JP2012147660A - バッテリ・システム及びこれを含むエネルギー保存システム - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリ・システム及びこれを含むエネルギー保存システムを提供する。
【解決手段】低減された最大耐圧が要求される部品を具備するバッテリ・システムであり、該バッテリ・システムは、バッテリ・モジュールを含むバッテリ・パックと、バッテリ・モジュールに連結される測定部とを含み、該測定部は、少なくとも２個のバッテリ・モジュールをモニタリングする第１制御回路を含み、該各第１制御回路は、伝送された情報に基づいて、バッテリ・パックを制御するプロセッサに、絶縁回路を介して、モニタリングされた特性に関連した情報を伝送し、該絶縁回路は、制御回路から伝送された情報を受信するが、制御回路は、最も低い電位または最も高い電位のバッテリ・モジュールに連結されていないことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、バッテリ・システム及びこれを含む電力保存システムに関する。

最近、携帯電話、ノート型パソコンなどの携帯用機器から電気自動車やエネルギー保存システムなどの大規模装置に至るまで、多くの分野でバッテリを使用している。１つのシステムには、バッテリと、その充放電などを制御する制御回路とが含まれ、このようなバッテリ・システムの効果的であって効率的な制御及び管理が重要になっている。特に、大容量バッテリ・システムは、高電圧による問題があり、このような高電圧に耐えることができる制御回路が要求されている。

本発明の技術的課題は、バッテリに使われる素子の耐圧を下げることができるバッテリ・システム及びこれを含む電力保存システムを提供するところにある。

本実施形態の一形態は、複数のバッテリ・モジュールを含むバッテリ・パックを備えるバッテリ・システムであって、各バッテリ・モジュールは、少なくとも１つのバッテリセルを含む。バッテリ・システムは、複数の測定部をさらに含み、各測定部は、バッテリ・モジュールのうち少なくとも二つと連結され、各測定部は、少なくとも２つのバッテリ・モジュールをモニタリングする少なくとも２つの第１制御回路を含む。各第１制御回路は、絶縁回路を介して伝送された情報に基づいて、バッテリ・パックを制御するプロセッサに、モニタリングされた特性に関連した情報を伝送する。絶縁回路は、制御回路から伝送された情報を受信するが、制御回路は、最も低い電位または最も高い電位のバッテリ・モジュールに連結されていないことを特徴とする。

本実施形態の他の形態は、電源と負荷とに連結される電力変換システムと、電力変換システムに連結されるバッテリ管理部と、バッテリ管理部に連結されるバッテリ・システムと、を含むエネルギー保存システムである。バッテリ・システムは、複数のバッテリ・モジュールを含むバッテリ・パックを含み、各バッテリ・モジュールは、少なくとも１つのバッテリセルを含む。バッテリ・システムは、また複数の測定部を含み、各測定部は、バッテリ・モジュールのうち少なくとも二つと連結され、各測定部は、少なくとも２つのバッテリ・モジュールの少なくとも１つの特性をモニタリングする少なくとも２つの第１制御回路を含む。各第１制御回路は、絶縁回路を介して伝送された情報に基づいて、バッテリ・パックを制御するプロセッサに、モニタリングされた特性に関連した情報を伝送する。絶縁回路は、第１制御回路から情報を受信するが、制御回路は、最も低い電位または最も高い電位のバッテリ・モジュールに連結されていないことを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、低耐圧素子を使用し、バッテリ・システム及びこれを含む電力保存システムを製作することができる。

一実施形態によるバッテリ・システムを示す図面である。 他の実施形態によるバッテリ・システムを示す図面である。 さらに他の実施形態によるバッテリ・システムを示す図面である。 一実施形態によるバッテリ・システムの制御方法を示すフローチャートである。 他の実施形態によるバッテリ・システムを示す図面である。 さらに他の実施形態によるバッテリ・システムを示す図面である。 さらに他の実施形態によるバッテリ・システムを示す図面である。 他の実施形態によるバッテリ・システムの制御方法を示すフローチャートである。 一実施形態による電力保存システムを示す図面である。

進歩性に係わる多様な観点、特徴、及びコンセプトについて、実施形態を示す添付された図面を参照しつつ、詳細に説明する。しかし、多様な観点、特徴及びコンセプトは、当業者によって異なる多くの形態で具現されるのである。進歩的特徴が、詳細な説明に記載された特定の実施形態に限定されるものではない。本発明について説明するにあたり、関連した公知技術についての具体的な説明が、本発明の要旨を曖昧にすると判断される場合、その詳細な説明を省略する。同一であったり、あるいは対応する構成要素は、同じ図面番号を付与し、これに係わる重複説明は省略する。

図１は、一実施形態によるバッテリ・システム１０１を示す図面である。図１を参照すれば、バッテリ・システム１０１は、バッテリ１０、複数の測定部２０、第１絶縁回路（isolator）３０及びプロセッサ４０を含む。

バッテリ１０は、外部電源から伝えられた電力を保存する。充電動作によって電力を保存し、放電動作の間、保存した電力を負荷に伝達する。バッテリ１０は、正極が正極端子５０と連結され、負極が負極端子５１と連結され、正極端子５０及び負極端子５１を介して、充放電を行う。

バッテリ１０は、直列、並列、または直列と並列との組み合わせで連結された複数のバッテリ・モジュール１１を含むことができる。また、複数のバッテリ・モジュール１１それぞれは、少なくとも１つのバッテリセル１２を含むことができる。バッテリ・モジュール１１に、複数のバッテリセル１２が含まれる場合、バッテリ・モジュール１１内のバッテリセル１２は、直列及び／または並列に連結される。各バッテリセル１２は、充電可能な二次電池である。本発明の実施形態では、バッテリ・モジュール１１及びバッテリセル１２が直列に連結されるが、本発明は、これに限定されるものではない。

