二次电池状态检测器和检测二次电池状态的方法与流程

本发明涉及一种二次电池状态检测器和一种检测二次电池状态的方法。

背景技术：

作为电动机的电源，诸如锂离子可充电电池或镍氢可充电电池这样的二次电池安装在诸如电动车辆(ev)或混合动力车辆(hev)这样的各种车辆上。在ev或hev中，数十个或数百个二次电池串联连接，并且检测各个二次电池的两端电压。二次电池的两端电压是判断完全充电或过度放电的重要检测值。因此，存在如下问题：如果在检测电路中发生故障，并且即使多个二次电池中的一个二次电池不能被检测到，所有的充放电操作也必须停止。

此外，作为计算表示二次电池的劣化程度的指标的内阻的方法，例如提出了专利文献1中描述的方法。在专利文献1中描述的二次电池状态检测器中，分别在电容器中保持放电状态和放电停止状态的电池电压，并且利用差分放大电路判定保持的电池电压之间的差分电压，然后根据该差分电压判定内阻(＝二次电池状态)。然而，在传统的二次电池状态检测器中，当检测电路故障时，没有检测电路则不能判定二次电池的两端电压。

文献列表

专利文献

专利文献1：jp2014-219311a

技术实现要素：

技术问题

鉴于以上背景发明了本发明，并且本发明的目的是提供一种二次电池状态检测器和一种检测二次电池状态的方法，其能够使用检测二次电池状态的差分放大电路来检测二次电池的两端电压。

问题解决方案

根据本发明的一个方面，提供一种电池状态检测器，包括：

电容器，该电容器用于保持第一状态下的二次电池的两端电压；

差分放大电路，由所述电容器保持的所述二次电池的两端电压以及第二状态下的所述二次电池的两端电压被输入到该差分放大电路；以及

状态检测部，该状态检测部用于基于所述第一状态下的所述二次电池的两端电压与所述第二状态下的所述二次电池的两端电压之间的、从所述差分放大电路输出的差分电压检测所述二次电池的电池状态，

所述电池状态检测器还包括：

切换部，该切换部用于将所述差分放大电路的输入从所述第一状态和所述第二状态下的所述二次电池的两端电压切换为所述二次电池的两端电压和基准电压；以及

第一电压检测部，该第一电压检测部用于基于从所述差分放大电路输出的、所述二次电池的两端电压与所述基准电压之间的差分电压检测所述二次电池的两端电压。

优选地，所述基准电压是从恒定电压源输出的恒定电压。

优选地，所述第一电压检测部调节从所述恒定电压源输出的所述恒定电压，使得所述差分电压在预定范围内，并且基于在所述恒定电压的调节之后的所述差分电压检测所述二次电池的两端电压。

优选地，设置多个二次电池，

所述电池状态检测器还包括：

第二电压检测部，该第二电压检测部用于检测所述多个二次电池中的各个二次电池的两端电压；以及

故障检测部，该故障检测部用于查找由于所述第二电压检测部的故障而不能被检测的二次电池，

其中，所述基准电压是由所述第二电压检测部检测的二次电池的两端电压。

优选地，当具有多个二次电池，而所述多个二次电池的中的每个二次电池的两端电压都能够被所述第二电压检测部检测时，所述第一电压检测部将差分电压在预定范围内的二次电池的两端电压设定为所述基准电压。

