CN106031300A - 导通故障检测装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种导通故障检测装置，其检测例如与电阻值随温度变化的PTC元件(2b)对应设置，并用于控制PTC元件(2b)的通电的IGBT(3b)的导通故障。在从控制装置向IGBT(3b)输出关断指令的状态下，导通故障检测装置通过计算求出PTC元件(2b)的两端电压在分压后的电位差，当该电位差在规定阈值以上时，检测到IGBT(3b)的导通故障。由此，能够检测对电阻值随温度变化的元件进行导通控制的开关功能元件的导通故障。

Description

导通故障检测装置及其方法
技术领域
本发明涉及一种检测开关功能元件的导通故障的导通故障检测装置及其方法，所述开关功能元件对PTC元件等电阻随温度变化的元件进行导通控制。
背景技术
例如，在适用于电动汽车或混合动力车等的车用空调装置中，作为制暖用的热源的一种，众所周知有将正特性热敏电阻元件(PositiveTemperature Coefficient；以下称为“PTC元件”)作为发热体的PTC加热器(例如，参照专利文献1、2)。
PTC元件的通电控制通过对IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor：绝缘栅双极晶体管)等开关功能元件进行开关而进行，但当该开关功能元件发生故障时电流继续流经PTC加热器。因此，需要对开关功能元件进行导通故障的检测。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2008-277351号公报
专利文献2：日本专利特开2013-159135号公报
发明内容
发明要解决的课题
一般而言，在PTC加热器的通电控制电路上，设置有用于检测流经PTC加热器的电流的电流传感器(例如，分流电阻、CT(CurrentTransformer：变流器)等)。然而，如图7所示，由于PTC元件的特性为电阻值相对于温度变化较大，因此当温度较高时，存在流经的电流减小，被电流传感器的误差和偏移调整幅度掩盖而无法检测出的问题。并且，若增大分流电阻的电阻值，则能够检测出，但因发热的关系，分流电阻的电阻值受到限制。
另外，在开关功能元件导通故障时流经的电流与通常流经的电流相等，因此无法区分导通故障时的电流与通常时的电流，不能用保险丝进行保护。
上述问题并不限于PTC元件，而是电阻随温度变化的元件中都会发生的问题。
本发明鉴于上述事实而完成，其目的在于提供一种能够检测开关功能元件的导通故障的导通故障检测装置及其方法，所述开关功能元件对电阻值随温度变化的元件进行导通控制。
技术方案
本发明的第1方式为一种导通故障检测装置，其用于检测第1开关功能元件的导通故障，所述第1开关功能元件与电阻值随温度变化的元件对应设置，并且用于控制所述元件的通电，所述导通故障检测装置具备检测单元，在向所述第1开关功能元件输出关断指令，并能够向所述元件供给电力的状态下，当与所述元件的两端电压有关的参数在规定阈值以上时，所述检测单元检测到所述第1开关功能元件的导通故障。
根据本方式，在向所述第1开关功能元件输出关断指令，并能够向所述元件供给电力的状态下，若第1开关功能元件未发生导通故障，则元件的两端电压为零。另一方面，当第1开关功能元件发生导通故障时，即使输出关断指令，也会维持导通状态，从而在元件的两端电压上检测出电压。因此，能够根据与元件的两端电压有关的参数检测导通故障。
上述元件虽然具有电阻值随温度变化的特性，但元件的两端电压并不取决于温度，而是固定的值(与施加电压相同或大致相同的值)。因此，通过利用与端子的两端电压有关的参数，即使在流经元件的电流较小，且无法用以往的分流电阻进行检测的情况下，也能够容易地检测出电流是否流经元件。
