CN109302852A - 管理装置和电源系统 - Google Patents

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Abstract

在单元电压检测中，为了在与最上位或最下位的电压检测线连接的端子电压发生了下降的情况下，简单地辨别是电压检测线发生了断线还是单元电压发生了下降，单元电压检测电路(31)通过电压检测线(L1‑L9)与串联地连接的多个单元(S1‑S8)的各节点连接，检测所述多个单元(S1‑S8)的各个单元的电压。总电压检测电路(33)检测多个单元(S1‑S8)的最上位节点与最下位节点之间的电压。在由单元电压检测电路(31)检测出的最上位或最下位的单元电压异常时，控制电路(32)对将由单元电压检测电路(31)检测出的多个单元(S1‑S8)的各电压合计得到的单元电压总计与由总电压检测电路(33)检测出的电压进行比较，在两者对应时判定为最上位或最下位的单元发生了异常，在两者不对应时判定为最上位或最下位的电压检测线发生了断线。

Description

管理装置和电源系统
技术领域
本发明涉及一种对蓄电模块的状态进行管理的管理装置和电源系统。
背景技术
近年来，混合动力汽车(HV)、插电式混合动力汽车(PHV)、电动汽车(EV)正在逐渐普及。在这些车辆上，作为关键设备搭载有二次电池。作为车载用二次电池，主要普及了镍氢电池和锂离子电池。预测今后能量密度高的锂离子电池会加速普及。
锂离子电池的常用区域和使用禁止区域接近，因此与其它种类的电池相比需要更严格的电压管理。在使用将多个锂离子电池单元串联连接而成的电池组的情况下，设置有用于检测各单元的电压的电压检测电路。通过多条电压检测线将多个单元的各节点与电压检测电路连接(例如，参照专利文献1)。检测出的单元电压被用于SOC(State Of Charge：荷电状态)管理、均等化控制等。
即使在由于电压检测线的断线而使与该电压检测线连接的电压检测电路的端子电压下降的情况下，电压检测电路也无法立即判定是该电压检测线发生了断线还是相应的单元电压发生了下降。因此，存在如下方法：使连接在该电压检测线与下一位的电压检测线之间的均等化电路导通，来确认是发生了断线还是单元电压发生了下降。在相应的单元电压大致为零且该单元的上一位单元的单元电压为正常值的大致2倍的值时，能够判定为该电压检测线发生了断线。另一方面，在相应的单元电压大致为零且上一位单元的单元电压为正常值时，能够判定为相应的单元电压发生了下降。
专利文献1：日本特开2013-172544号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，在上述的方法中，在最上位的电压检测线或最下位的电压检测线的端子电压发生了下降的情况下，难以判定是电压检测线发生了断线还是单元电压发生了下降。
本发明是鉴于这样的状况而完成的，其目的在于提供如下一种技术：在通过电压检测线与串联地连接的多个单元的各节点连接的电压检测电路中，在与最上位或最下位的电压检测线连接的端子电压发生了下降的情况下，简单地辨别是电压检测线发生了断线还是单元电压发生了下降。
用于解决问题的方案
为了解决上述课题，本发明的某个方式的管理装置具备：单元电压检测电路，其通过电压检测线与串联地连接的多个单元的各节点连接，检测所述多个单元的各个单元的电压；总电压检测电路，其检测所述多个单元的最上位节点与最下位节点之间的电压；以及控制电路，在由所述单元电压检测电路检测出的最上位或最下位的单元电压异常时，所述控制电路对将由所述单元电压检测电路检测出的所述多个单元的各电压合计得到的单元电压总计与由所述总电压检测电路检测出的电压进行比较，在两者对应时判定为最上位或最下位的单元发生了异常，在两者不对应时判定为最上位或最下位的电压检测线发生了断线。
