开关劣化检测设备和方法与流程

文档序号:11142025
开关劣化检测设备和方法与制造工艺

本申请要求于2014年10月6日向韩国知识产权局和韩国专利局提交的韩国专利申请10-2014-0134373的优先权,其全部内容通过引用并入本文。

本发明涉及开关劣化检测设备和方法,并且更具体地涉及开关劣化检测设备和方法,包括:串联连接到其充电和放电被开关控制的电池的电阻器、以及通过比较器比较放大在开关的两端之间的电压差的输出电压与放大在电阻器的两端之间的电压差的输出电压以检测开关的劣化。进一步,本发明涉及开关劣化检测设备和方法,其中控制电阻器的电阻值、放大在开关的两端之间的电压差的差分放大器的放大率、和放大在电阻器的两端之间的电压差的差分放大器的放大率中的至少一个,使得差分放大器的输出电压彼此相同,并且在输出电压彼此相同时,通过使用电阻器的电阻值和差分放大器的放大率,计算开关的接通电阻值。



背景技术:

最近,由于化石能源的消耗和由使用化石能源导致的环境污染,对能够通过使用二次电池被驱动的电气产品的兴趣增加。结果,由于技术发展和针对移动设备、电动车辆(EV)、混合动力车辆(HV)、能量存储系统(ESS)、不间断电源(UPS)等的需求,对作为能源的二次电池的需求快速增加。

作为环境友好和能量效率的改善的新能源,二次电池收到了关注,因为除了显著减少化石能源的使用的主要优点之外,没有副产物依赖于使用能量而被生成。具体地,用于EV、HV、ESS或UPS的二次电池使用电池组,在电池组中多个电池模块作为电力源彼此连接以充电或放电高输出和大容量的电力。

如此,在其中高输出和大容量的电力被频繁充电或放电的电池组中,安装各种开关元件以控制和保护电池组,诸如用于控制电池组的充电和放电的接通/断开开关和用于保护电池组以防过充电、过放电和浪涌电流的继电器开关。

在安装在电池组中的开关元件中,由于其中物理性能通过操作电池组而劣化的劣化,开关元件的接通电阻值增加,并且因此,通过加速开关元件的劣化,失去开关元件的电池组的控制功能和保护功能。

因此,当电池组操作时,检测安装在电池组中的开关元件的劣化是重要的,并且精确计算开关元件的接通电阻以更精确地检测开关元件的劣化很重要。

在现有技术中,检测安装在电池组中的开关元件的劣化的技术通过温度传感器随时监测开关元件的温度,以通过比较装置比较所测量的温度和参考温度,并且当开关元件的所测量的温度大于参考温度时,确定开关劣化。然而,作为被外壳的内部温度影响的温度,在外壳中接收多个开关、保护电路、控制模块等,开关元件的温度是根据开关表面的温度而改变的温度,也即是开关的周边环境的温度,而不是开关自身的温度。

因此,由于通过测量开关元件的温度而检测开关元件的劣化的技术使用被开关的周围环境影响的温度,所检测的结果的可靠性和精度劣化。

结果,为了解决在现有技术中的前述问题,本发明的发明人发明了开关劣化检测设备和方法,该开关劣化检测设备和方法包括:串联连接到其充电和放电被开关控制的电池的电阻器,通过比较器比较放大在开关的两端之间的电压差的输出电压和放大在电阻器的两端之间的电压差的输出电压以检测开关的劣化,并且控制电阻器的电阻值、放大在开关的两端之间的电压差的差分放大器的放大率、和放大在电阻器的两端之间的电压差的差分放大器的放大率中的至少一个,使得差分放大器的输出电压彼此相同,并且在输出电压彼此相同时通过使用电阻器的电阻值和差分放大器的放大率,计算开关的接通电阻值。



技术实现要素:

技术问题

为了解决现有技术中的前述问题,本发明的目的是提供开关劣化检测设备和方法,该开关劣化检测设备和方法能够通过将放大在电阻器的两端之间的电压差的输出电压和放大在开关的两端之间的电压差的输出电压比较,针对开关的劣化检测结果提供具有改善的可靠性和精度的精确的所检测的结果,所述开关通过比较器通过基于比较器的比较结果而检测开关的劣化来控制电池的充电和放电,所述电阻器串联连接到电池。

