JP2011250683A

JP2011250683A - 電池監視回路および電池制御システム

Info

Publication number: JP2011250683A
Application number: JP2011120371A
Authority: JP
Inventors: Kazuhito Nishimura; 和仁西村
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2007-09-27
Filing date: 2011-05-30
Publication date: 2011-12-08
Also published as: JP2009089453A

Abstract

【課題】全素電池の電圧をより低コストで監視できる電池監視回路および電池制御システムを提供する。
【解決手段】少なくとも２つ以上の素電池２からなり、正負の出力端子３，４を有する組電池１と、前記素電池の電圧をそれぞれ検出する電圧検出回路７と、前記電圧検出回路によって検出された電圧検出信号を電力線通信信号に変調し、変調した電力線通信信号を前記正負の出力端子間に重畳して出力する電力線通信回路８とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも２つ以上の素電池を有する組電池の電圧を監視する電池監視回路および電池の充放電を制御する電池制御システムに関する。

近年、電力需要家へのエネルギー安定供給や地球環境保全の観点から、発電機や太陽電池、燃料電池等により発生する交流または直流の電力をパワーコンディショナにより商用周波数の交流電力に変換し、この交流電力を商用電力系統やＡＣ負荷に供給する分散型電源システムの普及が進んでいる。これらの分散型電源システムの中でも太陽光発電および風力発電は急激に普及が拡大しており、電力系統ネットワーク内における導入量の増加とともに、需要家端側から発電端側へ流れる方向の逆潮流電力が増加する傾向がある。このような逆潮流電力の増加は需要家端における系統電圧上昇をもたらし、ひいては分散型電源からの発電出力の抑制が必要となるため、今後のさらなる分散型電源システムの普及のためには逆潮流電力を増加させないシステムが必要不可欠であると考えられる。

従来の太陽光発電システム用パワーコンディショナの一例として、特許文献１に記載のシステムを図７に示す。このシステムは、太陽電池１０１と、電源系統１０２と、電源系統１０２の電力又は太陽電池１０１の発電電力を蓄電する蓄電手段１０３と、この蓄電手段１０３を充電または放電する双方向ＤＣ／ＤＣ手段１０４と、太陽電池１０１又は蓄電手段１０３の電力を交流電力に変換し電源系統に出力する双方向ＡＣ／ＤＣ手段１０５とを有する。そして、負荷１０６の要求電力が太陽光発電電力より小さい場合には、太陽電池１０１の発電電力を電源系統１０２に売電し、電源系統１０２の電力が所定の値を超えないように蓄電手段１０３に蓄電した電力を放電して、電源系統１０２のピークカットする系統連系形電源システムである。そして、双方向ＤＣ／ＤＣ手段１０４を制御するために充放電制御部１０７を備え、双方向ＡＣ／ＤＣ手段１０５を監視するために電力検出器１０８を備える。
この特許文献１の発明によれば、太陽電池１０１と蓄電池１０３による電力蓄電手段とを組み合わせたようなシステムでも、電源系統１０２の電力を監視しながら、蓄電池１０３からの放電電力を制御するため、蓄電池１０３に蓄電された電力を電源系統１０２に売電したりすることなく、負荷電力のピークを低減することができる。特許文献１のように蓄電手段を有する分散型電源システムは、逆潮流電力を制御可能であるため有用である。

上記のように太陽光発電の電力を蓄電するための手段としては、充放電におけるエネルギー効率が非常に高く、高エネルギー密度であるリチウムイオン二次電池が有用である。また、太陽光発電の電力を不足なく蓄えることのできる大容量の蓄電手段をリチウムイオン二次電池により構成するためには、多数の素電池を直列または並列に接続した組電池を用いる必要がある。このような組電池は、電気自動車やハイブリッド自動車、燃料電池自動車に適用される蓄電手段においても同様に必要とされる。
リチウムイオン二次電池は、過充電および過放電に対する素電池の保護が必要であり、素電池の電圧が電池特性によって決まる所定電圧を超過した場合充電を禁止し、所定電圧を下回った場合放電を禁止するという電圧監視機能が必要である。そのような監視システムの一例として、特許文献２がある。特許文献２は、電池１個ごとに、電池の電力測定、内部抵抗測定、充電回数測定を行うヘルス・メータと電力線搬送モデムをモジュールとして一体化し、各モジュールの電池を直列に接続し、上記電池のヘルス・メータにより検出された各電池の健康状態を表す電池情報を、電力線搬送通信機能を用いて処理し、直列に接続された電池の１個ずつの健康状態を集中して管理する電池の集中管理システムである。

