WO2020141768A1 - 절연저항 측정 장치 및 방법 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and method for measuring the insulation resistance of a battery.
  • insulation In a high voltage battery system, insulation must be maintained at a certain level at all times to protect the user from short-circuit risk. Accordingly, more accurate insulation resistance measurement is required when diagnosing a battery system.
  • the distribution resistance is alternately connected to the battery cathode and the anode based on the ground (eg, chassis), and the insulation resistance value is calculated from the measured distribution voltage value.
  • the actual insulation resistance value is greater than the sum of the pre-designed distribution resistance values in the measurement stage of the positive or negative electrode of the battery, for example.
  • the calculated insulation resistance value is out of the measurement range within the error range, resulting in lower measurement accuracy.
  • the present invention was made to solve the above problems, and when measuring the insulation resistance of a battery, an insulation resistance measurement device capable of preventing measurement accuracy from being lowered by calculating insulation resistance within a measurement range within an error range corresponding to an actual insulation resistance value. And to provide a method.
  • Insulation resistance measuring apparatus one end is connected to the positive electrode of the battery, the other end is connected to the ground, a second resistance value greater than the first resistance value or the first resistance value selectively according to the control
  • the branch has a first resistance portion; One end is connected to the negative electrode of the battery and the other end is connected to the ground, and a second resistance unit selectively having a third resistance value or a fourth resistance value greater than the third resistance value according to control;
  • a voltage measuring unit measuring a voltage related to both ends of the first resistor unit or the second resistor unit; And a first insulation resistance value between the positive electrode and the ground of the battery and a second insulation resistance value between the negative electrode and the ground of the battery, using the first to fourth resistance values and the voltage measured by the voltage measurement unit. It includes an insulation resistance calculator to calculate.
  • the insulation resistance measuring apparatus further comprises a voltage divider consisting of a plurality of resistors connected in series.
  • the insulation resistance calculation unit is a voltage measured by the voltage measurement unit, and uses a voltage measured from a partial resistance of the voltage distribution unit to remove the first insulation resistance value between the positive electrode and the ground of the battery and the negative electrode and the ground of the battery. 2 The insulation resistance value can be calculated.
  • the insulation resistance calculator has, for example, a first insulation resistance measurement mode and a second insulation resistance measurement mode having relatively low error rates in different measurement ranges, and a first resistance value and a first insulation resistance measurement mode. 3
  • the first and second insulation resistance values are calculated using the resistance value, and the first and second insulation resistance values are calculated using the second resistance value and the fourth resistance value in the second insulation resistance measurement mode.
  • the first and second insulation resistance values may be calculated using voltages measured from some resistances of the voltage distribution unit.
  • the first and second insulation resistance values may be calculated using voltages measured from some resistances of the voltage distribution unit.
  • the insulation resistance calculation unit corresponds to, for example, the insulation resistance value calculated in the first insulation resistance measurement mode and the insulation resistance value calculated in the second insulation resistance measurement mode for each of the first and second insulation resistance values.
  • the measurement range is determined, and the insulation resistance value calculated by the measurement mode having a relatively low error rate in the determined measurement range among the first insulation resistance measurement mode and the second insulation resistance measurement mode is determined as an actual insulation resistance value.
  • the first resistor unit may be formed by connecting a first resistor value unit ON/OFF controlled by a first switch and a second resistor value unit controlled ON/OFF by a second switch in parallel between the positive electrode and the ground of the battery. .
  • first switch or the second switch of the first resistor portion is ON-controlled
  • the third switch and the fourth switch of the second resistor portion are OFF-controlled.
  • the second resistor unit may be formed by connecting a third resistor value unit ON/OFF controlled by a third switch and a fourth resistor value unit controlled ON/OFF by a fourth switch in parallel between the cathode and the ground of the battery. Can. For example, when the third switch or the fourth switch of the second resistor portion is ON-controlled, the first switch and the second switch of the first resistor portion are OFF-controlled.
  • the first resistance unit may be formed of a first variable resistance unit that is ON/OFF controlled by a first switch between the positive electrode and the ground of the battery, and is convertible to a first resistance value or a second resistance value
  • the second resistor unit may be formed of a second variable resistor unit that is ON/OFF controlled by a third switch between the cathode and the ground of the battery, and convertible to a third resistor value or a fourth resistor value.
  • the first to fourth resistance values are values that change depending on the battery or the device on which the battery is mounted.
  • the voltage divider may further include a fifth switch connected in series with a plurality of resistors and controlled ON/OFF.
  • the battery is a battery rack
  • the ground may be a chassis of the battery rack.
  • a method for measuring insulation resistance includes: setting a plurality of insulation resistance measurement modes having relatively low error rates in different measurement ranges in order to measure insulation resistance of a battery; Calculating a first insulation resistance value between the positive electrode and the ground of the battery and a second insulation resistance value between the negative electrode and the ground of the battery by each insulation resistance measurement mode; For each of the first and second insulation resistance values, determining a measurement range corresponding to the insulation resistance value calculated in each insulation resistance measurement mode; And determining an insulation resistance value calculated as a measurement mode having a relatively low error rate in the determined measurement range as an actual insulation resistance value.
  • the resistance value of the first resistance unit when measuring insulation resistance, one end of which is connected to the positive electrode of the battery and the other end is connected to the ground, and one end of which is connected to the negative electrode of the battery and the other end is connected to the ground. It can be varied by changing the resistance value of the second resistor portion.
  • the present invention when measuring the insulation resistance of a battery, it is possible to prevent the measurement accuracy from being lowered by calculating the insulation resistance in a measurement range within an error range corresponding to an actual insulation resistance value. As a result, more accurate insulation resistance values can be measured and reported when diagnosing a battery system.
  • 1 is a block diagram showing the configuration of a battery rack.
  • FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of an insulation resistance measuring device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram schematically illustrating a circuit configuration of an insulation resistance measuring device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating a method for measuring insulation resistance according to an embodiment of the present invention.
  • 6A and 6B are diagrams for explaining a method of calculating an insulation resistance value in a second insulation resistance measurement mode according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7A and 7B are views for explaining a method of calculating an insulation resistance value in a first insulation resistance measurement mode according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8(a) is a table showing measurement errors for insulation resistance values in the first insulation resistance measurement mode
  • FIG. 8(b) shows measurement errors for insulation resistance values in the second insulation resistance measurement mode. It is a table to show.
  • FIG. 9 is a diagram schematically illustrating a circuit configuration of an insulation resistance measuring apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a block diagram showing the configuration of an insulation resistance measuring device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a block diagram showing a hardware configuration of a battery management system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a battery rack.
  • a battery rack that can be applied to a high voltage battery system, one or more battery modules (e.g., battery pack) are connected in series or in parallel, it is possible to charge and discharge
  • BMS Battery Management System
  • the switching unit 2 is a switching element for controlling the current flow for charging or discharging of the battery C, and may be a component that is essentially provided for the operation of the battery rack R.
  • the BMS 3 can monitor voltage, current, temperature, and the like as the state of the battery C.
  • the BMS 3 may include a circuit that receives values measured for various parameters such as voltage, current, and temperature, and performs processing of the received values.
  • such a configuration of the battery rack R is provided in the chassis 4 as a housing, and the chassis 4 is grounded.
  • the configuration of the battery rack R that is, it is designed to be insulated between the battery C, the switching unit 2 and the BMS 3, and the chassis 4, so that an insulation resistance exists between the battery and the chassis.
  • 2 is a block diagram showing the configuration of an insulation resistance measuring device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a diagram schematically illustrating a circuit configuration of an insulation resistance measuring device according to an embodiment of the present invention
  • 4 is the equivalent circuit of FIG. 3.
  • the insulation resistance measuring apparatus As shown in Figure 2, the insulation resistance measuring apparatus according to an embodiment of the present invention, the first resistance unit 10, the second resistance unit 20, the voltage measurement unit 30 and the insulation resistance calculation unit ( 40).
  • the first resistor unit 10 is configured such that one end is connected to the positive electrode of the battery C and the other end is connected to ground, and according to control, a first resistance value or a second resistance value greater than the first resistance value is selectively selected.
  • the first resistor unit 10 includes a first resistor value unit that is ON/OFF controlled by the first switch 11 between the positive electrode and the ground of the battery C.