此外，作为本发明的方式，以上的结构要素的任意的组合、以及在方法、装置、系统等之间变换本发明的表达得到的方式也是有效的。
发明的效果
根据本发明，在通过电压检测线与串联地连接的多个单元的各节点连接的电压检测电路中，在与最上位或最下位的电压检测线连接的端子电压发生了下降的情况下，能够简单地辨别是电压检测线发生了断线还是单元电压发生了下降。
附图说明
图1是用于说明实施方式1所涉及的电源系统的图。
图2是表示实施方式1所涉及的管理装置对最上位/最下位的电压检测线的断线检测方法的流程的流程图。
图3是用于说明实施方式2所涉及的电源系统的图。
具体实施方式
(实施方式1)
图1是用于说明实施方式1所涉及的电源系统1的图。电源系统1具备蓄电模块10和管理装置30。蓄电模块10包括串联地连接的多个单元。对于单元，能够使用锂离子电池单元、镍氢电池单元、铅电池单元、双电层电容器单元、锂离子电容器单元等。以下，在本说明书中设想使用锂离子电池单元(公称电压：3.6-3.7V)的例子。在图1中，描述了使用将八个锂离子电池单元(第一单元S1-第八单元S8)串联地连接来构成的电池组的例子。
管理装置30包括均等化电路、输入滤波器、单元电压检测电路31、总电压检测电路33和控制电路32，它们安装于印刷布线基板上。单元电压检测电路31通过多条电压检测线L1-L9来与串联地连接的多个单元S1-S8的各节点连接，对相邻的电压检测线之间的电压进行检测来检测各单元S1-S8的电压。单元电压检测电路31例如由专用的定制IC即ASIC(Application Specific Integrated Circuit：专用集成电路)构成。单元电压检测电路31将检测出的各单元S1-S8的电压发送到控制电路32。
电线线束(wire harness)与蓄电模块10的多个单元S1-S8的各节点连接，各电线线束的前端的连接器安装于印刷布线基板上安装的管理装置30的各连接器。即，蓄电模块10与管理装置30之间经由线束(harness)连接器20来电连接。
电阻R1-R9分别插入到多条电压检测线L1-L9，在相邻的两条电压检测线之间分别连接有电容器C1-C8。电阻R1-R9和电容器C1-C8构成输入滤波器(低通滤波器)，具有使向单元电压检测电路31输入的电压稳定的作用。
在相邻的两条电压检测线之间，以与多个单元S1-S8反并联的方式分别连接有保护用的二极管D1-D8。对于二极管D1-D8，例如能够使用齐纳二极管。此外，在将单元电压检测电路31的相邻的输入端子间的耐压设计得比与两个单元相应的电压高的情况下，也能够省略二极管D1-D8。
管理装置30的各连接器与单元电压检测电路31的各输入端子之间通过多条电压检测线L1-L9连接。在相邻的两条电压检测线之间，以与多个单元S1-S8并联的方式分别连接有均等化电路。在图1所示的例子中，均等化电路由放电电阻R11-R18和放电开关Q1-Q8的串联电路构成。放电开关Q1-Q8例如由晶体管构成。
控制电路32基于从单元电压检测电路31接收到的多个单元S1-S8的电压来执行均等化控制。具体地说，在多个单元S1-S8内，使其它单元的电压与电压最低的单元的电压一致。控制电路32使与该其它单元并联连接的均等化电路的放电开关接通(turn on)，来使该其它单元放电。如果该其它单元的电压下降到电压最低的单元的电压，则使与该其它单元并联连接的均等化电路的放电开关关断(turn off)。控制电路32例如由微处理器构成。
关于单元电压检测电路31的动作电源，为了电源电路的简化，从监视对象的蓄电模块10接受提供。在单元电压检测电路31从蓄电模块10以外的电源接受电力提供的情况下，需要绝缘处理，因此电路大型化，成本增大。
作为单元电压检测电路31的电路动作电流，通常产生几mA～几十mA的电流。在将电源提供线与电压检测线兼用的情况下，由该电路动作电流引起的电压降对检测电压造成影响。特别是，在使用了需要高精度的管理的锂离子电池的电源系统1中，该影响是无法忽略。因此，考虑不将电源提供线与电压检测线兼用而是设为独立布线。