在上述导通故障检测装置中，可以具有第2开关功能元件，其设置在向所述元件供给电力的电源线上，当通过所述检测单元检测到导通故障时，可以将所述第2开关功能元件设定为关断状态。
根据上述结构，当检测到第1开关功能元件的导通故障时，能够阻断对元件的电力供给。
在上述导通故障检测装置中，所述检测单元可以在未检测到第1开关功能元件的导通故障的情况下，向所述第2开关功能元件输出关断指令，并向所述第1开关功能元件输出导通指令，在该状态下，当与所述元件的两端电压有关的参数在规定阈值以上时，检测出所述第2开关功能元件的导通故障。
当设置有第2开关功能元件时，通过检测第1开关功能元件的导通故障，并检测第2开关功能元件的导通故障，能够提高安全性。
在上述导通故障检测装置中，所述检测单元可以具有：第1分压单元，其与所述元件的高电压侧连接；第2分压单元，其与所述元件的低电压侧连接；以及光耦合器，其顺方向地连接在线上，该线连接所述第1分压单元的输出端子与所述第2分压单元的输出端子，其中，可基于所述光耦合器的输出检测导通故障。
根据上述结构，能够简单且廉价地构成检测单元。
本发明的第2方式为具备上述导通故障检测装置的PTC加热器。
本发明的第3方式为一种车辆，该车辆具有：包含上述PTC加热器的辅机类；作为所述辅机类的电源使用的蓄电装置；设置在连接所述蓄电装置与所述辅机类的电力线上的第3开关功能元件；以及车辆控制装置，其中，所述车辆控制装置在检测到车内异常且所述第3开关功能元件被设定为打开状态的情况下，以所述第3开关功能元件处于打开的状态判定所述蓄电装置是否为过电流异常，当判定并无过电流异常时，将所述第3开关功能元件设定为关闭状态，判定所述辅机类是否为过电流异常，当判定所述辅机类并无过电流异常时，对构成所述辅机类的各个机器实施故障检测。
在上述车辆中，在所述辅机类的故障检测时，从所述蓄电装置供给的电压可以低于普通运转时供给的电压。
如此，故障检测时，通过施加比普通运转时小的电压，能够降低元件损坏或电击的可能性。
在上述车辆中，所述辅机类的故障检测时使用的各个所述机器的故障判定阈值可以设定为小于所述车辆控制装置在所述辅机类的过电流异常中使用的判定阈值。
由此，能够在通过车辆控制装置检测到辅机类的过电流异常之前，终止各个机器的故障判定。由此，对于正常的机器，能够继续供给电力。
在上述车辆中，所述导通故障检测装置可以设置在所述车辆控制装置上。由此，能够实现装置的简单化。
本发明的第4方式为一种导通故障检测方法，其用于检测第1开关功能元件的导通故障，所述第1开关功能元件与电阻值随温度变化的元件对应设置，并且用于控制所述元件的通电，在向所述第1开关功能元件输出关断指令，并能够向所述元件供给电力的状态下，当与所述元件的两端电压有关的参数在规定阈值以上时，检测到所述第1开关功能元件的导通故障。
有益效果
根据本发明，能够起到检测开关功能元件的导通故障的效果，所述开关功能元件对电阻值随温度变化的元件进行导通控制。
附图说明
图1是本发明第1实施方式所涉及的PTC加热器的概略构成图。
图2是表示本发明第1实施方式所涉及的导通故障检测装置的概略构成的图。
图3是表示本发明第2实施方式所涉及的导通故障检测装置的概略构成的图。
图4是表示本发明第3实施方式所涉及的导通故障检测装置的概略构成的图。
图5是概略性地表示本发明一实施方式所涉及的车辆高压系统的构成的图。
图6是用于说明在机器故障检测中使用的阈值的图。
图7是表示PTC元件的温度-电阻特性的一例的图。
具体实施方式
[第1实施方式]
以下参照附图，对将本发明的导通故障检测装置及其方法应用于PTC加热器时的一实施方式进行说明。并且，在以下的说明中，作为电阻值随温度变化的元件，以PTC元件为例进行了说明，但本发明并不限定于该例。
