CN103367819A

CN103367819A - 电池系统

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Publication number: CN103367819A
Application number: CN2013100542763A
Authority: CN
Inventors: 横浦浩一
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2012-03-29
Filing date: 2013-02-20
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2033-02-20
Also published as: JP5872354B2; JP2013207945A; CN103367819B; EP2645734A3; EP2645734A2; US20130260198A1; EP2645734B1

Abstract

本发明提供一种即使构筑具有多个层级结构的电池系统也可抑制通信和处理的延迟的电池系统。该电池系统具有：电池模块，其具有多个单电池、和收集多个单电池的电池信息的电池模块控制装置；电池包，其具有多个电池模块、和收集多个电池模块的信息的电池包控制装置；及电池块，其具有多个电池包、和收集多个电池包的信息的电池块控制装置。所述电池模块控制装置和所述电池包控制装置经由第一通信线路进行通信，所述电池包控制装置和所述电池块控制装置经由第二通信线路进行通信，所述电池模块控制装置和所述电池块控制装置具有不通过所述电池包控制装置而是直接进行通信的通信线路。

Description

电池系统

技术领域

本发明涉及具有转移通信功能的电池系统。

背景技术

电池在进行充放电时，由于物理、化学性质方面的突发性变化少，因此能够以毫秒以上的控制单位进行控制。因此，能够构筑大规模的电池系统，能够以多级方式构成成为所使用的最小单位的电池模块、串并联连接多个这样的电池模块而成的电池包、以及并联连接多个这种电池包而成的电池系统这样的规模不同的电池单元。

例如，专利文献1公开了以多级方式构成了规模不同的电池单元的电池系统。

【专利文献】

【专利文献1】日本特表2009-538112号公报

另一方面，在这样被多级化的大规模电池系统中，以成为主机的电池单元、和规模比该电池单元小的成为子机的电池单元的关系确定直接的控制单位。因此，在如图1所示的由规模不同的3个电池单元、例如最小单位的电池模块900、具有多个该电池模块900的电池包901、和具有多个该电池包901的电池块902构成的具有3个以上的层级的电池系统990中，由于控制单位在层级间不同，因此会产生通信或处理的延迟。特别是在电池系统中产生了异常的情况下，有可能是因为通信延迟而导致延误对异常采取对策。

发明内容

本发明鉴于上述问题，以提供即使构筑具有多个层级结构的电池系统也可抑制通信或处理的延迟的电池系统为研究课题。

本发明所涉及的电池系统具有：电池模块，其具有多个单电池、和收集所述多个单电池的电池信息的电池模块控制装置；电池包，其具有多个电池模块、和收集所述多个电池模块的信息的电池包控制装置；及电池块，其具有多个电池包、和收集所述多个电池包的信息的电池块控制装置，该电池系统的特征在于，所述电池模块控制装置和所述电池包控制装置经由第一通信线路进行通信，所述电池包控制装置和所述电池块控制装置经由第二通信线路进行通信，所述电池模块控制装置和所述电池块控制装置具有不通过所述电池包控制装置而是直接进行通信的通信线路。

(发明效果)

通过实施本发明，即使构筑具有多个层级结构的电池系统，也能够提供抑制了通信或处理的延迟的电池系统。

附图说明

图1是表示现有技术中的电池系统的框图。

图2是表示本发明所涉及的发电系统的框图。

图3是表示本发明所涉及的电池系统的层级结构的图。

图4是表示本发明所涉及的电池系统的通信路径的图。

图5是详细表示本发明所涉及的电池模块控制装置的图。

图6是表示本发明所涉及的通信方法的图。

图7是表示本发明所涉及的异常检测部的(a)使用了电压信息的控制流程、(b)使用了电流信息的控制流程、(c)使用了温度信息的控制流程的图。

符号说明：

20 单电池组

30 电池模块

31 电池模块控制装置

32、42、52 通信装置

33 信息处理部

34、44 通信线路

40 电池包

41、51 运算部

50 电池块

230 电池包控制装置

240 电池块控制装置

具体实施方式

以下，参照附图，说明本发明的实施方式所涉及的电池系统。

首先，说明本发明的实施方式所涉及的电池系统的概要。

在风力发电、太阳能发电等依赖于自然能源的电力系统中，虽然具有对自然环境造成的负荷少这样的优点，但其发电能力被自然环境左右。具体而言，风力或太阳光的强度时时刻刻都在变化，因此担心会对电力系统产生频率变动或电压变动等不良影响。

