 전원(230)의 기준 전압값(Vref), 제2 기준 저항(220)의 저항값(Rref2) 및 제2 분배 저항(210)의 저항값(Rd2)을 이용하여 배터리 셀(1)의 음극 단자 전압(Vcn)을 계산할 수 있다.
본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 배터리 절연 진단을 위해, 배터리 셀(1)의 양극 단자 전압 및/또는 음극 단자 전압이 별도로 측정될 필요가 없다. 예를 들어, 상기 전압 검출부(300)는, 제1 진단 전압 및 제2 진단 전압만 측정하면 되며, 양극 단자 전압 및 음극 단자 전압을 따로 측정하지 않아도 된다. 그러므로, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 전압 검출부(300) 및 배터리 절연 진단 장치의 회로 구성이 보다 간단해질 수 있다.
또한, 상기 제어부(400)는, 배터리 셀(1)의 양극 단자 전압과 배터리 셀(1)의 음극 단자 전압을 비교하여, 배터리의 절연 파괴 위치를 판단할 수 있다.
예를 들어, 상기 도 5의 실시 구성에서, 배터리 셀(1)의 양극 단자 전압(Vcp)이 음극 단자 전압(Vcn)보다 작은 경우, 배터리의 절연이 파괴된 위치는, 배터리 셀(1) 내지 배터리 팩의 양극 단자 측이라 할 수 있다.
또는, 상기 도 5의 실시 구성에서, 배터리 셀(1)의 양극 단자 전압(Vcp)이 음극 단자 전압(Vcn)보다 큰 경우, 배터리의 절연이 파괴된 위치는, 배터리 셀(1) 내지 배터리 팩의 음극 단자 측이라 할 수 있다.
이러한 실시 구성에서, 배터리의 절연 파괴 위치가 배터리 셀(1)의 양극 단자 측으로 판단된 경우, 상기 제어부(400)는, 배터리 누설 전류와 제1 진단 전압을 이용하여 배터리의 양극 단자 측 절연 저항을 추정할 수 있다. 이에 대해서는, 도 6을 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 절연 진단 장치가 포함된 배터리 팩에서 양극 단자 측 절연이 파괴된 경우의 회로 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 배터리 셀(1)의 양극 단자 측에서 배터리 팩의 절연이 파괴된 경우, 양극 단자 측에만 절연 저항이 존재하는 것으로 회로가 구성될 수 있다. 이 경우, 배터리의 양극 단자 측 절연 저항은, 다음의 수학식 9와 같이 표시될 수 있다.
(수학식 9)
RLp = Vcp / IL
여기서, RLp는 배터리의 양극 단자 측 절연 저항값이고, Vcp는 배터리의 양극 단자 전압이며, IL은 배터리의 누설 전류이다.
이때, Vcp는, 상기 수학식 7에 기초하여 상기 제어부(400)에 의해 계산될 수 있다. 즉, 제어부(400)는, 전압 검출부(300)에 의해 측정된 제1 진단 전압(Vc1)과 미리 저장되어 있는 값인 제1 분배 저항(110)의 저항값(Rd1) 및 제1 기준 저항(120)의 저항값(Rref1)을 이용하여 배터리의 양극 단자 전압(Vcp)을 구할 수 있다. 그리고, 이와 같이 구해진 양극 단자 전압(Vcp)을 누설 전류(IL)로 나눔으로써 배터리의 양극 단자 측 절연 저항(RLp)을 추정할 수 있다. 배터리 누설 전류(IL)는, 상기 수학식 3 또는 수학식 4에 기초하여, 제어부(400)에 의해 계산될 수 있다.
특히, 상기 수학식 9에 대하여, 상기 수학식 4 및 수학식 7을 대입하면 다음의 수학식 10과 같이 정리될 수 있다.
(수학식 10)
RLp = (Vc1 + (Vc1/Rref1)×Rd1) / (Id1 - Id2 - Idp - Idn)
또한, 배터리의 절연 파괴 위치가 배터리 셀(1)의 음극 단자 측으로 판단된 경우, 상기 제어부(400)는, 배터리 누설 전류, 제2 진단 전압 및 기준 전압을 이용하여 배터리의 음극 단자 측 절연 저항을 추정할 수 있다. 이에 대해서는, 도 7을 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 절연 진단 장치가 포함된 배터리 팩에서 음극 단자 측 절연이 파괴된 경우의 회로 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, 배터리 셀(1)의 음극 단자 측에서 배터리 팩의 절연이 파괴된 경우, 음극 단자 측에만 절연 저항이 존재하는 것으로 회로가 구성될 수 있다. 이 경우, 배터리의 음극 단자 측 절연 저항은, 다음의 수학식 11과 같이 표시될 수 있다.