图1是本发明第1实施方式所涉及的PTC加热器的概略构成图。如图1所示，PTC加热器1的主要结构具有：PTC元件2a、2b，其电阻值随温度变化；IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：第1开关功能元件)3a，其对PTC元件2a进行通电控制；IGBT(第1开关功能元件)3b，其对PTC元件2b进行通电控制；控制装置5，其生成用于控制IGBT3a、3b的控制信号Sa、Sb并送往驱动电路4；驱动电路4，其根据控制信号Sa、Sb驱动IGBT 3a、3b；电流测量部6，其检测流经PTC元件2a、2b的电流；元件短路检测部7，其检测PTC元件2a、2b的短路；以及导通故障检测装置10，其检测IGBT 3b的导通故障。
在此，在图1中，例示了设有两个PTC元件的情况，但PTC元件的设置个数并无限定。在以下的说明中，为了方便，例示了检测IGBT 3b的导通故障的情况，但可以利用同样的方法，检测IGBT 3a的导通故障。
驱动电路4向IGBT 3a、3b的门极(导通控制端子)分别施加基于控制信号Sa、Sb的电压信号，从而驱动IGBT 3a、3b。在此，可以用FET(Field-Effect Transistor：场效应晶体管)、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor FET：金属-氧化物半导体场效应晶体管)等其他功率器件代替IGBT。
控制装置5为例如微型计算机，CPU通过将记录在辅助存储装置中的程序读出到主存储装置中进行执行，从而实现各种功能(例如，PTC元件的开关控制或短路保护功能)。例如，普通的PTC元件2a、2b的开关控制可以采用公知技术。
电流测量部6具有：分流电阻14；以及运算放大器15，其对分流电阻14的两端电压进行放大并输出。运算放大器15的输出被输入到控制装置5中。
元件短路检测部7利用分流电阻14检测流经PTC元件2a、2b的电流，当检测出的电压在规定电压以上时，检测到PTC元件2a、2b短路，向控制装置5输出短路检测信号。若从元件短路检测部7输入短路检测信号，则控制装置5向驱动电路4输出用于使PTC元件2a、2b为关断状态的负载阻断信号。
元件短路检测部7具有为了消除检测到短路时的控制装置5的应答延迟而硬性关断IGBT3a、3b的门极电压的结构。如此，当PTC元件本身短路时，会流过比平常大的电流，因此能够通过分流电阻14检测出短路。
导通故障检测装置10具有设置在向PTC元件2a、2b供给电力的电源线L上的电源供给用的IGBT(第2开关功能元件)11和检测部12。IGBT 11的开关例如可以通过后述的检测部12上设置的微型计算机进行控制，也可以根据从搭载PTC加热器1的装置的控制装置(上位控制装置)下达的开关指令进行控制。
检测部12根据与PTC元件2b的两端电压有关的参数检测IGBT 3b的导通故障。例如，如图2所示，检测部12具有：高压侧分压器21，其与PTC元件2b的高压侧连接；低压侧分压器22，其与PTC元件2b的低压侧连接；微型计算机(以下称为“微机”)23，高压侧分压器21的输出以及低压侧分压器22的输出输入到所述微机23中。
微机23根据输入信息计算基于PTC元件2b的两端电压的参数，在此为分压后的两端电压，当该电压在规定阈值以上时，检测到IGBT 3b的导通故障。
例如，当IGBT 3b为导通状态时，电流流经PTC元件2b，产生由电流和PTC元件2b的电阻值决定的压降。该压降与电源电压的值相等。如此，由于PTC元件2b的两端电压并不取决于PTC元件2b的电阻值而是固定的值，因此即使在PTC元件2b的电阻值较高，且电流较小的情况下，也能够容易地检测PTC元件2b的导通状态，即，IGBT3b为导通状态的情况。
在此，当IGBT 3b为导通状态时，在微机23中计算的电压(分压后的两端电压)由电源电压与高压侧分压器21的分压比以及低压侧分压器22的分压比决定，且不会在该值以上。若IGBT 3b为关断状态，则PTC元件2b的两端电压为零。因此，微机23的规定阈值可设定为大于零，且在IGBT 3b为导通状态时在微机23中算出的电压值以下。