为了消除这种顾虑的方法之一，提出了与自然能源发电装置一同设置电池系统来实现电力系统的频率变动或电压变动的抑制的电力系统。图2是表示应用了本发明所涉及的电池系统201的电力系统101的概要的框图。

如图2所示，电力系统101具备电力系统102、发电装置103、逆变器104、和本发明所涉及的电池系统201。

发电装置103具有例如将依赖于自然能源而发电的电力提供给电力系统102的功能。在连接发电装置103和电力系统102之间的电线105的连结点A上，经由逆变器104连接了本发明所涉及的电池系统201。

逆变器104具有将由发电装置103发电的电力变换成直流电力并向电池系统201发送变换后的直流电力的功能、和将蓄积在电池系统201中的直流电力变换成交流电力并向电力系统102发送变换后的交流电力的功能。对负载的供电是通过交流的电力系统102进行的。

在作为发电装置103而采用了自然能源发电装置的情况下，其输出受到天气或季节等自然环境的变化所带来的影响，从而会变动。该输出变动导致电力系统102的频率变动或电压变动，成为降低电力系统102的电力品质的要因。

本发明所涉及的电池系统201具有使电力系统102的频率或电压的变动收敛于规定范围内的功能。即，电池系统201具有如下功能：在向电力系统102供给过剩电力时，利用该过剩电力对电池系统201进行充电，而在电力不足时，对蓄积在电池系统201中的电力进行放电。由此，本发明所涉及的电池系统201能够抑制电力系统102的频率变动和电压变动。

接着，利用图2说明本发明所涉及的电池系统201的具体结构。图3是示意性表示本发明所涉及的电池系统201的层级结构的框图。本发明所涉及的电池系统201以电池模块30作为最小的单位，具备具有多个电池模块30的电池包40、具有多个电池包40的电池块50。

从电池模块30的结构开始进行具体说明。电池模块30具有单电池组20、收集单电池组20的电池信息(例如，单电池的电流信息、电压信息、温度信息、充电状态等)的单电池控制装置(CCU)210、及电池模块控制装置(BMCU)31。另外，该单电池控制装置210还进行后述的单电池间的平衡控制。向电池模块控制装置(BMCU)31发送由单电池控制装置210收集的电池信息。并且，在电池模块控制装置(BMCU)31中，计算出电池模块30内的单电池组20的平均充电状态，在刚刚之前的电池信息上附加单电池组20的平均充电状态的电池信息，向上位的电池包控制装置(BPCU)230发送电池信息。

电池包40具有多个电池模块30、及电池包控制装置230。电池包控制装置230收集从各电池模块控制装置31输出的电池信息，计算出对位于电池包40内的电池模块30的充电状态进行了平均的电池模块30的平均充电状态的信息。并且，在从电池模块控制装置31获得的电池信息上附加多个电池模块30的平均充电状态的信息，进一步向上位的电池块控制装置240输出电池信息。

电池块50具有多个电池包40、及电池块控制装置240。电池块控制装置240收集从各电池包控制装置230输出的电池信息，计算出对位于电池块50内的电池包40的充电状态进行了平均的电池包40的平均充电状态的信息。并且，在从电池包控制装置230获得的电池信息上附加多个电池包40的平均充电状态的信息，进一步向上位的系统控制装置250输出电池信息。另外，在说明中假设了电池块50中具有多个电池包40，但是构成电池块50的电池包40也可以是1个。此时，电池块控制装置240直接向系统控制装置250输出从电池包控制装置230输出的电池信息。

在本发明中，这样以多个层级监视电池的状态，因此可实现安全性高的电池系统201。此外，本发明所涉及的电池模块30、电池包40、及电池块50能够以各自为单位更换，因此可实现维护性良好的电池系统。