进一步,本发明的另一目的是提供开关劣化检测设备和方法,该开关劣化检测设备和方法能够控制电阻器的电阻值、放大在开关的两端之间的电压差的差分放大器的放大率、和放大在电阻器的两端之间的电压差的差分放大器的放大率中的至少一个,使得差分放大器的输出电压彼此相同,并且在输出电压彼此相同时通过使用电阻器的电阻值和差分放大器的放大率,计算开关的接通电阻值。

技术解决方案

本发明的示例性实施例提供开关劣化检测设备,包括:电阻器,该电阻器与充电和放电被开关控制的电池串联连接;第一差分放大器,该第一差分放大器被配置为放大在开关的两端之间的电压差以将所放大的电压差作为第一输出电压输出;第二差分放大器,该第二差分放大器被配置为放大在电阻器的两端之间的电压差以将所放大的电压差作为第二输出电压输出;比较器,该比较器被配置为比较在第二输出电压和第二输出电压之间的电平;以及控制器,该控制器被配置为基于比较器的比较结果,确定开关是否劣化。

作为比较在第一输出电压和第二输出电压之间的电平的结果,当所述第一输出电压大于所述第二输出电压时,比较器可以输出开关劣化信号。

当接收到开关劣化信号时,控制器可以确定开关劣化。作为比较在第一输出电压和第二输出电压之间的电平的结果,当第一输出电压与第二输出电压相同时,比较器可以输出输出电压相同信号。

控制器可以控制电阻器的电阻值以及第一差分放大器和第二差分放大器的放大率中的至少一个,使得输出电压相同信号从比较器输出。

开关劣化检测设备可以进一步包括运算器,该运算器被配置为当输出电压相同信号从比较器输出时,通过使用电阻器的电阻值以及第一差分放大器和第二差分放大器的放大率,计算开关的接通电阻值。

运算器可以通过使用以下方程,计算开关的接通电阻值。

[方程]

这里,Rs=开关的接通电阻值,

Rr=电阻器的电阻值,

G1=当比较器输出输出电压相同信号时,第一差分放大器的放大率,并且

G2=当比较器输出输出电压相同信号时,第二差分放大器的放大率。

本发明的另一示例性实施例提供开关劣化检测方法,包括:提供与充电和放电被开关控制的电池串联连接的电阻器;通过第一差分放大器,放大在开关的两端之间的电压差,以将所放大的电压差作为第一输出电压输出;通过第二差分放大器,放大在电阻器的两端之间的电压差,以将所放大的电压差作为第二输出电压输出;通过比较器,比较在第一输出电压和第二输出电压之间的电平;以及通过控制器,基于比较器的比较结果,确定开关是否劣化。

开关劣化检测方法可以进一步包括:作为比较在第一输出电压和第二输出电压之间的电平的结果,当第一输出电压大于第二输出电压时,通过比较器输出开关劣化信号。

开关劣化检测方法可以进一步包括当控制器接收到开关劣化信号时,确定开关劣化。

开关劣化检测方法可以进一步包括:作为比较在第一输出电压和第二输出电压之间的电平的结果,当第一输出电压与第二输出电压相同时,通过比较器输出输出电压相同信号。

开关劣化检测方法可以进一步包括:通过控制器,控制电阻器的电阻值以及第一差分放大器和第二差分放大器的放大率中的至少一个,使得输出电压相同信号从比较器输出。

开关劣化检测方法可以进一步包括:当运算器接收到来自比较器的输出电压相同信号时,通过使用电阻器的电阻值以及第一差分放大器和第二差分放大器的放大率,计算开关的接通电阻值。

运算器可以通过使用以下方程,计算开关的接通电阻值。

[方程]

这里,Rs=开关的接通电阻值,

Rr=电阻器的电阻值,

G1=当比较器输出输出电压相同信号时,第一差分放大器的放大率,并且

G2=当比较器输出输出电压相同信号时,第二差分放大器的放大率。

有益效果

根据本发明的示例性实施例的开关劣化检测设备和方法具有以下优点:在不通过使用被开关的周围环境影响的开关的温度来检测开关的劣化的情况下,通过放大和比较在开关的两端之间的电压差和在串联连接到电池的电阻器的两端之间的电压差以检测开关的劣化,针对开关的劣化检测结果提供具有改善的可靠性和精度的精确的所检测的结果。