  • the second resistor 13 may be formed in a circuit configuration in which the second resistance value portions controlled by the second switch 13 are connected in parallel.
  • the first switch 11 and the second switch 13 may be controlled by the insulation resistance calculator 40, for example. In this way, the first resistor unit 10 may selectively have a first resistance value or a second resistance value by ON/OFF control of the first switch 11 and the second switch 13.
  • the first resistance value unit is a resistance unit having a first resistance value, and may be formed of a plurality of resistors (5 R1) and a first switch 11 connected in series, for example.
  • the second resistance value unit is a resistance unit having a second resistance value, and may be formed of, for example, a plurality of resistors (5 R1 and 2 R2) and a second switch 13 connected in series.
  • the first resistance value and the second resistance value are values set by assuming when the actual insulation resistance value is high or low.
  • the first resistance value unit and the second resistance value unit are shown in FIG. 3 to share a plurality of resistances (five R1s), the first resistance value unit and the second resistance value unit are respectively the first resistance value and the second resistance.
  • first resistance value unit and the second resistance value unit are illustrated to be made of a plurality of resistors, they can be designed as one or more resistors as long as they have a set resistance value.
  • the third switch 21 and the fourth switch 23 of the second resistor unit 20 Is OFF controlled.
  • the second resistor unit 20 one end is connected to the negative electrode of the battery (C) and the other end is connected to the ground, the third resistance value greater than the third resistance value or the third resistance value according to the control selectively Can have
  • the second resistor unit 20 includes a third resistor value unit that is ON/OFF controlled by the third switch 21 between the negative electrode of the battery C and the ground.
  • the fourth resistor 23 may be formed in a circuit configuration in which the fourth resistance value part, which is ON/OFF controlled by the fourth switch 23, is connected in parallel.
  • the third switch 21 and the fourth switch 23 may be controlled by the insulation resistance calculator 40.
  • the second resistor unit 20 may selectively have a third resistance value or a fourth resistance value by ON/OFF control of the third switch 21 and the fourth switch 23.
  • the third resistance value unit is a resistance unit having a third resistance value, and may be formed of, for example, a plurality of resistors (5 R1) and a third switch 21 connected in series.
  • the fourth resistance value unit is a resistance unit having a fourth resistance value, and may be formed of, for example, a plurality of resistors (5 R1 and 2 R2) connected in series and a fourth switch 23.
  • the third resistance value and the fourth resistance value are values set by assuming when the actual insulation resistance value is high or low, and may be the same as the first resistance value and the second resistance value, respectively.
  • the third resistance value unit and the fourth resistance value unit are respectively the third resistance value and the fourth resistance value. As long as it has a value, it is not common and may be designed with different resistors.
  • the third resistance value unit and the fourth resistance value unit are illustrated to be made of a plurality of resistors, they may be designed as one or more resistors as long as they have a set resistance value.
  • the first switch 11 and the second switch 13 of the first resistor unit 10 Is OFF controlled.
  • the first to fourth resistance values may be changed depending on the battery C or the device on which the battery C is mounted.
  • the battery (C) is a battery rack
  • the ground may be the chassis of the battery rack.
  • the voltage measuring unit 30 is a component that measures the voltage of each part of the circuit, and can measure voltages related to both ends of the first resistor unit 10 or the second resistor unit 20. In particular, in order to measure the insulation resistance of the battery, for example, a voltage may be measured from some resistances of the voltage distribution unit 50 described later.
  • the insulation resistance calculator 40 is configured to calculate the insulation resistance of the battery by using the first to fourth resistance values and the voltage measured by the voltage measuring unit 30, for example.
  • the first insulation resistance value between the positive electrode and the ground of the battery C and the second insulation resistance value between the negative electrode and the ground of the battery C may be calculated.
  • the insulation resistance calculator 40 may be implemented as, for example, a microcontroller unit (MCU).
  • the voltage distribution unit 50 is configured to distribute voltage at a preset voltage distribution ratio when measuring insulation resistance.
  • the voltage distribution unit 50 is connected in parallel with the second resistance unit 20 and connected in series. It may be composed of a plurality of resistors (4 R3 and 1 R4).
  • the voltage measuring unit 30 may measure the voltage from both ends of the resistor R4.
  • the voltage distribution ratio is determined by a resistance ratio between a plurality of resistors connected in series, and the voltage measurement may be easily set.
  • the voltage distribution unit 50 is connected in parallel with the second resistor unit 20 in FIG. 3, it may be designed to be connected in parallel with the first resistor unit 10.
  • the voltage distribution unit 50 in order to be separated from the circuit, a plurality of resistors (four R3, one R4) connected in series to ON / OFF control the fifth switch ( 55) may be further included.
  • a resistor R5 and a capacitor C1 may be further provided for circuit protection such as noise reduction, and A switch 65 may be further provided between the first resistor unit 10 and the second resistor unit 20 and ground.
  • the circuit configuration of the insulation resistance measuring device in FIG. 3 may be represented by an equivalent circuit as in FIG. 4. That is, the first resistance value in the first resistor unit 10 is represented by R g , the second resistance value can be represented by R G , and the third resistor value in the second resistor unit 20 is represented by R f , The fourth resistance value can be represented by R F.
  • the plurality of resistors of the voltage divider 50 may be represented by R e1 and R e2 , and the sum of the plurality of resistors may be represented by R E.
  • the insulation resistance calculating unit 40 uses the voltage measured by the voltage measuring unit 30 from the partial resistance R e2 of the voltage distribution unit 50, between the positive electrode and the ground of the battery C.
  • the second insulation resistance value (R N ) between the first insulation resistance value (R P ) of the cathode and the ground of the battery (C) may be calculated.
  • the insulation resistance calculator 40 is provided with a plurality of insulation resistance measurement modes having relatively low error rates in different measurement ranges, for example, a first insulation resistance measurement mode and a second insulation resistance measurement mode,
  • the first and second insulation resistance values R P and R N are calculated using the first resistance value R g and the third resistance value R f
  • the second insulation In the resistance measurement mode, the first and second insulation resistance values R P and R N may be calculated using the second resistance value R G and the fourth resistance value R F.
  • the first insulation resistance measurement mode when the first switch 11 is ON-controlled and the second to fourth switches 13, 21, 23 are OFF-controlled, some resistance of the voltage distribution unit 50 ( The voltage measured from R e2 ) and the partial resistance of the voltage distribution unit 50 when the third switch 21 is ON-controlled and the first, second and fourth switches 11, 13, 23 are OFF-controlled Using the voltage measured from R e2 ), the first and second insulation resistance values R P and R N can be calculated.
  • the voltage distribution unit 50 In a similar manner, in the case of the second insulation resistance measurement mode, when the second switch 13 is ON-controlled and the first, third and fourth switches 11, 21, 23 are OFF-controlled, the voltage distribution unit 50 The voltage measured from the partial resistance R e2 of, and the partial resistance of the voltage distribution unit 50 when the fourth switch 23 is ON-controlled and the first to third switches 11, 13, 21 are OFF-controlled Using the voltage measured from (R e2 ), the first and second insulation resistance values R P and R N can be calculated.
  • the insulation resistance calculator 40 may calculate first and second insulation resistance values in a plurality of insulation resistance measurement modes, respectively.
  • the resistance value of the first resistance unit 10 when measuring insulation resistance, the resistance value of the first resistance unit 10, one end of which is connected to the positive electrode of the battery and the other end of which is connected to the ground, and one end of which is connected to the negative electrode of the battery and the other end
  • This mode is changed by changing the resistance value of the second resistance unit 20 connected to the ground.
  • the measurement range of the first insulation resistance measurement mode has a relatively low error rate when the actual insulation resistance is a low value.
  • the measurement range of the second insulation resistance measurement mode has a relatively low error rate when the actual insulation resistance is a high value.
  • the insulation resistance calculator 40 determines one insulation resistance value among the calculated plurality of insulation resistance values as an actual insulation resistance value.
  • a measurement range corresponding to the insulation resistance value calculated in the first insulation resistance measurement mode and the insulation resistance value calculated in the second insulation resistance measurement mode is determined,
  • the insulation resistance value calculated by the measurement mode having a relatively low error rate in the determined measurement range among the first insulation resistance measurement mode and the second insulation resistance measurement mode is determined as an actual insulation resistance value.
  • the insulation resistance measurement device may be implemented as a part of the battery management system of the battery rack, or may be implemented as a separate device.