在具有上述结构的PTC加热器1中，IGBT 3b的导通故障检测以及IGBT 11的导通故障检测通过以下步骤进行。
首先，将IGBT 3b设定为导通状态，将施加在IGBT 3a、3b上的门极电压设定为关断电压(例如，0V)。即，从驱动电路4向IGBT 3a、3b的门极施加关断电压。在该状态下，向微机23输入高压侧分压器21的输出和低压侧分压器22的输出，并在微机23中计算电位差(分压后的两端电压)。并且，若分压后的两端电压在规定阈值以上，则判定IGBT3b为导通故障，若未达到规定值，则判定为正常。
当检测到导通故障时，例如，通过微机23将IGBT 11设定为关断状态，从而阻断对PTC元件2a、2b的电力供给。
当IGBT 3b正常时，对IGBT 11的导通故障进行判定。在这种情况下，当将IGBT 11设定为关断状态，并将IGBT 3b设定为导通状态时，若用微机23计算的分压后的两端电压在规定阈值以上，则判断IGBT 11为导通故障。
这时，向IGBT 3a、3b的控制装置5输出导通故障检测信号，将IGBT3a、3b设定为关断状态。当从上位电源向PTC加热器1供给电力时，可以通过将设置在上位电源和PTC加热器1的电力线上的开关(未图示)设定为关断状态，从而阻断对PTC加热器1的电力供给。
如上所述，根据本实施方式所涉及的PTC加热器1以及导通故障检测装置10，根据基于PTC元件2b的两端电压的参数(分压后的两端电压)判定导通故障，因此能够不依赖PTC元件2b的温度-电阻特性(例如，参照图7)来检测导通故障。
[第2实施方式]
接着，参照图3对本发明第2实施方式所涉及的PTC加热器进行说明。图3是表示本实施方式所涉及的导通故障检测装置10’的概略构成的图。如图3所示，本实施方式所涉及的导通故障检测装置10’中，作为检测部12’，具有：高压侧分压器(第1分压器)21，其与PTC元件2b的高电压侧连接；低压侧分压器(第2分压器)22，其与PTC元件2b的低电压侧连接；光耦合器25，其沿顺方向连接在线L2上，该线L2连接高压侧分压器21的输出端子与低压侧分压器22的输出端子；以及微机26，与光耦合器25的输出相对应的信号输入到所述微机26中。
根据上述结构，当IGBT 3b为导通状态，且电流流经PTC元件2b时，电流流经光耦合器25，从而向微机26输出导通信号。另一方面，当IGBT 3b为关断状态时，由于电流不流经PTC元件2b，因此电流不会流经光耦合器25，从而向微机26输出关断信号。
当输入导通信号时，微机26判定IGBT 3b为导通状态。例如，当向IGBT 3b的门极施加关断电压时，在向微机26输入了导通信号的情况下，检测部12’判定IGBT 3b为导通故障。
在上述第1实施方式中，由于在微机23中计算分压后的电位差，因此微机23中需要两个A/D转换器(未图示)，但在本实施方式中，可以不使用A/D转换器，而通过称为光耦合器25的简单的元件进行导通故障的检测。
[第3实施方式]
接着，参照图4对本发明第3实施方式所涉及的PTC加热器进行说明。图4是表示本实施方式所涉及的PTC加热器的概略构成的图。在本实施方式所涉及的PTC加热器中，导通故障检测装置的结构与上述第1或第2实施方式不同。
具体而言，如图4所示，本实施方式所涉及的导通故障检测装置30具有测量分流电阻14的两端电压的运算放大器31，以代替上述检测部12、12′。在此，运算放大器31的高增益设定为高于电流测量部6上设置的运算放大器15的高增益。
如此，通过使用高精度的运算放大器31检测分流电阻14的两端电压，能够在以往PTC元件2b的电阻值较高的情况下，检测出作为误差或偏移调整幅度而被忽略的电流值，并能够检测导通故障。
通过运算放大器31检测出的电压输入到控制装置5中。即使控制装置5向IGBT 3a、3b输出关断指令，但仍然可通过运算放大器31检测出电压时，则判断IGBT 3a、3b为导通故障。