特開２００２−３６９４０６号公報特開２００４−３５０３７１号公報

しかしながら、特許文献２の発明は、素電池一つに対して一つの通信モデムが必要であり、電池監視機能を電池に付与するための追加部品数が多く、コスト増加が大きい点が問題である。
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、全素電池の電圧をより低コストで監視できる電池監視回路および電池制御システムを提供することを目的とする。

本発明の電池監視回路は、上記課題を解決するために、少なくとも２つ以上の素電池からなり、正負の出力端子を有する組電池と、前記素電池の電圧をそれぞれ検出する電圧検出回路と、前記電圧検出回路によって検出された電圧検出信号を電力線通信信号に変調し、変調した電力線通信信号を前記正負の出力端子間に重畳して出力する電力線通信回路とを備える。
これにより、複数の素電池の電圧情報を、一つの電力線通信回路を用いて組電池の出力端子から電力線通信により外部に出力することができるので、通信用の配線を必要とせず多数の素電池の過充電状態および過放電状態をモニタすることができる。

また、本発明の電池監視回路は実施形態において、前記電圧検出回路は、前記各素電池の電圧を基準電圧と比較する電圧比較器を備え、素電池の電圧が基準電圧以上または基準電圧以下を検出することが好ましい。
これにより、より少ない部品で回路を構成することができ、低コスト化を図ることができる。

また、本発明の電池監視回路は実施形態において、前記電池監視回路は、更に前記正負の出力端子の少なくとも一方に電気的に接続された過電圧保護素子を備え、前記過電圧保護素子は、前記電圧検出回路が過電圧を検出したとき前記過電圧保護素子を遮断状態にするのが好ましい。
これにより、一つの組電池単位で過充電を二重に保護することができ、外部からの充電継続を完全に禁止することができるので、安全性の高い組電池を提供することができる。

また、本発明は、別の観点によれば電池制御システムであり、電池制御システムは、少なくとも２つ以上の素電池からなり、正負の出力端子を有する組電池と、前記素電池の電圧をそれぞれ検出する電圧検出回路と、前記電圧検出回路によって検出された電圧検出信号を電力線通信信号に変調し、変調した電力線通信信号を前記正負の出力端子間に重畳して出力する電力線通信回路とを備える電池監視回路と、前記正負の出力端子間に接続された充放電回路と、前記電圧検出回路が前記素電池の過充電電圧または過放電電圧を検出したとき、充電または放電を禁止する制御回路とを備える。
これにより、素電池の過充電または過放電を禁止することができる。

また、本発明の電池制御システムは実施形態において、前記制御回路は制御用電力線通信回路を有し、前記制御用電力線通信回路が前記電池監視回路の電力線通信回路と電力線通信を行い、電力線通信信号に変調された電圧検出信号に基づき制御回路が充放電回路の運転を制御することが好ましい。
これにより、組電池と制御回路を電力線通信により通信することができるので、通信用の配線を用いず多数の素電池の過充電状態および過放電状態を制御することができる。

本発明によれば、複数の素電池の電圧情報を一括して電力線通信回路にて処理し組電池の出力端子を介して外部に送出することができるので、配線の数を減らすだけでなく電力線通信回路の数も減らすことができるので、低コストで信頼性の高い電池監視回路を提供することができる。

本発明の一実施形態の電池監視回路を説明する構成図である。本発明の一実施形態の電池監視回路の内部構成を説明するブロック図である。本発明の他の実施形態の電池監視回路の内部構成を説明するブロック図である。本発明の実施の形態の電池制御システムを説明する構成図である。本発明の実施の形態の電池制御システムを説明する構成図である。本発明の実施の形態の過電圧保護素子を有する電池監視回路を説明する構成図である。従来の太陽光発電システム用パワーコンディショナシステムのブロック図である。