根据本发明的另一方面，提供一种检测电池状态的方法，包括以下步骤：

利用电容器保持第一状态下的二次电池的两端电压；

将由所述电容器保持的所述二次电池的两端电压以及在第二状态下的所述二次电池的两端电压输入到差分放大电路；以及

基于所述第一状态下的所述二次电池的两端电压与所述第二状态下的所述二次电池的两端电压之间的差分电压检测电池状态，所述差分电压从所述差分放大电路输出，

所述方法还包括：

将所述差分放大电路的输入从所述第一状态和所述第二状态下的所述二次电池的两端电压切换为所述二次电池的两端电压和基准电压；以及

基于所述二次电池的两端电压与所述基准电压之间的差分电压检测所述二次电池的两端电压，所述差分电压从所述差分放大电路输出。

发明的效果

根据以上方面，通过使用用于检测二次电池状态的差分放大电路，能够检测二次电池的两端电压。

附图说明

图1是示出根据本发明的第一实施例的二次电池状态检测器的电路图；

图2是示出利用作为图1的二次电池状态检测器的组件的μcom的二次电池两端的电压的检测处理步骤的流程图；

图3是示出根据本发明的第二实施例的二次电池状态检测器的电路图；以及

图4是示出利用作为图3的二次电池状态检测器的组件的μcom的二次电池两端的电压的检测处理步骤的流程图。

参考标记列表

1电池状态检测电路

16差分放大电路

18cvs(第二电压检测部，故障检测部)

19μcom(状态检测部，第一电压检测部)

c1第一电容器(电容器)

ce1-ce3二次电池

vm差分电压

具体实施方式

(第一实施例)

下文将参考图1描述根据第一实施例的二次电池状态检测器。该实施例的二次电池状态检测器1例如安装在电动车辆上，并且分别检测多个二次电池ce1至ce3的状态，所述多个二次电池ce1至ce3构成图1所示的并且包括在电动车辆中的组装电池2。二次电池ce1至ce3彼此串联连接。

如图1所示，该实施例的二次电池状态检测器1包括：第一和第二电容器c1、c2；基准电压源8；转换开关sw1和开关单元12；充放电部13；电压检测部14；a/d转换器15；差分放大电路16；a/d转换器17；cvs18以及微计算机(后文称为μcom)19。

第一和第二电容器c1、c2是用于保持在两个状态(例如，充电状态和放电状态)下的二次电池ce1至ce3的两端电压的电容器。此外，第一电容器c1和第二电容器c2是用于分别保持二次电池ce1至ce3的两端电压以及基准电压vref的电容器。第一电容器c1和第二电容器c2通过后文描述的开关单元12连接至从多个二次电池ce1至ce3和基准电压源8中选择的一者。

此外，第一电容器c1的一个电极连接至作为后文描述的差分放大电路16的两个输入中的一个输入的+输入。第二电容器c2的一个电极连接至作为后文描述的差分放大电路16的两个输入中的另一个输入的-输入。

基准电压源8例如由恒定电压源构成，并且输出基准电压vref。顺便地，在该实施例中，使用基准电压vref(＝恒定电压)可调节的公知的恒定电压源作为基准电压源8。

转换开关sw1由用于使c端子在a端子与b端子之间切换的开关构成。a端子连接至第一电容器c1的一个电极和差分放大电路16的+输入。b端子连接至第二电容器c2的一个电极和差分放大电路16的-输入。c端子连接至后文描述的转换开关sw+的e+端子。转换开关sw1选择第一电容器c1和第二电容器c2中的一者并且连接至转换开关sw+的e+端子。

开关单元12由两个转换开关sw+、sw-构成。转换开关sw+由用于使e+端子在a+、b+、c+、d+端子之间切换的开关构成。a+至c+端子分别连接至二次电池ce1至ce3的正极。d+端子连接至基准电压源8的正极。转换开关sw+选择多个二次电池ce1至ce3和基准电压源8中的一者的正极，并且将该正极连接到由转换开关sw1选择的电容器c1、c2的一个电极。

转换开关sw-由用于使e-端子在a-、b-、c-、d-端子之间切换的开关构成。a-至c-端子分别连接至二次电池ce1至ce3的负极。d-端子连接至基准电压源8的负极。转换开关sw-选择多个二次电池ce1至ce3和基准电压源8中的一者的负极，并且将该负极连接到电容器c1、c2的另一电极。

电压检测部14是用于检测组装电池2的两端电压的电路。a/d转换器15将由电压检测部14检测的组装电池2的两端电压转换为数字值并且向μcom19提供该数字值。

充放电部13连接至组装电池2的两极，并且设置为在构成组装电池2的二次电池ce1至ce3的充电和放电期间施加预定的充电电流ic和放电电流id。充放电部13连接至后文描述的μcom19，并且对应于来自μcom19的控制信号，通过施加充电电流ic对二次电池ce1至ce3充电，并且通过施加放电电流id对二次电池ce1至ce3放电。

