CN107517594A - 故障检测装置 - Google Patents

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Abstract

从电压检测部获取根据第一开关和第二开关的接通或断开而在电容器中保持的电池组的电压值，基于该电压值和规定的阈值，来判定第一组开关中的某个开关是否发生了故障。

Description

故障检测装置
技术领域
本发明涉及一种在对将多个单电池连接而构成的电池组的总电压进行监视的装置中检测开关的短路故障的故障检测装置。
背景技术
近年来，不断地普及一种作为利用被充电到二次电池中的电力来使电动机旋转而行驶的电动汽车的EV(Electric Vehicle：电动汽车)、PHEV(Plug-in Hybrid ElectricVehicle：插电式混合动力汽车)。并且，开发出一种利用使用了氧和氢的燃料电池的燃料电池车。电动汽车的二次电池、燃料电池车的燃料电池是将多个单电池串联连接而成的电池组。
在电动汽车或燃料电池车中，为了掌握电池组的状态，重要的是对电池组的总电压进行监视。因此，一般对电池组附加设置总电压监视电路。当该总电压监视电路的模拟开关发生短路故障时，产生短路电路过热或无法准确地掌握总电压这样的问题。因而，期望迅速地发现总电压监视电路中的短路故障。
作为发现总电压监视电路的短路故障的技术，例如存在专利文献1所公开的技术。
专利文献1：日本特开2002-281681号公报
发明内容
本发明的故障检测装置包含：电池电压测量部，其测量多个单电池各自的电压值，其中，规定个数的该单电池被串联连接而构成电池组；以及电容器，其与将多个单电池分为至少两组并位于各个组的两端的单电池的端子连接，能够保持构成各个组的多个单电池的总电压。还包含：至少四个第一开关，所述至少四个第一开关被配设在位于单电池的各个组的两端的单电池的各端子与电容器之间；电压检测部，其检测电容器中保持的电压；以及第二开关，其被配设在电容器的两个端子与电压检测部之间。还具有故障判定部，该故障判定部从电压检测部获取根据第一开关和第二开关的接通或断开而在电容器中保持的、构成各个组的单电池的总电压值，基于该总电压值和规定的阈值来判定第一开关中的某个开关是否发生了故障。而且，规定的阈值包含第一阈值，所述第一阈值是基于将由电池电压测量部测量出的单电池各自的电压值进行合计所计算出的构成各个组的单电池的总电压值以及在第一开关中的某个开关发生了故障的情况下由电压检测部得到的电压检测值决定的。
根据本发明，能够提供一种各个单电池的电压的偏差、随时间产生的变动的影响少从而能够准确地检测开关的短路故障的故障检测装置。
附图说明
图1是示出本发明的实施方式的故障检测装置的结构例的图。
图2是用于说明开关的故障判定的过程的流程图。
图3是用于根据电压检测值和总电压测量值来确定发生了短路故障的开关的对应表的图。
图4是用于说明阈值设定方法的一例的图。
具体实施方式
在说明本发明的实施方式之前，简单地说明以往的装置中的问题点。
在专利文献1所公开的技术中，具备：电压检测电路，其包含检测一对输入端子之间的电位差的差分电压检测电路；以及多路复用器，其具有将彼此串联连接的多个电池组件的各电极端子单独地与差分电压检测电路的输入端子连接的多个采样开关。而且，在只将多个采样开关中的一个采样开关接通的状态下的差分电压检测电路的输出电压值处于0V附近的适当范围外的情况下，或者在所测量出的电池组件的电压为规定的异常值的情况下，判定为有可能是采样开关的闭合故障(短路故障)。
但是，构成电池组的多个单电池不一定均为完全相同的电压，每个单电池存在电压的偏差。因而，在专利文献1所公开的技术中，有可能由于每个单电池的误差而无法进行准确的故障判定。另外，由于包含多个采样开关的周边电路的时间常数，在构成电池组的单电池的数量多的情况下，电压的测量花费时间。因此，在专利文献1所公开的技术中，当在测量中各单电池的电压发生变动时，产生与在到测量为止的时间内所变动的量相应的偏差，有可能由于该偏差而无法准确地进行故障判定。
