CN102830351A - 高压开关的状态监测与故障诊断装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压开关的状态监测与故障诊断装置，包括监测单元和控制单元；监测单元以高压直流输出的负极为浮地采样基准点，以高压直流输出回路中的各个高压开关的输入端口和输出端口为采样点，通过多通道高压检测电路检测出每个采样点的电压值；控制单元用于向高压开关发出开关命令，并根据开关命令和每个采样点的电压值，对高压开关进行状态监测和故障诊断。本发明高压开关的状态监测与故障诊断装置能够实现高压直流系统中高压开关的状态监测和故障诊断，提高高压直流系统的安全性和可靠性。

Description

高压开关的状态监测与故障诊断装置

技术领域

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种高压开关的状态监测与故障诊断装置。

背景技术

在新能源汽车和储能系统的高压电池组输出回路中，一般都分布有多个高压开关（例如继电器、接触器等），这些高压开关用于完成正常的高压输出通断控制、预充电控制、快/慢充电控制、异常情况下紧急切断高压输出等任务。由于高压输出涉及人身安全问题，因此对高压开关进行状态监测与故障诊断就显得特别重要。系统必须确保高压开关按照正常的开关指令进行吸合或断开，当高压开关出现粘连故障或者出现不能正常吸合的故障时，系统应能立即检测到该类故障并执行相应的保护策略，以及发出报警信息到人机交互界面，以避免事故的发生。

目前，现有的高压开关的状态监测与故障诊断系统，主要通过高压开关附带的机械辅助触点（联动装置）来实现状态监测，其可靠性、安全等级比较低，使得整个高压直流系统达不到高可靠性和高安全等级的要求，给人身安全带来很大的隐患。

发明内容

本发明的发明目的在于：提出一种高压开关的状态监测与故障诊断装置，能够实现高压直流系统中高压开关的状态监测和故障诊断，提高高压直流系统的安全性和可靠性。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种高压开关的状态监测与故障诊断装置，包括监测单元和控制单元；

所述监测单元用于以高压直流输出的负极为浮地采样基准点，以高压直流输出回路中的各个高压开关的输入端口和输出端口为采样点，通过多通道高压检测电路检测出每个采样点的电压值；

所述控制单元用于向所述高压开关发出开关命令，并根据所述开关命令和每个采样点的电压值，对所述高压开关进行状态监测和故障诊断。

作为本发明高压开关的状态监测与故障诊断装置的一种改进，所述监测单元包括与每个采样点一一对应连接的分压采集单元、第一采样单元和第二采样单元；所述第一采样单元和所述第二采样单元均为多通道的高精度模数转换器；

每个分压采集单元的输出端一一对应地与所述第一采样单元的一个模拟信号输入端连接；且每个分压采集单元的输出端还一一对应地与所述第二采样单元的一个模拟信号输入端连接。

作为本发明高压开关的状态监测与故障诊断装置的一种改进，所述分压采集单元包括由厚膜电阻组成的分压电阻网络，用于高压衰减。

作为本发明高压开关的状态监测与故障诊断装置的一种改进，所述分压采集单元包括第一厚膜电阻、第二厚膜电阻、采样电阻和采样电容；

所述第一厚膜电阻的第一端对应连接一个采样点，所述第一厚膜电阻的第二端连接所述第二厚膜电阻的第一端，所述第二厚膜电阻的第二端连接所述高压直流输出的负极；

所述采样电阻的第一端连接所述第二厚膜电阻的第一端，所述采样电阻的第二端与所述第一采样单元的一个模拟信号输入端对应连接，且所述采样电阻的第二端还与所述第二采样单元的一个模拟信号输入端对应连接；

所述采样电容的第一端连接所述采样电阻的第二端，所述采样电容的第二端连接所述高压直流输出的负极。

作为本发明高压开关的状态监测与故障诊断装置的一种改进，所述高压直流输出回路上连接有正极高压开关、负极高压开关、预充高压开关和预充电阻；

所述正极高压开关的第一端连接高压直流输出的正极，所述正极高压开关的第二端为高压直流系统的正输出端；

所述负极高压开关的第一端连接高压直流输出的负极，所述负极高压开关的第二端为高压直流系统的负输出端；

所述预充电阻的第一端连接高压直流输出的正极，所述预充电阻的第二端连接所述预充高压开关的第一端，所述预充高压开关的第二端连接所述正极高压开关的第二端。

作为本发明高压开关的状态监测与故障诊断装置的一种改进，所述控制单元发出开关命令，控制所述正极高压开关、所述负极高压开关和所述预充高压开关的开关状态；

所述监测单元以所述正极高压开关的第一端为第一采样点，以所述负极高压开关的第二端为第二采样点，以所述正极高压开关的第二端为第三采样点，在所述控制单元发出开关命令之后分别检测所述第一采样点、所述第二采样点和所述第三采样点的电压值，并将检测到的电压值传送给所述控制单元；