(수학식 11)
RLn = Vcn / IL
여기서, RLn은 배터리의 음극 단자 측 절연 저항값이고, Vcn은 배터리의 음극 단자 전압이며, IL은 배터리의 누설 전류이다.
이때, Vcn은, 상기 수학식 8에 기초하여 상기 제어부(400)에 의해 계산될 수 있다. 즉, 제어부(400)는, 전압 검출부(300)에 의해 측정된 제2 진단 전압(Vc2)과 미리 저장되어 있는 값인 제2 분배 저항(210)의 저항값(Rd2) 및 제2 기준 저항(220)의 저항값(Rref2), 그리고 기준 전원(230)에 의해 공급되는 기준 전압값(Vref)을 이용하여 배터리의 음극 단자 전압(Vcn)을 구할 수 있다. 그리고, 이와 같이 구해진 음극 단자 전압(Vcn)을 누설 전류(IL)로 나눔으로써 배터리의 음극 단자 측 절연 저항(RLn)을 추정할 수 있다. 배터리 누설 전류(IL)는, 상기 수학식 3 또는 수학식 4에 기초하여, 제어부(400)에 의해 계산될 수 있다.
특히, 상기 수학식 11에 대하여, 상기 수학식 4 및 수학식 8을 대입하면 다음의 수학식 12와 같이 정리될 수 있다.
(수학식 12)
RLp = ((Vref - Vc2) + (Vref - Vc2)/Rref2 × Rd2 - Vref) / (Id1 - Id2 - Idp - Idn)
상기 실시예와 같이, 배터리의 양극 단자 측 절연 저항 또는 배터리의 음극 단자 측 절연 저항이 추정되면, 상기 제어부(400)는 이와 같이 추정된 절연 저항값을 이용하여 배터리의 절연 파괴 여부 또는 배터리의 절연 파괴 정도를 진단할 수 있다.
예를 들어, 상기 제어부(400)는, 추정된 절연 저항값과 참조 저항값을 비교하여 배터리의 절연 파괴 여부를 진단할 수 있다. 여기서, 참조 저항값은, 저장부 등에 특정값 또는 특정 범위로서 미리 저장될 수 있다. 특히, 상기 제어부(400)는, 절연 저항 추정값이 참조 저항값 이하인 경우, 배터리의 절연이 파괴되었다고 판단할 수 있다. 또는 상기 제어부(400)는, 절연 저항 추정값과 참조 저항값 사이의 차를 계산하고, 계산된 차를 이용하여 배터리의 절연이 어느 정도 파괴되었는지 여부를 판단할 수 있다.
상기 제어부(400)는, 제1 전압분배 회로(100)에 흐르는 전류(Id1) 및/또는 제2 전압분배 회로(200)에 흐르는 전류(Id2)를 참조값과 비교할 수 있다. 이를 위해, 저장부는, 제1 전압분배 회로(100)에 흐르는 전류(Id1) 및/또는 제2 전압분배 회로(200)에 흐르는 전류(Id2)와 비교되기 위한 참조값을 저장할 수 있다. 그리고, 제어부(400)는, 저장부에 저장된 참조값과 수학식 1 및/또는 수학식 2에 의해 계산된 전류값을 비교할 수 있다. 예를 들어, 상기 제어부(400)는, 수학식 1에 기초하여 계산된 1 전압분배 회로(100)에 흐르는 전류(Id1)를 저장부에 미리 저장된 참조값과 비교할 수 있다. 그리고, 이와 같이 비교된 결과에 기초하여, 누설 전류 판단에 이용할 수 있다.