差分放大电路16是公知的将+输入与-输入之间的差分电压输出的差分放大电路。a/d转换器17将由差分放大电路16输出的差分电压vm转换为数字值，并且向μcom19提供该数字值。

作为第二电压检测部的cvs18由用于检测二次电池ce1至ce3的两端电压的检测电路构成，并且该cvs18将检测结果顺次输出到μcom19。

μcom19由公知的具有cpu、rom、ram等的微计算机构成。μcom19用作状态检测部，并且通过转换开关sw1和开关单元12的通-断控制以及通过控制充放电部13，而执行二次电池ce1至ce3的内阻的检测处理。

在内阻的检测处理中，在第一状态下，μcom19将转换开关sw+的e+端子连接至a+端子，将转换开关sw-的e-端子连接至a-端子，并且将转换开关sw1的c端子连接至a端子。从而，μcom19使得在第一状态下第一电容器c1保持二次电池ce1的两端电压。然后，在第二状态下，μcom19使得转换开关sw1的c端子连接至b端子。从而，μcom19使得在第二状态下第二电容器c2保持二次电池ce1的两端电压。然后，使第一状态和第二状态下的二次电池ce1的两端电压分别输入到差分放大电路16的+输入和-输入。

此处，第一状态和第二状态表示流经二次电池ce1至ce3的电流不同的状态。在该实施例中，第一状态是充电电流ic流动的状态，并且第二状态是放电电流id流动的状态。μcom19基于来自电压检测部14的检测电压控制充放电部13，并且向二次电池ce1至ce3施加充电电流ic和放电电流id。

此外，在内阻的检测处理中，μcom19获取差分电压vm，检测二次电池ce1的内阻，并且检测二次电池ce1的状态。当详细说明时，在该实施例中，以下面的公式(1)表达在充电状态下的二次电池ce1两端的电压vc1。

vc1＝ve1+r1*ic(1)

其中，ve1是二次电池ce1的电动势，并且r1是二次电池ce1的内阻。

相比之下，以下面的公式(2)表达在放电状态下的二次电池ce1两端的电压vd1。

vd1＝ve1–r1*id(2)

因此，从差分放大电路16输出的差分电压vm对应于vc1–vd1＝r1*(ic+id)。如果充电电流ic和放电电流id预先已知，则能够根据差分电压vm判定内阻r1。类似地，能够判定二次电池ce2、ce3的内阻r2、r3。

此外，μcom19控制转换开关sw1和开关单元12的通/断，并且执行二次电池ce1至ce3的两端电压的检测处理。可以在检测到cvs18的故障时执行二次电池的两端电压的该检测处理。或者，可以为了检测cvs18的故障而执行该检测处理。

在二次电池的两端电压的检测处理中，μcom19首先控制充放电部13停止充电或放电。顺便地，不需要停止充电电流或放电电流，即，不需要将充电电流或放电电流归零。充电电流或放电电流不必须为零，只要内阻r1至r3中产生的电压降是可接受的即可。然后，μcom19将转换开关sw+的e+端子连接至a+端子，将转换开关sw-的e-端子连接至a-端子，并且将转换开关sw1的c端子连接至a端子。从而，μcom19使得第一电容器c1保持二次电池ce1两端的电压。

然后，μcom19将转换开关sw+的e+端子连接至d+端子，将转换开关sw-的e-端子连接至d-端子，并且将转换开关sw1的c端子连接至b端子。从而，μcom19使得第二电容器c2保持基准电压vref。然后，分别将二次电池ce1两端的电压和基准电压vref输入到差分放大电路16的+输入和-输入。

此外，μcom19获取此时的差分电压vm，并且检测二次电池ce1的两端电压。当详细说明时，以下面的公式(3)表达此时的差分电压vm。

vm＝(vc1–vref)*av(3)

其中，av是差分放大电路16的增益。

因此，因为已知增益av和基准电压vref，所以μcom19能够根据差分电压vm判定二次电池ce1两端的电压vc1。相似地，能够判定二次电池ce2、ce3的电压vc2、vc3。