进一步,本发明具有以下优点:控制电阻器的电阻值和差分放大器的放大率中的至少一个以使得差分放大器的输出电压彼此相同,并且在输出电压彼此相同时,通过仅使用串联连接到电池的电阻器的电阻值和差分放大器的放大率,精确计算开关的接通电阻值,而不通过使用使测量定时同步来测量的开关的电压和电流而计算开关的接通电阻值。

进一步,本发明具有以下优点:通过提供精确的开关劣化所检测的结果和开关的接通电阻值,防止由于开关的过热的电池系统的损坏和火灾。

附图说明

图1是示意地示出应用根据本发明的示例性实施例的开关劣化检测设备的电动车辆的图。

图2是图示根据本发明的示例性实施例的开关劣化检测设备的配置的框图。

图3是图示根据本发明的示例性实施例的开关劣化检测设备的详细配置的示例的图。

图4是图示通过根据本发明的示例性实施例的开关劣化检测设备确定开关的劣化的顺序的流程图。

图5是图示通过根据本发明的示例性实施例的开关劣化检测设备计算开关的接通电阻值的顺序的流程图。

具体实施方式

在下文中,将参考附图详细描述本发明。这里,在描述本发明的精神时将省略可能使得本发明的目的不必要地模糊的已知功能和配置的详细描述。提供本发明的示例性实施例使得本领域技术人员可以更完整地理解本发明。因此,在附图中的元件的形状、尺寸等可以为了明确理解而被放大。

另外,除非相反地明确描述,单词“包括”及变型,将被理解为暗示包括所述的元件但并不排除任何其它元件。

另外,在本说明书中描述的术语“-单元”指的是用于处理至少一个功能和操作的单元,并且能够被硬件部件或软件部件及其组合实现。

图1是示意地示出应用根据本发明的示例性实施例的开关劣化检测设备的电动车辆的图。

在图1中,图示了其中根据本发明的示例性实施例的开关劣化检测设备应用到电动车辆的示例,但是根据本发明的示例性实施例的开关劣化检测设备可以应用到除电动车辆之外的、只要可以应用二次电池的任何技术领域,诸如移动设备、能量存储系统、或不间断电源设备。

电动车辆1可以被配置为包括电池10、电池管理系统(BMS)20、电子控制单元(ECU)30、逆变器40和电机50。

电池10是通过向电机50提供驱动力来驱动电动车辆1的电气能源。可以依赖于电机50或内燃机(未图示)的驱动通过逆变器40来对电池10充电或放电。

在本文中,电池10的类型未被具体限制,并且可以由例如锂离子电池、锂聚合物电池、镍镉电池、镍氢电池、镍锌电池等构成。

BMS 20估计电池10的状态,并且通过使用所估计的状态信息来管理电池10。例如,BMS 20估计且管理电池10的状态信息,该状态信息包括电池10的荷电状态(SOC)、健康状态(SOH)、最大输入/输出电力允许量、输出电压等。另外,BMS 20通过使用状态信息控制电池10的充电或放电,并且此外,可以估计电池10的交换时间。

进一步,BMS 20可以包括将在下文描述的开关劣化检测设备100(见图2)。可以通过由开关劣化检测设备100来检测连接到电池10的开关(未图示)的劣化而防止电池10被损坏。

ECU 30是控制电动车辆1的状态的电子控制装置。例如,ECU 30基于包括加速度计、制动器、速度等的信息而确定转矩度,并且控制电机50的输出以适合于转矩信息。

进一步,ECU 30向逆变器40发送控制信号,从而基于由BMS 20接收的包括电池10的SOC、SOH等的状态信息对电池10充电或放电。逆变器40基于ECU 30的控制信号而允许对电池10充电或被放电。

