CN111130162A - 电源设备 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及电源设备。提供一种包括多个电池模块的电源设备，电池模块根据来自控制器的栅极驱动信号彼此串联连接，电源设备在栅极驱动信号在相应电池模块中包括的延迟电路处被延迟之后从串联连接的上游向串联连接的下游传输栅极驱动信号，并且将栅极驱动信号从最下游的电池模块返回到控制器，其中，电源设备基于从来自控制器的信号的发送时间到该信号的接收时间的时间差来执行延迟电路的故障确定。

Description

电源设备
技术领域
本发明涉及具有串联连接的电池模块并供应电力的电源设备。
背景技术
使用了具有串联连接的多个电池模块并向负载供应电力(对负载供电)的电源设备。当电池模块中包括的电池是二次电池时，电源设备还可以从负载侧对这些电池充电(再生电力)。
对于这种电源设备，已经提出了包括切换电路的配置，该切换电路基于栅极驱动信号使电池模块连接到负载和与负载隔离。在这种电路配置中，电压控制由经由延迟电路通过栅极驱动信号驱动每个电池模块的切换电路来执行(日本专利申请公开号2018-074709)。
发明内容
在传统的电源设备中，可能存在如下顾虑：当电池模块的一些延迟电路发生故障，并且延迟时间从假定值变化，使得无法如假定的那样控制电源设备时，来自串联连接的电池模块的输出电压变得不稳定。因此，期望能够检测电池模块中的延迟电路的故障。期望能够识别发生故障的延迟电路，以便对该延迟电路执行维护，诸如修理或更换。
本发明的一个方面是一种电源设备，包括多个电池模块，每个电池模块包括二次电池，电池模块根据来自控制器的栅极驱动信号彼此串联连接，电源设备在栅极驱动信号在相应电池模块中包括的延迟电路处被延迟之后将栅极驱动信号从串联连接的上游向串联连接的下游传输，并且将栅极驱动信号从最下游的电池模块返回到控制器，其中电源设备基于从来自控制器的信号的发送时间到该信号的接收时间的时间差来执行延迟电路的故障确定。
这里，当时间差在假定的时间差范围之外时，可以确定延迟电路发生故障。
此外，电源设备可以包括用于每个延迟电路的开关，该开关能够选择延迟电路的连接或旁路(diversion)，其中基于时间差和具有开关的延迟电路之间的连接状态之间的关系识别发生故障的延迟电路。
具有这方面的本发明可以适当地检测电源设备中的延迟电路的故障。
附图说明
下面将参考附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业意义，附图中相同的标号表示相同的元件，并且其中：
图1是示出本发明的实施例中的电源设备的配置的图；
图2是图示本发明的实施例中的电池模块的控制的时间图；
图3A是示出本发明的实施例中的电池模块的操作的图；
图3B是本发明的实施例中的电池模块的操作的图；
图4是图示本发明的实施例中的电源设备的控制的时间图；
图5是用于解释信号的延迟时间的图；
图6是图示本发明的实施例中的识别延迟电路当中的故障位置的方法的图；
图7是图示本发明的实施例中的识别延迟电路当中的故障位置的方法的图；
图8是图示本发明的实施例中的识别延迟电路当中的故障位置的方法的图；以及
图9是图示本发明的实施例中的识别延迟电路当中的故障位置的方法的图。
具体实施方式
如图1所示，实施例中的电源设备100包括电池模块102和控制器104。电源设备100包括多个电池模块102(102a、102b、...102n)。电池模块102可以在控制器104的控制下彼此串联连接。电源设备100中包括的电池模块102可以向连接到端子T1、T2的负载(未示出)供应电力(对负载供电)，或者可以利用来自连接到端子T1、T2的电源(未示出)的电力充电(再生电力)。
电池模块102包括电池10、扼流线圈12、电容器14、第一开关元件16、第二开关元件18、延迟电路20、NOT(非)元件22和旁路开关元件(diverting switch element)24。在本实施例中，电池模块102具有相同的配置。