接着，将参考图2的流程图描述大致所述的使用二次电池状态检测器1的二次电池的两端电压的检测处理过程的细节。首先μcom19将二次电池cen的两端与第一电容器c1连接(步骤s1)。

然后，μcom19等待预定时间，使得第一电容器c1的两端电压变为等于二次电池cen(n初始设定为1)的两端电压vcn，然后将基准电压源8与第二电容器c2连接(步骤s2)。从而，分别将二次电池cen的两端电压和基准电压vref输入到差分放大电路16的+输入和-输入。

接着，μcom19获取差分放大电路16的差分电压vm，并且判断vm是否大于第一阈值vthmax(步骤s3)。当差分电压vm>第一阈值vthmax时(步骤s3中为“是”)，因为具有电压vcn可能远大于基准电压vref并且a/d转换器17的输出可能饱和这样的可能性，所以μcom19使基准电压vref增大预定量(步骤s8)，然后回到步骤s1。

相反，当差分电压vm等于或小于第一阈值vthmax时(步骤s3中为“否”)，则μcom19判断vm是否小于第二阈值vthmin(步骤s4)。当差分电压vref<第二阈值vthmin时(步骤s4中为“是”)，μcom19判断电压vcn远小于基准电压vref并且精度差，μcom19使基准电压vref减小预定量(步骤s9)，并且回到步骤s1。

当第二阈值vthmin≤差分电压vm≤第一阈值vthmax时(步骤s3中为“否”并且步骤s4中为“否”)，μcom19根据差分电压vm计算电压vcn(步骤s5)。然后，μcom19递增n(步骤s6)，并且判断是否n＝3(步骤s7)。当n≠3时(步骤s7中为“否”)，μcom19判断未检测构成组装电池2的所有的二次电池ce1至ce3两端的电压vc1至vc3，并且返回到步骤s1。

相反，当n＝3时(步骤s7中为“是”)，μcom19判断检测了构成组装电池2的所有二次电池ce1至ce3两端的电压vc1至vc3，并且结束处理。

根据上述第一实施例，通过以转换开关sw1和开关单元12作为开关部，能够将差分放大电路16的输入从第一状态和第二状态下的二次电池ce1至ce3的两端电压切换为二次电池ce1至ce3的两端电压和基准电压vref。然后，μcom19基于从差分放大电路16输出的第一状态与第二状态的二次电池ce1至ce3的两端电压之间的差分电压vm检测电池的内阻(状态)。

此外，μcom19基于二次电池ce1至ce3的两端电压与基准电压vref之间的差分电压vm检测二次电池ce1至ce3的两端电压。从而，使用用于检测二次电池ce1至ce3的内阻的差分放大电路16，能够检测二次电池ce1至ce3的两端电压。因此，如果cvs18故障，则因为能够检测二次电池ce1至ce3的两端电压，所以不需要停止二次电池ce1至ce3的充电和放电，并且车辆能够继续行驶。

此外，通过比较cvs18检测的二次电池ce1至ce3的两端电压与使用差分放大电路16检测的二次电池ce1至ce3的两端电压，能够执行cvs18和电池状态检测器1的故障诊断。

此外，根据上述第一实施例，基准电压vref是从恒定电压源输出的恒定电压。从而，能够进一步提高二次电池ce1至ce3的两端电压的检测精度。

此外，根据上述第一实施例，如步骤s3、s4和s9所示，μcom19调节从基准电压源8输出的基准电压vref，使得差分电压vm在预定范围内(即，第一阈值vthmax>vm>第二阈值vthmin)。然后，μcom19基于调节的差分电压vm检测二次电池ce1至ce3的两端电压。从而，防止a/d转换器17的输出饱和或过小，并且能够进一步提高二次电池ce1至ce3的两端电压的检测精度。

顺便地，根据上述第一实施例，组装电池2由三个二次电池ce1至ce3构成。然而，本发明不限于此。可以设置一个或三个以上的二次电池。

此外，在上述第一实施例中，设置了两个电容器c1和c2。然而，本发明不限于此。可以设置一个电容器用于保持第一状态下的二次电池ce1至ce3的两端电压，并且第二状态下的二次电池ce1至ce3的两端电压可以直接输入到差分放大电路16。