本发明的目的在于，提供一种各个单电池的电压的偏差、随时间产生的变动的影响少从而能够准确地检测开关的短路故障的故障检测装置。
以下，详细地说明本发明的实施方式。图1是示出本发明的实施方式的故障检测装置100的结构例的图。故障检测装置100是用于检测总电压监视电路的开关短路故障的装置，该总电压监视电路用于对例如搭载于电动汽车或燃料电池车的电池和该电池的电压进行监视。
如图1所示，故障检测装置100具有电池电压测量部10、电池组20、电压检测部30、故障判定部40、开关控制部50、开关SW1～SW6、电流限制电阻R1～R4以及电容器C1。
电池电压测量部10测量构成电池组20的各个单电池的电压。电池组20分别是将多个单电池串联连接而构成的。各个单电池例如是锂离子电池、镍氢电池、燃料电池等各种二次电池或燃料电池。关于构成电池组20的单电池的数量，在本发明中没有特别限定，但是例如是几十个至几百个左右。
如图1所示，电池组20具有两个电池组20_1、20_2。在电池组20_1和20_2的两个端子处连接有保持各个电池组的电压的电容器C1。在电池组20_1与电容器C1之间设置开关SW1和SW2、电流限制电阻R1和R2。同样地，在电池组20_2与电容器C1之间设置开关SW3和SW4、电流限制电阻R3和R4。电容器C1根据开关SW1～SW4的接通/断开来保持电池组20_1和20_2中的某个电池组的电压。由后述的开关控制部50进行该开关SW1～SW4的接通/断开。另外，电流限制电阻R1～R4是用于在开关SW1～SW4被接通时或电容器C1等的短路故障时等避免电流急剧地从电池组20_1和20_2流向电容器C1的电阻。此外，开关SW1～SW4与本发明的第一开关对应。
由电压检测部30检测电容器C1中保持的电压。在电容器C1与电压检测部30之间连接开关SW5和SW6，通过由后述的开关控制部50将开关SW5和SW6接通/断开，来由电压检测部30检测电压。此外，开关SW5和SW6与本发明的第二开关对应。
如图1所示，故障判定部40具有判定部41和通知部42。判定部41基于电压检测部30检测出的电压值，来进行上述的开关SW1～SW4中的某个开关是否发生了短路故障的判定。在判定部41判定为开关SW1～SW4中的某个开关发生了短路故障的情况下，通知部42进行该短路故障的通知。
开关控制部50发送规定的上述的开关SW1～SW6的接通/断开控制信号。
[开关故障判定]
以下，参照图2来说明开关SW1～SW4的故障判定的过程。
步骤ST1：
开关控制部50发送将开关SW1和SW2接通的控制信号。由此，开关SW1和SW2接通，电池组20_1的电压被保持在电容器C1中。
步骤ST2：
开关控制部50发送将开关SW1和SW2断开的控制信号。
步骤ST3：
开关控制部50发送将开关SW5和SW6接通的控制信号。
步骤ST4：
电压检测部30检测电容器C1中保持的电池组20_1的电压。以下将此处检测出的电压称为电压V1。
步骤ST5：
开关控制部50发送将开关SW5和SW6断开的控制信号。
步骤ST6：
开关控制部50发送将开关SW3和SW4接通的控制信号。由此，开关SW3和SW4接通，电池组20_2的电压被保持在电容器C1中。
步骤ST7：
开关控制部50发送将开关SW3和SW4断开的控制信号。
步骤ST8：
开关控制部50发送将开关SW5和SW6接通的控制信号。
步骤ST9：
电压检测部30检测电容器C1中保持的电池组20_2的电压。以下将此处检测出的电压称为电压V2。
步骤ST10：
开关控制部50发送将开关SW5和SW6断开的控制信号。
步骤ST11：
故障判定部40的判定部41基于在步骤ST4中检测出的电压V1以及在步骤ST9中检测出的电压V2，来进行开关SW1～SW4中的某个开关是否发生了短路故障的判定。在后面记述判定部41的判定方法的详细内容。
步骤ST12：
在步骤ST11中判定为某个开关发生了短路故障的情况下，流程前进到步骤ST13，否则，流程返回到步骤ST1。