接着，参照图5对具备上述PTC加热器的车辆的一实施方式进行说明。图5是概略性地表示本发明一实施方式所涉及的电动汽车的高压系统的图。
如图5所示，电动汽车40具有：辅机类41，其包含例如上述第1实施方式所涉及的PTC加热器1；蓄电装置43，其作为辅机类41的电源使用，并且作为行驶用电机42的电源使用；接触器(第3开关功能元件)44，其设置在连接蓄电装置43与辅机类41的电力线上；以及车辆的控制装置(以下，简称“控制装置”)45。接触器44具有正极侧接触器44a和负极侧接触器44b。
在电动汽车40的高压系统中，作为过电流流过时的保护单元，设置有多个保险丝46。
接着，对具备上述结构的电动汽车40中通过设置在车内的各种传感器(未图示)检测到异常时的异常检测步骤进行说明。
首先，当通过设置在车内的传感器检测到异常(例如，电流异常、温度异常、压力异常等)时，从安全的角度考虑将接触器44设定为从打开状态。这可以例如基于来自控制装置45的指令进行，也可以在独立设置保护装置(未图示)的情况下基于来自保护装置的指令进行。
然后，控制装置45在维持接触器44的打开状态的同时，判定蓄电装置43是否为过电流异常。其结果是，当为过电流异常时，维持接触器44的打开状态。另一方面，当并无过电流异常时，将接触器44设定为关闭状态，判定辅机类41是否为过电流异常。
其结果是，当判定辅机类41为过电流异常时，再次将接触器44设定为打开状态，并维持该状态。另一方面，当判定辅机类41并无过电流异常时，实施辅机类41的各个机器的故障判定。
由此，例如，在PTC加热器1中，如上所述，通过导通故障检测装置10进行导通故障的检测，并将其结果通报控制装置45。在其他的机器中也同样进行各种故障诊断，并将其结果通报控制装置45。另外，在该故障诊断的情况下，可以降低从蓄电装置43向各个机器供给的电压。例如，在普通运转时，若施加了300V左右的电压，则可以设定为其1/5左右，例如60V的电压也可。如此，通过降低电压，能够降低元件破坏或电击的可能性。
并且，例如，当在PTC加热器1中检测到导通故障时，从控制装置45输出将IGBT 11(参照图1)设定为关断状态的指令，维持IGBT 11的关断状态。由此，阻断PTC加热器1与蓄电装置43的连接。
如此，通过将PTC加热器1上的IGBT 11设定为打开状态，能够仅将检测出故障的机器(例如，PTC加热器1)与蓄电装置43分离，并继续从蓄电装置43向其他正常的机器进行电力供给。
在本实施方式中，分体设置了控制装置45和PTC加热器1的导通故障检测装置10，但也可以将导通故障检测装置10的功能搭载于控制装置45上进行代替。由此，能够实现PTC加热器1结构的简单化。
在上述实施方式中，例如，当已判定辅机类41为过电流异常时，如果在任意一种机器中检测出过电流异常，则将接触器44设定为关断状态，并阻断对正常机器的电力供给。为了避免这种状态，例如，如图6所示，可以将各个机器(例如，PTC加热器1)上的导通故障的阈值设定为小于控制装置45上的系统级的过电流异常的阈值。
如此，通过将导通故障的阈值设定为小于系统级的过电流异常的阈值，能够在检测出辅机类41的过电流异常之前，终止PTC加热器1等的导通故障检测。由此，对于判定为正常的机器来说，能够继续进行电力供给。
在本实施方式中，例示了电动汽车40上搭载第1实施方式所涉及的PTC加热器1的情况，但也可以搭载第2或第3实施方式所涉及的PTC加热器进行代替。
控制装置45优选设置在高压系统侧，控制装置45的电源优选从低压侧(例如，12V系统)供给。由此，即使高电压系统的输入电压较低，也能够以较低成本测定电压和电流。
在本实施方式中，以电动汽车为例进行了说明，但并不限定于电动汽车，也可以是其他的车辆，例如混合动力车辆、未搭载高压电池的纯发动机车辆。