それぞれの測定部２０は、バッテリ・モジュール１１に含まれたバッテリセル１２に対する一つ以上の特性をモニタリングし、バッテリセル１２のデータを獲得する。測定部２０は、例えば、バッテリセル１２の電圧や充電状態、温度などを測定する。測定部２０は、複数の第１アナログ・フロントエンド（ＡＦＥ：analog front end、以下「ＡＦＥ」または「制御回路」という）２１と、第２ ＡＦＥ ２２と、を含む。測定部２０は、複数の第１ ＡＦＥ ２１と第２ ＡＦＥ ２２とを１つの回路基板に含むことができる。

第１ ＡＦＥ ２１は、少なくとも１つのバッテリ・モジュール１１と連結され、バッテリ・モジュール１１に含まれたバッテリセル１２の多様な状態をモニタリングする。第１ ＡＦＥ ２１は、例えば、バッテリセル１２をモニタリングするとき、周期的または非周期的に測定した値を獲得することができる。しかし、データを獲得する方法は、これに限定されるものではない。例えば、第１ ＡＦＥ ２１は、第２ ＡＦＥ ２２またはプロセッサ４０からの制御信号によって、測定した値を獲得することもできる。

それぞれの特定第１ ＡＦＥ ２１は、モニタリング結果、すなわち、獲得したデータを直列に連結した後、第１ ＡＦＥ ２１に伝送する。その後、第１ ＡＦＥ ２１は、前記特定第１ ＡＦＥ ２１からデータを受信すれば、受信したデータを、自体が直接抽出したデータと共に、その次の第１ ＡＦＥ ２１に伝送する。直列に連結された複数の第１ ＡＦＥ ２１のうち、最後に位置した第１ ＡＦＥ ２１、すなわち、メイン第１ ＡＦＥ ２３は、測定部２０に含まれたあらゆる第１ ＡＦＥ ２１が獲得したあらゆるデータを受信する。

図１の実施形態で、バッテリセル１２は、直列に連結されており、従って、基準またはグラウンドになる基準バッテリセル１２から遠ざかるほど電位差が発生する。バッテリ・モジュール１１で、下に位置したバッテリセル１２が、基準バッテリセルになってもよい。本実施形態で、第１ ＡＦＥ ２１は、高電位から低電位に抽出したデータを伝送し、低い電位のバッテリセル１２と連結される第１ ＡＦＥ ２１がメイン第１ ＡＦＥ ２３として動作し、獲得したあらゆるデータを収集する。そして、メイン第１ ＡＦＥ ２３は、受信したあらゆるデータと、直接獲得したデータとを第２ ＡＦＥ ２２に伝送する。すなわち、１つの測定部２０で獲得されたあらゆるデータが、メイン第１ ＡＦＥ ２３で集められ、第２ ＡＦＥ ２２に伝送される。

それぞれの第２ ＡＦＥ ２２は、複数の第１ ＡＦＥ ２１が獲得したデータを、メイン第１ ＡＦＥ ２３のうち一つから受信する。また、第２ ＡＦＥ ２２は、他の第２ ＡＦＥ ２２で集めたデータを受信し、ならびに、他の第２ ＡＦＥ ２２で受信したデータ、および、第１ ＡＦＥ ２１のうち一つから集めたデータをさらにその他の第２ ＡＦＥ ２２に伝送する。

他の実施形態として、複数の測定部２０は、バッテリセル１２の状態を測定するために、直列に連結されてもよい。最も低い電位に位置した測定部２０、すなわち、最も下に位置した測定部２０に含まれた第２ ＡＦＥ ２２は、次の測定部２０に含まれた第２ ＡＦＥ ２２に、集めたデータを伝送する。ここで、次の測定部２０とは、以前の測定部２０より高い電位に位置した測定部２０を意味する。メイン第２ ＡＦＥ ２５、すなわち、最も上に位置した第２ ＡＦＥ ２２は、バッテリ１０に含まれたあらゆるバッテリセル１２のデータを集める。メイン第２ ＡＦＥ ２５は、集めたデータを第１絶縁回路３０に伝送する。

他の実施形態として、最初の測定部２０に含まれた最後の第１ ＡＦＥ ２１に連結されたバッテリセル１２のうち、最も下のバッテリセル１２の負の電極側電位が、基準（グラウンド）になってもよい。前記基準になるバッテリセル１２と連結された第１ ＡＦＥ ２１より上にあるＡＦＥ ２１は、正の電圧についてのデータを測定し、前記基準になるバッテリセル１２と連結された第１ ＡＦＥ ２１より下にあるＡＦＥ ２１は、負の電圧についてのデータを測定する。

第１絶縁回路３０は、メイン第２ ＡＦＥ ２５とプロセッサ４０との間のデータ伝送経路を含む。第１絶縁回路３０は、複数の測定部２０とプロセッサ４０とのグラウンドを互いに分離して絶縁する。第１絶縁回路３０としては、例えば、レベルシフト（level shift）回路、光アイソレータ（optical isolator）など多様な回路が使われてもよい。

プロセッサ４０は、第１絶縁回路３０を介して受信したバッテリセル１２についてのデータを使用し、バッテリ１０の充放電を制御する。

第１絶縁回路３０の最大耐圧（tolerance voltage）は、バッテリ・システム１０１の構成によって決定される。本実施形態では、前述のように、第２ ＡＦＥ ２２は、低電位から高電位に、集めたデータを順次に伝送する。基準になるバッテリセル１２と電気的に連結されたメイン第２ ＡＦＥ ２５は、第１絶縁回路３０と連結されてデータを送受信する。本実施形態で、第１絶縁回路３０には、３個の測定部２０に対応するバッテリ・モジュール１１の電位差に該当する電圧がかかり、従って第１絶縁回路３０は、バッテリ・システム１０１の総電圧の電圧レベルに耐える。例えば、１つのバッテリセル１２が約４Ｖであり、１つのバッテリ・モジュール１１に、１０個のバッテリセル１２が直列に連結される場合、それぞれのバッテリ・モジュール１１は、４０Ｖを有する。３個のバッテリ・モジュール１１が存在し、各バッテリ・モジュール１１は、第１測定部２０の下に位置するので、本実施形態による第１絶縁回路３０は、約３６０Ｖレベルの耐圧を有すればよい。