  • the present invention when measuring the insulation resistance of a battery, measurement accuracy can be prevented from being lowered by calculating insulation resistance in a measurement range within an error range corresponding to an actual insulation resistance value, that is, a measurement range having a relatively low error rate. . As a result, more accurate insulation resistance values can be measured and reported when diagnosing a battery system.
  • FIGS. 5-7 is a flowchart illustrating a method for measuring insulation resistance according to an embodiment of the present invention
  • FIGS. 6A and 6B show a second insulation resistance measurement mode according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 7A and 7B are diagrams for explaining a method for calculating an insulation resistance value in a first insulation resistance measurement mode according to an embodiment of the present invention.
  • the method for measuring the insulation resistance first, in order to measure the insulation resistance of the battery C, a plurality of insulation having a relatively low error rate in different measurement ranges Set the resistance measurement mode (S10).
  • the resistance value of the first resistor unit 10 when measuring insulation resistance, the resistance value of the first resistor unit 10, one end of which is connected to the positive electrode of the battery C and the other end of which is connected to the ground, and one end of the battery This mode is changed by changing the resistance value of the second resistor unit 20 connected to the negative electrode of (C) and the other end connected to ground.
  • a plurality of insulation resistance measurement modes include a first insulation resistance measurement mode having a relatively low error rate when the actual insulation resistance is a low value as a measurement range, and a relatively low error rate when a real insulation resistance as a measurement range is a high value. It may include a second insulation resistance measurement mode having.
  • the first insulation resistance value R P between the positive electrode and the ground of the battery C and the second insulation resistance value R N between the negative electrode and the ground of the battery C are calculated by each insulation resistance measurement mode. (S20).
  • the second switch 13 is Equation 1 for the measured voltage A can be derived from the equivalent circuit when the ON control is performed and the first, third, and fourth switches 11, 21, and 23 are OFF controlled.
  • R N is the second insulation resistance value
  • R E is the sum of the plurality of resistance values of the voltage distribution unit
  • R P is the first insulation resistance value
  • C is the voltage value of the battery
  • D is the voltage distribution unit measurement It is the voltage distribution ratio.
  • the measurement voltage A is a voltage measured from the resistance R e2 of the voltage distribution unit, for example.
  • Equation 1 when (R N //R E ) is X, Equation 1 may be expressed as Equation 3 and Equation 2 may be expressed as Equation 4.
  • Equation 3 can be summarized as X
  • Equation 5 can be expressed as Equation 5.
  • equations 5 and 6 may be used as simultaneous equations, and X may be eliminated to derive the first insulation resistance value R P as shown in equation 7.
  • Equation 8 the second insulation resistance value R N can be derived as in Equation 8.
  • the first and second insulation resistance values can be calculated.
  • a measurement range corresponding to the insulation resistance value calculated in each insulation resistance measurement mode is determined (S30).
  • the insulation resistance value calculated in the measurement mode having a relatively low error rate in the determined measurement range is determined as an actual insulation resistance value (S40).
  • the measurement error in each insulation resistance measurement mode can be obtained by repeated experiments, as shown in FIG. 8.
  • Fig. 8 (a) is a table showing the measurement error (%) for the insulation resistance value in the first insulation resistance measurement mode
  • Fig. 8 (b) is the insulation resistance in the second insulation resistance measurement mode It is a table showing the measurement error (%) for the value.
  • the measurement range of the first insulation resistance measurement mode may be set to a range having a relatively low error rate, for example, a range of 10,000 kOhm or less.
  • the measurement range of the second insulation resistance measurement mode may be set to a range having a relatively low error rate, for example, a range exceeding 10,000 kOhm.
  • the first insulation resistance having a corresponding measurement range is relatively low. It can be determined that it corresponds to the measurement range of the measurement mode, and the insulation resistance value calculated by the first insulation resistance measurement mode in step S40 of FIG. 5 may be determined as an actual insulation resistance value.
  • the first insulation resistance measurement mode may be used for precise measurement of a relatively low insulation resistance value
  • the second insulation resistance measurement mode may be used for precise measurement of a relatively high insulation resistance value
  • the measurement accuracy may not be lowered by calculating the insulation resistance in a measurement range within an error range corresponding to an actual insulation resistance value.
  • the first resistor unit 10 and the second resistor unit 20 of the insulation resistance measuring device as shown in Figure 3, a plurality of switches and a plurality of resistors in order to have a plurality of resistance values
  • a plurality of switches and a plurality of resistors in order to have a plurality of resistance values
  • FIG. 9 is a diagram schematically illustrating a circuit configuration of an insulation resistance measuring apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • the first resistance unit 10a is between the positive electrode and the ground of the battery C, and the first switch 11 is used. It is ON/OFF controlled, and may be composed of a first variable resistor unit R1a that can be converted into a first resistor value or a second resistor value.
  • the second resistor unit 20a includes a negative electrode and a ground of the battery C In between, it is ON/OFF controlled by the third switch 21a, and may be formed of a second variable resistance unit R2a that can be converted into a third resistance value or a fourth resistance value.
  • Other configurations are as described above.
  • the voltage distribution unit 50 of the insulation resistance measurement device is connected in parallel with the second resistance unit 20, as shown in FIG. 2, for example, as shown in FIG. 1 may be designed to be connected in parallel with the resistor unit 10.
  • FIG. 10 is a block diagram showing the configuration of an insulation resistance measuring device according to another embodiment of the present invention.
  • the voltage distribution unit 50a may be designed to have a parallel structure with the first resistor unit 10 between the positive electrode and the ground of the battery C.
  • Other configurations are as described above.
  • the method for measuring insulation resistance according to an embodiment of the present invention described above may be implemented as a program stored in a recording medium that performs each step, and the program is stored in a memory of the BMS of a battery rack. It can be executed by the MCU.
  • the method of the present invention can be created with a computer program.
  • codes and code segments constituting the program can be easily inferred by a computer programmer in the field.
  • the created program is stored in a computer-readable recording medium (information storage medium), and can be read and executed by a computer to realize the method of the present invention.
  • the recording medium includes any form of computer-readable recording media.
  • the recording medium may be provided separately from the MCU, but may be configured integrally with the MCU.
  • FIG. 11 is a block diagram showing a hardware configuration of a battery management system (BMS) according to an embodiment of the present invention.
  • BMS battery management system
  • the battery management system 300 records an MCU 310 that controls various processes and configurations, an operating system program, and various programs (eg, a battery insulation resistance measurement program).
  • An input/output interface 330 that provides an input interface and an output interface between the memory 320 and a battery and/or a switching unit, and a communication interface 340 that can communicate with the outside through a wired or wireless communication network may be provided.
  • the computer program according to the present invention is recorded in the memory 320 and processed by the micro-controller 310, so that it can be implemented as a module that performs each functional block shown in FIG. 2, for example.

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Abstract

본 발명은 배터리의 절연저항 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 절연저항 측정 장치는, 일단은 배터리의 양극에 연결되고 타단은 접지에 연결되며, 제어에 따라 제1 저항값 또는 제1 저항값보다 큰 제2 저항값을 선택적으로 가지는 제1 저항부; 일단은 배터리의 음극에 연결되고 타단은 접지에 연결되며, 제어에 따라 제3 저항값 또는 제3 저항값보다 큰 제4 저항값을 선택적으로 가지는 제2 저항부; 제1 저항부 또는 제2 저항부 양단에 관련된 전압을 측정하는 전압 측정부; 및, 제1 저항값 내지 제4 저항값과 전압 측정부에 의해 측정된 전압을 이용하여, 배터리의 양극과 접지 사이의 제1 절연저항 값과 배터리의 음극과 접지 사이의 제2 절연저항 값을 산출하는 절연저항 산출부를 포함한다.

Description

절연저항 측정 장치 및 방법
관련출원과의 상호인용
본 발명은 2019.01.03.에 출원된 한국 특허 출원 제10-2019-0000520호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용을 본 명세서의 일부로서 포함한다.
기술분야
본 발명은 배터리의 절연저항 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
고전압 배터리 시스템 등에서는 항시 일정 수준 이상의 절연이 유지되어야만 사용자를 쇼트로 인한 리스크로부터 보호할 수 있다. 이에 따라, 배터리 시스템 진단시 보다 정확한 절연저항 측정이 요구된다.