특히, 상기 제어부(400)는, 제1 전압분배 회로(100)에 흐르는 전류(Id1)와 제2 전압분배 회로(200)에 흐르는 전류(Id2)가 동일하거나 일정 오차 이내 범위에 있는 것으로 계산된 경우, 계산값을 참조값과 비교할 수 있다. 예를 들어, 상기 제어부(400)는, 제1 전압분배 회로(100)에 흐르는 전류(Id1)와 제2 전압분배 회로(200)에 흐르는 전류(Id2)가 동일하여, 상기 수학식 3에 기초하여 계산된 누설 전류(IL)가 0이 되는 경우, 상기 계산값을 참조값과 비교하는 동작을 수행할 수 있다.
그리고, 계산값이 참조값보다 작거나 참조값 범위 이내인 경우, 제어부(400)는 전체 누설 전류(IL)가 없다고 판단할 수 있다. 반면, 계산값이 참조값보다 크거나 참조값 범위를 벗어나는 경우, 제어부(400)는 전체 누설 전류(IL)가 있다고 판단할 수 있다. 예를 들어, 상기 Id1이 Id2와 동일하나, Id1이 정상적인 상태에서 제1 전압분배 회로(100)에 흐르는 전류(참조값)보다 작은 경우, 제어부(400)는 배터리에 누설 전류가 존재한다고 판단할 수 있다.
특히, 제어부(400)는, 이처럼 수학식 3에 기초한 누설 전류(IL)는 0이거나 일정 수준 이내이지만, 제1 전압분배 회로(100)에 흐르는 전류(Id1) 또는 제2 전압분배 회로(200)에 흐르는 전류(Id2)가 참조값 내지 참조 범위를 벗어나는 경우, 양극 단자 측 절연 저항과 음극 단자 측 절연 저항이 모두 파괴된 것으로 판단할 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 양극 단자 측 절연 저항과 음극 단자 측 절연 저항이 모두 파괴되었으나 누설 전류가 없는 것으로 판단되는 것이 방지될 수 있다. 특히, 수학식 3에 기초하여 배터리 누설 전류를 판단할 때, 양극 단자 측 절연 저항과 음극 단자 측 절연 저항이 모두 파괴되어 절연 저항의 크기가 비슷한 수준으로 형성되는 경우, 수학식 3에 의해서는 누설 전류(IL)가 0으로 판단될 수 있으나, 이 경우에도 절연 저항이 파괴된 것이 정확하게 감지될 수 있다.
한편, 상기 제어부(400)는, 배터리 절연 파괴 여부가 진단되면, 진단 결과를 사용자에게 전달할 수 있다. 또는, 상기 제어부(400)는, 진단 결과를 활용하여 배터리의 안전성 확보를 위한 동작을 수행할 수 있다. 예를 들어, 상기 제어부(400)는, 배터리의 절연이 파괴된 것으로 진단한 경우, 배터리 팩의 충방전 경로에 구비된 스위치를 턴오프시킴으로써, 배터리 팩의 누전으로 인한 감전 사고나 배터리 팩 내지 배터리 팩이 적용된 장치, 이를테면 자동차의 파손이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩은, 상술한 본 발명에 따른 배터리 절연 진단 장치를 포함할 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 배터리 절연 진단 장치의 적어도 일부 구성, 이를테면 제어부(400)를 종래 배터리 팩에 구비된 BMS에 의해 구현되도록 할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 배터리 절연 진단 장치 이외에, 하나 이상의 이차 전지가 구비된 배터리 셀(1), 전장품(릴레이, 퓨즈 등) 및 팩 케이스 등을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 절연 진단 장치는, 자동차, 특히 전기 자동차에 탑재될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 절연 진단 장치를 포함할 수 있다. 여기서, 배터리 절연 진단 장치는, 배터리 팩에 포함된 형태일 수 있으나, 적어도 일부 구성은 배터리 팩과는 별도의 장치로 구현될 수 있다. 예를 들어, 배터리 절연 진단 장치의 제어부(400)는, 자동차 측에 마련된 ECU(Electronic Control Unit) 등으로 구현될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 자동차는, 이러한 배터리 절연 진단 장치 이외에, 자동차에 통상적으로 구비되는 차체나 전자 장비 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 절연 진단 장치 이외에도, 배터리, 컨택터, 인버터, 모터, 하나 이상의 ECU 등을 포함할 수 있다. 다만, 본 발명은 배터리 절연 진단 장치 이외에 자동차의 다른 구성요소 등에 대해서는 특별히 한정하지 않는다.
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 '전압 검출부', '제어부' 등과 같이 '부'라는 용어가 사용되었으나, 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.