前述のように、メイン第２ ＡＦＥ ２５、または第１絶縁回路３０のグラウンド電位は、最初の測定部２０のメイン第１ ＡＦＥ ２３と連結されたバッテリ・モジュール１１に含まれた複数のバッテリセル１２のうち、最も下に位置したバッテリセル１２の負極の電位となる。メイン第２ ＡＦＥ ２５および第１絶縁回路３０にかかる電圧は、最初の測定部２０が担当するバッテリ・モジュール１１の総電圧である１２０Ｖ（４０Ｖｘ３）と、最初の測定部２０の下に位置した残りの測定部２０が担当するバッテリ・モジュール１１の総電圧である−３６０Ｖ（−１２０Ｖｘ３）とである。従って、メイン第２ ＡＦＥ ２５や第１絶縁回路３０は、約３６０Ｖの電圧に耐える。

以下、あらゆる例示では、各バッテリセル１２の出力電圧を約４Ｖとし、各バッテリ・モジュール１１の出力電圧を約４０Ｖとする。しかし、本発明は、これに限定されるものではなく、バッテリセル１２及びバッテリ・モジュール１１の出力電圧は、変更されてもよい。

他の実施形態として、最も低い電位に位置した測定部２０、すなわち、メイン第２ ＡＦＥ ２５を含む最も下に位置した測定部２０に含まれる第２ ＡＦＥ ２２へ、獲得したデータが伝送される。第１絶縁回路３０のグラウンド電位は、最も下に位置したバッテリセル１２の負極の電位である。従って、もし第１絶縁回路３０が最も低い電位の第２ ＡＦＥ ２２からデータを受信すれば、第１絶縁回路３０は、４個の測定部２０が担当するバッテリ・モジュール１１の電位差に該当する電圧に耐えらねばならない。すなわち、第１絶縁回路３０は、約４８０Ｖ以上の耐圧を有せねばならない。しかし、ある素子または回路で要求される耐圧が高いほど、その素子または回路を製造し難く、かつコストが上昇する。また、素子や回路の製造コストの上昇量は、素子や回路で要求される耐圧の増加量に比例するものではなく、要求される耐圧が上昇することによって、製造コストが幾何級数的に増える。

前記のように、本実施形態によるバッテリ・システム１０１によれば、バッテリセル１２から獲得したデータを、プロセッサ４０に伝送するにあたり、絶縁回路と連結されるメイン第２ ＡＦＥ ２５を、最上端の第１ ＡＦＥ ２１や最下端の第１ ＡＦＥ ２１に電気的に連結させないので、絶縁回路などの最大素子耐圧を低減する。

図２は、他の実施形態によるバッテリ・システム１０２を示す図面である。図２を参照すれば、バッテリ・システム１０２は、バッテリ１０、複数の測定部２０、第１絶縁回路３０及びプロセッサ４０を含む。本実施形態によるバッテリ・システム１０２は、図１のバッテリ・システム１０１と各構成の機能が類似している。

それぞれの第２ ＡＦＥ ２２は、複数の第１ ＡＦＥ ２１が獲得したデータを、メイン第１ ＡＦＥ ２３から受信する。また、それぞれの第２ ＡＦＥ ２２は、他の第２ ＡＦＥ ２２で集めたデータを受信し、他の第２ ＡＦＥ ２２で受信したデータを、さらにその他の第２ ＡＦＥ ２２に伝送することができる。

複数の測定部２０が直列に連結されている本実施形態によるバッテリ・システム１０２で、メイン第２ ＡＦＥ ２５は、複数の直列に連結された測定部２０のうち、高電位側から二番目に位置した測定部２０に含まれた第２ ＡＦＥ ２２である。従って、二番目の測定部に含まれた最後の第１ ＡＦＥ ２１と電気的に連結されたバッテリセル１２の負極が、基準（グラウンド）レベルになる。従って、最も高い電位の測定部２０に含まれた第２ ＡＦＥ ２２は、メイン第２ ＡＦＥ ２５に、集めたデータを伝送する。また、メイン第２ ＡＦＥ ２５より低い電位の測定部２０に含まれた第２ ＡＦＥ ２２は、低電位から高電位に、集めたデータを伝送する。

前述のように、第１絶縁回路３０は、バッテリ・システム１０２の構成によって、要求される最大耐圧が決定される。本実施形態では、高電位側から二番目に位置した測定部２０の第２ ＡＦＥ ２２であるメイン第２ ＡＦＥ ２５が、第１絶縁回路３０と連結されてデータを送受信する。データを伝送するメイン第２ ＡＦＥ ２５の位置上、第１絶縁回路３０には、２個の測定部２０が担当するバッテリ・モジュール１１の電位差に該当する電圧がかかり、従って、第１絶縁回路３０は、前記２個の測定部２０の電圧と同じレベルの最大要求耐圧を有する。例えば、本実施形態による第１絶縁回路３０は、約２４０Ｖレベルの最大要求耐圧を有すればよい。

前記の通りに、本実施形態によるバッテリ・システム１０２によれば、バッテリセル１２から獲得したデータを、プロセッサ４０に伝送するにあたり、第１絶縁回路３０にデータを伝送するメイン第２ ＡＦＥ ２５として、中間電位に位置した第２ ＡＦＥ ２２を使用することにより、第１絶縁回路３０の最大要求耐圧を下げるのである。

図３は、他の実施形態によるバッテリ・システム１０３を示す図面である。図３を参照すれば、バッテリ・システム１０３は、バッテリ１０、複数の測定部２０、第１絶縁回路３０及びプロセッサ４０を含む。本実施形態によるバッテリ・システム１０３は、図１のバッテリ・システム１０１と各構成の機能が類似している。