종래의 절연저항 측정시에는, 접지(예로써, 섀시)를 기준으로 분배 저항을 배터리 음극과 양극에 번갈아 연결하여, 측정된 분배 전압 값으로 절연저항 값을 산출하였다.
그러나, 종래에는, 한번 설계된 분배 저항 값에 따라 허용되는 오차범위 내의 측정 범위가 제한되기 때문에, 예를 들어, 배터리의 양극 또는 음극의 측정 단에 미리 설계된 분배 저항 값의 합보다 실제 절연저항 값이 큰 경우와 같이, 산출한 절연저항 값이 오차범위 내의 측정 범위를 벗어나게 되어 측정 정확도가 낮아지는 문제가 있었다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 배터리의 절연저항 측정시, 실제 절연저항 값에 대응하는 오차범위 내의 측정 범위에서 절연저항을 산출함으로써 측정 정확도가 낮아지지 않게 할 수 있는 절연저항 측정 장치 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 절연저항 측정 장치는, 일단은 배터리의 양극에 연결되고 타단은 접지에 연결되며, 제어에 따라 제1 저항값 또는 제1 저항값보다 큰 제2 저항값을 선택적으로 가지는 제1 저항부; 일단은 배터리의 음극에 연결되고 타단은 접지에 연결되며, 제어에 따라 제3 저항값 또는 제3 저항값보다 큰 제4 저항값을 선택적으로 가지는 제2 저항부; 제1 저항부 또는 제2 저항부 양단에 관련된 전압을 측정하는 전압 측정부; 및, 제1 저항값 내지 제4 저항값과 전압 측정부에 의해 측정된 전압을 이용하여, 배터리의 양극과 접지 사이의 제1 절연저항 값과 배터리의 음극과 접지 사이의 제2 절연저항 값을 산출하는 절연저항 산출부를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 절연저항 측정 장치는, 제1 저항부 또는 제2 저항부와 병렬로 연결되며, 직렬 연결된 복수의 저항으로 이루어진 전압 분배부를 더 포함한다. 이때, 절연저항 산출부는, 전압 측정부에 의해 측정된 전압으로서 전압 분배부의 일부 저항으로부터 측정된 전압을 이용하여, 배터리의 양극과 접지 사이의 제1 절연저항 값과 배터리의 음극과 접지 사이의 제2 절연저항 값을 산출할 수 있다.
절연저항 산출부는, 예를 들면, 서로 다른 측정 범위에서 상대적으로 낮은 오차율을 가지는 제1 절연저항 측정모드 및 제2 절연저항 측정모드를 가지고, 제1 절연저항 측정모드 시에는 제1 저항값과 제3 저항값을 이용하여 제1 및 제2 절연저항 값을 산출하고, 제2 절연저항 측정모드 시에는 제2 저항값과 제4 저항값을 이용하여 제1 및 제2 절연저항 값을 산출한다.
예를 들어, 제1 절연저항 측정모드의 경우, 제1 스위치는 ON 제어되고 제2 내지 제4 스위치는 OFF 제어되었을 때에 전압 분배부의 일부 저항으로부터 측정된 전압과, 제3 스위치는 ON 제어되고 제1, 제2 및 제4 스위치는 OFF 제어되었을 때에 전압 분배부의 일부 저항으로부터 측정된 전압을 이용하여, 제1 및 제2 절연저항 값을 산출할 수 있다.
또한, 제2 절연저항 측정모드인 경우, 제2 스위치는 ON 제어되고 제1, 제3 및 제4 스위치는 OFF 제어되었을 때에 전압 분배부의 일부 저항으로부터 측정된 전압과, 제4 스위치는 ON 제어되고 제1 내지 제3 스위치는 OFF 제어되었을 때에 전압 분배부의 일부 저항으로부터 측정된 전압을 이용하여, 제1 및 제2 절연저항 값을 산출할 수 있다.
또한, 절연저항 산출부는, 예를 들면, 제1 및 제2 절연저항 값 각각에 대해서, 제1 절연저항 측정모드로 산출된 절연저항 값과 제2 절연저항 측정모드로 산출된 절연저항 값에 대응하는 측정 범위를 결정하고, 제1 절연저항 측정모드 및 제2 절연저항 측정모드 중 결정된 측정 범위에서 상대적으로 낮은 오차율을 가지는 측정모드로 산출된 절연저항 값을 실제의 절연저항 값으로 결정한다.
제1 저항부는, 배터리의 양극과 접지 사이에서, 제1 스위치에 의해 ON/OFF 제어되는 제1 저항값부와 제2 스위치에 의해 ON/OFF 제어되는 제2 저항값부가 병렬로 연결되어 이루어질 수 있다. 일례로, 제1 저항부의 제1 스위치 또는 제2 스위치가 ON 제어될 때, 제2 저항부의 제3 스위치 및 제4 스위치는 OFF 제어된다.
또한, 제2 저항부는, 배터리의 음극과 접지 사이에서, 제3 스위치에 의해 ON/OFF 제어되는 제3 저항값부와 제4 스위치에 의해 ON/OFF 제어되는 제4 저항값부가 병렬로 연결되어 이루어질 수 있다. 일례로, 제2 저항부의 제3 스위치 또는 제4 스위치가 ON 제어될 때, 제1 저항부의 제1 스위치 및 제2 스위치는 OFF 제어된다.
또 다른 예로서, 제1 저항부는, 배터리의 양극과 접지 사이에서, 제1 스위치에 의해 ON/OFF 제어되며, 제1 저항값 또는 제2 저항값으로 변환 가능한 제1 가변저항부로 이루어질 수 있고, 마찬가지로, 제2 저항부는, 배터리의 음극과 접지 사이에서, 제3 스위치에 의해 ON/OFF 제어되며, 제3 저항값 또는 제4 저항값으로 변환 가능한 제2 가변저항부로 이루어질 수 있다.
일례로, 제1 저항값 내지 제4 저항값은 배터리 또는 배터리가 장착되는 장치에 따라 변경되는 값이다.
전압 분배부는, 복수의 저항과 직렬로 연결되어 ON/OFF 제어되는 제5 스위치를 더 포함할 수 있다.
일 실시예로서, 배터리는 배터리랙이며, 접지는 배터리랙의 섀시일 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 절연저항 측정 방법은, 배터리의 절연저항을 측정하기 위해서, 서로 다른 측정 범위에서 상대적으로 낮은 오차율을 가지는 복수의 절연저항 측정모드를 설정하는 단계; 각 절연저항 측정모드에 의해서 배터리의 양극과 접지 사이의 제1 절연저항 값과 배터리의 음극과 접지 사이의 제2 절연저항 값을 산출하는 단계; 제1 및 제2 절연저항 값 각각에 대해서, 각 절연저항 측정모드로 산출된 절연저항 값에 대응하는 측정 범위를 결정하는 단계; 및 결정된 측정 범위에서 상대적으로 낮은 오차율을 가지는 측정모드로 산출된 절연저항 값을 실제의 절연저항 값으로 결정하는 단계;를 포함한다.
여기서, 복수의 절연저항 측정모드는, 절연저항 측정시, 일단이 배터리의 양극에 연결되고 타단이 접지에 연결되는 제1 저항부의 저항값과, 일단이 배터리의 음극에 연결되고 타단이 접지에 연결되는 제2 저항부의 저항값을 변경하는 것에 의해 달라질 수 있다.
본 발명에 의하면, 배터리의 절연저항 측정시, 실제 절연저항 값에 대응하는 오차범위 내의 측정 범위에서 절연저항을 산출함으로써 측정 정확도가 낮아지지 않게 할 수 있다. 이로써, 배터리 시스템 진단시 보다 정확한 절연저항 값을 측정하고 리포팅할 수 있다.
본 발명에 의한 다른 효과는, 이후 실시예에 따라 추가적으로 설명하기로 한다.
도 1은 배터리랙의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 절연저항 측정 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 절연저항 측정 장치의 회로 구성을 개략적으로 예시한 도면이다.
도 4는 도 3의 등가 회로이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 절연저항 측정 방법을 나타내는 순서도이다.