所述控制单元根据发出的开关命令以及每个采样点的电压值变化情况，对所述正极高压开关、所述负极高压开关和所述预充高压开关进行状态监测和故障诊断。

作为本发明高压开关的状态监测与故障诊断装置的一种改进，所述高压直流输出回路上还连接有电流检测单元、快/慢充放电高压开关或高压开关驱动单元。

作为本发明高压开关的状态监测与故障诊断装置的一种改进，所述高压开关的状态监测与故障诊断装置还包括报警单元；

所述报警单元用于在所述控制单元确定高压开关出现故障时，发出报警信号。

作为本发明高压开关的状态监测与故障诊断装置的一种改进，所述高压直流输出回路是新能源汽车的或者储能系统的高压电池组输出回路。

相对于现有技术，本发明高压开关的状态监测与故障诊断装置具有如下有益效果：本发明实施例在高压直流输出回路中采用单点浮地技术，以高压直流输出的负极为浮地采样基准点，以高压直流输出回路中的各个高压开关的输入端口和输出端口为采样点，通过多通道高压检测电路检测出上电、预充电、下电等工作过程中每个采样点的电压值的变化情况，实现对多路高压开关的状态监测和故障诊断，解决了多个高压值的检测问题。而且，采用厚膜电阻分压网络对高压值进行分压，从而保证了采样电阻的温度稳定性，提高了采样精度。此外，监测单元采用互为备份的两个高精度采样单元完成采样点的电压检测，通过冗余设计使监测单元自身的安全等级达到ASIL C以上，从而提高了整个高压直流系统的安全性和可靠性。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式，对本发明高压开关的状态监测与故障诊断装置及其有益技术效果进行详细说明，其中：

图1是本发明高压开关的状态监测与故障诊断装置的一个实施例的结构示意图。

图2是本发明高压开关的状态监测与故障诊断装置的监测单元的一个实施例的结构示意图。

图3是本发明高压开关的状态监测与故障诊断装置的分压采集单元的一个实施例的结构示意图。

图4是本发明高压开关的状态监测与故障诊断装置的一个应用场景的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的发明目的、技术方案和有益技术效果更加清晰明白，以下结合附图和具体实施方式，对本发明进行进一步清楚、完整的说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明。

本发明提供了一种高压开关的状态监测与故障诊断装置，用于对高压直流输出回路中的高压开关进行状态监测和故障诊断，提高高压直流系统的安全性和可靠性。其中，高压直流系统可以是新能源汽车的或者储能系统的高压电池组。高压开关设置在高压直流输出回路上，用于完成高压输出通断控制、预充电控制、快/慢充电控制、异常情况下紧急切断高压输出等任务。

请参见图1所示，是本发明提供的高压开关的状态监测与故障诊断装置的一个实施例的结构示意图。

图示实施例提供的高压开关的状态监测与故障诊断装置包括监测单元1和控制单元2，具体如下：

监测单元1用于以高压直流输出的负极为浮地采样基准点，以高压直流输出回路中的各个高压开关的输入端口和输出端口为采样点，通过多通道高压检测电路检测出每个采样点的电压值。

控制单元2用于向高压开关发出开关命令，并根据开关命令和每个采样点的电压值，对高压开关进行状态监测和故障诊断。

此外，高压开关的状态监测与故障诊断装置还可以包括报警单元，报警单元用于在控制单元确定高压开关出现故障时，发出报警信号。

请参见图2所示，是监测单元的一个实施例的结构示意图。

图示实施例提供的监测单元包括与每个采样点一一对应连接的分压采集单元、第一采样单元101和第二采样单元102，其中，第一采样单元101和第二采样单元102均为多通道的高精度模数转换器。

每个分压采集单元的输出端一一对应地与第一采样单元101的一个模拟信号输入端连接；且每个分压采集单元的输出端还一一对应地与第二采样单元102的一个模拟信号输入端连接。

如图2所示，假设在高压直流输出回路上具有采样点A1、采样点A2、…采样点An，那么监测单元中设有与采样点A1对应的分压采集单元X1，与采样点A2对应的分压采集单元X2，与采样点An对应的分压采集单元Xn。分压采集单元X1的输出端与第一采样单元101的第一个模拟信号输入端对应连接，且分压采集单元X1的输出端与第二采样单元102的第一个模拟信号输入端对应连接。分压采集单元X2的输出端与第一采样单元101的第二个模拟信号输入端对应连接，且分压采集单元X2的输出端与第二采样单元102的第二个模拟信号输入端对应连接。分压采集单元Xn的输出端与第一采样单元101的第n个模拟信号输入端对应连接，且分压采集单元Xn的输出端与第二采样单元102的第n个模拟信号输入端对应连接。