それぞれの第２ ＡＦＥ ２２は、複数の第１ ＡＦＥ ２１が獲得したデータをメイン第１ ＡＦＥ ２３から受信する。また、それぞれの第２ ＡＦＥ ２２は、他の第２ ＡＦＥ ２２で集めたデータを受信し、他の第２ ＡＦＥ ２２で受信したデータを、さらにその他の第２ ＡＦＥ ２２に伝送することができる。

このとき、複数の測定部２０が直列に連結されている本実施形態によるバッテリ・システム１０３で、メイン第２ ＡＦＥ ２５は、低電位側から二番目に位置した測定部２０に含まれた第２ ＡＦＥ ２２である。従って、最も低い電位の第２ ＡＦＥ ２２は、集めたデータをメイン第２ ＡＦＥ ２５に伝送する。また、メイン第２ ＡＦＥ ２５より高い電位の第２ ＡＦＥ ２２は、高電位から低電位に集めたデータを順次に伝送する。メイン第２ ＡＦＥ ２５が、基準レベル（グラウンド）になる。

前述のように、第１絶縁回路３０は、バッテリ・システム１０３の構成によって、要求される最大耐圧が決定される。本実施形態では、低電位側から二番目に位置した測定部２０に含まれたメイン第２ ＡＦＥ ２５が、第１絶縁回路３０と連結されてデータを送受信する。データを伝送するメイン第２ ＡＦＥ ２５の位置上、第１絶縁回路３０には、最大３個の測定部２０が担当するバッテリ・モジュール１１の電位差に該当する電圧がかかり、従って、第１絶縁回路３０は、前記３個の測定部２０の電圧と同じレベルの最大要求耐圧を有する。例えば、本実施形態による第１絶縁回路３０は、約３６０Ｖレベルの最大要求耐圧を有すればよい。

前記の通りに、本実施形態によるバッテリ・システム１０３によれば、バッテリセル１２から獲得したデータを、プロセッサ４０に伝送するにあたり、第１絶縁回路３０にデータを伝送するメイン第２ ＡＦＥ ２５として、中間電位に位置した第２ ＡＦＥ ２２を使用することにより、第１絶縁回路３０の最大要求耐圧を下げるのである。

図４は、一実施形態によるバッテリ・システム１０１ないし１０３の制御方法を示すフローチャートである。図４を参照すれば、複数の第１ ＡＦＥ ２１ごとに連結されたバッテリ・モジュール１１に含まれたバッテリセル１２のデータを獲得する（Ｓ１０）。複数の第１ ＡＦＥ ２１のそれぞれは、同じ測定部２０に含まれたメイン第１ ＡＦＥ ２３に、獲得したデータを伝送する（Ｓ１１）。

データを受信し、データを獲得したメイン第１ ＡＦＥ ２３は、集めたデータを対応する第２ ＡＦＥ ２２に伝送する（Ｓ１２）。そして、データを受信した第２ ＡＦＥ ２２のそれぞれは、受信したデータを、メイン第２ ＡＦＥ ２５に伝送する（Ｓ１３）。メイン第２ ＡＦＥ ２５は、最も低い電位の測定部２０に含まれた第２ ＡＦＥ ２２以外の第２ ＡＦＥ ２２でありうる。メイン第２ ＡＦＥ ２５は、受信した情報を第１絶縁回路３０に伝送し（Ｓ１４）、第１絶縁回路３０は、受信した情報をプロセッサ４０に伝送する（Ｓ１５）。他の実施形態として、前記段階は、既設定の周波数、またはプロセッサ４０によって決定された時間で反復されてもよい。

前記の通りに、バッテリ・システム１０１ないし１０３によれば、バッテリセル１２から獲得したデータを、プロセッサ４０に伝送するにあたり、第１絶縁回路３０にデータを伝送するメイン第２ ＡＦＥ ２５の位置を適切に選択することにより、第１絶縁回路３０の最大要求耐圧を下げるのである。

図１ないし図４では、各測定部２０に含まれた第２ ＡＦＥ ２２が、複数の第１ ＡＦＥ ２１のうち、最も低い電位のメイン第１ ＡＦＥ ２３からデータを受信すると説明したが、これに限定されるものではない。すなわち、それぞれの測定部２０に含まれた第２ ＡＦＥ ２２は、例えば、最も高い電位あるいは他の電位の第１ ＡＦＥ ２１からデータを受信することも可能である。

また、第２ ＡＦＥ ２２が連結される第１ ＡＦＥ ２１の位置が、測定部２０ごとに異なって設定されもする。例えば、最も上に位置した測定部２０は、最も下に位置した第１ ＡＦＥ ２１をメイン第１ ＡＦＥ ２３とし、残りの測定部２０は、最も上に位置した第１ ＡＦＥ ２１を、メイン第１ ＡＦＥ ２３とすることもできるのである。

図１の実施形態の場合、最も上に位置した測定部２０が、最も上に位置した第１ ＡＦＥ ２１を、メイン第１ ＡＦＥ ２３とした場合、第１絶縁回路３０の最大要求耐圧を下げることができなくなる。従って、図１の実施形態の場合、最も上に位置した第１ ＡＦＥ ２１を除外した第１ ＡＦＥ ２１をメイン第１ ＡＦＥ ２３として使用せねばならない。

また、図示されてはいないが、最も下に位置した測定部２０で、最も下に位置した第１ ＡＦＥ ２１以外の第１ ＡＦＥ ２１が、メイン第１ ＡＦＥ ２３として設定された場合であるならば、第１絶縁回路３０が最も下に位置した測定部２０に含まれた第２ ＡＦＥ ２２からデータを受信することもできるのである。

図５は、他の実施形態によるバッテリ・システム１０４を示す図面である。図５を参照すれば、バッテリ・システム１０４は、バッテリ１０、複数の測定部２０、第１絶縁回路３０、プロセッサ４０及び複数の第２絶縁回路６０を含む。本実施形態によるバッテリ・システム１０４は、図１のバッテリ・システム１０１と各構成の機能が実質的に同一である。