도 6의 (a), (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 절연저항 측정모드로 절연저항 값을 산출하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7의 (a), (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 절연저항 측정모드로 절연저항 값을 산출하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8의 (a)는 제1 절연저항 측정모드에서의 절연저항 값에 대한 측정 오차를 나타내는 표이고, 도 8의 (b)는 제2 절연저항 측정모드에서의 절연저항 값에 대한 측정 오차를 나타내는 표이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 절연저항 측정 장치의 회로 구성을 개략적으로 예시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 절연저항 측정 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 하드웨어 구성을 나타내는 블록도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
먼저, 도 1을 이용하여, 배터리랙의 구성을 간단히 설명하기로 한다. 도 1은 배터리랙의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 고전압 배터리 시스템에 적용될 수 있는 배터리랙(R)은, 하나의 이상의 배터리 모듈(예로써, 배터리팩)이 직렬 연결되거나 병렬로 연결되어, 충방전 가능한 배터리(C)와, 배터리(C)의 +단자(양극) 측 또는 -단자(음극)측에 직렬로 연결되어 배터리(C)의 충방전 전류 흐름을 제어하기 위한 스위칭부(2)와, 배터리의 전압, 전류, 온도 등을 모니터링하여, 과충전 및 과방전 등을 방지하도록 제어 관리하는 배터리 관리 시스템(3)(이하, BMS(Battery Management System)라고도 한다)을 포함한다.
여기서, 스위칭부(2)는 배터리(C)의 충전 또는 방전에 대한 전류 흐름을 제어하기 위한 스위칭 소자로서, 배터리랙(R)의 동작을 위하여 필수적으로 구비되는 구성일 수 있다.
또한, BMS(3)는, 배터리(C)의 상태로서 전압, 전류, 온도 등을 모니터링할 수 있다. BMS(3)는 전압, 전류, 온도 등의 각종 파라미터를 측정한 값을 입력받고, 입력받은 값들의 처리를 수행하는 회로 등을 포함할 수 있다.
또한, 이와 같은 배터리랙(R)의 구성은 하우징으로서 섀시(chassis)(4) 내에 마련되며, 섀시(4)는 접지된다. 배터리랙(R)의 구성 즉, 배터리(C), 스위칭부(2) 및 BMS(3)와, 섀시(4) 사이에는 절연되도록 설계되어, 배터리와 섀시 사이에는 절연저항이 존재하게 된다.
이와 같은 배터리랙(R)의 구성 및 BMS(3)는 공지된 구성이므로, 보다 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
이어서, 도 2 내지 도 4를 이용하여 본 발명의 일 실시예에 따른 절연저항 측정 장치를 설명하기로 한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 절연저항 측정 장치의 구성을 나타내는 블록도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 절연저항 측정 장치의 회로 구성을 개략적으로 예시한 도면이며, 도 4는 도 3의 등가 회로이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 절연저항 측정 장치는, 제1 저항부(10), 제2 저항부(20), 전압 측정부(30) 및 절연저항 산출부(40)를 포함한다.
제1 저항부(10)는, 일단은 배터리(C)의 양극에 연결되고 타단은 접지에 연결되는 구성으로서, 제어에 따라 제1 저항값 또는 제1 저항값보다 큰 제2 저항값을 선택적으로 가질 수 있다.
예를 들면, 제1 저항부(10)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 배터리(C)의 양극과 접지 사이에서, 제1 스위치(11)에 의해 ON/OFF 제어되는 제1 저항값부와 제2 스위치(13)에 의해 ON/OFF 제어되는 제2 저항값부가 병렬로 연결되는 회로 구성으로 이루어질 수 있다. 일례로, 제1 스위치(11) 및 제2 스위치(13)는 예로써 절연저항 산출부(40)에 의해 제어될 수 있다. 이와 같이, 제1 저항부(10)는 제1 스위치(11) 및 제2 스위치(13)의 ON/OFF 제어에 의해 선택적으로 제1 저항값을 가지거나, 제2 저항값을 가질 수 있다.
여기서, 제1 저항값부는 제1 저항값을 가지는 저항부로서, 예를 들면, 직렬 연결된 복수의 저항(5개의 R1) 및 제1 스위치(11)로 이루어질 수 있다. 마찬가지로, 제2 저항값부는 제2 저항값을 가지는 저항부로서, 예를 들면, 직렬 연결된 복수의 저항(5개의 R1과 2개의 R2) 및 제2 스위치(13)로 이루어질 수 있다. 제1 저항값 및 제2 저항값은 실제 절연저항 값이 높거나 낮을 때를 상정하여 설정된 값이다. 비록 도 3에서는 제1 저항값부와 제2 저항값부가 복수의 저항(5개의 R1)을 공용하도록 도시되어 있으나, 제1 저항값부 및 제2 저항값부가, 각각, 제1 저항값 및 제2 저항값을 가지기만 하면, 공용하지 않고 서로 다른 다른 저항에 의해 설계되어도 된다. 뿐만 아니라, 제1 저항값부 및 제2 저항값부가 복수의 저항으로 이루어지도록 도시되어 있으나, 설정된 저항값을 가지기만 하면 하나 이상의 저항으로 설계될 수 있다.
일례로, 제1 저항부(10)의 제1 스위치(11) 또는 제2 스위치(13)가 ON 제어될 때, 제2 저항부(20)의 제3 스위치(21) 및 제4 스위치(23)는 OFF 제어된다.
또한, 제2 저항부(20)는, 일단은 배터리(C)의 음극에 연결되고 타단은 접지에 연결되며, 제어에 따라 제3 저항값 또는 제3 저항값보다 큰 제4 저항값을 선택적으로 가질 수 있다.
예를 들면, 제2 저항부(20)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 배터리(C)의 음극과 접지 사이에서, 제3 스위치(21)에 의해 ON/OFF 제어되는 제3 저항값부와 제4 스위치(23)에 의해 ON/OFF 제어되는 제4 저항값부가 병렬로 연결되는 회로 구성으로 이루어질 수 있다. 일례로, 제3 스위치(21) 및 제4 스위치(23)는 절연저항 산출부(40)에 의해 제어될 수 있다. 이와 같이, 제2 저항부(20)는 제3 스위치(21) 및 제4 스위치(23)의 ON/OFF 제어에 의해 선택적으로 제3 저항값을 가지거나, 제4 저항값을 가질 수 있다.
여기서, 제3 저항값부는 제3 저항값을 가지는 저항부로서, 예를 들면, 직렬 연결된 복수의 저항(5개의 R1) 및 제3 스위치(21)로 이루어질 수 있다. 마찬가지로, 제4 저항값부는 제4 저항값을 가지는 저항부로서, 예를 들면, 직렬 연결된 복수의 저항(5개의 R1과 2개의 R2) 및 제4 스위치(23)로 이루어질 수 있다. 제3 저항값 및 제4 저항값은 실제 절연저항 값이 높거나 낮을 때를 상정하여 설정된 값으로, 각각 제1 저항값 및 제2 저항값과 동일할 수 있다. 비록 도 3에서는 제3 저항값부와 제4 저항값부가 복수의 저항(5개의 R1)을 공용하도록 도시되어 있으나, 제3 저항값부 및 제4 저항값부가, 각각, 제3 저항값 및 제4 저항값을 가지기만 하면, 공용하지 않고 서로 다른 다른 저항에 의해 설계되어도 된다. 뿐만 아니라, 제3 저항값부 및 제4 저항값부가 복수의 저항으로 이루어지도록 도시되어 있으나, 설정된 저항값을 가지기만 하면 하나 이상의 저항으로 설계될 수 있다.
일례로, 제2 저항부(20)의 제3 스위치(21) 또는 제4 스위치(23)가 ON 제어될 때, 제1 저항부(10)의 제1 스위치(11) 및 제2 스위치(13)는 OFF 제어된다.
여기서, 제1 저항값 내지 제4 저항값은 배터리(C) 또는 배터리(C)가 장착되는 장치에 따라 변경될 수 있다.
일 실시예로서, 배터리(C)는 배터리랙이며, 접지는 배터리랙의 섀시일 수 있다.
전압 측정부(30)는, 회로 각 부분의 전압을 측정하는 구성으로서, 제1 저항부(10) 또는 제2 저항부(20) 양단에 관련된 전압을 측정할 수 있다. 특히, 배터리의 절연저항을 측정하기 위해서, 예를 들면, 후술하는 전압 분배부(50)의 일부 저항으로부터 전압을 측정할 수 있다.