电池10包括至少一个二次电池。例如，电池10可以具有这样的配置，其中多个锂离子电池、镍-金属氢化物电池等串联或并联连接。扼流线圈12和电容器14形成平滑电路(低通滤波器电路)，该平滑电路使来自电池10的输出平滑并输出被平滑的输出。即，二次电池被用作电池10，并且电池10随内部电阻损耗的增加而劣化。为了减少这种恶化，通过由电池10、扼流线圈12和电容器14形成的RLC滤波器来平滑电流。然而，扼流线圈12和电容器14不是必要部件，并且可以省略。
第一开关元件16包括用于使电池10的输出端子短路的开关元件。在本实施例中，第一开关元件16具有这样的配置，其中续流二极管(freewheeling diode)并联连接到作为开关元件的场效应晶体管。第二开关元件18在电池10和第一开关元件16之间与电池10串联连接。在本实施例中，第二开关元件18具有这样的配置，其中续流二极管并联连接到作为开关元件的场效应晶体管。通过来自控制器104的栅极驱动信号来控制第一开关元件16和第二开关元件18的切换。尽管在本实施例中在第一开关元件16和第二开关元件18中使用场效应晶体管，但也可以使用其他开关元件。
当栅极驱动信号从控制器104传输到每个电池模块102时，栅极驱动信号被原样输入到第二开关元件18的栅极端子，栅极驱动信号被NOT元件22反相(invert)的信号被输入到第一开关元件16的栅极端子。因此，当栅极驱动信号电平为高(H)时，第一开关元件16关断并且第二开关元件18接通，并且当栅极驱动信号电平为低(L)时，第一开关元件16接通并且第二开关元件18关断。换句话说，栅极驱动信号电平为高(H)，电池模块102被置于串联连接到与其他电池模块102串联连接的状态，并且当栅极驱动信号电平为低(L)时，电池模块102被置于与其他电池模块102隔离的通过(pass-through)状态中。
延迟电路20是基于从控制器104输入到电池模块102中的栅极驱动信号来控制电池模块102的电路。延迟电路20包括使栅极驱动信号延迟预定时间的延迟电路。在电源设备100中，延迟电路20分别设置在电池模块102(102a、102b、...102n)中并且彼此串联连接。因此，从控制器104输入的栅极驱动信号被顺序地输入到电池模块102(102a、102b、...102n)中，同时在每个电池模块102处被延迟预定时间。稍后将描述基于栅极驱动信号的控制。
从最后一级处的电池模块102n的延迟电路20输出的栅极驱动信号被返回到控制器104。换句话说，从控制器104发送的信号最终被返回到控制器104。
旁路开关元件24是能够选择延迟电路20的连接或旁路的开关元件。在从控制器104接收到控制信号后，旁路开关元件24专门在延迟电路20被连接的状态和延迟电路20被旁路的状态之间切换延迟电路20。在延迟电路20被连接的状态下，延迟电路20向下游输出从上游输入的栅极驱动信号，同时使栅极驱动信号延迟预定时间。在延迟电路20被旁路的状态下，栅极驱动信号被输出到下游而没有被延迟电路20延迟。
正常控制
下面将参考图2描述电源设备100的控制。在正常控制中，旁路开关元件24被分别设置为其中电池模块102中的延迟电路20不被旁路的状态。
图2是与电池模块102a的操作有关的时间图。图2示出了驱动电池模块102a的栅极驱动信号D1的脉冲波形、表示第一开关元件16的切换状态的矩形波D2、表示第二开关元件18的切换状态的矩形波D3以及从电池模块102a输出的电压Vmod的波形D4。
在电池模块102a的初始状态中，即，在没有输出栅极驱动信号的状态中，第一开关元件16接通并且第二开关元件18关断。当栅极驱动信号从控制器104输入到电池模块102a中时，由PWM控制来控制电池模块102a的切换。在这种切换控制下，第一开关元件16和第二开关元件18被切换以交替地接通和关断。
如图2所示，当从控制器104输出栅极驱动信号D1时，根据栅极驱动信号D1来驱动电池模块102a的第一开关元件16和第二开关元件18。当来自NOT元件22的信号响应于栅极驱动信号D1的上升而下降时，第一开关元件16从接通状态切换到关断状态。第一开关元件16在栅极驱动信号D1的下降之后以短时间的延迟(空载时间(dead time)dt)从关断状态切换到接通状态。
同时，第二开关元件18在栅极驱动信号D1的上升之后以短时间的延迟(空载时间dt)从关断状态切换到接通状态。在栅极驱动信号D1下降的同时，第二开关元件18从接通状态切换到关断状态。因此，控制第一开关元件16和第二开关元件18的切换，使得这些开关元件交替地接通和关断。