第２ ＡＦＥ ２２は、複数の第１ ＡＦＥ ２１が獲得したデータを、メイン第１ ＡＦＥ ２３から受信する。また、第２ ＡＦＥ ２２は、他の第２ ＡＦＥ ２２で集めたデータを受信し、および、他の第２ ＡＦＥ ２２で受信したデータ、および自分自身が含まれた測定部２０の第１ ＡＦＥ ２１から集めたデータを、さらにその他の第２ ＡＦＥ ２２に伝送する。

さらに、本実施形態によるバッテリ・システム１０４で、複数の第２ ＡＦＥ ２２間でのデータの送信及び受信は、第２絶縁回路６０を介してなされる。すなわち、第２絶縁回路６０は、第２ ＡＦＥ ２２間のデータ伝送経路を提供する。第２絶縁回路６０は、測定部２０間のグラウンドを分離して絶縁する。第２絶縁回路６０としては、例えば、レベルシフト回路、光アイソレータなど多様な回路が使われてもよい。

第１絶縁回路３０及び第２絶縁回路６０は、バッテリ・システム１０４の構成によって、要求される最大耐圧が決定される。本実施形態では、第２ ＡＦＥ ２２間では、第２絶縁回路６０を介してデータを伝送するので、それぞれの第２絶縁回路６０が、約１２０Ｖの最大要求耐圧を有することができる。また、メイン第２ ＡＦＥ ２５が、第２絶縁回路６０を介して、他の複数の第２ ＡＦＥ ２２からデータを受信するので、第１絶縁回路３０もまた、約１２０Ｖの最大要求耐圧を有することができる。

本実施形態によるバッテリ・システム１０４によれば、バッテリセル１２から獲得したデータを、プロセッサ４０に伝送するにあたり、第２ ＡＦＥ ２２間で、第２絶縁回路６０を介して獲得したデータを伝送するように構成し、第１絶縁回路３０及び第２絶縁回路６０の最大要求耐圧を下げるのである。また前述のように、素子や回路の製造コストは、素子や回路で要求される最大耐圧の増加量に比例するものではなく、要求される最大耐圧が上昇することによって、製造コストが幾何級数的に増える。従って、本実施形態によるバッテリ・システム１０４によれば、絶縁回路の個数が増加するにもかかわらず、製造コストを低減させる。

図６及び図７は、他の実施形態によるバッテリ・システム１０５，１０６を示す図面である。図６及び図７を参照すれば、バッテリ・システム１０５，１０６は、図５のバッテリ・システム１０４と比較し、第１絶縁回路３０が連結されるメイン第２ ＡＦＥ ２５を変更した点で違いがある。それ以外には、バッテリ・システム１０５，１０６は、図５のバッテリ・システム１０４と各構成の機能が類似している。

図８は、他の実施形態によるバッテリ・システム１０４ないし１０６の制御方法を示すフローチャートである。図８を参照すれば、複数の第１ ＡＦＥ ２１ごとに連結されたバッテリ・モジュール１１に含まれたバッテリセル１２のデータを獲得する（Ｓ２０）。複数の第１ ＡＦＥ ２１は、それぞれ測定部２０に含まれたメイン第１ ＡＦＥ ２３に、獲得したデータを伝送する（Ｓ２１）。

データを受信し、データを集めたメイン第１ ＡＦＥ ２３は、受信して集めたデータを、対応する第２ ＡＦＥ ２２に伝送する（Ｓ２２）。そして、データを受信した第２ ＡＦＥ ２２は、受信したデータを、第２絶縁回路６０を介して、メイン第２ ＡＦＥ ２５に伝送する（Ｓ２３）。メイン第２ ＡＦＥ ２５は、最も低い電位の測定部２０以外の測定部２０に含まれた第２ ＡＦＥ ２２でありうる。

メイン第２ ＡＦＥ ２５は、受信した情報を、第１絶縁回路３０を介して、プロセッサ４０に伝送する（Ｓ２４）。前記のように、本実施形態によるバッテリ・システム１０４ないし１０６によれば、バッテリセル１２から獲得したデータを、プロセッサ４０に伝送するにあたり、第２ ＡＦＥ ２２間で、第２絶縁回路６０を介してデータを伝送するように構成することによって、第１絶縁回路３０及び第２絶縁回路６０の最大要求耐圧を下げるのである。また、前述のように、素子や回路の製造コストの上昇量は、素子や回路の最大要求耐圧の増加量に比例するものではなく、要求される最大耐圧が上昇することによって、製造コストが幾何級数的に増える。従って、本実施形態によるバッテリ・システム１０４ないし１０６によれば、絶縁回路の個数が増加するにもかかわらず、製造コストを下げるのである。

一方、図５ないし図８では、各測定部２０に含まれた第２ ＡＦＥ ２２が、複数の第１ ＡＦＥ ２１のうち、最も低い電位のメイン第１ ＡＦＥ ２３からデータを受信すると説明しているが、それに限定されるものではない。すなわち、それぞれの測定部２０に含まれた第２ ＡＦＥ ２２は、例えば、最も高い電位あるいは他の電位に位置した第１ ＡＦＥ ２１からデータを受信することもできるのである。

また、第２ ＡＦＥ ２２が連結される第１ ＡＦＥ ２１の位置が、測定部２０ごとに異なって設定されもする。すなわち、例えば、最も上に位置した測定部２０は、最も下に位置した第１ ＡＦＥ ２１を、メイン第１ ＡＦＥ ２３として使用し、残りの測定部２０は、最も上に位置した第１ ＡＦＥ ２１を、メイン第１ ＡＦＥ ２３として使用することもできるのである。

また、図示されてはいないが、図５ないし図８の実施形態の場合、それぞれの測定部２０間に、第２絶縁回路６０が備わるので、最も下に位置した測定部２０に含まれた第２ ＡＦＥ ２２からデータを受信することもできるのである。