또한, 절연저항 산출부(40)는, 제1 저항값 내지 제4 저항값과 전압 측정부(30)에 의해 측정된 전압을 이용하여, 배터리의 절연저항을 산출하는 구성으로서, 예를 들면, 배터리(C)의 양극과 접지 사이의 제1 절연저항 값과 배터리(C)의 음극과 접지 사이의 제2 절연저항 값을 산출할 수 있다. 일례로, 절연저항 산출부(40)는 예를 들면, 마이크로 컨트롤러 유닛(MCU)으로 구현될 수 있다.
전압 분배부(50)는, 절연저항 측정시 미리 설정된 전압 분배비로 전압을 분배시키기 위한 구성으로, 예를 들면, 도 3에서와 같이, 제2 저항부(20)와 병렬로 연결되며, 직렬 연결된 복수의 저항(4개의 R3와, 하나의 R4)으로 이루어질 수 있다. 이때, 전압 측정부(30)는 저항 R4의 양단으로부터 전압을 측정할 수 있다. 또한, 전압 분배비는 직렬 연결된 복수의 저항 간의 저항비에 의해 결정되는 것으로, 전압 측정이 용이하게 설정하면 된다.
또한, 도 3에서는 전압 분배부(50)가 제2 저항부(20)와 병렬로 연결되어 있으나, 제1 저항부(10)와 병렬로 연결되도록 설계될 수도 있다. 또한, 전압 분배부(50)는, 도 3에서와 같이, 회로로부터 분리되도록 하기 위해서, 복수의 저항(4개의 R3와, 하나의 R4)과 직렬로 연결되어 ON/OFF 제어되는 제5 스위치(55)를 더 포함할 수 있다. 또한, 도 3에서와 같이, 전압 분배부(50)와 절연저항 산출부(40) 사이에는, 노이즈 제거 등 회로 보호를 위해서 저항(R5) 및 커패시터(C1)를 더 구비할 수도 있고, 또한, 제1 저항부(10) 및 제2 저항부(20)와 접지 사이에는 스위치(65)를 더 구비할 수도 있다.
일례로, 도 3에서의 절연저항 측정 장치의 회로 구성은, 도 4와 같은 등가 회로로 나타낼 수 있다. 즉, 제1 저항부(10)에서 제1 저항값은 Rg로 나타내고, 제2 저항값은 RG로 나타낼 수 있고, 제2 저항부(20)에서 제3 저항값은 Rf로 나타내고, 제4 저항값은 RF로 나타낼 수 있다. 또한, 전압 분배부(50)의 복수의 저항은 Re1과 Re2로 나타낼 수 있으며, 복수의 저항의 합은 RE로 나타낼 수 있다.
이에 따라, 절연저항 산출부(40)는, 전압 분배부(50)의 일부 저항(Re2)으로부터 전압 측정부(30)에 의해 측정된 전압을 이용하여, 배터리(C)의 양극과 접지 사이의 제1 절연저항 값(RP)과 배터리(C)의 음극과 접지 사이의 제2 절연저항 값(RN)을 산출할 수 있다.
일례로, 절연저항 산출부(40)는, 서로 다른 측정 범위에서 상대적으로 낮은 오차율을 가지는 복수의 절연저항 측정모드, 예로써, 제1 절연저항 측정모드 및 제2 절연저항 측정모드가 구비되어, 제1 절연저항 측정모드 시에는 제1 저항값(Rg)과 제3 저항값(Rf)을 이용하여 제1 및 제2 절연저항 값(RP, RN)을 산출하고, 제2 절연저항 측정모드 시에는 제2 저항값(RG)과 제4 저항값(RF)을 이용하여 제1 및 제2 절연저항 값(RP, RN)을 산출할 수 있다.
구체적으로, 제1 절연저항 측정모드의 경우, 제1 스위치(11)는 ON 제어되고 제2 내지 제4 스위치(13, 21, 23)는 OFF 제어되었을 때에 전압 분배부(50)의 일부 저항(Re2)으로부터 측정된 전압과, 제3 스위치(21)는 ON 제어되고 제1, 제2 및 제4 스위치(11, 13, 23)는 OFF 제어되었을 때에 전압 분배부(50)의 일부 저항(Re2)으로부터 측정된 전압을 이용하여, 제1 및 제2 절연저항 값(RP, RN)을 산출할 수 있다.
유사한 방식으로, 제2 절연저항 측정모드인 경우, 제2 스위치(13)는 ON 제어되고 제1, 제3 및 제4 스위치(11, 21, 23)는 OFF 제어되었을 때에 전압 분배부(50)의 일부 저항(Re2)으로부터 측정된 전압과, 제4 스위치(23)는 ON 제어되고 제1 내지 제3 스위치(11, 13, 21)는 OFF 제어되었을 때에 전압 분배부(50)의 일부 저항(Re2)으로부터 측정된 전압을 이용하여, 제1 및 제2 절연저항 값(RP, RN)을 산출할 수 있다.
이와 같이, 절연저항 산출부(40)는 복수의 절연저항 측정모드에서 각각 제1 및 제2 절연저항 값을 산출할 수 있다.
여기서, 복수의 절연저항 측정모드는, 절연저항 측정시, 일단이 배터리의 양극에 연결되고 타단이 접지에 연결되는 제1 저항부(10)의 저항값과, 일단이 배터리의 음극에 연결되고 타단이 접지에 연결되는 제2 저항부(20)의 저항값을 변경하는 것에 의해 달라지는 모드로서, 예를 들면, 제1 절연저항 측정모드의 측정 범위는 실제 절연저항이 낮은 값일 때 상대적으로 낮은 오차율을 가지며, 제2 절연저항 측정모드의 측정 범위는 실제 절연저항이 높은 값일 때 상대적으로 낮은 오차율을 가진다.
또한, 절연저항 산출부(40)는, 산출된 복수의 절연저항 값들 중에서 하나의 절연저항 값을 실제의 절연저항 값으로 결정한다.
예를 들면, 제1 및 제2 절연저항 값 각각에 대해서, 제1 절연저항 측정모드로 산출된 절연저항 값과 제2 절연저항 측정모드로 산출된 절연저항 값에 대응하는 측정 범위를 결정하고, 제1 절연저항 측정모드 및 제2 절연저항 측정모드 중 결정된 측정 범위에서 상대적으로 낮은 오차율을 가지는 측정모드로 산출된 절연저항 값을 실제의 절연저항 값으로 결정한다.
일례로, 본 발명의 일 실시예에 따른 절연저항 측정 장치는 배터리랙의 배터리 관리 시스템의 일부 기능으로서 구현될 수 있고, 또는 별도의 장치로서 구현될 수도 있다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 배터리의 절연저항 측정시, 실제 절연저항 값에 대응하는 오차범위 내의 측정 범위 즉 상대적으로 낮은 오차율을 가지는 측정 범위에서 절연저항을 산출함으로써 측정 정확도가 낮아지지 않게 할 수 있다. 이로써, 배터리 시스템 진단시 보다 정확한 절연저항 값을 측정하고 리포팅할 수 있다.
이어서, 도 5-7을 이용하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 절연저항 측정 방법을 설명하기로 한다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 절연저항 측정 방법을 나타내는 순서도이며, 도 6의 (a), (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 절연저항 측정모드로 절연저항 값을 산출하는 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 7의 (a), (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 절연저항 측정모드로 절연저항 값을 산출하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 절연저항 측정 방법은, 먼저, 배터리(C)의 절연저항을 측정하기 위해서, 서로 다른 측정 범위에서 상대적으로 낮은 오차율을 가지는 복수의 절연저항 측정모드를 설정한다(S10).
상술한 바와 같이, 복수의 절연저항 측정모드는, 절연저항 측정시, 일단이 배터리(C)의 양극에 연결되고 타단이 접지에 연결되는 제1 저항부(10)의 저항값과, 일단이 배터리(C)의 음극에 연결되고 타단이 접지에 연결되는 제2 저항부(20)의 저항값을 변경하는 것에 의해 달라지는 모드이다.
예를 들면, 복수의 절연저항 측정모드는, 측정 범위로서 실제 절연저항이 낮은 값일 때 상대적으로 낮은 오차율을 가지는 제1 절연저항 측정모드와, 측정 범위로서 실제 절연저항이 높은 값일 때 상대적으로 낮은 오차율을 가지는 제2 절연저항 측정모드를 포함할 수 있다.