电机50基于从ECU 30接收的控制信息(例如转矩信息),通过使用电池10的电能驱动电动车辆1。

图2是图示根据本发明的示例性实施例的开关劣化检测设备的配置的框图,并且图3是图示根据本发明的示例性实施例的开关劣化检测设备的详细配置的示例的图。

参考图2和图3,开关劣化检测设备100可以被配置为包括电阻器110、第一差分放大器120、第二差分放大器130、比较器140、控制器150和计算器160。在图2和图3中图示的开关劣化检测设备100遵循示例性实施例,并且构成元件不被限制于在图2和图3中图示的示例性实施例,且如果必要,可以被添加、修改或删除。

电阻器110被串联连接到电池200,并且可以是具有预定的电阻值的电阻性元件。此处,为了检测下文将描述的开关300的劣化并且计算开关300的接通电阻值Rs,预定的电阻值可以是开关300的接通电阻值Rs的阈值,通过将在下文描述的控制器150控制开关300。例如,预定的电阻值可以是1mΩ,其是开关300的接通电阻值Rs的阈值。

在一个示例性实施例中,电阻器110可以被包括在电流传感器中,该电流传感器用于当在电池200中电力被充电或放电时监测在电池200中流动的电流,并且例如,电阻器110可以是电阻值变化的可变电阻器或分流电阻器。

同时,在示例性实施例中,电阻器110被图示为连接到电池200的阴极,但注意电阻器110与电池200连接的位置不被限制。

上述的电池200的类型并不被具体地限制,但电池200可以是被用在电动车辆、混合动力车辆、能量存储系统和不间断电源设备等中的二次电池,并且例如,可以被配置成锂离子电池、锂聚合物电池、镍镉电池、镍氢电池、镍锌电池等。

开关300连接到电池200,并且因此流入电池200中的电流被导通或断开。开关300的类型也不被具体地限制,但开关300可以是用于控制电池200的充电和放电的接通/断开开关、场效应晶体管(FET)开关、或用于保护电池200以防过充电、过放电和浪涌电流的继电器开关。

同时,在示例性实施例中,图示了开关300连接到电池200的阳极,但注意开关300与电池200连接的位置不被限制。

第一差分放大器120可以包括第一反相端子(-)、第一非反相端子(+)、第一输出端子Vo和可变电阻器(未图示)。当开关300被接通且因此操作状态是接通状态时,第一差分放大器120可以用于将开关300的两端的电压V1和V2分别接收到第一反相端子(-)和第一非反相端子(+),并且通过放大开关300两端的电压差V1-V2,向第一输出端子Vo输出第一输出电压V3

更详细地,第一非反相端子(+)连接到开关300的两端的高电压端子V1,并且第一反相端子(-)连接到开关300的两端的低电压端子V2,以接收施加到开关300两端的电压V1和V2

顺序地,第一差分放大器120可以通过由预定的放大率G1放大输入到第一反相端子(-)和第一非反相端子(+)的施加到开关300的两端的电压V1和V2的电压差V1-V2,将第一输出电压V3输出到第一输出端子Vo

这里,预定的放大率G1是被控制器150控制的值,其将在下文被描述为根据包括在第一差分放大器120中的可变电阻器的电阻值变化的值。

通过前述第一差分放大器120被放大且输出到第一输出端子Vo的第一输出电压V3如以下方程1。

[方程1]

V3=G1(V1-V2)

第二差分放大器130可以包括第二反相端子(-)、第二非反相端子(+)、第二输出端子Vo和可变电阻器(未图示)。第二差分放大器130可以用于将电阻器110的两端的电压V4和V5分别接收到第二反相端子(-)和第二非反相端子(+),并且通过放大电阻器110的两端的电压差V4-V5,向第二输出端子Vo输出第二输出电压V6

更详细地,第二非反相端子(+)连接到电阻器110的两端的高电压端子V4,并且第二反相端子(-)连接到电阻器110的两端的低电压端子V5,以接收施加到电阻器110的两端的电压V4和V5

顺序地,第二差分放大器130可以通过由预定的放大率G2放大输入到第二反相端子(-)和第二非反相端子(+)的施加到电阻器110的两端的电压V4和V5的电压差V4-V5,将第二输出电压V6输出到第二输出端子Vo