步骤ST13：
通知部42针对在步骤ST11中被判定为发生了短路故障的开关，进行通知。在本发明中，不对通知部42的通知的方法进行限定，但例如利用显示器、警告音等进行通知即可。通过针对此处被确定为短路故障的开关是哪个开关也进行通知，例如能够容易地进行修理作业，从而能够提高故障检测装置100的维护性。
[判定部41的判定的详细内容]
接着，说明上述的步骤ST11中的由判定部41进行的故障判定的详细内容。根据在上述的步骤ST4和ST9中检测出的电压V1和V2的值以及基于电池电压测量部10的测量得到的电池组20_1和20_2的总电压测量值E1和E2的值来进行该判定。总电压测量值E1是由电池电压测量部10测量出的构成电池组20_1的所有单电池的电压的合计值。同样地，总电压测量值E2是由电池电压测量部10测量出的构成电池组20_2的所有单电池的电压的合计值。即，如果故障检测装置100中没有发生异常，则电压检测值V1的值与总电压测量值E1的值应该相等，并且电压检测值V2的值与总电压测量值E2的值应该相等。
图3是示出用于根据如上述那样检测出的电压值(电压检测值)V1和V2以及总电压测量值E1和E2来确定发生了短路故障的开关的对应表的图。如图3所示，在开关SW1发生了短路故障的情况下，在上述的步骤ST1中对电容器C1充电时不存在因故障产生的影响，从而电压检测值V1与总电压测量值E1相等。另一方面，在上述的步骤ST6中对电容器C1充电时开关SW1、SW3、SW4同时接通，因此电压检测值V2成为E2+0.5×E1。
另外，在开关SW2发生了短路故障的情况下，在上述的步骤ST1中对电容器C1充电时不存在因故障产生的影响，从而电压检测值V1与总电压测量值E1相等。另一方面，在上述的步骤ST6中对电容器C1充电时开关SW2、SW3、SW4同时接通，因此电压检测值V2成为0.5×E2。
在开关SW3发生了短路故障的情况下，在上述的步骤ST1中对电容器C1充电时开关SW1、SW2、SW3接通，因此电压检测值V1成为0.5×E1。另一方面，在上述的步骤ST6中对电容器C1充电时不存在因故障产生的影响，从而电压检测值V2与总电压测量值E2相等。
在开关SW4发生了短路故障的情况下，在上述的步骤ST1中对电容器C1充电时开关SW1、SW2、SW4接通，因此电压检测值V1成为E1+0.5×E2。另一方面，在上述的步骤ST6中对电容器C1充电时不存在因故障产生的影响，从而电压检测值V2与总电压测量值E2相等。
这样，通过将由电池电压测量部10测量出的单电池电压的实测值相加得到的电池组20_1的总电压测量值E1和电池组20_2的总电压测量值E2与根据开关SW1～SW4的接通/断开而在电容器C1中保持的电池组20_1和20_2的电压的检测值即电压检测值V1和V2进行比较，来由判定部41进行短路故障检测。由此，能够可靠地进行故障检测装置100的开关SW1～SW4的短路故障检测。
[关于检测阈值]
在上述的说明中，说明了在没有发生短路故障时总电压测量值E1与电压检测值V1相等并且总电压测量值E2与电压检测值V2相等的情况、即构成电池组20的单电池中不存在电压的偏差、因时间经过产生的变动的情况。
在存在单电池的电压的偏差、因时间经过产生的变动的情况下，可能产生总电压测量值E1与电压检测值V1以及总电压测量值E2与电压检测值V2未必相等的情况。本实施方式的故障检测装置100为了应对这种情形，在上述的判定部41的判定中设定以图3所示的总电压测量值E1、E2为基准的阈值，通过将该阈值与电压检测值V1、V2进行比较来进行短路故障判定。以下说明该阈值的设定方法。
<阈值设定方法1>
在本阈值设定方法1中，说明本发明的阈值的设定方法的第一个方法。将通过本阈值设定方法1设定的阈值称为第一阈值。