図９は、一実施形態による電力保存システム１を示す図面である。図９を参照すれば、本実施形態による電力保存システム１は、発電システム２及び系統３からの電力を負荷４に供給する。

発電システム２は、エネルギー源を利用し、電力を生産するシステムである。発電システム２は、生産した電力を電力保存システム１に供給する。発電システム２は、例えば、太陽光発電システム、風力発電システム、潮力発電システムなどであってもよい。しかし、それらは例示的なものであり、発電システム２は、前述の種類に限定されるものではない。発電システム２は、太陽熱や地熱など新再生エネルギーを利用して電力を生産するいずれの発電システムも含むことができる。

系統３は、発電所、変電所、送電線などを具備する。系統３は、正常状態である場合、電力保存システム１に電力を供給し、負荷４及び／またはバッテリ１０に電力を供給する。系統３が非正常状態である場合、系統３から電力保存システム１への電力供給は中断され、電力保存システム１から系統３への電力供給もまた中断される。

負荷４は、発電システム２で生産された電力、バッテリ１０に保存された電力、または系統３から供給された電力を消費する。家庭や工場などが負荷４の一例である。

電力保存システム１は、発電システム２で生産した電力をバッテリ１０に保存し、生産した電力を系統３に供給することができる。また、電力保存システム１は、バッテリ１０に保存された電力を系統３に供給したり、系統３から供給された電力を、バッテリ１０に保存することができる。また、電力保存システム１は、系統３が非正常状態である場合、例えば、停電が発生した場合には、ＵＰＳ（uninterruptible power supply）動作を遂行し、負荷４に電力を供給することができる。また、電力保存システム１は、系統３が正常である状態でも、発電システム２が生産した電力や、バッテリ１０に保存されている電力を負荷４に供給することができる。

電力保存システム１は、電力変換を制御する電力制御部（ＰＣＳ：power control system）２００、バッテリ管理部（ＢＭＳ：battery management system）７０及びバッテリ１０を含む。

ＰＣＳ ２００は、発電システム２、系統３、バッテリ１０の電力を適切な電力に変換し、変換された電力を必要なところに供給する。本実施形態で、ＰＣＳ ２００は、電力変換部２１０、ＤＣ（direct current）リンク部２２０、インバータ２３０、コンバータ２４０、第１スイッチ２５０、第２スイッチ２６０及び統合制御器２７０を含む。しかし、他の形態のＰＣＳが使われもするのである。

電力変換部２１０は、発電システム２と、ＤＣリンク部２２０との間に連結される。電力変換部２１０は、発電システム２で生産した電力をＤＣリンク部２２０に伝達し、出力電圧を、ＤＣリンク電圧に変換する。特に、発電システム２が、太陽光で電力を生産する場合、電力変換部２１０は、日射量、温度などの変化によって、発電システム２で生産する電力を最大に得ることができるように、最大電力ポイント追跡（ＭＰＰＴ：maximum power point tracking）制御を行うＭＰＰＴコンバータを含んでもよい。

ＤＣリンク電圧は、発電システム２または系統３での瞬時電圧降下、負荷４でのピーク負荷発生などにより、不安定になる場合がある。しかし、ＤＣリンク電圧は、コンバータ２４０及びインバータ２３０の正常動作のために、安定化される必要がある。ＤＣリンク部２２０は、ＤＣリンク電圧の安定化のために、例えば、大容量キャパシタなどを具備することができ、ＤＣリンク部２２０は、電力変換部２１０とインバータ２３０との間に連結され、ＤＣリンク電圧を維持させる。

インバータ２３０は、ＤＣリンク部２２０と第１スイッチ２５０との間に連結される電力変換器である。インバータ２３０は、放電モードで、発電システム２及び／またはバッテリ１０から出力されたＤＣリンク電圧を、系統３の交流（ＡＣ）電圧に変換して出力するインバータを含んでもよい。また、インバータ２３０は、充電モードで、系統３の電力をバッテリ１０に保存するために、系統３の交流電圧を整流し、ＤＣリンク電圧に変換して出力する整流回路を含んでもよい。インバータ２３０は、双方向インバータであり、または複数のインバータ回路を含んでもよい。

インバータ２３０は、系統３に出力される交流電圧から高調波を除去するためのフィルタを含んでもよい。また、インバータ２３０は、無効電力の発生を抑制するために、インバータ２３０から出力される交流電圧の位相と、系統３の交流電圧の位相とを同期化させるための位相同期ループ（ＰＬＬ）回路を含んでもよい。それ以外に、インバータ２３０は、電圧変動範囲制限、力率改善、直流成分除去、過度現象（transient phenomena）保護のような機能を行うことができる。

コンバータ２４０は、ＤＣリンク部２２０とバッテリ１０との間に連結される電力変換器である。コンバータ２４０は、放電モードで、バッテリ１０に保存された電力を、インバータ２３０で要求する電圧レベル、すなわち、ＤＣリンク電圧に、ＤＣ−ＤＣ変換して出力するコンバータを含む。また、コンバータ２４０は、充電モードで、電力変換部２１０から出力される電力や、インバータ２３０から出力される電力の電圧を、バッテリ１０で要求する電圧レベル、すなわち、充電電圧にＤＣ−ＤＣ変換するコンバータを含む。コンバータ２４０は、双方向コンバータであり、または複数のコンバータ回路を含んでもよい。