接着，利用图4说明各个层级间的连接。电池模块控制装置31具有获取单电池组20的电池信息(例如，电流信息、电压信息、温度信息)的信息处理部33、和向电池包控制装置230发送由该信息处理部33获取到的电池信息并接收来自电池包控制装置230的控制信号的通信装置32。另外，如图4所示，单电池组20也可以由多个单电池(“c1”～“ck”(k是单电池的个数))构成，也可以由单一的单电池构成。此外，将在后面叙述通信装置32，该通信装置32能够以被调制成与作为主机的电池包控制装置230对应的通信频率的频率f(1)～f(n)进行通信的装置。

电池包控制装置230具有：通信装置42，接收由通信装置32发送的多个电池模块30(“1”～“m”(m是电池模块30的个数))的电池信息，或向电池模块控制装置31和电池块控制装置240发送电池信息、控制信号；和运算部41，基于由该通信装置42接收到的各电池模块30的电池信息来判断是否要进行电池模块间的平衡控制，或者运算出电池模块30的充电状态(SOC)。

另外，该通信装置42是如下的装置：接收从作为子机的电池模块输出并已被调制的频率为f(1)～f(n)中的任一个信号，能够利用被调制成与作为主机的电池块控制装置240对应的通信频率为f(0)控制信号进行通信。此外，电池包控制装置230的通信装置42是不会处理自身的通信频率(例如，若是电池包控制装置(1)，则是相应的通信频率f(1))、和在与作为主机的电池块控制装置240之间的通信中所使用的通信频率f(0)以外的频率的结构。

另外，电池块控制装置240具有：通信装置52，接收由通信装置32发送并从多个电池包控制装置230(“1”～“n”(n是电池包40的个数))输出的电池信息，或者进一步向未图示的上位的控制装置或电池包控制装置230发送电池信息、控制信号；运算部41，基于由该通信装置52接收到的各电池包40的电池信息来判断是否要进行电池包间的平衡控制，或者运算出电池包40的充电状态(SOC)。

此外，该通信装置52是能够接收或发送从成为子机的电池包控制装置230输出并已被调制的通信频率为f(0)的控制信号的结构。

若将通信频率为f(0)、及f(1)～f(n)例如设为100MHz～10GHz的区域，则除了有线通信外，在无线通信中也能够使用。

各电池模块30的通信装置32经由通信线路34与位于上位的电池包控制装置230连接，各电池包控制装置230经由通信线路44与各电池块控制装置240连接后进行以上位的控制装置为主机的逐次通信。将在后面详细说明通信方法。另外，该通信线路既可以是有线的，也可以是无线的。若是有线，则具有信号的误发送率低的优点，若是无线，则具有布线的复杂度消失的优点。

另外，在此，将调制方式设成了不易受到其他信号的影响的频率调制，但是当然也可以使用其他调制方式。

接着，利用图5，说明位于电池模块30内的电池模块控制装置31的详细结构。如上所述，电池模块控制装置31具有通信装置32和信息处理部33。该信息处理部33具有电池信息获取部35、和基于该电池信息获取部35获取到的电池信息检测是否在该电池模块中产生了异常的异常检测部36。该异常检测部36判断获取道的电池信息是否进入到规定的电流范围、规定的电压范围、规定的温度范围，在进入了该规定范围的情况下，输出从位于通信装置32内的常态时通信部37被调制到电池包控制装置230的信号f(1)～f(n)。具体的判定流程将在后面利用图7进行说明。

另一方面，若由该异常检测部36判定为没有进入上述规定范围内，则从异常时通信部38输出作为主机的电池包控制装置230的通信频率即频率为f(1)～f(n)的控制信号、和相当于该电池模块的主机的上一级主机的电池块控制装置240的通信频率即频率为f(0)的控制信号。如上所述，电池包控制装置230的通信装置42构成为不会处理自身的通信频率(例如，若是电池包控制装置(1)，则是相应的通信频率f(1))、和主机的通信频率即频率为f(0)的控制信号以外的信号，因此直接向电池块控制装置240的通信装置52输入电池模块30的异常信息。