图4是用于说明阈值设定方法1的图。图4是用于说明假设开关SW3和SW4中的某个开关发生了短路故障的情况时的阈值的设定方法的图。图4所示的直线“SW4发生故障时的电压检测值V1”、“SW没有发生故障时的电压检测值V1”、“SW3发生故障时的电压检测值V1”分别如图3所示那样取“E1+0.5×E2”、“E1”、“0.5×E1”的值。图4所示的两条虚线是用于进行是故障还是正常的判定的阈值。图4所示的较高的阈值(称为第二阈值)被设定为处于开关没有发生故障时应该检测出的电压E1与开关SW4发生故障时应该检测出的电压E1+0.5×E2之间即可。另外，图4所示的较低的阈值(称为第三阈值)被设定为处于开关没有发生故障时应该检测出的电压E1与开关SW3发生故障时应该检测出的电压0.5×E1之间即可。
在本发明中，关于将阈值设定为电压E1与电压E1+0.5×E2之间的哪个值或者电压E1与0.5×E1之间的哪个值，不进行限定。例如将电压E1与电压E1+0.5×E2的中央值即电压E1+0.25×E2或者电压E1与电压0.5×E1的中央值即电压0.75×E1设为阈值即可。
如图4所示，在电压检测值V1取0V至第三阈值之间的值的情况下(图4所示的故障判定区域)，判定部41判定为开关SW3发生了短路故障。另外，在电压检测值V1取第三阈值至第二阈值之间的值的情况下(图4所示的正常判定区域)，判定部41判定为开关SW3和SW4都没有发生故障。另外，在电压检测值V1取比第二阈值大的值的情况下(图4所示的故障判定区域)，判定部41判定为开关SW4发生了短路故障。
此外，在图4中说明了假设开关SW3和SW4中的某个开关发生了短路故障的情况时的阈值的设定方法，但假设开关SW1和SW2中的某个开关发生了短路故障时的阈值也能够通过与该方法相同的方法来决定。即，较高的阈值(称为第四阈值)被设定为处于开关没有发生故障时应该检测出的电压E2与开关SW1发生故障时应该检测出的电压E2+0.5×E1之间即可。另外，较低的阈值(称为第五阈值)被设定为处于开关没有发生故障时应该检测出的电压E2与开关SW2发生故障时应该检测出的电压0.5×E2之间即可。
而且，在电压检测值V2取0V至第五阈值之间的值的情况下，判定部41判定为开关SW2发生了短路故障。另外，在电压检测值V2取第五阈值至第四阈值之间的值的情况下，判定部41判定为开关SW1和SW2都没有发生故障。另外，在电压检测值V2取比第四阈值大的值的情况下，判定部41判定为开关SW1发生了短路故障。
<阈值设定方法2>
在上述的阈值设定方法1中，基于由电池电压测量部10测量出的单电池的电压的合计值即总电压测量值E1和E2来决定阈值。以下，对不基于作为测量值的总电压测量值E1和E2、而基于规定的固定值来设定更不容易受到单电池的电压的偏差、随时间经过产生的变动的影响的阈值的方法。
在本阈值设定方法2中，说明本发明的第六阈值和第七阈值的设定方法。在本阈值设定方法2中，作为规定的固定值，使用电池组20_1和20_2所能取的电压值的最大值和最小值。具体地说，作为阈值，使用例如搭载于电动汽车或燃料电池车的电池组20_1和20_2足以使电动汽车或燃料电池车进行动作的最小电压值或最大电压值。以下将电池组20_1的最小电压值称为最小动作电压值Emin1，将最大电压值称为最大动作电压值Emax1。
在本阈值设定方法2中，基于这些最小动作电压值Emin1和最大动作电压值Emax1来设定阈值。具体地说，例如将较高的阈值(称为第六阈值)设为0.25×Emax1、将较低的阈值(称为第七阈值)设为0.25×Emin1即可。而且，在电压检测值V1取0V至第七阈值之间的值的情况下，判定部41判定为开关SW3发生了短路故障。另外，在电压检测值V1取第七阈值至第六阈值之间的值的情况下，判定部41判定为开关SW3和SW4都没有发生故障。另外，在电压检测值V1取比第六阈值大的值的情况下，判定部41判定为开关SW4发生了短路故障。电压检测值V2的阈值也同样地基于电池组20_2的最小动作电压值Emin2和最大动作电压值Emax2来设定即可。
通过像这样设定阈值，构成电池组20的单电池的偏差、随时间经过产生的变动的影响少，从而能够可靠地检测开关故障。