此外，如第一实施例中所示的由转换开关sw1和开关单元12构成的开关部是一个实例。开关部可以从第一状态和第二状态下的二次电池ce1至ce3的两端电压切换为二次电池ce1至ce3的两端电压和基准电压vref。

此外，在上述第一实施例中，μcom19调节从基准电压源8输出的基准电压vref，使得差分电压vm在预定范围内(即，第一阈值vthmax>vm>第二阈值vthmin)。然而，本发明不限于此。基准电压vref的调节不是必要的。

此外，在上述第一实施例中，通过利用μcom19控制充放电部13，二次电池ce1至ce3处于第一状态(充电电流ic流动的状态)和第二状态(放电电流id流动的状态)。然而，本发明不限于此。可以使用与车辆的负载驱动相关联的充电和放电电流的变化。即，充电和放电电流的变化之前的状态可以为第一状态，并且充电和放电电流的变化之后的状态可以为第二状态。

(第二实施例)

接着，将参考图3描述根据第二实施例的二次电池状态检测器1。在图3中，与已经在第一实施例中描述的图1的二次电池状态检测器1的组件相似的组件将用相同的参考标记表示，并且将省略其详细说明。

如图3所示，第二实施例的二次电池状态检测器1包括：第一电容器c1和第二电容器c2；转换开关sw1和开关单元12；充放电部13；电压检测部14；a/d转换器15；差分放大电路16；a/d转换器17；cvs18以及μcom19。在第二实施例中，不设置基准电压源8。

因为第一电容器c1和第二电容器c2以及转换开关sw1与上述第一实施例的相似，所以此处将省略其详细说明。开关单元12由两个转换开关sw+、sw-构成。转换开关sw+由用于使e+端子在a+、b+、c+端子之间切换的开关构成。a+端子至c+端子分别连接至二次电池ce1至ce3的正极。转换开关sw+选择多个二次电池ce1至ce3中的一个二次电池的正极，并且将该正极连接到由转换开关sw1选择的电容器c1、c2的一个电极。

转换开关sw-由用于使e-端子在a-、b-、c-端子之间切换的开关构成。a-至c-端子分别连接至二次电池ce1至ce3的负极。转换开关sw-选择多个二次电池ce1至ce3中的一个二次电池的负极，并且将该负极连接到电容器c1、c2的另一电极。

作为第二电压检测部的cvs18由用于检测二次电池ce1至ce3两端的电压的检测电路构成，并且该cvs18将检测结果顺次输出到μcom19。存在如下情况：由于例如内部开关故障等，cvs18不能检测所有二次电池ce1至ce3的两端电压。cvs18包括例如公知的断路检测电路，并且能够判定由于其自身故障而不能被检测的一些二次电池ce1至ce3。然后，cvs18将结果馈送到μcom19。

与第一实施例相似，μcom19执行内阻的检测处理和二次电池的两端电压的检测处理。因为内阻的检测处理与第一实施例相似，所以此处将省略其详细说明。

在二次电池的两端电压的检测处理中，代替基准电压vref，μcom19将由cvs18检测的二次电池ce1至ce3的两端电压作为基准电压vref输入到差分放大电路16。现在，将说明利用cvs18不能检测二次电池ce1的两端电压而能够检测二次电池ce2的两端电压的情况。μcom19将转换开关sw+的e+端子连接至a+端子，将转换开关sw-的e-端子连接至a-端子，并且将转换开关sw1的c端子连接至a端子。从而，μcom19使得第一电容器c1保持二次电池ce1的两端电压。

然后，μcom19将转换开关sw+的e+端子连接至b+端子，将转换开关sw-的e-端子连接至b-端子，并且将转换开关sw1的c端子连接至b端子。从而，μcom19使得第二电容器c2保持二次电池ce2的两端电压。然后，分别将二次电池ce1、ce2的两端电压输入到差分放大电路16的+输入和-输入。

此外，μcom19获取此时的差分电压vm以检测二次电池ce1的两端电压。当详细说明时，以下面的公式(4)表达此时的差分电压vm。

vm＝(vc1–vc2)*av(4)