为了防止第一开关元件16和第二开关元件18同时被激活，第一开关元件16在栅极驱动信号D1的下降之后以短时间的延迟(空载时间dt)被激活，并且第二开关元件18在栅极驱动信号D1的上升之后以短时间的延迟(空载时间dt)被激活。因此，防止了由于第一开关元件16和第二开关元件18同时接通而导致的电池短路。引起激活的延迟的空载时间dt被设置为例如100ns，但是可以被设置为任意适当的时间。在空载时间dt期间，电流通过二极管循环，产生和当与电流循环的这个二极管并联的开关元件接通时相同的状态。
在如此控制的电池模块102a中，当栅极驱动信号D1是关断(即，第一开关元件16接通并且第二开关元件18关断)时，电容器14与电池模块102a的输出端子隔离。因此，没有电压从电池模块102a输出到输出端子。在这种状态中，如图3A所示，电池模块102a处于通过状态，其中电池10(电容器14)被绕过。
当栅极驱动信号D1是接通(即，第一开关元件16关断并且第二开关元件18接通)时，电容器14被连接到电池模块102a的输出端子。因此，电压从电池模块102a输出到输出端子。在这种状态中，如图3B所示，电压Vmod通过电池模块102a的电容器14输出到输出端子。
返回参考图1，将描述控制器104对电源设备100的控制。控制器104控制所有电池模块102。通过控制电池模块102a、102b、...102n，控制器控制作为整体的电源设备100的输出电压。
控制器104的信号产生电路104a将栅极驱动信号作为矩形波输出到电池模块102。栅极驱动信号被顺序地传输到电池模块102a中包括的延迟电路20、电池模块102b中包括的延迟电路20并依此类推至后续其他电池模块102。具体地，栅极驱动信号被顺序地从最上游侧向下游侧传输到电源设备100中串联连接的电池模块102，同时在每个电池模块102处被延迟预定的延迟时间。
图4示出了控制的序列，在该控制之下通过顺序地串联连接电池模块102a、102b、...102n当中的预定数量的电池模块来输出电力。如图4所示，根据栅极驱动信号从上游侧向下游侧一个接一个地驱动电池模块102a、102b、...102n，每个具有一定时间的延迟。在图4中，时段E1表示这样的状态，其中在电池模块102a、102b、...102n中第一开关元件16关断并且第二开关元件18接通，并且电池模块102a、102b、...102n正在从输出端子输出电压(连接状态)。时段E2表示这样的状态，其中在电池模块102a、102b、...102n中第一开关元件16接通并且第二开关元件18关断，并且电池模块102a、102b、...102n不从输出端子输出电压(通过状态)。因此，电池模块102a、102b、...102n被顺序地驱动，每个具有一定时间的延迟。
将参考图4描述栅极驱动信号和延迟时间的设置。通过将相应电池模块102a、102b、...102n的延迟时间相加来设置栅极驱动信号的周期T。因此，设置较长的延迟时间导致较低的栅极驱动信号的频率。相反，设置较短的延迟时间导致较高的栅极驱动信号的频率。可以根据电源设备100的要求规格适当地设置延迟栅极驱动信号的延迟时间。
通过以下来计算在栅极驱动信号的周期T期间的接通时间比D(接通占空(on-duty))，即栅极驱动信号处于高(H)电平的时间TON相对于周期T的比例：电源设备100的输出电压/电池模块102a、102b、...102n的总电压(电池模块102的电池电压×电池模块的数量)。因此，接通时间比D＝(电源设备100的输出电压)/(电池模块102的电池电压×电池模块102的总数量)。确切地说，接通时间比以对应于空载时间dt的量偏离，并且因此，可以通过反馈或前馈来校正接通时间比，如通常对斩波电路(chopper circuit)实施的那样。
如上所述，电源设备100的输出电压由通过以下获得的值来表示：将电池模块102的电池电压乘以处于连接状态的电池模块102的数量。如果电源设备100的输出电压具有能够被一个电池模块102的电池电压整除的值，则在一个电池模块102从通过状态切换到连接状态时，另一个电池模块102从连接状态切换到通过状态，使得电池模块102的总输出电压不变化。