本发明并不仅限定于上述实施方式，在不偏离发明主要内容的范围内，例如能够实施将上述各个实施方式部分或整体进行组合等的各种变形。
符号说明
1 PTC加热器
2a、2b PTC元件
3a、3b、11 IGBT
4 驱动电路
5 控制装置
10、10’、30 导通故障检测装置
12、12’ 检测部
14 分流电阻
21 高压侧分压器
22 低压侧分压器
23、26 微机
25 光耦合器
31 运算放大器
40 电动汽车
41 辅机类
43 蓄电装置
44 接触器
45 控制装置

Claims (10)

1.一种导通故障检测装置，所述导通故障检测装置用于检测第1开关功能元件的导通故障，所述第1开关功能元件与电阻值随温度变化的元件对应设置，并且用于控制所述元件的通电，
所述导通故障检测装置的特征在于，具备检测单元，在向所述第1开关功能元件输出关断指令，并能够向所述元件供给电力的状态下，当与所述元件的两端电压有关的参数在规定阈值以上时，所述检测单元检测到所述第1开关功能元件的导通故障。
2.根据权利要求1所述的导通故障检测装置，其特征在于，具有第2开关功能元件，所述第2开关功能元件设置在向所述元件供给电力的电源线上，
当通过所述检测单元检测到导通故障时，将所述第2开关功能元件设定为关断状态。
3.根据权利要求2所述的导通故障检测装置，其特征在于，所述检测单元在未检测到第1开关功能元件的导通故障的情况下，向所述第2开关功能元件输出关断指令，并向所述第1开关功能元件输出导通指令，在所述状态下，当与所述元件的两端电压有关的参数在规定阈值以上时，检测出所述第2开关功能元件的导通故障。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的导通故障检测装置，其特征在于，所述检测单元具有：
第1分压单元，所述第1分压单元与所述元件的高电压侧连接；
第2分压单元，所述第2分压单元与所述元件的低电压侧连接；
和光耦合器，所述光耦合器顺方向地连接在线上，所述线连接所述第1分压单元的输出端子与所述第2分压单元的输出端子，
其中，基于所述光耦合器的输出检测导通故障。
5.一种PTC加热器，其特征在于，具有权利要求1至4中任一项所述的导通故障检测装置。
6.一种车辆，其特征在于，具有：包含权利要求5所述的PTC加热器的辅机类；
作为所述辅机类的电源使用的蓄电装置；
设置在连接所述蓄电装置与所述辅机类的电力线上的第3开关功能元件；
和车辆控制装置，
其中，所述车辆控制装置在检测到车内异常且所述第3开关功能元件被设定为打开状态的情况下，以所述第3开关功能元件处于打开的状态判定所述蓄电装置是否为过电流异常，
当判定并无过电流异常时，将所述第3开关功能元件设定为关闭状态，判定所述辅机类是否为过电流异常，
当判定所述辅机类并无过电流异常时，对构成所述辅机类的各个机器实施故障检测。
7.根据权利要求6所述的车辆，其特征在于，在所述辅机类的故障检测时，从所述蓄电装置供给的电压低于普通运转时供给的电压。
8.根据权利要求6或7所述的车辆，其特征在于，所述辅机类的故障检测时使用的各个所述机器的故障判定阈值设定为小于所述车辆控制装置在所述辅机类的过电流异常中使用的判定阈值。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的车辆，其特征在于，所述导通故障检测装置设置在所述车辆控制装置上。
10.一种导通故障检测方法，其特征在于，用于检测第1开关功能元件的导通故障，所述第1开关功能元件与电阻值随温度变化的元件对应设置，并且用于控制所述元件的通电，
在向所述第1开关功能元件输出关断指令，并能够向所述元件供给电力的状态下，当与所述元件的两端电压有关的参数在规定阈值以上时，检测到所述第1开关功能元件的导通故障。
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