在图1所示的例子中，通过第一电压检测线L1和正电源提供线L0这两根线将构成蓄电模块10的多个单元S1-S8的最上位的节点与单元电压检测电路31之间连接。同样地，通过第九电压检测线L9和负电源提供线L10这两根线将多个单元S1-S8的最下位的节点与单元电压检测电路31之间连接。
总电压检测电路33对正电源提供线L0与负电源提供线L10之间的电压进行检测来检测多个单元S1-S8的两端电压(以下称作总电压)。总电压检测电路33将检测出的总电压输出到控制电路32。总电压检测电路33例如能够由电阻分压电路与A/D转换器的组合构成。此外，在控制电路32中搭载有模拟输入端子的情况下，也能够只由电阻分压电路构成。
在线束连接器20中发生连接不良或断线(以下在本说明书中包括两者在内称为断线。即，断线不限定于布线的物理切断，也包括电切断。)的情况下，无法由单元电压检测电路31正确地检测单元电压。在该情况下，无法由控制电路32正确地进行单元的状态监视、均等化控制。
为了检测线束连接器20的断线，经常使用利用均等化电路的方法。具体地说，利用如下情形：如果使连接在同发生了断线的线束连接器20相连的电压检测线与该电压检测线的下一位的电压检测线之间的均等化电路导通，则检测对象的单元电压大致为零。
例如在图1的第七电压检测线L7的线束连接器20中发生了断线的情况下，如果使放电开关Q7接通，则由单元电压检测电路31检测的第七单元S7的电压大致为零，第六单元S6的电压为与大致2个单元相应的电压。另一方面，在第七单元S7的电压发生了下降的情况下，如果使放电开关Q7接通，则由单元电压检测电路31检测的第七单元S7的电压维持下降后的第七单元S7的电压，第六单元S6的电压维持与1个单元相应的电压S6。
通过像这样使连接在第七电压检测线L7与第八电压检测线L8之间的均等化电路导通，能够明确地辨别是第七电压检测线L7发生了断线还是第七单元S7的电压发生了下降。另外，能够根据导通的均等化电路的位置确定出发生了故障的部位。
通过以上的处理，也难以辨别最上位的电压检测线L1的断线和最上位的单元S1的电压下降。这是因为在正电源提供线L0与电压检测线L1之间不存在单元。同样，也难以辨别最下位的电压检测线L9的断线和最下位的单元S9的电压下降。
因此，在本实施方式中，对由单元电压检测电路31检测出的所有的单元S1-S8的电压的总计(以下称作单元总计电压)与由总电压检测电路33检测出的总电压进行比较。由此，能够在最上位/最下位的单元的检测电压低于规定值的情况下，识别出是由于线束连接器20的断线引起的还是由于单元电压的下降引起的。具体地说，在单元电压总计与总电压大致相等的情况下，判定为没有发生断线，即判定为实际上是最上位/最下位的单元电压发生了下降。另一方面，在单元电压总计与总电压不是大致相等的情况下，判定为最上位/最下位的电压检测线发生了断线。
图2是表示实施方式1所涉及的管理装置30对最上位/最下位的电压检测线的断线检测方法的流程的流程图。单元电压检测电路31判定最上位/最上位的单元的检测电压是否比设定电压低(S10)。将设定电压例如设定为单元的放电终止电压、单元的过放电判定用电压、或将该电压加上恒定的余量而得到的电压。
在最上位/最上位的单元的检测电压比设定电压低的情况下(S10的“是”)，控制电路32合计由单元电压检测电路31检测出的所有的单元S1-S8的电压(S11)。总电压检测电路33检测所有的单元S1-S8的两端电压(总电压)并且输出到控制电路32(S12)。此外，在最上位/最上位的单元的检测电压比设定电压高的状态下，不必须由总电压检测电路33检测总电压。
