JP2010063259A - 電池制御システムおよび電池制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】単電池を直並列に接続して構成した蓄電池の高圧化および大容量化に対応して、単電池の状態を監視する技術を提供する。
【解決手段】複数の単電池５を直列に接続してブロック４を形成し、そのブロック４を複数直列に接続して直列単位７を形成し、その直列単位７を複数並列に接続して、蓄電池を構成する。ブロックコントローラ１は、ブロック４ごとに設けられ、そのブロック４内の単電池５の状態を監視する。各ブロックコントローラ１と直列コントローラ２と統括コントローラ３とが、通信可能に数珠繋ぎに接続される。そして、直列コントローラ２は、直列単位７に係る監視を行い、統合コントローラ３は、直列コントローラ２から取得した情報に基づいて、直列単位７の並列構成に係る監視を行って、蓄電池全体の状態を監視する。
【選択図】図１

Description

本発明は、単電池を直列に接続して組電池を形成し、その組電池を直並列に接続して構成した蓄電池の高圧化および大容量化に対応して、単電池の状態を監視制御するシステムの小型化およびその構成変更の容易性を実現する電池制御システムおよび電池制御方法に関する。

近年、新しい動力システムであるハイブリッドシステムを搭載した鉄道車両が実用化されている。このハイブリッドシステムは、エンジンと蓄電池とを組み合わせて、鉄道車両の駆動力に電気モータを使用している。具体的には、発車時には蓄電池の電力を使用し、加速時にはエンジンによって作動する発電機と蓄電池との電力を合わせて電気モータを駆動する。減速時には電気モータを発電機として用い、ブレーキ制動にともなう回生エネルギを電気に変換して蓄電池に充電する。

前記した蓄電池では、単電池を直列に接続した組電池を並列に接続した構成が用いられている。通常、組電池では、単電池個々の性能のばらつきや単電池毎の温度のばらつきにより、特定の単電池が過放電あるいは過充電を受けて、その単電池の性能が早期に劣化することがある。その結果、性能劣化した1個の単電池のために、蓄電池全体の性能が低下することがある。

特許文献１には、組電池を並列に接続した構成において、組電池ごとにその状態（電流および温度）を監視する検出器と、その検出器から組電池の状態に係る情報を取得して異常な組電池を切り離す判断処理を行う１台の統括コントローラとを備えたシステムが開示されている。ただし、この開示されているシステムで想定されている蓄電池の容量は、２４Ｖ、１Ａｈ程度である。

しかしながら、鉄道車両に搭載される蓄電池は、１５００Ｖ〜２０００Ｖ程度の高圧用である。そのため、特許文献１に記載の構成を、鉄道車両用の蓄電池の構成にそのまま適用すると、検出器に備えられる絶縁部分が、１５００Ｖ〜２０００Ｖに対応できるものでなければならなくなる。その結果、検出器の絶縁部分のサイズが大きくなり、また、絶縁部分のコストも増大するという問題がある。
また、特許文献１に記載のシステムでは、高圧化および大容量化を行う場合、単電池を増加して組電池を作り直し、それに合わせて単電池の状態を監視する検出器も作り直すといった構成変更を行わなければならず、構成変更が容易ではないという問題もある。
特表２００５−５２８０７０号公報

そこで、本発明は、単電池を直列に接続した組電池を直並列に接続して構成された蓄電池の高圧化および大容量化に対応して、単電池の状態を監視制御するシステムの小型化およびその構成変更の容易性を実現する電池制御システムおよび電池制御方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明は、複数の単電池を直列に接続したブロックを形成し、そのブロックを複数直列に接続した直列単位を形成し、その直列単位を複数並列に接続した構成を有する蓄電池を監視する電池制御システムであって、前記ブロックごとに設けられそのブロック内の前記単電池の状態を監視する第１コントローラと、前記直列単位ごとに前記第１コントローラが数珠繋ぎで通信可能に接続され、その数珠繋ぎの一端に位置する前記第１コントローラに通信可能に接続される第２コントローラと、前記第２コントローラに通信可能に接続される第３コントローラと、を備え、前記第１コントローラは、前記ブロック内の前記単電池の状態と温度とをブロック情報として順送りで前記第２コントローラに送信し、前記第２コントローラは、前記直列単位の電圧と電流とを取得して、受信した前記ブロック情報と前記電圧と前記電流とに基づいて、前記直列単位の状態を監視するとともに、前記直列単位の状態に係る直列単位情報を前記第３コントローラに送信し、前記第３コントローラは、受信した前記直列単位情報に基づいて、前記蓄電池全体の状態を監視すること、を特徴とする。