図１はこの発明の実施形態による組電池１および電池監視回路５の構成を説明するための概略図である。組電池１を構成する蓄電池としては、鉛蓄電池、ニッケル水素電池、およびリチウムイオン電池等の二次電池や、電気二重層キャパシタなどを使用することができるが、ここではリチウムイオン二次電池を使用した場合を説明する。図１に示すように、複数の素電池２を直列に接続した組電池１が、電池監視回路５とともに外装体６の内部に収められる。複数の素電池２を直列接続した組電池１の出力は、電池監視回路５を経由して正の出力端子４及び負の出力端子４から外部に出力される。ここで、組電池１の出力は、電池監視回路５を経由せず直接出力端子３、４に接続されていてもよい。

電池監視回路５は、組電池１を構成する全ての素電池２の電圧をそれぞれ検出する電圧検出回路７と電力線通信回路８（モデム）を有する。図２に電池監視回路５のブロック図を示す。電圧検出回路７は、少なくとも素電池の個数分の入力チャンネルを有するＡＤ変換器７１を備え、ＡＤ変換器７１は検出した電圧値をディジタル信号に変換してマイコン７２に送信する。ＡＤ変換器７１としては、マイコン７２にその機能が内蔵されているものを使用してもよい。マイコン７２は、パラレル信号として受信した電圧値を内部のＳＩＯ（シリアルＩ／Ｏインターフェース）７３にてシリアル信号に変換して電力線通信回路８にデータを送信する。ここで、シリアルＩ／Ｏインターフェースとしては、必ずしもマイコン７２に内蔵されているＳＩＯを使用しなくてもよく、専用のパラレル／シリアル変換器を使用してもよい。

電力線通信回路８は、電圧検出回路７から受信したデータをデータ処理部８１にて変調したのち、ＤＡ変換器８２およびアナログ信号処理部８３にて電力線通信用のアナログ信号に変換し、最終的にカプラ８４を介して組電池１の出力端子３、４のラインに出力する。
変調方式としては、ＯＦＤＭ方式（直交周波数分割多重方式）やＳＳ方式（スペクトラム拡散変調方式）などを用いることができるが、ここでは、周波数利用効率が高くより高速伝送に適しているＯＦＤＭ方式を用いた。電力線通信回路８から出力される信号には、どの素電池かを識別する識別番号と、それに対応する素電池の電圧値の情報を含ませておくとよい。
このような電池監視回路８を組電池１に接続することにより、複数の素電池２の電圧値情報を組電池１の出力端子３、４を介した電力線通信により外部に送出することができる。従って、通信のための追加の配線を必要とせず、多数の素電池２を有するシステムにおいても簡便に全素電池の電圧監視を行うことのできる、信頼性の高い組電池を提供することができる。しかも電力線通信回路８から出力される信号には、どの素電池かを識別する識別番号を含ませることにより、電圧異常を発生した素電池を特定することができる。

図３は、電池監視回路５の別の実施形態のブロック図を示し、図３の電池監視回路５は、図２の電池監視回路５とは各素電池２の電圧検出をＡＤ変換器７１で行わない点が異なっている。組電池１において最低限必要な電圧検出機能としては、複数の素電池２のどれか一つが上限電圧を超過した場合、あるいは複数の素電池のどれか一つが下限電圧を下回った場合に、そのいずれかの異常を検出して異常情報を外部に知らせることができればよいと考えることができる。このような考えに基づき、図３の電圧検出回路７は電圧比較器７５を備え、電力線通信回路８（モデム）は信号処理部８５を備える。
電圧検出回路７は、過充電基準電圧源（図示しない）を備え、各素電池２の電圧を電圧比較器７５にて過充電基準電圧と比較する。電圧検出回路７は、どれか一つの素電池２が過充電基準電圧を超過した場合に過充電検出信号７６を信号処理部８５に出力する。同様に、各素電池２の電圧を電圧比較器７５にて過放電基準電圧源と比較し、どれか一つの素電池２が過放電基準電圧を下回った場合に過放電検出信号７７を信号処理部８５に出力する。さらに、過充電検出信号７６および過放電検出信号７７に加えて、どの素電池にて異常が検出されたかを識別する識別番号情報を伝えるための識別信号７８を含ませておくとよい。
信号処理部８５は、信号７７または７７の情報を変調してＤＡ変換器８２に送り、図２と同様にアナログ信号処理部８３、カプラ８４を介して出力端子３、４に出力する。図３の電圧検出回路７を用いる場合は、電力線通信信号には素電池２の電圧値自体の情報は含まれず、代わりに過充電または過放電検出がされたかどうかの情報が含まれることになる。図３の構成とすることにより、電池監視回路５の使用部品を減らし、より低コスト化を図ることができる。