控制电路32将合计后的单元电压总计与由总电压检测电路33检测出的总电压进行比较(S13)。在单元电压总计与总电压大致一致的情况下(S13的“是”)，控制电路32判定为最上位/最下位的单元发生了异常(过放电)(S14)。控制电路32在该判定后立即地或者在经过规定的短时间后使电源系统1停止(S17)。在如本实施方式那样为车载用途的情况下，控制电路32向车辆内的上级的ECU通知供电停止信号，该ECU使仪表板显示表示电池停止的消息。例如，将表示电池的使用状态的灯的颜色变更为不可使用的颜色。另外，该ECU也可以用声音输出表示电池停止的消息。
在车辆为混合动力汽车的情况下，该ECU与输出该消息大致同时地从电动机行驶模式切换为发动机行驶模式。在车辆为纯粹的EV的情况下，在从该ECU向驾驶员报告该消息起经过驾驶员使车辆移动到路边所需的时间(例如几十秒)后，电源系统1的控制电路32使电源系统1停止，使向电动机的供电停止。
在上述步骤S13中，在单元电压总计与总电压不是大致一致的情况下(S13的“否”)，控制电路32判定为最上位/最下位的电压检测线发生了断线(S15)。控制电路32在该判定后直到经过了规定时间或者消耗了规定量的电力量为止(S16的“否”)，容许从电源系统1向包括电动机的负载的供电，当经过了规定时间或消耗了规定量的电力量时(S16的“是”)，使电源系统1停止(S17)。控制电路32在该判定后向车辆内的上级的ECU通知电池异常信号，该ECU使仪表板显示表示电池异常的消息。例如，将表示电池的使用状态的灯的颜色变更为要修理的颜色。另外，该ECU也可以用声音输出表示电池异常的消息。
在车辆为混合动力汽车的情况下，该ECU与输出该消息大致同时地从电动机行驶模式切换为发动机行驶模式。在车辆为纯粹的EV的情况下，从该ECU向驾驶员报告该消息起算，容许用于驾驶员自驾驶到能够修理车辆的地方(例如加油站、汽车经销商、修理厂)为止的向电动机的电力提供。
能够以时间和/或消耗电力量(≈行驶距离)来管理容许该电力提供的宽限。例如，能够设定几分钟～几十分钟的宽限期间。另外，能够设定几km～几十km的宽限行驶。另外，也可以两者并用。在宽限中，控制电路32监视由总电压检测电路33检测出的总电压，监视是否没有发生单元整体的过充电/过放电。此外，针对没有受到电压检测线的断线的影响的单元，继续由单元电压检测电路31进行监视。
如以上所说明的那样，根据实施方式1，在与最上位或最下位的电压检测线连接的端子电压发生了下降的情况下，通过比较单元电压总计与总电压，能够简单地辨别是电压检测线发生了断线，还是单元电压发生了下降。在电压检测线发生了断线的情况下，由于不是单元自身的异常，因此故障的级别轻微。在为纯粹的EV的情况下，当使从电源系统1向电动机的供电停止时，不能够进行自驾驶。在该情况下，需要其它车辆的牵引或者利用清障车的移动。因此，在本实施方式中，在电压检测线发生了断线的情况下，容许规定时间的电源系统1的使用和/或与规定的行驶距离相应的电源系统1的使用。由此，能够兼具安全性和便利性。
此外，在正电源提供线L0或负电源提供线L10发生了断线的情况下，单元电压检测电路31的与断线单元相应的单元电压检测结果显著异常，或者单元电压检测电路31的动作由于电源提供停止而停止。与此相伴地总电压检测电路33的检测输出也大幅度下降，因此能够基于两个电路输出同样地进行断线判定。
(实施方式2)
图3是用于说明实施方式2所涉及的电源系统1的图。在实施方式2所涉及的电源系统1中，与实施方式1所涉及的电源系统1相比，省略了总电压检测电路33。作为替代，在实施方式2中，控制电路32从设置于负载侧的输入电压检测电路2a获取负载2的输入电压。控制电路32使用获取到的负载2的输入电压来代替实施方式1所涉及的总电压。
此外，在负载2为交流负载且输入电压检测电路2a测量逆变器输出的情况下，在电源系统1与负载2之间设置逆变器(未图示)。在该情况下，输入电压检测电路2a的检测电压为交流电压。控制电路32将从输入电压检测电路2a获取到的交流电压值换算为直流电压值。此时，优选以补偿由于逆变器引起的变换损失、蓄电模块10与负载2之间的布线阻抗的方式将交流电压值变换为直流电压值。