这里,预定的放大率G2是被控制器150设定的值,其将在下文被描述为根据包括在第二差分放大器130中的可变电阻器的电阻值变化的值。

通过前述第二差分放大器130被放大且输出到第二输出端子Vo的第二输出电压V6如以下方程2。

[方程2]

V6=G2(V4-V5)

比较器140可以用于从第一差分放大器120和第二差分放大器130接收第一输出电压V3和第二输出电压V6以比较在第一输出电压V3和第二输出电压V6之间的电平,并且将比较结果发送到将在下文描述的控制器150和运算器160。

更详细地,比较器140可以基于从第二输入端子(-)输入的电压,比较输入到第一和第二输入端子(+,-)的电压之间的电平,并且根据比较结果而向第三输出端子Vo输出信号。

如在图3中所图示,比较器140的第一输入端子(+)连接到第一差分放大器120的第一输出端子Vo以接收第一输出电压V3,并且比较器140的第二输入端子(-)连接到第二差分放大器130的第二输出端子Vo以接收第二输出电压V6

随后,比较器140可以基于从第二输入端子(-)输入的第二输出电压V6,比较在第一输出电压和第二输出电压之间的电平,当第一输出电压大于第二输出电压时,向第三输出端子Vo输出开关劣化信号,并且当第一输出电压和第二输出电压彼此相同时,向第三输出端子Vo输出输出电压相同信号。

这里,开关劣化信号可以是通知开关300的接通电阻值Rs大于阈值且因此开关300的劣化现象偏离正常范围的电信号。进一步,输出电压相同信号可以是通知开关300的接通电阻值Rs与阈值相同的电信号。

在示例性实施例中,从比较器140输出的开关劣化信号可以是正(+)电压信号,输出电压相同信号可以是0V的电压信号,并且作为比较器140的比较结果,当第一输出电压小于第二输出电压时,可以输出负(-)电压信号。

将通过将在下文被描述的控制器150,详细描述电阻器110的电阻值Rr、开关300的接通电阻值Rs和比较器140的比较结果的关联。

控制器150可以用于基于比较器140的比较结果来确定开关300是否劣化。

如在图3中所示,由于电池200、开关300和电阻器110彼此串联连接,施加到开关300的两端的电压V1-V2和施加到电阻器110的两端的电压V4-V5分别与开关300的接通电阻值Rs和电阻器110的电阻值Rr成比例。进一步,当第一差分放大器120和第二差分放大器130的放大率G1和G2彼此相同时,第一输出电压V3和第二输出电压V6分别相等地与开关300的接通电阻值Rs和电阻器110的电阻值Rr成比例。

因此,当第一差分放大器120和第二差分放大器130的放大率G1和G2相等地被控制器150控制,并且从开关检测设备100的比较器140输出开关劣化信号时,其中电阻器110的电阻值Rr作为开关300的接通电阻值Rs的阈值被控制,当开关300的接通电阻值Rs大于阈值时,控制器150可以确定开关300劣化。

进一步,在另一示例性实施例中,控制器150可以用于在不控制第一差分放大器120和第二差分放大器130的放大率G1和G2的情况下,通过比较第一输出电压V3是否大于预定的电压值来确定开关300是否劣化。

更详细地,控制器150将预定的电压值设定为确定开关300是否劣化的阈值,以比较第一输出电压V3和预定的电压值。作为比较结果,当第一输出电压V3大于预定的电压值时,控制器150可以确定开关300劣化。

同时,控制器150可以用于控制电阻器110的电阻值Rr、第一差分放大器120的放大率G1、和第二差分放大器130的放大率G2中至少一个以使得从比较器140输出输出电压相同信号,以便在运算器160中计算开关300的接通电阻值Rs

运算器160可以用于:当从比较器140接收输出电压相同信号时,通过使用电阻器110的电阻值Rr和第一和第二放大器的放大率G1和G2,计算开关300的接通电阻值Rs

更详细地,当控制器150控制电阻器110的电阻值Rr、第一差分放大器120的放大率G1、和第二差分放大器130的放大率G2中的至少一个使得输出电压相同信号从比较器140输出时,在从第一差分放大器120和第二差分放大器130输出的第一输出电压V3和第二输出电压V6之间的相等关系可以如以下方程3被建立。