第１スイッチ２５０及び第２スイッチ２６０は、インバータ２３０と系統３との間に直列に連結され、統合制御器２７０の制御によって、オン／オフ動作を遂行し、発電システム２と系統３との間の電流フローを制御する。第１スイッチ２５０と第２スイッチ２６０は、発電システム２、系統３及びバッテリ１０の状態によって、オン／オフが決定される。例えば、負荷４で要求される電力量が大きい場合、第１スイッチ２５０及び第２スイッチ２６０をいずれもオン状態にし、発電システム２、系統３、バッテリ１０の電力を、負荷４に供給する。一方、系統３で停電が発生した場合、第２スイッチ２６０をオフ状態にし、第１スイッチ２５０をオン状態とする。これにより、発電システム２またはバッテリ１０からの電力を負荷４に供給でき、負荷４に供給される電力が系統３に流れる、いわば単独運転を防止し、系統３の電力線などで作業する作業者が感電する事故を防止することができる。

統合制御器２７０は、発電システム２、系統３、バッテリ１０及び負荷４の状態をモニタリングし、モニタリング結果によって、電力変換部２１０、インバータ２３０、コンバータ２４０、第１スイッチ２５０、第２スイッチ２６０及びＢＭＳ ７０を制御する。統合制御器２７０がモニタリングする事項は、系統３に停電が発生しているか否か、発電システム２で電力が生産されているか否かということを含むことができる。また、統合制御器２７０は、発電システム２の電力生産量、バッテリ１０の充電状態、負荷４の電力消費量、時間などをモニタリングすることができる。

ＢＭＳ ７０は、バッテリ１０に連結され、統合制御器２７０の制御により、バッテリ１０の充放電動作を制御する。ＢＭＳ ７０は、バッテリ１０を保護するために、過充電保護機能、過放電保護機能、過電流保護機能、過電圧保護機能、過熱保護機能、セルバランシング（cell balancing）機能などを行うことができる。このために、ＢＭＳ ７０は、バッテリ１０の電圧、電流、温度、残余電力量、寿命、充電状態などをモニタリングし、モニタリング結果を統合制御器２７０に伝送することができる。

バッテリ１０は、発電システム２で生産された電力、または系統３の電力を保存し、負荷４または系統３に保存した電力を供給する。バッテリ１０は、電力保存システム１で要求される電力容量、設計条件などによって、個数を決定することができる。例えば、負荷４の消費電力が大きい場合には、複数のバッテリ１０を具備することができ、負荷４の消費電力が小さい場合には、１つのバッテリ１０だけを具備することもできるのである。

一方、バッテリ１０及びＢＭＳ ７０を含むバッテリ・システム１００には、図１ないし図３、及び図５ないし図７で説明したバッテリ・システム１０１ないし１０６が使われてもよい。ＢＭＳ ７０は、複数の測定部２０、第１絶縁回路３０、第２絶縁回路６０、プロセッサ４０などを含むことができる。

前記のように、本実施形態による電力保存システム１では、バッテリ・システム１００に含まれる第１絶縁回路３０及び／または第２絶縁回路６０の最大要求耐圧を下げることができ、これにより、電力保存システム１の設置コストを低減できる。

本発明は、図面に図示された実施形態を参考にして説明したが、それらは例示的なものに過ぎず、当技術分野の当業者であるならば、それらから多様な変形形態及び均等形態が可能であるという点を理解することができるであろう。従って、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲の技術的思想によって決まるものである。

本発明のバッテリ・システム及びこれを含むエネルギー保存システムは、例えば、電力保存関連の技術分野に効果的に適用可能である。

１ 電力保存システム
２ 発電システム
３ 系統
４ 負荷
１０ バッテリ
１１ バッテリ・モジュール
１２ バッテリセル
２０ 測定部
２１ 第１ ＡＦＥ
２２ 第２ ＡＦＥ
２３ メイン第１ ＡＦＥ
２５ メイン第２ ＡＦＥ
３０ 第１絶縁回路
４０ プロセッサ
５０ 正極端子
５１ 負極端子
６０ 第２絶縁回路
７０ ＢＭＳ
１００〜１０６ バッテリ・システム
２００ 電力制御部
２１０ 電力変換部
２２０ ＤＣリンク部
２３０ インバータ
２４０ コンバータ
２５０ 第１スイッチ
２６０ 第２スイッチ
２７０ 統合制御器

Claims (19)