1: 배터리 셀
10: 양극 절연 저항, 20: 음극 절연 저항
100: 제1 전압분배 회로
110: 제1 분배 저항, 120: 제1 기준 저항
200: 제2 전압분배 회로
210: 제2 분배 저항, 220: 제2 기준 저항, 230: 기준 전원
300: 전압 검출부
400: 제어부
500: 양극 진단 저항
600: 음극 진단 저항

Claims (11)

  1. 배터리 셀의 양극 단자와 접지 사이에 위치하며, 서로 직렬로 연결된 제1 분배 저항 및 제1 기준 저항을 구비하고, 상기 배터리 셀의 충방전 경로에 직접 연결된 제1 전압분배 회로;
    상기 배터리 셀의 음극 단자와 접지 사이에 위치하며, 서로 직렬로 연결된 제2 분배 저항, 제2 기준 저항 및 기준 전원을 구비하고, 상기 배터리 셀의 충방전 경로에 직접 연결된 제2 전압분배 회로;
    상기 제1 분배 저항과 상기 제1 기준 저항 사이의 제1 진단 전압, 및 상기 제2 분배 저항과 상기 제2 기준 저항 사이의 제2 진단 전압을 측정하는 전압 검출부;
    상기 전압 검출부에 의해 측정된 상기 제1 진단 전압과 상기 제2 진단 전압, 및 상기 제1 전압분배 회로와 상기 제2 전압분배 회로에 흐르는 전류를 이용하여 배터리의 절연 파괴 여부를 진단하는 제어부;
    상기 배터리 셀의 양극 단자와 접지 사이에 위치하며, 상기 제1 전압분배 회로와 병렬로 연결된 양극 진단 저항; 및
    상기 배터리 셀의 음극 단자와 접지 사이에 위치하며, 상기 제2 전압분배 회로와 병렬로 연결된 음극 진단 저항
    을 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 제1 전압분배 회로에 흐르는 전류와 상기 제2 전압분배 회로, 상기 양극 진단 저항 및 상기 음극 진단 저항 모두에 흐르는 전류 사이의 차로서 배터리 누설 전류를 계산하고, 계산된 배터리 누설 전류를 이용하여 배터리의 절연 파괴 여부를 진단하는 것을 특징으로 하는 배터리 절연 진단 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 제1 전압분배 회로에 흐르는 전류와 상기 제2 전압분배 회로에 흐르는 전류 사이의 차로서 누설 전류를 계산하고, 상기 계산된 누설 전류를 이용하여 상기 배터리의 절연 파괴 여부를 진단하는 것을 특징으로 하는 배터리 절연 진단 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 양극 진단 저항과 상기 음극 진단 저항은, 동일한 저항값을 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 절연 진단 장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 배터리 셀의 양극 단자 전압과 상기 양극 진단 저항의 저항값을 이용하여 상기 양극 진단 저항에 흐르는 전류를 계산하고, 상기 배터리 셀의 음극 단자 전압과 상기 음극 진단 저항의 저항값을 이용하여 상기 음극 진단 저항에 흐르는 전류를 계산하는 것을 특징으로 하는 배터리 절연 진단 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 배터리 셀의 양극 단자 전압과 상기 배터리 셀의 음극 단자 전압을 비교하여, 배터리의 절연 파괴 위치를 판단하는 것을 특징으로 하는 배터리 절연 진단 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 배터리의 절연 파괴 위치가 상기 배터리 셀의 양극 단자 측으로 판단된 경우, 배터리 누설 전류와 상기 제1 진단 전압을 이용하여 상기 배터리의 양극 단자 측 절연 저항을 추정하는 것을 특징으로 하는 배터리 절연 진단 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 배터리의 절연 파괴 위치가 상기 배터리 셀의 음극 단자 측으로 판단된 경우, 배터리 누설 전류, 상기 제2 진단 전압, 및 상기 기준 전원에 의해 공급되는 기준 전압을 이용하여 상기 배터리의 음극 단자 측 절연 저항을 추정하는 것을 특징으로 하는 배터리 절연 진단 장치.
  10. 제1항, 제2항, 제4항, 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 배터리 절연 진단 장치를 포함하는 배터리 팩.
  11. 제1항, 제2항, 제4항, 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 배터리 절연 진단 장치를 포함하는 자동차.
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