이어서, 각 절연저항 측정모드에 의해서 배터리(C)의 양극과 접지 사이의 제1 절연저항 값(RP)과 배터리(C)의 음극과 접지 사이의 제2 절연저항 값(RN)을 산출한다(S20).
예를 들면, 제2 절연저항 측정모드로서, 도 6의 (a)와 같이, 제1 저항부(10)가 제2 저항값(RG)을 가질 때, 즉, 제2 스위치(13)가 ON 제어되고 제1, 제3 및 제4 스위치(11, 21, 23)가 OFF 제어되었을 때의 등가회로로부터 측정 전압 A에 대한 식 1을 도출할 수 있다.
Figure PCTKR2019018052-appb-M000001
여기서, RN은 제2 절연저항 값이고, RE는 전압 분배부의 복수의 저항값의 합이며, RP는 제1 절연저항 값이고, C는 배터리의 전압값이며, D는 전압 분배부의 측정 전압 분배비이다. 여기서, 측정 전압 A는 예를 들면, 전압 분배부의 저항 Re2로부터 측정된 전압이다.
또한, 제2 절연저항 측정모드로서, 도 6의 (b)와 같이, 제2 저항부(20)가 제4 저항값(RF)을 가질 때, 즉, 제4 스위치(23)가 ON 제어되고 제1 내지 제3 스위치(11, 13, 21)가 OFF 제어되었을 때의 등가회로로부터 측정 전압 B에 대한 식 2를 도출할 수 있다.
Figure PCTKR2019018052-appb-M000002
이때, (RN//RE)를 X라 하면, 식 1은 식 3과 같이 나타낼 수 있고, 식 2는 식 4와 같이 나타낼 수 있다.
Figure PCTKR2019018052-appb-M000003
Figure PCTKR2019018052-appb-M000004
여기서, 식 3을 X로 정리하면 식 5와 같이 나타낼 수 있고, 식 4를 X로 정리하면 식 6과 같이 나타낼 수 있다.
Figure PCTKR2019018052-appb-M000005
Figure PCTKR2019018052-appb-M000006
이에 따라, 식 5와 식 6을 연립방정식으로 하여, X를 소거하여 식 7과 같이 제1 절연저항 값 RP를 도출할 수 있다.
Figure PCTKR2019018052-appb-M000007
이어서, 식 5에 X=(RN//RE)를 대입하여, 식 8과 같이 제2 절연저항 값 RN을 도출할 수 있다.
Figure PCTKR2019018052-appb-M000008
이와 같이 하여, 제2 절연저항 측정모드에서, 제1 및 제2 절연저항 값을 산출할 수 있다.
마찬가지의 방법으로, 제1 절연저항 측정모드로서, 도 7의 (a)와 같이, 제1 저항부(10)가 제1 저항값(Rg)을 가질 때, 즉, 제1 스위치(11)가 ON 제어되고 제2 내지 제4 스위치(13, 21, 23)가 OFF 제어되었을 때의 등가회로로부터 측정 전압에 대한 식을 도출하고, 도 7의 (b)와 같이, 제2 저항부(20)가 제3 저항값(Rf)을 가질 때, 즉, 제3 스위치(21)가 ON 제어되고 제1, 제2 및 제4 스위치(11, 13, 23)가 OFF 제어되었을 때의 등가회로로부터 측정 전압에 대한 식을 도출하여, 제1 및 제2 절연저항 값을 산출할 수 있다.
다시 도 5로 돌아가서, 산출된 제1 및 제2 절연저항 값 각각에 대해서, 각 절연저항 측정모드로 산출된 절연저항 값에 대응하는 측정 범위를 결정한다(S30).
이어서, 결정된 측정 범위에서 상대적으로 낮은 오차율을 가지는 측정모드로 산출된 절연저항 값을 실제의 절연저항 값으로 결정한다(S40).
각 절연저항 측정모드에서의 측정 오차는, 도 8과 같이, 반복 실험에 의해 얻어질 수 있다.
예로써, 도 8의 (a)는 제1 절연저항 측정모드에서의 절연저항 값에 대한 측정 오차(%)를 나타내는 표이고, 도 8의 (b)는 제2 절연저항 측정모드에서의 절연저항 값에 대한 측정 오차(%)를 나타내는 표이다.
도 8의 (a)와 같이, 제1 절연저항 측정모드에서는 상대적으로 작은 절연저항 값의 오차가 상대적으로 큰 절연저항 값의 오차보다 낮음을 알 수 있다. 이에 따라, 제1 절연저항 측정모드의 측정 범위는 상대적으로 오차율이 낮은 범위 예를 들면, 10,000k옴 이하의 범위로 설정될 수 있다.
또한, 도 8의 (b)와 같이, 제2 절연저항 측정모드에서는 상대적으로 큰 절연저항 값의 오차가 상대적으로 작은 절연저항 값의 오차보다 낮음을 알 수 있다. 이에 따라, 제2 절연저항 측정모드의 측정 범위는 상대적으로 오차율이 낮은 범위 예를 들면, 10,000k옴 초과의 범위로 설정될 수 있다.
예를 들어, 도 5의 단계 S30에서 제1 및 제2 절연저항 측정모드로 산출된 제1 또는 제2 절연저항 값이 모두 10,000k옴 이하인 경우, 대응하는 측정 범위가 상대적으로 낮은 제1 절연저항 측정모드의 측정 범위에 해당한다고 판단하고, 도 5의 단계 S40에서 제1 절연저항 측정모드로 산출된 절연저항 값을 실제의 절연저항 값으로 결정할 수 있다.
이에 따라, 상대적으로 낮은 절연저항 값의 정밀한 측정을 위해서는 제1 절연저항 측정모드를 이용하고, 상대적으로 높은 절연저항 값의 정밀한 측정을 위해서는 제2 절연저항 측정모드를 이용하면 된다.
이와 같은 방법으로, 배터리(C)의 절연저항 측정시, 실제 절연저항 값에 대응하는 오차범위 내의 측정 범위에서 절연저항을 산출함으로써 측정 정확도가 낮아지지 않게 할 수 있다.
한편, 상술한 설명에서는, 절연저항 측정 장치의 제1 저항부(10) 및 제2 저항부(20)가, 도 3에서와 같이, 복수의 저항값을 가지기 위해서 복수의 스위치 및 복수의 저항을 이용하여 병렬 회로 구조를 가지는 것으로 설명되었으나, 예를 들면, 도 9와 같이, 가변 저항을 이용하여 설계될 수도 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 절연저항 측정 장치의 회로 구성을 개략적으로 예시한 도면이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 절연저항 측정 장치는, 제1 저항부(10a)가, 배터리(C)의 양극과 접지 사이에서, 제1 스위치(11)에 의해 ON/OFF 제어되며, 제1 저항값 또는 제2 저항값으로 변환 가능한 제1 가변저항부(R1a)로 이루어질 수 있고, 마찬가지로, 제2 저항부(20a)는, 배터리(C)의 음극과 접지 사이에서, 제3 스위치(21a)에 의해 ON/OFF 제어되며, 제3 저항값 또는 제4 저항값으로 변환 가능한 제2 가변저항부(R2a)로 이루어질 수 있다. 그 밖의 구성은 앞서 설명한 바와 같다.
또한, 상술한 설명에서는, 절연저항 측정 장치의 전압 분배부(50)가, 도 2에서와 같이, 제2 저항부(20)와 병렬로 연결되어 있으나, 예를 들면, 도 10과 같이, 제1 저항부(10)와 병렬로 연결되도록 설계될 수도 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 절연저항 측정 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 전압 분배부(50a)는 배터리(C)의 양극과 접지 사이에서, 제1 저항부(10)와 병렬 구조를 가지도록 설계될 수 있다. 그 밖의 구성은 앞서 설명한 바와 같다.
또 다른 실시예로서, 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 절연저항 측정 방법은, 각 단계를 수행하는 기록 매체에 저장된 프로그램으로 구현될 수 있으며, 해당 프로그램은 배터리랙의 BMS의 메모리에 저장되고 MCU에 의해 실행될 수 있다. 다시 말해, 본 발명의 방법은 컴퓨터 프로그램으로 작성이 가능하다. 그리고 상기 프로그램을 구성하는 코드 및 코드 세그먼트는 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다.　또한, 상기 작성된 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체(정보 저장 매체)에 저장되고, 컴퓨터에 의하여 판독되고 실행됨으로써 본 발명의 방법을 실현할 수 있다. 그리고 상기 기록 매체는 컴퓨터가 판독할 수 있는 모든 형태의 기록매체를 포함한다. 상기 기록 매체는 MCU와 별도로 마련될 수도 있으나, MCU와 일체로 형성된 구성일 수도 있을 것이다.