此外，关于在判定部41进行开关短路故障的判定时使用阈值设定方法1和阈值设定方法2中的哪个方法，在本发明中没有特别限定。例如，在使用了由电压的偏差或时间变动小到能够忽略的程度的单电池构成的电池组20的情况下，也可以在判定时只使用通过阈值设定方法1设定的阈值。另外，在使用了由电压的偏差或时间变动比较大的单电池构成的电池组20的情况下，也可以在判定时只使用通过阈值设定方法2设定的阈值。或者，参照通过阈值设定方法1设定的阈值和在阈值设定方法2中说明的阈值这两者，使用较低的阈值与较高的阈值之间的间隔(正常判定区域)较窄的阈值，由此能够进行更准确的开关短路故障的判定。
如以上所说明的那样，本实施方式的故障检测装置100包含：电池电压测量部10，其测量多个单电池各自的电压值，其中，规定个数的该单电池被串联连接而构成电池组20；以及电容器C1，其与将多个单电池分为至少两组(电池组20_1、20_2)并位于各个组的两端的单电池的端子连接，能够保持构成各个组的单电池的总电压。还包括：至少四个第一组开关SW1～SW4，该至少四个第一组开关SW1～SW4被配设在位于单电池的各个组的两端的单电池的各端子(电池组20_1、20_2的各端子)与电容器C1之间；以及电压检测部30，其检测电容器C1中保持的电压。还具有：第二组开关SW5、SW6，其被配设在电容器C1的两个端子与电压检测部30之间；以及故障判定部40，其从电压检测部30获取根据第一组开关SW1～SW4和第二组开关SW5、SW6的接通或断开而在电容器C1中保持的、构成各个组的单电池的总电压值(至少两组电池组20_1、20_2的电压值)，基于该电压值和规定的阈值来判定第一组开关SW1～SW4中的某个开关是否发生了故障。而且，规定的阈值包含基于将由电池电压测量部10测量出的单电池各自的电压值进行合计所计算出的构成各个组的单电池的总电压值(至少两组电池组20_1、20_2的总电压值)以及在第一组开关SW1～SW4中的某个开关发生了故障的情况下由电压检测部30得到的电压检测值而决定的阈值。
即，根据本实施方式的故障检测装置100，使用基于构成电池组20的多个单电池的电压值的合计值得到的阈值来进行开关短路故障的判定。因此，能够不受单电池的电压的偏差影响地进行开关短路故障的判定。
另外，根据本实施方式的故障检测装置100，使用基于一个组(电池组20_1)所能取的最大的电压值(最大动作电压值)和最小的电压值(最小动作电压值)预先计算出的第六阈值以及基于另一个组(电池组20_2)所能取的最大的电压值和最小的电压值预先计算出的第七阈值来进行开关短路故障的判定。
即，根据本实施方式的故障检测装置100，基于固定值来设定阈值，因此能够不受单电池的电压值随时间产生的变动影响地进行开关短路故障的判定。
此外，上述的本发明的实施方式的故障检测装置100只不过是本发明的一例，本发明还能够取其它方式。例如，在上述的实施方式的故障检测装置100中，将多个单电池分为两个电池组20_1和20_2，在各个电池组的两个端子处经由开关SW1～SW4而连接电容器C1。但是，本发明不限定于此。例如也可以构成为，在将多个单电池串联连接构成的一个电池组中，将多个单电池分为至少两个组，在位于各个组的两端的单电池的端子处经由至少四个开关而与电容器连接。或者，本发明的故障检测装置也可以具有三组以上的电池组，在各个电池组的两个端子处经由六个以上的开关而与电容器C1连接。即，在本发明中，既可以具有多个电池组，并且在电池组的两个端子处经由多个开关而连接电容器，也可以只具有一个电池组，并且将构成该电池组的多个单电池分为至少两组，在位于各个组的两端的单电池的端子处经由多个开关而连接电容器。
产业上的可利用性
本发明对于对搭载于电动汽车或燃料电池车中的将单电池串联连接而成的电池组的电压进行监视的电路的故障检测装置是优选的。
附图标记说明
100：故障检测装置；10：电池电压测量部；20：电池组；20_1：电池组；20_2：电池组；30：电压检测部；40：故障判定部；41：判定部；42：通知部；50：开关控制部。

Claims (8)

1.一种故障检测装置，具有：