电源系统1的控制电路32与输入电压检测电路2a之间既可以通过通信线路(例如RS-485、TCP/IP)连接，也可以通过电压线直接连接。另外，也可以使由输入电压检测电路2a检测出的电压值重叠地传递到将蓄电模块10与负载2之间进行连接的电力线。
如以上所说明的那样，根据实施方式2，与实施方式1相比，能够省略总电压检测电路33，进一步简化管理装置30的结构，并且起到与实施方式1相同的效果。但是，需要满足在负载侧设置有输入电压检测电路2a、输入电压检测电路2a与控制电路32连接、蓄电模块10不与其它蓄电模块10串联地连接这些条件。另一方面，在实施方式1中，能够不受这些条件限制地进行应用。
以上基于实施方式说明了本发明。本领域技术人员应该理解的是，这些实施方式是例示性的，这些各结构要素、各处理步骤的组合能够具有各种变形例，另外这样的变形例也在本发明的范围内。
例如，在实施方式2中，也可以为如下的结构：正电源提供线L0与电压检测线L1合并为一根线，电压检测线L1兼作电压检测线和电源提供线。同样地，可以为如下的结构：电压检测线L9与负电源提供线L10合并为一根线，电压检测线L9兼作电压检测线和电源提供线。
另外，在上述的实施方式中，设想将电源系统1利用于车辆用电源装置的例子，但不限于车载用途，也能够利用于航空用电源装置、船舶用电源装置、固定放置型蓄電系统等其它用途。
此外，可以通过以下的项目来确定实施方式。
[项目1]
一种管理装置(30)，其特征在于，具备：单元电压检测电路(31)，其通过电压检测线(L1-L9)与串联地连接的多个单元(S1-S8)的各节点连接，检测所述多个单元(S1-S8)的各个单元的电压；总电压检测电路(33)，其检测所述多个单元(S1-S8)的最上位节点与最下位节点之间的电压；以及控制电路(32)，在由所述单元电压检测电路(31)检测出的最上位或最下位的单元电压异常时，控制电路(32)对将由所述单元电压检测电路(31)检测出的所述多个单元的各电压合计得到的单元电压总计与由所述总电压检测电路(33)检测出的电压进行比较，在两者对应时判定为最上位或最下位的单元(S1/S8)发生异常，在两者不对应时判定为最上位或最下位的电压检测线(L1/L9)发生了断线。
据此，能够简单地辨别是最上位或最下位的电压检测线(L1/L9)发生了断线还是最上位或最下位的单元(S1/S8)处于异常的状态。
[项目2]
根据项目1所述的管理装置(30)，其特征在于，从所述多个单元(S1-S8)的两端分别提供所述单元电压检测电路(31)的动作电源，所述多个单元(S1-S8)的最上位的节点与所述单元电压检测电路(31)之间通过所述电压检测线(L1)和正电源提供线(L0)这两根线连接，所述多个单元的最下位的节点与所述单元电压检测电路(31)之间通过所述电压检测线(L9)和负电源提供线(L10)这两根线连接，所述总电压检测电路(33)检测所述正电源提供线(L0)与所述负电源提供线(L10)之间的电压。
据此，能够不受电压检测线有无断线的影响地测量多个单元(S1-S8)的整体的电压。
[项目3]
一种管理装置(30)，其特征在于，具备：单元电压检测电路(31)，其通过电压检测线(L1-L9)与串联地连接的多个单元(S1-S8)的各节点连接，检测所述多个单元(S1-S8)的各个单元的电压；以及控制电路(32)，在由所述单元电压检测电路(31)检测出的最上位或最下位的单元电压异常时，控制电路(32)对将由所述单元电压检测电路(31)检测出的所述多个单元(S1-S8)的各电压合计得到的单元电压总计与从输入电压检测电路(2a)获取到的所述负载(2)的输入电压进行比较，在两者对应时判定为最上位或最下位的单元(S1/S8)发生异常，在两者不对应时判定为最上位或最下位的电压检测线(L1/L9)发生了断线，其中，所述输入电压检测电路(2a)连接于与所述多个单元(S1-S8)的两端连接的负载(2)的输入端子之间。