在本发明的一个可选实施方式中，分压采集单元包括由厚膜电阻组成的分压电阻网络，用于高压衰减。采用厚膜电阻分压网络对高压值进行分压，可以保证采样电阻的温度稳定性，提高采样精度。

请参见图3所示，是分压采集单元的一个实施例的结构示意图。

图示实施例提供的分压采集单元包括第一厚膜电阻Ru、第二厚膜电阻Rp、采样电阻Rs和采样电容Cs，具体如下：

第一厚膜电阻Ru的第一端对应连接一个采样点（如图3所示的电压为U的采样点），第一厚膜电阻Ru的第二端连接第二厚膜电阻Rp的第一端，第二厚膜电阻Rp的第二端连接高压直流输出的负极。

采样电阻Rs的第一端连接第二厚膜电阻Rp的第一端，采样电阻Rs的第二端与第一采样单元的一个模拟信号输入端对应连接，且采样电阻Rs的第二端还与第二采样单元的一个模拟信号输入端对应连接。

采样电容Cs的第一端连接采样电阻Rs的第二端，采样电容Cs的第二端连接高压直流输出的负极。

本发明实施例提供的高压开关的状态监测与故障诊断装置，能够对高压直流输出回路中的高压开关进行状态监测与故障诊断。可选的，高压直流输出回路是新能源汽车的或者储能系统的高压电池组输出回路。

请参见图4所示，是本发明提供的高压开关的状态监测与故障诊断装置的一个应用场景的示意图。

本实施例仅以监测储能系统的高压电池组输出回路中的高压开关为例，对本发明提供的高压开关的状态监测与故障诊断装置的工作原理进行详细描述。

高压直流系统包括高压电池组和输出控制单元，其中，电池B1、电池B2、...电池Bn串联组成高压电池组，高压电池组的正极为高压直流输出的正极B+，高压电池组的负极为高压直流输出的负极B-。输出控制单元连接在高压电池组的高压直流输出回路上，用于完成高压输出通断控制、预充电控制等任务。

如图4所示，高压直流输出回路上连接有正极高压开关K1、负极高压开关K2、预充高压开关K3和预充电阻R。

正极高压开关K1的第一端连接高压直流输出的正极，正极高压开关K1的第二端为高压直流系统的正输出端HV+。

负极高压开关K2的第一端连接高压直流输出的负极，负极高压开关K2的第二端为高压直流系统的负输出端HV-。

预充电阻R的第一端连接高压直流输出的正极，预充电阻R的第二端连接预充高压开关K3的第一端，预充高压开关K3的第二端连接正极高压开关K1的第二端。

需要说明的是，根据实际需要，高压直流输出回路上还连接有电流检测单元、快/慢充放电高压开关或高压开关驱动单元。

具体实施时，高压开关的状态监测与故障诊断装置的工作原理如下：

控制单元发出开关命令，控制正极高压开关K1、负极高压开关K2和预充高压开关K3的开关状态。

监测单元以高压直流输出的负极B-为浮地采样基准点，以正极高压开关K1的第一端为第一采样点，以负极高压开关K2的第二端为第二采样点，以正极高压开关K1的第二端为第三采样点，在控制单元发出开关命令之后分别检测第一采样点、第二采样点和第三采样点的电压值，并将检测到的电压值传送给控制单元。其中，第一采样点、第二采样点和第三采样点的电压值分别为U1、U2和U3，是采样点到浮地采样基准点的电势差值。

控制单元根据发出的开关命令以及每个采样点的电压值变化情况，对正极高压开关K1、负极高压开关K2和预充高压开关K3进行状态监测和故障诊断。

更为具体的，在检测出电压值U1、U2和U3后，控制单元结合高压直流上电、预充电、下电过程中各高压开关的开通、闭合顺序，即可监测到正极高压开关K1、负极高压开关K2和预充高压开关K3的开关状态，从而诊断出各高压开关是否出现了“粘连”故障或者出现了不能吸合的故障。

下面以检测负极高压开关K2是否出现“开路”故障为例进行说明，如下表所示，表中Ub为高压电池组总电压值，符号“~”表示大约为该值，通过在预充电过程中检测U1、U2和U3的电压值，即可诊断出高压开关K2是否出现了“开路”故障。具体的，控制开关发出开关命令，控制正极高压开关K1执行断开动作，控制负极高压开关K2执行闭合动作，控制预充高压开关K3执行闭合动作。在预充电过程中检测到U1约等于Ub，U2约等于0，U3约等于Ub，那么可以诊断出负极高压开关K2出现“开路”故障。