1. 複数のバッテリ・モジュールを含むバッテリ・パックであって、前記バッテリ・モジュールのそれぞれが、少なくとも１つのバッテリセルを含む前記バッテリ・パックと、
   前記バッテリ・モジュールのうち、少なくとも２つのバッテリ・モジュールと連結され、前記少なくとも２つのバッテリ・モジュールの少なくとも１つの特性をモニタリングする少なくとも２つの第１制御回路をそれぞれ含む複数の測定部と、を含み、
   それぞれの前記第１制御回路は、絶縁回路を介して伝送された情報に基づいて、前記バッテリ・パックを制御するプロセッサに、モニタリングされた特性と関連した前記情報を伝送し、
   前記絶縁回路は、前記伝送された情報を制御回路から受信するが、前記制御回路は、最も低い電位を有するバッテリ・モジュールまたは最も高い電位を有するバッテリ・モジュールに連結されていないことを特徴とするバッテリ・システム。
2. プロセッサと、
   前記プロセッサと通信する絶縁回路と、
   複数のバッテリ・モジュールを含むバッテリ・パックであって、前記バッテリ・モジュールのそれぞれが、少なくとも１つのバッテリセルを含む前記バッテリ・パックと、
   前記バッテリ・モジュールのうち２つ以上のバッテリ・モジュールと連結される複数の測定部であって、前記連結されたバッテリ・モジュールの少なくとも１つの特性をモニタリングする複数の第１制御回路をそれぞれの前記測定部が含み、それぞれの前記第１制御回路は、前記絶縁回路を介して、前記モニタリングされた特性を示す情報を、前記プロセッサに伝送する前記複数の測定部と、を含み、
   前記プロセッサは、前記バッテリ特性情報に基づいて、前記バッテリ・パックを制御し、前記絶縁回路は、前記第１制御回路のうちいずれか一つから、前記バッテリ特性情報を受信するが、前記第１制御回路は、最も低いか、あるいは最も高い電位を有するバッテリ・モジュールのうちいずれか一つと連結されていないことを特徴とするバッテリ・システム。
3. 各測定部は、
   前記測定部に連結された前記バッテリ・モジュールのうち最初のバッテリ・モジュールの特性をモニタリングする特定第１制御回路と、
   前記測定部に連結された前記バッテリ・モジュールのうち二番目のバッテリ・モジュールの特性をモニタリングする他の特定第１制御回路と、を含み、
   前記特定第１制御回路は、前記最初のバッテリ・モジュールのモニタリングされた特性に関連した情報を、前記他の特定第１制御回路に伝送することを特徴とする請求項２に記載のバッテリ・システム。
4. 前記測定部それぞれに含まれた前記他の特定第１制御回路は、前記絶縁回路を介して、前記プロセッサに前記情報を伝送することを特徴とする請求項３に記載のバッテリ・システム。
5. 各測定部は、前記他の特定第１制御回路と連結される第２制御回路をさらに含み、
   前記第２制御回路は、他の測定部の第２制御回路と連結され、
   各測定部の前記第２制御回路は、前記最初及び二番目のバッテリ・モジュールの前記モニタリングされた特性を示す情報をプロセッサに伝送することを特徴とする請求項３に記載のバッテリ・システム。
6. 各測定部の前記他の特定第１制御回路は、前記最初及び二番目のバッテリ・モジュールの前記モニタリングされた特性を示す情報を、前記第２制御回路に伝送することを特徴とする請求項５に記載のバッテリ・システム。
7. 各測定部の前記第２制御回路は、前記絶縁回路を介して、前記プロセッサに前記情報を伝送することを特徴とする請求項６に記載のバッテリ・システム。
8. 前記測定部の前記第２制御回路は、第１測定部の前記他の特定第１制御回路から情報を受信する特定第２制御回路が、第２測定部の第２制御回路に、前記第１測定部の情報を伝送するように連結されることを特徴とする請求項５に記載のバッテリ・システム。
9. 前記第２測定部の前記第２制御回路は、前記第１測定部及び第２測定部の前記情報を、前記プロセッサに伝送することを特徴とする請求項８に記載のバッテリ・システム。
10. 前記測定部の前記第２制御回路は、第２絶縁回路を介して、前記情報を互いに伝送することを特徴とする請求項８に記載のバッテリ・システム。
11. 前記測定部の前記第２制御回路は、前記第２測定部の前記第２制御回路が、第３測定部の前記第２制御回路から情報をさらに受信するように連結されることを特徴とする請求項８に記載のバッテリ・システム。
12. 前記第２測定部は、前記第１測定部及び第２測定部の第２制御回路から、前記情報を受信するデータ経路と異なるデータ経路を介して、前記第３測定部の第２制御回路から、前記情報を受信することを特徴とする請求項１１に記載のバッテリ・システム。
13. それぞれのバッテリ・モジュールは、直列に連結された複数のバッテリセルを含むことを特徴とする請求項２に記載のバッテリ・システム。
14. 前記他の特定第１制御回路は、前記バッテリ・モジュールの最も低い電圧のバッテリ・モジュールに連結されることを特徴とする請求項３に記載のバッテリ・システム。
15. 負荷及び電源に連結される電力変換システムと、
    前記電力変換システムに連結されるバッテリ管理部と、
    前記バッテリ管理部に連結されるバッテリ・システムと、を含み、
    前記バッテリ・システムは、
    プロセッサと、
    前記プロセッサと通信する絶縁回路と、
    複数のバッテリ・モジュールを含むバッテリ・パックであって、前記バッテリ・モジュールのそれぞれが、少なくとも１つのバッテリセルを含む前記バッテリ・パックと、
    前記バッテリ・モジュールのうち一つ以上のバッテリ・モジュールと連結される複数の測定部であって、前記連結されたバッテリ・モジュールの少なくとも１つの特性をモニタリングする複数の第１制御回路をそれぞれの前記測定部が含み、それぞれの前記第１制御回路は、前記絶縁回路を介して、前記モニタリングされた特性を示す情報を、前記プロセッサに伝送する前記複数の測定部と、を含み、
    前記プロセッサは、前記バッテリ特性情報に基づいて、前記バッテリ・パックを制御し、前記絶縁回路は、前記第１制御回路のうちいずれか一つから、前記バッテリ特性情報を受信するが、前記第１制御回路は、最も低いか、あるいは最も高い電位を有するバッテリ・モジュールのうちいずれか一つと連結されていないことを特徴とするエネルギー保存システム。
16. 各測定部は、
    前記測定部に連結された前記バッテリ・モジュールのうち最初のバッテリ・モジュールの特性をモニタリングする特定第１制御回路と、
    前記測定部に連結された前記バッテリ・モジュールのうち二番目のバッテリ・モジュールの特性をモニタリングする他の特定第１制御回路と、を含み、
    前記特定第１制御回路は、前記最初のバッテリ・モジュールのモニタリングされた特性に関連した情報を、前記他の特定第１制御回路に伝送することを特徴とする請求項１５に記載のエネルギー保存システム。
17. 前記測定部のそれぞれに含まれた前記他の特定第１制御回路は、前記絶縁回路を介して、前記プロセッサに前記情報を伝送することを特徴とする請求項１６に記載のエネルギー保存システム。
18. 各測定部は、前記他の特定第１制御回路と連結される第２制御回路をさらに含み、
    前記第２制御回路は、他の測定部の第２制御回路と連結され、
    各測定部の前記第２制御回路は、前記最初及び二番目のバッテリ・モジュールの前記モニタリングされた特性を示す情報をプロセッサに伝送することを特徴とする請求項１６に記載のエネルギー保存システム。
19. 各測定部の前記他の特定第１制御回路は、前記最初及び二番目のバッテリ・モジュールの前記モニタリングされた特性を示す情報を、前記第２制御回路に伝送することを特徴とする請求項１８に記載のエネルギー保存システム。

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