据此，能够简单地辨别是最上位或最下位的电压检测线(L1/L9)发生了断线还是最上位或最下位的单元(S1/S8)处于异常状态。
[项目4]
根据项目1至3中的任一项所述的管理装置(30)，其特征在于，所述控制电路(32)从判定为最上位或最下位的电压检测线(L1/L9)发生了断线时起，允许从所述多个单元(S1-S8)向负载的规定时间的供电或与规定电力量相应的供电。
据此，能够兼具安全性和便利性。
[项目5]
一种电源系统(1)，其特征在于，具备：蓄电模块(10)，其是多个单元(S1-S8)串联地连接而成的；以及根据项目1至4中的任一项所述的管理装置(30)，其管理所述蓄电模块(10)。
据此，能够简单地辨别是最上位或最下位的电压检测线(L1/L9)发生了断线还是最上位或最下位的单元(S1/S8)处于异常的状态。
附图标记说明
1：电源系统；2：负载；2a：输入电压检测电路；10：蓄电模块；S1-S8：单元；L0：正电源提供线；L1-L9：电压检测线；L10：负电源提供线；20：线束连接器；30：管理装置；R1-R9：电阻；C1-C8：电容器；R11-R18：放电电阻；Q1-Q8：放电开关；D1-D8：二极管；31：单元电压检测电路；32：控制电路；33：总电压检测电路。

Claims (5)

1.一种管理装置，其特征在于，具备：
单元电压检测电路，其通过电压检测线与串联地连接的多个单元的各节点连接，检测所述多个单元的各个单元的电压；
总电压检测电路，其检测所述多个单元的最上位节点与最下位节点之间的电压；以及
控制电路，在由所述单元电压检测电路检测出的最上位或最下位的单元电压异常时，所述控制电路对将由所述单元电压检测电路检测出的所述多个单元的各电压合计得到的单元电压总计与由所述总电压检测电路检测出的电压进行比较，在两者对应时判定为最上位或最下位的单元发生异常，在两者不对应时判定为最上位或最下位的电压检测线发生了断线。
2.根据权利要求1所述的管理装置，其特征在于，
从所述多个单元的两端分别提供所述单元电压检测电路的动作电源，
所述多个单元的最上位的节点与所述单元电压检测电路之间通过所述电压检测线和正电源提供线这两根线连接，
所述多个单元的最下位的节点与所述单元电压检测电路之间通过所述电压检测线和负电源提供线这两根线连接，
所述总电压检测电路检测所述正电源提供线与所述负电源提供线之间的电压。
3.一种管理装置，其特征在于，具备：
单元电压检测电路，其通过电压检测线与串联地连接的多个单元的各节点连接，检测所述多个单元的各个单元的电压；以及
控制电路，在由所述单元电压检测电路检测出的最上位或最下位的单元电压异常时，所述控制电路对将由所述单元电压检测电路检测出的所述多个单元的各电压合计得到的单元电压总计与从输入电压检测电路获取到的负载的输入电压进行比较，在两者对应时判定为最上位或最下位的单元发生异常，在两者不对应时判定为最上位或最下位的电压检测线发生了断线，其中，所述输入电压检测电路连接于与所述多个单元的两端连接的所述负载的输入端子之间。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的管理装置，其特征在于，
所述控制电路从判定为最上位或最下位的电压检测线发生了断线时起，允许从所述多个单元向负载的规定时间的供电或与规定电力量相应的供电。
5.一种电源系统，其特征在于，具备：
蓄电模块，其是多个单元串联地连接而成的；以及
根据权利要求1至4中的任一项所述的管理装置，其管理所述蓄电模块。
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