通过这种结构，在异常时能够不经过电池包控制装置230而是直接向上位主机输入信号，因此能够抑制借助中继机时引起的通信延迟。

此外，从异常时通信部输出的信号并不仅仅是频率为f(0)的信号，还输出与相当于电池模块控制装置31的主机的电池包控制装置230对应的通信频率f(1)～(n)，从而能够进行电池包控制装置230中的运算，可再次运算是否真正发生了异常。因此，电池块控制装置240利用从电池模块控制装置31输出的频率为f(0)的信号、和由该电池包控制装置230运算出并被调制成频率为f(0)的信号，进行双重异常检查，提高可靠度。此外，不仅跳过电池包控制装置230仅向电池块控制装置240输出信号，而且还向电池包控制装置230输出与该电池包控制装置230对应的频率为f(1)～f(0)的信号，从而在异常通信时还能够判断是否能够通过电池模块30间的平衡来解决电池模块30中的异常。

另外，图4表示主机与子机之间的关系中的彼此的通信方式。以实线示出的通信CA及通信CB表示未发生异常的常态时的控制信号的频率。另一方面，以虚线示出的通信CC及通信CD表示发生异常时的控制信号的频率。在上述的电池模块30中发生了异常时，通过将通信方式从通信CA切换成通信CC，从而频率为f(0)的控制信号不会被电池包控制装置230进行数据处理，而是被输入到电池块控制装置240的通信装置52。另外，该电池块控制装置240的通信装置52能够接收成为该电池块的子机的各电池包控制装置的通信频率为f(1)～f(n)的控制信号。通过这样的结构，在成为任一个子机的进一步的子机的电池模块30中发生了异常的情况下，可进行抑制了通信延迟的通信，由此提高可靠度。

另一方面，在电池包控制装置230中发生了异常的情况下，由于在电池包控制装置230与电池块控制装置240之间不存在中继机，因此是向电池块控制装置240的通信装置52输出通过通信CD直接通知异常的通信频率为f(0)的控制信号的结构。

接着，利用图6说明控制的通信周期。在本实施方式中，假设在电池模块30中发生了异常，从而进行了转移通信，也能够成为抑制了通信延迟的电池系统。

首先，在本实施方式的控制中，如图6所示，电池块控制装置240与电池包控制装置230之间的通信周期是作为通常的控制信息的通信CB的时间R1、和在电池包40中发生了异常时的通信CD的时间R2之和，其控制周期的长度是T1。另外，在电池包40中没有异常，在平常状态下进行通信时，通信CD的部分的时间R2成为空白时间。

另一方面，电池包控制装置230与电池模块控制装置31之间的通信周期成为作为通常控制信息的通信CA的时间R4、和在电池模块30中发生了异常时的通信CC的时间R5之和，其时间R4和R5之和的长度与控制周期的长度T1相同。在电池模块30中未发生异常的平常状态下，与上述的电池包控制装置230和电池块控制装置240的通信相同，通信CC的部分时间R5成为空白。

此外，通信CB的时间R1和通信CA的时间R4是相同的长度，通信CD的时间R2和通信CC的时间R5是相同的长度，并且通信CB和通信CA的通信开始时间一致。换言之，在将电池包控制装置230作为本机来设为中心时，本机与主机之间的通信周期、及本机与子机之间的控制周期是相同的周期，且成为同步的状态。

通过这样构成，从而由电池模块控制装置31的异常检测部36检测出异常时，输入到电池块控制装置240的频率为f(0)的信号可被分配到通信CD的部分，能够抑制在因通信周期的偏差引起的信号分配中产生的通信延迟。

另外，在平常状态下的运行中，若向电池包控制装置230输入通信CA(即对应于电池包40的频率为f(1)～f(n)的控制信息)，则在电池包控制装置230的运算部41中开始电池信息的测量/运算处理。之后，若测量/运算处理结束，则在该处理结束的下一周期内，由电池包控制装置230进行了测量/运算处理的信息被调制成频率f(0)之后输出到电池块控制装置240。在图6中，由于测量/运算处理在控制周期1S内结束，因此在下一周期T2内将控制信号作为周期T2的通信CB来输出。

在向电池块控制装置240输入了通信CB(即，频率为f(0)的控制信号)的情况下也进行同样的控制，但是在不存在相当于电池块控制装置240的主机的装置的情况下，结束运算，并且在设置于电池块控制装置240内的未图示的存储器中保存运算出的信息。