図４は、組電池１に図２または図３に示した電池監視回路５を接続し、これに充放電回路１１と、制御回路１２を接続した電池制御システムのブロック図を示す。組電池１の出力端子３、４は充放電回路１１と電気的に接続され、制御回路１２は充放電回路１１の充放電運転を制御する。制御回路１２は制御用電力線通信回路１３（モデム）を備え、組電池１の電力線通信回路８との間で電力線通信を行う。

図５は、さらに組電池１が複数直列に接続された場合の電池制御システムを示している。図５に示すように、各組電池１の正または負の出力端子３，４は隣接する組電池の正または負の出力端子３、４に接続され、全部直列接続される。複数の組電池１の出力端子３、４は１つになっている。そして充放電回路１１及び制御回路１２は、上記１つの出力端子３、４に接続される。
図５の場合、複数の組電池１を接続しているので、電力線通信ラインにおいて、複数のモデムが同時にデータを送った場合にライン上で信号が衝突しないための接続方式として、無線ＬＡＮで用いられているのと同様のＣＳＭＡ／ＣＡ（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）方式を用いている。これにより、モデムは通信開始前に通信ライン上の他のモデムからの通信の有無を調査し、各モデムがランダムな時間待ってからデータを通信ライン上に送信するので、異なる組電池の電池監視回路からのデータが衝突することがなく、信頼性の高い電力線通信を行うことができる。

図４、図５の電池制御システムではともに、制御回路１２の制御用電力線通信回路１３は、各組電池１の電池監視回路５の電力線通信回路８と電力線通信を行い、これにより制御回路１２において素電池の電圧情報を一元管理することができる。
電池監視回路５が図２の構成の場合は、各素電池の電圧値が電力線通信により制御回路１２に送出される。制御回路１２は、どれか一つの素電池２の電圧が過電圧状態になったことを検出した場合、充放電回路１１に充電禁止指令を送ることで過充電保護動作を行うことができる。同様に、どれか一つの素電池の電圧が過放電状態になったことを制御回路１２が判断した場合、制御回路１２は充放電回路１１に放電禁止指令を送ることで過放電保護動作を行うことができる。
電池監視回路５が図３の構成の場合は、組電池内のどれか１つの素電池が過充電状態または過放電状態であるか否かの検出情報が、電力線通信を用いて電池監視回路５から制御回路１２に送出される。この場合も、制御回路１２は、電池監視回路５における過充電または過放電の検出情報に基づいて、充放電回路１１の充電禁止または放電禁止の保護動作を行うことができる。

さらに、電池監視回路５は、図６（ａ）に示すように過電圧保護素子２０を有することが好ましい。ここで過電圧保護素子２０としては、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等の半導体スイッチ素子、もしくはリレーなど、電圧検出回路７からのオンオフ信号により導通状態と遮断状態が切換えられるものが利用できる。また、図６（ａ）では蓄電池１の正電位側に過電圧保護素子２０を接続しているが、蓄電池１の負電位側に接続してもよいし、正負両側に接続してもよい。さらに、図６（ａ）では電池監視回路５の出力端子３、４側に過電圧保護素子２０を設けているが、組電池１側に設けてもよい。
なお、図６は図４または図５に示した充放電回路１１及び制御回路１２の記載を省略している。
上記過電圧保護素子２０は、組電池１の過充電に対する２重保護のために設けるものであり、図３の電圧比較器７５において検出される過充電検出信号７６より高い過充電電圧に到った場合に遮断状態となるように、電圧検出回路７により制御される。より詳しくは、図３の電圧検出回路における過充電検出信号１４は、素電池の電圧が第１の基準電圧を超えた際に過充電検出状態となり、さらに第１の基準電圧より高い第２の基準電圧を超えた際に、電圧検出回路２は過電圧保護素子２０が遮断状態となるように信号２１を制御する。これにより、組電池は過電圧保護素子２０により外部から電気的に遮断されるので、外部から出力端子４を介した過充電が継続することがないため、過充電に対して２重保護された信頼性の高い電池監視回路を提供することができる。