本発明によれば、単電池を直列に接続して組電池を形成し、その組電池を直並列に接続して構成した蓄電池の高圧化および大容量化に対応して、単電池の状態を監視制御するシステムの小型化およびその構成変更の容易性を実現できる。

次に、本発明を実施するための最良の形態（以降、「実施形態」という）について、適宜図面を用いながら詳細に説明する。

《比較例》
初めに、比較例における電池制御システムの構成について、図５を用いて説明する。図５は、比較例における電池制御システムの構成を示す図である。
図５に示す電池制御システム２００は、蓄電池の高圧化に対応して、背景技術に記載した特許文献１に記載の組電池と検出器とをセットとして、そのセットを直列に接続した場合を示している。

まず、蓄電池の接続構成について説明する。蓄電池は、図５に示すように、その複数の単電池５が直列に接続された単位をブロック４とし、そのブロック４がさらに複数個（４ａ〜４ｍ）直列に接続された単位を直列単位７とし、その直列単位７が並列に複数個接続されて構成される。そして、直列単位７の端極が電極端子６（６ａ，６ｂ）に接続される。そして、電極端子６から、電力が入出力される。
なお、図５には、直列単位７が２つ（７ａ，７ｂ）しか記載されていないが、大容量化に対応するために、３以上の直列単位７が並列に接続されていても構わない。

次に、単電池５を監視する監視系について説明する。監視系は、直列単位７ごとにブロックコントローラ１０が配置されている。ブロックコントローラ１０は、ブロック４内の単電池５の一個ずつの単電池電圧またはＳＯＣ(State of Charge)を監視するとともに、ブロック４内の温度を温度センサＴＭを介して監視する。さらに、ブロックコントローラ１０は、電流センサＣＴおよび電圧センサＰＴを介して、それぞれ直列単位７の電流および電圧を取得する。そして、ブロックコントローラ１０は、監視しているＳＯＣ、温度、電流、および電圧を用いて、単電池５の状態を監視し、その監視結果に係る情報を、統括コントローラ３０に送信する。なお、図５に示しているブロックコントローラ１０は、全て同様の動作をする。

ブロックコントローラ１０と統括コントローラ３０との間は、統括コントローラ３０に接続されている１本の伝送媒体に、ブロックコントローラ１０が複数接続されている。そして、統括コントローラ３０とブロックコントローラ１０との通信は、一度に１つのブロックコントローラ１０と行われる。
統括コントローラ３０は、各ブロックコントローラ１０から送信されてきた情報を受信し、蓄電池全体の状態を制御する。例えば、統括コントローラ３０は、あるブロック４についての情報を受信して、そのブロック４を異常と判定したときには、切替機能を有する図示しない切替装置を介して、異常な状態となっているブロック４を切り離す対応をとることが可能である。

また、ブロックコントローラ１０には、絶縁２０（以降、絶縁部ともいう。）が備えられている。これは、統括コントローラ３０の基準電位（グランド）に対して、ブロックコントローラ１０の電位が直列単位７の電圧分高くなるために、絶縁２０によって、ブロックコントローラ１０内の回路を保護する必要があるからである。さらに、絶縁２０は、鉄道車両に設置されている蓄電池の周辺に発生するノイズによって変動する電位にも対応可能となるように、耐圧が設けられる必要がある。