接着，利用图7(a)～(c)说明图5所示的异常检测部36中的处理。首先，先利用图7(a)进行说明。在步骤S1中，向异常检测部36输入由电池信息获取部35获取的电池信息(在此是电压信息)。接着，在步骤S2中判定获取到的单电池的电压是否在规定电压范围内(例如，在此是2.7V～4.2V的范围)。在此，若判断为电压在规定范围内，则进入步骤S3，该异常检测部36选择常态时通信部37中的通信，从电池模块控制装置31输出与该电池模块控制装置31的主机的电池包控制装置230对应的频率为f(1)～f(n)的控制信号。另一方面，若在步骤S2中判断为电压不在规定电压范围内，则进入步骤S4，选择异常时通信部38中的通信，输出上述的频率f(1)～f(n)中的任一个控制信号、和与电池块控制装置240的通信对应的频率为f(0)的信号。这样在电池模块控制装置31中进行处理。

接着，利用图7(b)说明使用了电流信息时的异常检测的判定方法。另外，基本上与图7(a)的判定方法相同，但是所使用的电池信息和判定基准不同。首先，在步骤S11中输入流过单电池的电流信息。之后，在步骤S21中，判定该电流值是否在规定范围以上、即是否为过电流(例如，在此是电流是否流过10A以上)。在电流为规定电流值以下的情况下，进入步骤S3，在电流为规定电流以上的情况下，进入步骤S4，进行与图7(a)的步骤S3及步骤S4相同的处理。

最后，利用图7(c)，说明使用了温度信息时的异常检测的判定方法。首先，在步骤S12中输入单电池的温度信息。之后，在步骤S22中，判定该温度信息是否在规定范围内。另外，该温度范围是通过设定所使用的温度条件来决定的，例如，在本实施方式中，设定为0℃～30℃的范围。在电池温度处于规定范围内的情况下，进入步骤S3，在电池温度处于规定范围外的情况下，进入步骤S4，进行与图7(a)的步骤S3及步骤S4相同的处理。

通过在异常检测部36内进行这样的控制，从而在电池模块30中发生了异常时，能够可靠地检测异常，抑制通信延迟来控制电池系统。

以上，通过利用本发明，即便构筑具有多个层级结构的电池系统，也能够提供抑制了通信和处理的延迟的电池系统。

Claims

1.一种电池系统，具有：

电池模块，其具有多个单电池、和收集所述多个单电池的电池信息的电池模块控制装置；

电池包，其具有多个电池模块、和收集所述多个电池模块的信息的电池包控制装置；及

电池块，其具有多个电池包、和收集所述多个电池包的信息的电池块控制装置，该电池系统的特征在于，

所述电池模块控制装置和所述电池包控制装置经由第一通信线路进行通信，

所述电池包控制装置和所述电池块控制装置经由第二通信线路进行通信，

所述电池模块控制装置和所述电池块控制装置具有不通过所述电池包控制装置而是直接进行通信的通信线路。

2.根据权利要求1所述的电池系统，其特征在于，

在所述第一通信线路中，利用第一通信方式进行通信，

在所述第二通信线路中，利用第二通信方式进行通信，

在所述电池模块控制装置和所述电池块控制装置之间的通信线路中，利用所述第二通信方式进行通信。

3.根据权利要求2所述的电池系统，其特征在于，

在所述第一通信方式和所述第二通信方式中，通信频率并不相同。

4.根据权利要求3所述的电池系统，其特征在于，

所述第一通信方式的控制周期和所述第二通信方式的控制周期大致相同。

5.根据权利要求4所述的电池系统，其特征在于，

所述第一通信方式的控制周期和所述第二通信方式的控制周期同步。

6.根据权利要求5所述的电池系统，其特征在于，

在不通过所述电池包控制装置而是直接进行通信的通信线路中，第一通信方式也与第二通信方式一起输出控制信号来进行通信。

7.根据权利要求6所述的电池系统，其特征在于，

所述电池模块具有检测单电池的异常的异常检测部、和与上位的控制装置进行通信的通信装置，

不通过所述电池包控制装置而是直接进行通信的通信线路是在所述异常检测部中判断异常时使用的。

8.根据权利要求7所述的电池系统，其特征在于，

所述异常检测部使用所述单电池的电压信息、电流信息、温度信息来检测异常。