然而，如果电源设备100的输出电压具有不能被电池模块102的电池电压整除的值，则电源设备100的输出电压(总输出电压)变化。在这种情况下，变化的幅度对应于一个电池模块的电压，并且变化的周期对应于：栅极驱动信号的周期T/电池模块102的总数量。增加电池模块102的总数量可以使整个电源设备100中的寄生电感的值变大，使得这种电压变化被滤除并且可以使电源设备100的输出电压稳定。
接下来，将描述具体的示例。在图4中，例如，假设：作为整体的电源设备100的期望输出电压为400V；每个电池模块102的电池电压为15V；电池模块102a、102b、...102n的数量为40；并且延迟时间为200ns。这种情况对应于其中电源设备100的输出电压(400V)不能被电池模块102的电池电压(15V)整除的情况。
基于这些数值，栅极驱动信号的周期T通过延迟时间×电池模块的总数量计算如下：200ns×40＝8μs。因此，栅极驱动信号是具有相当于125kHz的频率的矩形波。栅极驱动信号的接通时间比D通过电源设备100的输出电压/(电池模块102的电池电压×电池模块102的总数量)计算如下：400V/(15V×40)≈0.67。
当基于这些数值顺序地驱动电池模块102a、102b、...102n时，作为整体的电源设备100产生图4中具有矩形波形的输出电压H1。这个输出电压H1在390V和405V之间变化。具体地，输出电压H1以通过以下计算的周期变化：栅极驱动信号的周期T/电池模块的总数量，即8μs/40＝200ns(相当于5MHz)。这种变化被电池模块102a、102b、...102n的布线的寄生电感滤除，使得作为整体的电源设备100产生大约400V的输出电压H2。
当电池模块102处于连接状态时，电流流过每个电池模块102的电容器14，并且电容器电流波形J1是如图4所示的矩形波形。由于电池10和电容器14形成RLC滤波器，因此已被滤波和平滑的电流J2流过电源设备100。因此，电流波形在所有电池模块102a、102b、...102n中是一致的，并且电流可以从所有电池模块102a、102b、...102n均等地输出。
如上所述，为了控制电源设备100，被输出到最上游的电池模块102a的栅极驱动信号以一定时间的延迟被输出到下游电池模块102b，并且这个栅极驱动信号还被顺序地传输到下游电池模块102，每次具有一定时间的延迟，使得电池模块102a、102b、...102n顺序地输出电压，每个具有一定时间的延迟。这些电压被相加成从作为整体的电源设备100输出的电压。因此，可以从电源设备100输出期望的电压。
电源设备100可以消除对升压电路的需要，并且从而简化了电源电路的配置。此外，电源设备100可以实现小型化和成本降低。通过消除对引致电力损耗的平衡电路等的需要，电源设备100可以实现较高的效率。由于电压基本上从电池模块102a、102b、...102n均等地输出，所以不太可能集中驱动特定电池模块102，使得可以减小电源设备100中的内部电阻损耗。
通过调整接通时间比D可以容易地满足期望的电压，这提高了电源设备100的多功能性。特别地，即使当电池模块102a、102b、...102n中的一些已经发生故障并变得难以使用时，也可以通过重新设置栅极驱动信号的周期T、接通时间比D和延迟时间同时排除发生故障的电池模块102并使用正常的电池模块102来获得期望的电压。这意味着即使当电池模块102a、102b、...102n中的一些已经发生故障时也可以继续地输出期望的电压。
当延迟栅极驱动信号的延迟时间被设置得较长时，栅极驱动信号的频率变得较低，并且第一开关元件16和第二开关元件18的切换频率也是如此，这导致较小的切换损耗和较高的电力转换效率。相反，当延迟栅极驱动信号的延迟时间被设置得较短时，栅极驱动信号的频率变得较高，并且电压变化的频率也是如此，这使得变化易于被滤除以获得稳定的电压。还变得易于通过RLC滤波器平滑掉电流变化。因此，可以通过调整延迟栅极驱动信号的延迟时间来根据所要求的规格和性能提供电源设备100。
延迟电路故障检测处理
下面将描述电源设备100中的延迟电路20的故障的检测处理。本实施例中的电源设备100基于从来自控制器104的信号的发送时间到该信号的接收时间的时间差来执行延迟电路20的故障的确定。