예를 들면, 본 발명의 배터리랙의 BMS는 도 11와 같이 구현될 수 있다. 도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 관리 시스템(BMS)의 하드웨어 구성을 나타내는 블록도이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 배터리 관리 시스템(300)은, 각종 처리 및 각 구성을 제어하는 MCU(310)와, 운영체제 프로그램 및 각종 프로그램(예로서, 배터리의 절연저항 측정 프로그램) 등이 기록되는 메모리(320)와, 배터리 및/또는 스위칭부와의 사이에서 입력 인터페이스 및 출력 인터페이스를 제공하는 입출력 인터페이스(330)와, 유무선 통신망을 통해 외부와 통신 가능한 통신 인터페이스(340)를 구비할 수 있다. 이와 같이, 본 발명에 따른 컴퓨터 프로그램은 메모리(320)에 기록되고, 마이크로 컨트롤러(310)에 의해 처리됨으로써 예를 들면 도 2 등에서 도시한 각 기능 블록들을 수행하는 모듈로서 구현될 수 있다.
이상에서 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 실시가 가능함은 물론이다.

Claims (15)

  1. 일단은 배터리의 양극에 연결되고 타단은 접지에 연결되며, 제어에 따라 제1 저항값 또는 상기 제1 저항값보다 큰 제2 저항값을 선택적으로 가지는 제1 저항부;
    일단은 상기 배터리의 음극에 연결되고 타단은 상기 접지에 연결되며, 제어에 따라 제3 저항값 또는 상기 제3 저항값보다 큰 제4 저항값을 선택적으로 가지는 제2 저항부;
    상기 제1 저항부 또는 상기 제2 저항부 양단에 관련된 전압을 측정하는 전압 측정부; 및
    상기 제1 저항값 내지 제4 저항값과 상기 전압 측정부에 의해 측정된 전압을 이용하여, 상기 배터리의 양극과 접지 사이의 제1 절연저항 값과 상기 배터리의 음극과 접지 사이의 제2 절연저항 값을 산출하는 절연저항 산출부를 포함하는 절연저항 측정 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 저항부 또는 제2 저항부와 병렬로 연결되며, 직렬 연결된 복수의 저항으로 이루어진 전압 분배부를 더 포함하며,
    상기 절연저항 산출부는, 상기 전압 측정부에 의해 측정된 전압으로서 상기 전압 분배부의 일부 저항으로부터 측정된 전압을 이용하여, 상기 배터리의 양극과 접지 사이의 제1 절연저항 값과 상기 배터리의 음극과 접지 사이의 제2 절연저항 값을 산출하는 절연저항 측정 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 절연저항 산출부는, 서로 다른 측정 범위에서 상대적으로 낮은 오차율을 가지는 제1 절연저항 측정모드 및 제2 절연저항 측정모드를 가지고,
    상기 제1 절연저항 측정모드 시에는 제1 저항값과 제3 저항값을 이용하여 상기 제1 및 제2 절연저항 값을 산출하고,
    상기 제2 절연저항 측정모드 시에는 제2 저항값과 제4 저항값을 이용하여 상기 제1 및 제2 절연저항 값을 산출하는 절연저항 측정 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 절연저항 산출부는, 상기 제1 및 제2 절연저항 값 각각에 대해서,
    상기 제1 절연저항 측정모드로 산출된 절연저항 값과 상기 제2 절연저항 측정모드로 산출된 절연저항 값에 대응하는 상기 측정 범위를 결정하고, 상기 제1 절연저항 측정모드 및 제2 절연저항 측정모드 중 상기 결정된 측정 범위에서 상대적으로 낮은 오차율을 가지는 측정모드로 산출된 절연저항 값을 실제의 절연저항 값으로 결정하는 절연저항 측정 장치.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 저항부는, 상기 배터리의 양극과 상기 접지 사이에서, 제1 스위치에 의해 ON/OFF 제어되는 제1 저항값부와 제2 스위치에 의해 ON/OFF 제어되는 제2 저항값부가 병렬로 연결되어 이루어지고,
    제2 저항부는, 상기 배터리의 음극과 상기 접지 사이에서, 제3 스위치에 의해 ON/OFF 제어되는 제3 저항값부와 제4 스위치에 의해 ON/OFF 제어되는 제4 저항값부가 병렬로 연결되어 이루어지는 절연저항 측정 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 저항부의 제1 스위치 또는 제2 스위치가 ON 제어될 때, 상기 제2 저항부의 제3 스위치 및 제4 스위치는 OFF 제어되는 절연저항 측정 장치.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 제2 저항부의 제3 스위치 또는 제4 스위치가 ON 제어될 때, 상기 제1 저항부의 제1 스위치 및 제2 스위치는 OFF 제어되는 절연저항 측정 장치.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 절연저항 측정모드의 경우, 제1 스위치는 ON 제어되고 제2 내지 제4 스위치는 OFF 제어되었을 때에 상기 전압 분배부의 일부 저항으로부터 측정된 전압과, 제3 스위치는 ON 제어되고 제1, 제2 및 제4 스위치는 OFF 제어되었을 때에 상기 전압 분배부의 일부 저항으로부터 측정된 전압을 이용하여, 상기 제1 및 제2 절연저항 값을 산출하는 절연저항 측정 장치.
  9. 청구항 5에 있어서,
    상기 제2 절연저항 측정모드인 경우, 제2 스위치는 ON 제어되고 제1, 제3 및 제4 스위치는 OFF 제어되었을 때에 상기 전압 분배부의 일부 저항으로부터 측정된 전압과, 제4 스위치는 ON 제어되고 제1 내지 제3 스위치는 OFF 제어되었을 때에 상기 전압 분배부의 일부 저항으로부터 측정된 전압을 이용하여, 상기 제1 및 제2 절연저항 값을 산출하는 절연저항 측정 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 저항값 내지 제4 저항값은 배터리 또는 배터리가 장착되는 장치에 따라 변경되는 값인 절연저항 측정 장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 전압 분배부는, 상기 복수의 저항과 직렬로 연결되어 ON/OFF 제어되는 제5 스위치를 더 포함하는 절연저항 측정 장치.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리는 배터리랙이며,
    상기 접지는 상기 배터리랙의 섀시인 절연저항 측정 장치.
  13. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 저항부는, 상기 배터리의 양극과 상기 접지 사이에서, 제1 스위치에 의해 ON/OFF 제어되며, 상기 제1 저항값 또는 제2 저항값으로 변환 가능한 제1 가변저항부로 이루어지고,
    상기 제2 저항부는, 상기 배터리의 음극과 상기 접지 사이에서, 제3 스위치에 의해 ON/OFF 제어되며, 상기 제3 저항값 또는 제4 저항값으로 변환 가능한 제2 가변저항부로 이루어지는 절연저항 측정 장치.
  14. 배터리의 절연저항을 측정하기 위해서, 서로 다른 측정 범위에서 상대적으로 낮은 오차율을 가지는 복수의 절연저항 측정모드를 설정하는 단계;
    각 절연저항 측정모드에 의해서 상기 배터리의 양극과 접지 사이의 제1 절연저항 값과 상기 배터리의 음극과 접지 사이의 제2 절연저항 값을 산출하는 단계;
    상기 제1 및 제2 절연저항 값 각각에 대해서, 각 절연저항 측정모드로 산출된 절연저항 값에 대응하는 상기 측정 범위를 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 측정 범위에서 상대적으로 낮은 오차율을 가지는 측정모드로 산출된 절연저항 값을 실제의 절연저항 값으로 결정하는 단계;
    를 포함하는 절연저항 측정 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 복수의 절연저항 측정모드는,
    절연저항 측정시, 일단이 상기 배터리의 양극에 연결되고 타단이 접지에 연결되는 제1 저항부의 저항값과, 일단이 상기 배터리의 음극에 연결되고 타단이 접지에 연결되는 제2 저항부의 저항값을 변경하는 것에 의해 달라지는 것인 절연저항 측정 방법.
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