电池电压测量部，其测量多个单电池各自的电压值，其中，规定个数的所述单电池被串联连接而构成电池组；
电容器，其与将所述多个单电池分为至少两组并位于各个组的两端的单电池的端子连接，能够保持构成各个组的多个单电池的总电压；
至少四个第一开关，所述至少四个第一开关被配设在位于所述单电池的各个组的两端的单电池的各端子与所述电容器之间；
电压检测部，其检测所述电容器中保持的电压；
第二开关，其被配设在所述电容器的两个端子与所述电压检测部之间；以及
故障判定部，其从所述电压检测部获取根据所述第一开关和所述第二开关的接通或断开而在所述电容器中保持的、构成所述各个组的单电池的总电压值，基于该总电压值和规定的阈值来判定所述第一开关中的某个开关是否发生了故障，
其中，所述规定的阈值包含第一阈值，所述第一阈值是基于将由所述电池电压测量部测量出的所述单电池各自的电压值进行合计所计算出的构成所述各个组的单电池的总电压值以及在所述第一开关中的某个开关发生了故障的情况下由所述电压检测部得到的电压检测值决定的。
2.根据权利要求1所述的故障检测装置，其特征在于，
所述故障判定部从所述电压检测部获取根据所述第一开关和所述第二开关的接通或断开而在所述电容器中保持的、构成所述各个组的单电池的总电压值，基于该总电压值与所述第一阈值之间的大小关系来确定所述第一开关中的哪个开关发生了故障。
3.根据权利要求1所述的故障检测装置，其特征在于，
所述故障判定部获取在所述第一开关和所述第二开关被接通或断开以在所述电容器中保持构成一个组的单电池的总电压时由所述电压检测部得到的电压检测值。
4.根据权利要求1所述的故障检测装置，其特征在于，
所述故障判定部从所述电压检测部获取在与所述各个组中的一个组的两端连接的两个第一开关被接通之后被断开、之后所述第二开关被接通的情况下的总电压值，基于该总电压值和规定的阈值来判定所述两个第一开关以外的所述第一开关中的某个开关是否发生了故障。
5.根据权利要求1所述的故障检测装置，其特征在于，
所述第一阈值包含：
第二阈值，其是基于构成一个所述组的单电池的总电压测量值以及至少两个所述第一开关中的某个开关发生了故障的情况下的电压检测值决定的；
第三阈值，其是基于构成所述一个组的单电池的总电压测量值以及所述至少两个所述第一开关中的某个开关发生了故障的情况下的电压检测值决定的；
第四阈值，其是基于构成另一个组的单电池的总电压测量值以及至少两个所述第一开关中的某个开关发生了故障的情况下的电压检测值决定的；以及
第五阈值，其是基于构成所述另一个组的单电池的总电压测量值以及所述至少两个所述第一开关中的某个开关发生了故障的情况下的电压检测值决定的。
6.根据权利要求1所述的故障检测装置，其特征在于，
所述第一阈值包含：
第二阈值，其是基于构成一个组的单电池的总电压测量值以及与该一个组以外的另一个组的两端连接的两个第一开关中的一个第一开关发生了故障的情况下的电压检测值决定的；
第三阈值，其是基于构成所述一个组的单电池的总电压测量值以及与所述另一个组的两端连接的两个第一开关中的另一个第一开关发生了故障的情况下的电压检测值决定的；
第四阈值，其是基于构成所述另一个组的单电池的总电压测量值以及与所述一个组的两端连接的两个第一开关中的一个第一开关发生了故障的情况下的电压检测值决定的；以及
第五阈值，其是基于构成所述另一个组的单电池的总电压测量值以及与所述一个组的两端连接的两个第一开关中的另一个第一开关发生了故障的情况下的电压检测值决定的。
7.根据权利要求1所述的故障检测装置，其特征在于，
所述规定的阈值包含第六阈值和第七阈值，所述第六阈值是基于一个组所能取的最大的电压值和最小的电压值预先计算出的，所述第七阈值是基于另一个组所能取的最大的电压值和最小的电压值预先计算出的。
8.根据权利要求1所述的故障检测装置，其特征在于，
还具有通知部，在所述故障判定部判定为所述第一开关中的某个开关发生了故障的情况下，所述通知部发出该故障的通知。
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