また、比較例における電流制御システム２００では、直列単位７の電圧を高圧化する場合には、ブロック４とブロックコントローラ１０とを組として、その組を単位として直列に増加すればよく、容易に構成を変更することができる。

しかし、比較例は、蓄電池の大容量化に対しては、改良の余地が想定される。その改良の余地について以下に示す。
（１）蓄電池の高圧化を行うと、絶縁２０も高耐圧化しなければならなくなる。それにともなって、絶縁距離の確保のため、特に絶縁２０の絶縁部のサイズが格段に大きくなるため、ブロックコントローラ１０の装置サイズが大きくなる。
（２）統括コントローラ３０は、一度に１つのブロックコントローラ１０としか通信できない。そのため、蓄電池の高圧化にともなって、ブロック４とブロックコントローラ１０の組が増加すると、ブロックコントローラ１０の数に比例して、通信に係る通信処理時間、および受信した情報を処理するための情報処理時間が増大する。すなわち、蓄電池全体の情報を処理するための処理周期が長くなり、ブロック４の異常に対して瞬時に対応することが困難となる。
（３）統括コントローラ３０は、ブロック４の直列および並列の双方について監視制御しているので、蓄電池の高圧化および大容量化に対応して、その制御を実行させるプログラムの変更が複雑になる。

そこで、蓄電池の高圧化および大容量化に対応するために、比較例より、さらに、システムの小型化およびその構成変更の容易性を実現可能な実施形態について、次に説明する。

《実施形態》
本実施形態における電池制御システムの構成について、図１を用いて説明する。図１は、本実施形態における電池制御システムの構成を示す図である。

まず、蓄電池の接続構成について説明する。単電池５、ブロック４、直列単位７は、前記した比較例と同様であるので、同じ符号を付し、説明を省略する。そして、直列単位７が並列に複数接続されて、直列単位７の端極が電極端子６（６ａ，６ｂ）に接続される。そして、電極端子６から、電力が入出力される。
なお、図１には、直列単位７が２つ（７ａ，７ｂ）しか記載されていないが、大容量化に対応するために、３以上の直列単位７が並列に接続されていても構わない。

次に、単電池５を監視する監視系について説明する。監視系は、ブロック４ごとにブロックコントローラ１（第１コントローラ）が配置されている。そして、ブロックコントローラ１ｍ（１０）と統括コントローラ３（第３コントローラ）との間には、直列コントローラ２（第２コントローラ）が備えられている。

ブロックコントローラ１は、ブロック４内の単電池５の一個ずつの単電池電圧を検出する。また、ブロックコントローラ１は、ブロック４ごとの温度を温度センサＴＭを介して検出する。そして、ブロックコントローラ１は、相互に数珠繋ぎに接続されて、検出した単電池電圧およびブロック４の温度をブロックごとにブロック情報として、step-by-step（順送り）で直列コントローラ２に送信する。順送りでブロック情報を送信する理由は、ブロックコントローラ１には絶縁部が備えられているので、絶縁部によって高電圧および高電流から保護された処理回路を経由するためである。なお、図１に示しているブロックコントローラ１は、全て同様の動作をする。
また、ブロックコントローラ１は、ブロック４の組電池から給電されて動作するものとする。

そして、直列コントローラ２は、ブロックコントローラ１が送信する情報を受信する。また、直列コントローラ２は、直列単位７の電流について電流センサＣＴを介して取得し、直列単位７の電圧について電圧センサＰＴを介して取得する。そして、直列コントローラ２は、直列単位７の状態を監視する。すなわち、直列単位７の状態とは、ＳＯＣ、許容充放電電流、および温度である。なお、電流センサＣＴや電圧センサＰＴは、直列単位７に対してのみ測定されればよい。
次に、直列コントローラ２は、統括コントローラ３に、直列単位７の状態に係る直列単位情報を送信する。