其中av是差分放大电路16的增益。

因此，因为已知增益av和电压vc2，所以μcom19能够根据差分电压vm判定二次电池ce1的两端电压vc1。

接着，将参考图4的流程图描述大致所述的使用二次电池状态检测器1的二次电池的两端电压的检测处理过程的细节。

顺便地，将二次电池ce1至ce3中的不能检测电池两端的电压的二次电池描述为二次电池cex，并且将二次电池ce1至ce3中的能够检测电池两端的电压的二次电池称为二次电池ceo。

首先，μcom19将一个二次电池cex与第一电容器c1连接，并且使得第一电容器c1保持该二次电池cex的两端电压(步骤s11)。然后，μcom19将一个二次电池ceo与第二电容器c2连接，并且使得第二电容器c2保持该二次电池ceo的两端电压(步骤s11)。从而，分别将二次电池cex、ceo的两端电压输入到差分放大电路16的+输入和-输入。

接着，μcom19获取差分放大电路16的差分电压vm，并且判断vm是否在预定范围内，即，差分电压vm是否等于或大于第二阈值vthmin并且等于或小于第一阈值vthmax(步骤s12)。如果第二阈值vthmin≤差分电压vm≤第一阈值vthmax(步骤s12中为“是”)，则μcom19根据差分电压vm判定二次电池cex的两端电压(步骤s13)。

接着，如果μcom19判定了所有的二次电池cex的两端电压(步骤s14中为“是”)，则处理结束。如果μcom19未判定所有二次电池cex的两端电压(步骤s14中为“否”)，则将未判定的二次电池cex连接至第一电容器c1，并且将二次电池ceo连接至第二电容器c2(步骤s15)，然后处理返回步骤s12。

此外，如果不满足第二阈值vthmin≤差分电压vm≤第一阈值vthmax(步骤s12中为“否”)，则μcom19判断是否切换了所有的二次电池ceo(步骤s16)。如果未切换(步骤s16中为“否”)，则μcom19切换二次电池ceo以输入到差分放大电路16(步骤s17)，然后处理返回到步骤s12。从而，如果有多个二次电池ceo，则当二次电池ceo的两端电压相对于二次电池cex过大或者过小时，可以切换要输入到差分放大电路16的二次电池ceo。

另外，如果切换(步骤s16中为“是”)，则μcom19判断差分电压vm是否大于第一阈值vthmax(步骤s18)。如果vm>vthmax(步骤s18中为“是”)，则μcom19判断二次电池cex的两端电压大于所有的二次电池ceo的两端电压，并且发生了某些异常，并且执行预定的异常处理(步骤s19)，然后结束处理。

另外，如果vm≤vthmax(步骤s18中为“否”)，则μcom19判断二次电池cex的两端电压小于所有二次电池ceo的两端电压，并且判断是否已经执行了后文描述的步骤s21(步骤s20)。如果未执行(步骤s20中为“否”)，则μcom19交换第一电容器c1与第二电容器c2(步骤s21)。即，在步骤s12中，μcom19将二次电池cex与第二电容器c2连接，并且将二次电池ceo与第一电容器c1连接。从而，二次电池ceo的两端电压输入到差分放大电路16的+输入，二次电池cex的两端电压输入到差分放大电路16的-输入。然后μcom19返回到步骤s12，并且切换二次电池ceo以输入到+输入，直到第二阈值vthmin≤差分电压vm≤第一阈值vthmax。

根据上述第二实施例，作为基准电压，输入由cvs18检测的二次电池ceo的两端电压。从而，除了二次电池ce1至ce3之外，不需要设置示出基准电压的基准电压源8，并且能够实现成本降低。

此外，根据上述第二实施例，当具有被cvs18检测电压的多个二次电池ceo时，μcom19能够使其差分电压vm在预定范围内的二次电池ceo作为基准电压。从而，能够进一步提高二次电池ce1至ce3的两端电压的检测精度。

顺便地，根据以上实施例，当差分电压vm在预定范围外时，切换二次电池ceo。然而，本发明不限于此。切换不是必要的。

顺便地，本发明不限于上述实施例。即，本发明能够在不脱离本发明的范围的情况下被各种修改和实施。