また、図６（ｂ）に、過電圧保護素子２０として、温度ヒューズ内蔵の抵抗素子を用いた構成を示す。上記過電圧保護素子にはＭＯＳＦＥＴなどのスイッチ素子２２が直列に接続されており、電圧検出回路７は、素電池の電圧が第２の基準電圧を超えた場合にスイッチ素子２２がオン状態となるように信号２１を制御する。これにより、外部から出力端子４を介して蓄電池１に印加されていた電圧は、過電圧保護素子２０の抵抗素子に印加され、過電圧保護素子２０の温度ヒューズが抵抗素子の発熱により遮断されることにより、外部からの蓄電池１の充電状態の継続が阻止される。これにより、電池監視回路が過電圧を２重に検出して蓄電池１を保護することができるので、信頼性の高い組電池を提供することができる。

１組電池
２素電池
３正の出力端子
４負の出力端子
５電池監視回路
６外装体
７電圧検出回路
８電力線通信回路
１１充放電回路
１２制御回路
１３制御用電力線通信回路
７１ＡＤ変換器
７２マイコン
７５電圧比較器
２０過電圧保護素子

Claims

少なくとも２つ以上の素電池からなり、正負の出力端子を有する組電池と、
前記素電池の電圧をそれぞれ検出する電圧検出回路と、
前記電圧検出回路によって検出された電圧検出信号を電力線通信信号に変調し、変調した電力線通信信号を前記正負の出力端子間に重畳して出力する電力線通信回路と
を備え、
前記電圧検出回路は、前記各素電池の電圧を過充電基準電圧または過放電基準電圧と比較する電圧比較器を備え、前記電圧比較器によって素電池のどれか一つが過充電基準電圧を超過した場合、または素電池のどれか一つが過放電基準電圧を下回った場合を検出する検出信号を出力するとともに、電圧異常を発生した素電池を識別する識別信号を電力線通信回路に出力することを特徴とする電池監視回路。
前記電池監視回路は、更に前記正負の出力端子の少なくとも一方に電気的に接続された過電圧保護素子を備え、前記過電圧保護素子は、前記電圧検出回路が過電圧を検出したとき前記過電圧保護素子を遮断状態にする請求項１記載の電池監視回路。
少なくとも２つ以上の素電池からなり、正負の出力端子を有する組電池と、前記素電池の電圧をそれぞれ検出する電圧検出回路と、前記電圧検出回路によって検出された電圧検出信号を電力線通信信号に変調し、変調した電力線通信信号を前記正負の出力端子間に重畳して出力する電力線通信回路とを備え、前記電圧検出回路は、前記各素電池の電圧を過充電基準電圧または過放電基準電圧と比較する電圧比較器を備え、前記電圧比較器によって素電池のどれか一つが過充電基準電圧を超過した場合、または素電池のどれか一つが過放電基準電圧を下回った場合を検出する検出信号を出力するとともに、電圧異常を発生した素電池を識別する識別信号を電力線通信回路に出力することを特徴とする電池監視回路と、
前記正負の出力端子間に接続された充放電回路と、
前記電圧検出回路が前記素電池の過充電電圧または過放電電圧及び識別信号を検出したとき、充電または放電を禁止する制御回路と
を備える電池制御システム。
前記制御回路は、制御用電力線通信回路を有し、前記制御用電力線通信回路が前記電池監視回路の電力線通信回路と電力線通信を行い、電力線通信信号に変調された電圧検出信号及び識別信号に基づき制御回路が充放電回路の運転を制御する請求項３記載の電池制御システム。