[方程3]

V3=G1(V1-V2)=G2(V4-V5)=V6

进一步,当电流I流入其中电池200、开关300和电阻器110彼此串联连接的电路时,如以下方程4,在开关300的两端之间的电压差V1-V2是通过将电流I乘以开关300的接通电阻值Rs而获得的值,并且在电阻器110的两端之间的电压差V4-V5可以是通过将电流I乘以电阻器110的电阻值Rr而获得的值,并且在两侧的电流I可以被消除。

[方程4]

V3=G1(I×Rs)=G2(I×Rr)=V6

因此,运算器160可以当接收输出电压相同信号时,通过从控制器150接收电阻器110的电阻值Rr和第一差分放大器120和第二差分放大器130的放大率G1和G2,通过以下方程5计算开关300的接通电阻值Rs

[方程5]

图4是图示通过根据本发明的示例性实施例的开关劣化检测设备确定开关的劣化的顺序的流程图。

参考图4,首先,开关被接通,并且随后电流流入其中开关、电池和电阻器彼此串联连接的电路,并且电压分别与开关的接通电阻值和电阻器的电阻值成比例地被施加到开关和电阻器。

施加到开关的两端的电压被输入到第一差分放大器,并且施加到电阻器的两端的电压被输入到第二差分放大器(S401)。

第一差分放大器使用第一差分放大器的放大率放大在开关的两端之间的电压差,从而将所放大的电压差作为第一输出电压输出,并且第二差分放大器使用第二差分放大器的放大率放大在电阻器的两端之间的电压差,从而将所放大的电压差作为第二输出电压输出(S402)。

比较器接收从第一差分放大器和第二差分放大器输出的第一输出电压和第二输出电压以比较所接收的第一输出电压和第二输出电压的电平(S403),并且当第一输出电压不大于第二输出电压时,过程返回到步骤S401(S404)。

当第一输出电压大于第二输出电压时,比较器将开关劣化信号发送到控制器(S405),并且当从比较器接收到开关劣化信号时,控制器确定该开关劣化(S406)。

此后,控制器断开该开关以中断电力,以防止由于开关的劣化现象的火灾和电池系统中的火灾。

图5是图示通过根据本发明的示例性实施例的检测开关劣化的设备计算和检测开关的接通电阻值的顺序的流程图。参考图4,首先,开关被接通且随后电流流入其中开关、电池和电阻器彼此串联连接的电路,并且分别与开关的接通电阻值和电阻器的电阻值成比例地,将电压施加到开关和电阻器。

施加到开关的两端的电压被输入到第一差分放大器,并且施加到电阻器的两端的电压被输入到第二差分放大器(S501)。

第一差分放大器使用第一差分放大器的放大率放大在开关的两端之间的电压差,从而将所放大的电压差作为第一输出电压输出,并且第二差分放大器使用第二差分放大器的放大率放大在电阻器的两端之间的电压差,从而将所放大的电压差作为第二输出电压输出(S502)。

比较器接收从第一差分放大器和第二差分放大器输出的第一输出电压和第二输出电压以比较其电平(S503),并且当第一输出电压与第二输出电压不相同时,比较器不向控制器发送信号,且控制器控制第一差分放大器和第二差分放大器的放大率与电阻器的电阻值中的至少一个,直至从比较器接收输出电压相同信号为止(S505)。此后,过程返回到步骤S501(S505)。

当第一输出电压和第二输出电压彼此相同时,比较器向控制器和运算器发送输出电压相同信号(S506),并且当从比较器接收输出电压相同信号时,运算器从控制器接收电阻器的电阻值和第一差分放大器和第二差分放大器的放大率,且通过使用上述方程5,计算开关的接通电阻值(S507)。

如此,根据本发明的示例性实施例的开关劣化检测设备可以在不被开关的环境温度的变化影响且不测量开关中流动的电流的电流值的情况下,计算开关的接通电阻值。

已经关于优选的实施例描述本发明。然而,本领域技术人员将领会,能够在不背离在所附权利要求书及其等价物中限定的本发明的精神和范围的情况下,做出本发明的各种修改和改变。

再多了解一些
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