なお、直列コントローラ３への給電は、外部給電とする。このことにより、いずれかのブロックコントローラ１が動作しなくなっても、直列コントローラ２は動作しているので、動作しなくなったブロックコントローラ１に係る情報を、統括コントローラ３に送信することが可能となる。
また、直列コントローラ３へいずれかのブロック４から給電されるとすれば、ブロックコントローラ１と直列コントローラ２とでは消費電力が異なる。そのため、ブロック4の消費電力にアンバランスが生じ、直列コントローラ３の給電に係るブロック４の電池残量（ＳＯＣ）が、他のブロックのＳＯＣとずれてしまい、直列単位７に含まれるブロック４間のＳＯＣに不統一が生じる。

統括コントローラ３は、各直列コントローラ２から送信されてきた直列単位情報を受信し、蓄電池全体の状態を制御する。すなわち、統括コントローラ３は、直列単位７の並列の状態を監視する。
また、直列コントローラ２と統括コントローラ３との間は、直列コントローラ２ごとに別個の伝送媒体（光ファイバ、通信用ケーブル等）によって接続されている。したがって、統括コントローラ３には、直列コントローラ２の数の伝送媒体を接続可能な接続部が備えられている。

次に、ブロックコントローラ１および直列コントローラ２に備えられている絶縁部について以下に説明する。
ブロックコントローラ１には、絶縁８（第１の絶縁）が備えられている。この絶縁８は、ブロックコントローラ１がブロック４から給電されているため、ブロック４の電圧に対する耐圧が備えられていればよいことになる。すなわち、絶縁８は、直列単位７の電圧より、低い電圧（ブロック４の電圧）に対する耐圧を備えていればよい。
また、直列コントローラ２には、絶縁９（第２の絶縁）が備えられる。この絶縁９は、比較例（図５参照）において示した絶縁２０（図５参照）と同様の耐圧のものである。この絶縁９は、直列単位７の電圧に対する耐圧を備えている必要がある。
したがって、絶縁８の耐圧は、絶縁９の耐圧より低くてよい。

以上、説明した実施形態における電池制御システム１００によれば、ブロックコントローラ１の給電をブロック４から行うことによって、ブロックコントローラ１に備える絶縁８の耐圧を、比較例に示した絶縁２０の耐圧より、小さくできる。したがって、ブロックコントローラ１の小型化を実現することができる。また、絶縁８の耐圧を小さくするために、ブロックコントローラ１を相互に数珠繋ぎで接続する必要がある。そして、ブロックコントローラ１を数珠繋ぎに接続することによって、ブロック４とブロックコントローラ１とを組として、同じ組を直列に増設することによって、高圧化が可能となる。すなわち、構成変更の容易性が実現される。

また、直列コントローラ２を設けたことにより、直列コントローラ２が電圧センサＰＴおよび電流センサＣＴと接続されて、その情報を取得すれば、直列単位７の状態を監視するのに必要な情報を揃えることが可能となる。したがって、電圧センサＰＴおよび電流センサＣＴの接続先の数を減少させることが可能となり、配線数を低減できる。すなわち、電流制御システム１００の小型化を実現できる。
また、直列コントローラ２を設けたことにより、統括コントローラ３には、直列コントローラ２の数分のコネクタを備える接続部を設ければよいので、その接続部の巨大化を防止することが可能である。

さらに、直列コントローラ２を設けたことにより、直列コントローラ２は、直列単位７の状態を監視し、統括コントローラ３は、直列単位７の並列の状態を監視するので、それぞれの処理分担を切り分けることが可能となる。
例えば、直列単位７の直列方向の構成の変更は、ブロック４の増減によって行えばよいので、直列コントローラ２におけるプログラムの変更でよく、ハードウェアとしては、絶縁８の耐圧の増減変更でよい。すなわち、直列コントローラ２の変更で対処できる。
また、大容量化に対応する直列単位７の並列数の変更は、統括コントローラ３の接続部における接続数の増減と、その接続数の増減に対応するプログラムの変更でよい。したがって、統括コントローラ３の変更で対処可能となる。
そして、前記したように、プログラムの変更は、直列だけ、または並列だけについて考慮されればよく、構成変更の容易性が実現できる。
このように、さまざまな直並列構成の電池制御システムの構築が容易となる。