结合以上的详细描述可知，相对于现有技术，本发明高压开关的状态监测与故障诊断装置具有如下有益效果：

（1）在高压直流输出回路中采用单点浮地技术，以高压直流输出的负极为浮地采样基准点，以高压直流输出回路中的各个高压开关的输入端口和输出端口为采样点，通过多通道高压检测电路检测出上电、预充电、下电等工作过程中每个采样点的电压值的变化情况，实现对多路高压开关的状态监测和故障诊断，解决了多个高压值的检测问题。

（2）采用厚膜电阻分压网络对高压值进行分压，从而保证了采样电阻的温度稳定性，提高了采样精度。

（3）组合高压采样值以及根据高压采样值变化情况，实现了对各高压开关的故障诊断，减少了高压采样通道的数量。

（4）监测单元采用互为备份的两个高精度采样单元完成采样点的电压检测，通过冗余设计使监测单元自身的安全等级达到ASIL C以上，从而提高了整个高压直流系统的安全性和可靠性。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (9)

1.一种高压开关的状态监测与故障诊断装置，其特征在于，包括监测单元和控制单元；

所述监测单元用于以高压直流输出的负极为浮地采样基准点，以高压直流输出回路中的各个高压开关的输入端口和输出端口为采样点，通过多通道高压检测电路检测出每个采样点的电压值；

所述控制单元用于向所述高压开关发出开关命令，并根据所述开关命令和每个采样点的电压值，对所述高压开关进行状态监测和故障诊断。

2.根据权利要求1所述的高压开关的状态监测与故障诊断装置，其特征在于，所述监测单元包括与每个采样点一一对应连接的分压采集单元、第一采样单元和第二采样单元；所述第一采样单元和所述第二采样单元均为多通道的高精度模数转换器；

每个分压采集单元的输出端一一对应地与所述第一采样单元的一个模拟信号输入端连接；且每个分压采集单元的输出端还一一对应地与所述第二采样单元的一个模拟信号输入端连接。

3.根据权利要求2所述的高压开关的状态监测与故障诊断装置，其特征在于，所述分压采集单元包括由厚膜电阻组成的分压电阻网络，用于高压衰减。

4.根据权利要求3所述的高压开关的状态监测与故障诊断装置，其特征在于，所述分压采集单元包括第一厚膜电阻、第二厚膜电阻、采样电阻和采样电容；

所述第一厚膜电阻的第一端对应连接一个采样点，所述第一厚膜电阻的第二端连接所述第二厚膜电阻的第一端，所述第二厚膜电阻的第二端连接所述高压直流输出的负极；

所述采样电阻的第一端连接所述第二厚膜电阻的第一端，所述采样电阻的第二端与所述第一采样单元的一个模拟信号输入端对应连接，且所述采样电阻的第二端还与所述第二采样单元的一个模拟信号输入端对应连接；

所述采样电容的第一端连接所述采样电阻的第二端，所述采样电容的第二端连接所述高压直流输出的负极。

5.根据权利要求2~4中任一项所述的高压开关的状态监测与故障诊断装置，其特征在于，所述高压直流输出回路上连接有正极高压开关、负极高压开关、预充高压开关和预充电阻；

所述正极高压开关的第一端连接高压直流输出的正极，所述正极高压开关的第二端为高压直流系统的正输出端；

所述负极高压开关的第一端连接高压直流输出的负极，所述负极高压开关的第二端为高压直流系统的负输出端；

所述预充电阻的第一端连接高压直流输出的正极，所述预充电阻的第二端连接所述预充高压开关的第一端，所述预充高压开关的第二端连接所述正极高压开关的第二端。

6.根据权利要求5所述的高压开关的状态监测与故障诊断装置，其特征在于，所述控制单元发出开关命令，控制所述正极高压开关、所述负极高压开关和所述预充高压开关的开关状态；

所述监测单元以所述正极高压开关的第一端为第一采样点，以所述负极高压开关的第二端为第二采样点，以所述正极高压开关的第二端为第三采样点，在所述控制单元发出开关命令之后分别检测所述第一采样点、所述第二采样点和所述第三采样点的电压值，并将检测到的电压值传送给所述控制单元；

所述控制单元根据发出的开关命令以及每个采样点的电压值变化情况，对所述正极高压开关、所述负极高压开关和所述预充高压开关进行状态监测和故障诊断。

7.根据权利要求6所述的高压开关的状态监测与故障诊断装置，其特征在于，所述高压直流输出回路上还连接有电流检测单元、快/慢充放电高压开关或高压开关驱动单元。

8.根据权利要求7所述的高压开关的状态监测与故障诊断装置，其特征在于，所述高压开关的状态监测与故障诊断装置还包括报警单元；

所述报警单元用于在所述控制单元确定高压开关出现故障时，发出报警信号。

9.根据权利要求8所述的高压开关的状态监测与故障诊断装置，其特征在于，所述高压直流输出回路是新能源汽车的或者储能系统的高压电池组输出回路。

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