由控制器104发送的信号在每次通过延迟电路20传输中以对每个延迟电路20设置的延迟时间的延迟进行传播。可以预设(预先选择)延迟电路20的延迟时间。因此，如图5所示，控制器104在设置值的延迟之后接收由控制器104自身发送的信号，该设置值相当于延迟时间×未被旁路的电池模块102的延迟电路20的数量。
当延迟电路20发生故障并且延迟时间偏离于设置值时，发送的信号和接收的信号之间的时间差偏离于假定值。因此，通过测量发送的信号和接收的信号之间的时间差，可以检测延迟电路20的故障。
延迟电路故障位置检测处理
通过旁路开关元件24的切换可以单独地旁路电池模块102中包括的延迟电路20。通过监视在其中一些延迟电路20被旁路的状态下的电源设备100中的延迟时间的总值，延迟电路20当中的故障位置可以被隔离。
具体地，控制器104向一个电池模块102中包括的旁路开关元件24发送用于将其延迟电路20置于连接状态的控制信号，并且向其他电池模块102中包括的旁路开关元件24发送用于将其延迟电路20置于旁路状态的控制信号。在这种状态下，测量处于连接状态的延迟电路20引起的延迟时间。从而，当相关的延迟时间在以假定值为参考的预定时间差范围内时，相关的延迟电路20可以被确定为是正常的，并且当延迟时间在时间差范围之外时，延迟电路20可以被确定为发生故障。
图6示出了在假定第一延迟电路20发生故障、仅第一延迟电路20被置于连接状态并且其他延迟电路20被置于旁路状态的情况下的示例。由于在这种状态中信号的延迟时间的测量表明发生故障的第一延迟电路20引起的延迟时间偏离于假定的延迟时间，因此故障可以被检测。
另一方面，图7示出了仅未发生故障的第二延迟电路20被置于连接状态并且包括发生故障的第一延迟电路20的其他延迟电路20被置于旁路状态的情况下的示例。由于在这种状态中信号的延迟时间的测量表明延迟时间与假定的延迟时间一致，因此被置于连接状态的延迟电路20可以被确定为是正常的。
因此，通过在顺序地将一个延迟电路20置于连接状态并且将其他延迟电路20置于旁路状态的同时测量延迟时间，可以检测每个延迟电路20是正常的还是异常的，以识别故障位置。
另外，延迟电路20当中的故障位置还可以从在所有延迟电路20被置于连接状态时获得的延迟时间的总值与在一个特定延迟电路20被置于旁路状态时获得的延迟时间的总值之间的差来识别。
图8示出了假定第一延迟电路20发生故障、所有延迟电路20被置于连接状态的状态。在这种状态中，测量延迟时间的总值。图9示出了仅发生故障的第一延迟电路20被置于旁路状态而其他延迟电路20被置于连接状态的状态。在这种状态中，测量延迟时间的总值。由于两个延迟时间总值之间的差不在以针对第一延迟电路20假定的延迟时间为参考的预定时间差范围内，因此第一延迟电路20可以被检测为发生故障。
由于当仅正常延迟电路20被置于旁路状态时两个延迟时间总值之间的差与针对正常延迟电路20假定的延迟时间一致，因此延迟电路20可以被确定为是正常的。
如上所述，本实施例中的电源设备100可以检测延迟电路20的故障。因此，可以快速执行电源设备100的诸如更换之类的维护。通过检测延迟电路20当中的故障位置，可以仅更换已被检测为发生故障的电池模块102或者可以进行类似的维护，这导致这种维护的效率的提高。

Claims (3)

1.一种电源设备，其特征在于，包括
多个电池模块，每个电池模块具有二次电池，电池模块根据来自控制器的栅极驱动信号彼此串联连接，所述电源设备在栅极驱动信号在相应电池模块中包括的延迟电路处被延迟之后从串联连接的上游向串联连接的下游传输栅极驱动信号，并且将栅极驱动信号从最下游的电池模块返回到控制器，其中，
所述电源设备基于从来自控制器的信号的发送时间到所述信号的接收时间的时间差来执行延迟电路的故障确定。
2.根据权利要求1所述的电源设备，其特征在于，当所述时间差在假定的时间差范围之外时，确定延迟电路发生故障。
3.根据权利要求1或2所述的电源设备，其特征在于，包括
用于每个延迟电路的开关，所述开关能够选择该延迟电路的连接或者旁路，其中，
基于所述时间差和具有开关的延迟电路之间的连接状态之间的关系识别发生故障的延迟电路。
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