なお、電池制御システム１００は、図示しない制御機能を備えて、異常となったブロック４を切り離す制御を行ってもよい。この場合、統括コントローラ３は、直列コントローラ２から受信した直列単位情報を用いてどのブロック４に異常があるかを判定し、その判定結果に基づいて、制御機能を用いて該当するブロック４を切り離す制御を行うことが可能である。
また、電池制御システム１００は、図示しないブロック４ごとに放電機能を備えて、充電量のブロック４間の均等化を行う制御を行ってもよい。この場合、直列コントローラ２は、ブロックコントローラ１から受信したブロック情報に基づいて、放電機能を作用させる。

（変形例）
図１に示す電池制御システム１００の変形例について、図２〜図４を用いて説明する。図２〜図４は、それぞれ電池制御システムの構成の変形例を示す図である。
まず、図２と図１との違いは、直列コントローラ２と統括コントローラ３との接続形態である。図２では、直列コントローラ２と統括コントローラ３との通信は、一本の伝送媒体で接続されている。したがって、直列コントローラ２の台数が増加しても、統括コントローラの接続部のサイズが巨大化することはない。
次に、図３と図１との違いは、ブロックコントローラ１に備える絶縁部８ｂ（８）が、２個で構成されることである。すなわち、上側のブロックコントローラ１との通信用と下側のブロックコントローラ１との通信用と、別々の絶縁部８ｂ（８）が備えられている。絶縁部８ｂ（８）を図３に示すように備えることによって、絶縁部８ｂ（８）間の距離を離すことが容易になるため、それぞれに必要な耐圧を小さく抑えることができる。これにより、耐圧に必要な素子の小型化及び絶縁距離を短くすることができる。また、直列コントローラの絶縁９についても同様に、分けることで絶縁素子の小型化を実現することが可能となる。
また、図４と図１との違いは、直列コントローラ２と統括コントローラ３との接続形態が異なること、および、ブロックコントローラ１に備える絶縁部８ｂ（８）が２個で構成されることである。したがって、直列コントローラ２の台数が増加しても、統括コントローラの接続部のサイズが巨大化することはない。また、絶縁部８ｂ（８）間の距離を離すことが容易になるため、耐圧の確保が容易になる。

以上、実施形態および変形例について説明したが、本発明は、これらに限定されるものではなく、その趣旨を変えない範囲で実施することができる。例えば、実施形態に記載した蓄電池は、風力発電用の蓄電池として用いることが可能であり、鉄道において変電所に設置されていた回生電力の吸収・放電用の設備の代わりに、変電所に限らずに設置して用いることも可能である。

本実施形態における電池制御システムの構成を示す図である。 電池制御システムの構成の変形例を示す図である。 電池制御システムの構成の変形例を示す図である。 電池制御システムの構成の変形例を示す図である。 比較例における電池制御システムの構成を示す図である。

符号の説明

１ ブロックコントローラ
２ 直列コントローラ
３ 統括コントローラ
４ ブロック
５ 単電池
６ 電極端子
７ 直列単位
８（８ａ，８ｂ） 絶縁（低圧）
９ 絶縁（高圧）
１００（１００ａ，１００ｂ，１００ｃ） 電池制御システム

Claims (10)

1. 複数の単電池を直列に接続したブロックを形成し、そのブロックを１以上直列に接続した直列単位を形成し、その直列単位を複数並列に接続した構成を有する蓄電池を制御の対象とする電池制御システムにおいて、
   前記ブロックごとに設けられそのブロック内の前記単電池の状態と温度とをブロック情報として監視して送信する１以上の第１コントローラと、
   前記第１コントローラから前記ブロック情報を受信し、前記直列単位の電圧と電流とを取得して、前記直列単位の状態を直列単位情報として監視して送信する第２コントローラと、
   前記第２コントローラから前記直列単位情報を受信し、前記蓄電池全体の状態を監視する第３コントローラと、
   によって構成され、
   前記第1コントローラと前記第2コントローラが接続されるとともに、前記第2コントローラと前記第3コントローラが接続されること、
   を特徴とする電池制御システム。
2. 前記直列単位に複数の前記第1コントローラがある場合、
   当該第１コントローラは、当該第１コントローラ同士が数珠繋ぎで通信可能に接続され、
   前記第２コントローラは、前記数珠繋ぎの一端に位置する前記第１コントローラからさらに数珠繋ぎで通信可能に接続され、
   前記第３コントローラは、前記直列単位ごとに設けられる第２コントローラと通信可能に接続されること、
   を特徴とする請求項１に記載の電池制御システム。
3. 前記第１コントローラは、第１の絶縁を備え、前記第１の絶縁を介して、前記ブロック内の前記単電池の状態を監視し、他の前記第１コントローラおよび前記第２コントローラと通信可能に接続され、
   前記第２コントローラは、第２の絶縁を備え、前記第２の絶縁を介して、前記直列単位の状態を監視し、前記第１コントローラおよび前記第３コントローラと通信可能に接続され、
   前記第１の絶縁の耐圧は、前記第２の絶縁の耐圧より低いこと、
   を特徴とする請求項１または請求項２に記載の電池制御システム。
4. 前記第１コントローラは、前記ブロックから給電されて動作すること、
   を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の電池制御システム。
5. 前記第２コントローラは、外部電源から給電されて動作すること、
   を特徴とする請求項４に記載の電池制御システム。
6. 前記直列単位において、直列接続する前記単電池を増設する場合は、前記ブロックと前記第１コントローラとを組として増設すること、
   を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の電池制御システム。
7. 前記蓄電池の容量を増加する場合は、前記直列単位とその直列単位に対応する前記第１コントローラと前記第２コントローラとを組として増設すること、
   を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の電池制御システム。
8. 複数の単電池を直列に接続したブロックを形成し、そのブロックを複数直列に接続した直列単位を形成し、その直列単位を複数並列に接続した構成を有する蓄電池を監視する電池制御システムにおいて用いられる電池制御方法であって、
   前記電池制御システムは、
   前記ブロックごとに設けられそのブロック内の前記単電池の状態を監視する第１コントローラと、前記直列単位ごとに前記第１コントローラが数珠繋ぎで通信可能に接続され、その数珠繋ぎの一端に位置する前記第１コントローラに通信可能に接続される第２コントローラと、前記第２コントローラに通信可能に接続される第３コントローラと、を備え、
   前記第１コントローラは、前記ブロック内の前記単電池の状態と温度とをブロック情報として順送りで前記第２コントローラに送信し、
   前記第２コントローラは、前記直列単位の電圧と電流とを取得して、受信した前記ブロック情報と前記電圧と前記電流とに基づいて、前記直列単位の状態を監視するとともに、前記直列単位の状態に係る直列単位情報を前記第３コントローラに送信し、
   前記第３コントローラは、受信した前記直列単位情報に基づいて、前記蓄電池全体の状態を監視すること、
   を特徴とする電池制御方法。
9. 前記第１コントローラは、第１の絶縁を備え、前記第１の絶縁を介して、前記ブロック内の前記単電池の状態を監視し、他の前記第１コントローラおよび前記第２コントローラと通信可能に接続され、
   前記第２コントローラは、第２の絶縁を備え、前記第２の絶縁を介して、前記直列単位の状態を監視し、前記第１コントローラおよび前記第３コントローラと通信可能に接続され、
   前記第１の絶縁の耐圧は、前記第２の絶縁の耐圧より低く設定すること、
   を特徴とする請求項８に記載の電池制御方法。
10. 前記第１コントローラは、前記ブロックから給電されて動作すること、
    を特徴とする請求項８または請求項９に記載の電池制御方法。
    

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