JP2016096623A - 無線電池システム並びにこれに用いるセルコントローラ及びバッテリコントローラ - Google Patents

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Abstract

【課題】セルコントローラにおいて無線の送受信及び電池状態の計測を間欠的に行い、セルコントローラの消費電力を低減する。
【解決手段】本発明の無線電池システムは、バッテリコントローラと、複数のセルコントローラと、を備え、これらが時分割で複数の通信スロットにより通信するものであって、バッテリコントローラは、複数の通信スロットのそれぞれの先頭でデータを送信し、それぞれのセルコントローラは、予め設定した1つ又は複数の通信スロットで電池状態を計測すると共に、それぞれのセルコントローラに予め設定したそれぞれのセルコントローラの通信スロットでデータ送信をするように構成され、通常動作をする送受信モードと低消費電力になるスリープモードとの間で切り替え可能としている。
【選択図】図3

Description

本発明は、無線電池システム並びにこれに用いるセルコントローラ及びバッテリコントローラに関する。
現在、地球環境問題が大きくクローズアップされる中、地球温暖化防止の為に、あらゆる場面で炭酸ガスの排出削減が求められており、炭酸ガスの大きな排出源となっているガソリンエンジンの自動車については、ハイブリッド電気自動車や電気自動車などへの代替が始まっている。
ハイブリッド電気自動車や電気自動車の動力用電源に代表される大型二次電池は、高出力、大容量であることが必要である為、それを構成する蓄電池モジュール内は、複数の電池(以降、「セル」という。)を直並列接続して構成される。
また、二次電池であるリチウムイオン電池は、高電圧充電の防止や過放電による性能低下の防止などの適切な二次電池の使いこなしが必要となる。この為、ハイブリッド電気自動車や電気自動車に搭載される蓄電池モジュールは、電池の状態である電圧、電流、温度などを検出する機能を持っている。
図1は、ハイブリッド電気自動車や電気自動車に搭載される蓄電池モジュールの構成を示したものである。
本図に示すように、蓄電池モジュール500は、インバータ560を介してモータ570に接続されている。また、インバータ560に接続される配線には、リレーボックス550が設けられている。蓄電池モジュール500は、複数のセル510と、セルコントローラ520(以降、「CC」ともいう。)と、バッテリコントローラ530(以降、「BC」ともいう。)と、を含む構成である。バッテリコントローラ530とインバータ560との間には、両者と通信可能なハイブリッドコントローラ540が設けられている。
複数のセル510はCCと接続され、CCは、複数のセル510の状態を計測する。また、複数のCCはBCに接続され、BCは、複数のCCから複数のセル510の状態を取得する。さらに、BCは、取得した複数のセル510の状態から充電状態(SOC:State of Charge)や電池劣化状態(SOH:State of Health)を演算し、上位のコントローラなどに演算結果を通知する。
本図においては、BCとCCとは有線通信であるが、特許文献1では、CCとBC間を有線から無線にして、配線コストや高電圧対策の為の絶縁コスト及び組立てコストを低減できるとある。
特許文献2には、ラウンドを構成する複数のタイムスロットそれぞれにおいて1の情報取得対象となるRFタグとの通信処理を実行するスロットアロハ方式を用いてRFタグに対する通信処理を実行するRFタグリーダライタであって、Queryコマンドを受信すると、乱数を生成し、1ラウンド中の複数のスロットのうち、どのスロットで応答するかを決めるものが開示されている。特許文献2に記載のRFタグリーダライタは、スロット番号を認識するため、すべてのQuery−repコマンドを受信するように設定されている。
特開2005−135762号公報 特開2011−166619号公報
従来のセルコントローラは、セル状態を計測する時や無線を送受信する時には動作電力が必要であり、特許文献2には、動作電力はバッテリ(電池)から供給することが記載されている。セルコントローラの動作電力をバッテリから供給するとなると、電池に蓄えられた電力が減少し、インバータなどの負荷への電力供給が減少する。よって、セルコントローラは、可能な限り低消費電力で動作する必要がある。
本発明の目的は、セルコントローラにおいて無線の送受信及び電池状態の計測を間欠的に行い、セルコントローラの消費電力を低減することにある。
本発明の無線電池システムは、バッテリコントローラと、複数のセルコントローラと、を備え、これらが時分割で複数の通信スロットにより通信するものであって、バッテリコントローラは、複数の通信スロットのそれぞれの先頭でデータを送信し、それぞれのセルコントローラは、予め設定した1つ又は複数の通信スロットで電池状態を計測すると共に、それぞれのセルコントローラに予め設定したそれぞれのセルコントローラの通信スロットでデータ送信をするように構成され、通常動作をする送受信モードと低消費電力になるスリープモードとの間で切り替え可能としている。
本発明によれば、セルコントローラにおいて無線の送受信及び電池状態の計測を間欠的に行い、セルコントローラの消費電力を低減することができる。
車載用蓄電池モジュールを示す構成図である。 本発明の無線電池システムを示す構成図である。 本発明の実施の形態1の無線通信を示すタイミングチャートである。 本発明の実施の形態2の無線通信を示すタイミングチャートである。 本発明のセルコントローラ(CC)を示す回路ブロック図である。
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
BCと複数のCCとが時分割で通信する無線プロトコルを有する無線電池システムにおいて、BCは、各通信スロットの先頭で、スロット番号と自分のIDを示すデータとをブロードキャスト送信し、各CCは、予め設定した1つ又は複数の通信スロットでセル状態を計測すると共に、各CCそれぞれに予め設定した通信スロットでデータ送信をする。また、各CCは、予め設定された通信スロットでの送受信及びセル状態の計測以外は低消費電力のスリープモードに入る。
これにより、CCは、間欠的に無線の送受信及び電池状態の計測をすることが可能となり、CCの低消費電力化が可能となる。
なお、本発明は、リチウムイオン二次電池だけでなく、鉛蓄電池等を用いたモジュールにも適用可能である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
(実施の形態1)
図2は、本発明の無線電池システムの基本構成を示したものである。
本図において、無線電池システムは、1つまたは複数のセルから成るセル群10と、セル群10に取り付けられたセルコントローラ100(CC)と、セルコントローラ100と通信可能なバッテリコントローラ200(BC)とから構成されている。セル群10には、セルの状態(電圧、電流、温度など)を計測する1つまたは複数のセンサー20(計測器)が付設されている。
セルコントローラ100は、セルの状態情報を取得し処理する処理部30と、無線回路40と、電波を入出力するアンテナ50とから構成されている。処理部30は、セル群10を電源として動作電圧を生成する電源回路31(計測対象である電池から動作電圧を得る第一の電源回路)と、計測器20によって計測されたアナログ値をデジタルデータに変換するA/D変換回路32(ADC)と、A/D変換回路32によって変換されたデータを無線回路に出力する処理回路33(CPU)と、個体識別情報(固有ID)などを記憶するメモリ34(記憶装置)と、クロック発生器35とから構成されている。
クロック発生器35は、数MHz程度の高速クロックと数十kHz程度の低速クロックとを切替えて発振することができる。また、処理回路33は、無線回路40からのデータに基づき、無線回路40及び処理回路33内の一部の回路のオン/オフ、クロック発生器35のクロック周波数の切り替え、メモリ34へのリード/ライト、バッテリコントローラ200からの指示を実行することができる。
バッテリコントローラ200は、無線回路210と、処理回路220と、電池を含む電源回路230と、メモリ240(記憶装置)と、アンテナ250とから構成されている。電源回路230については、図2では電池を内蔵しているが、外部から電源を供給しても構わない。
通常、バッテリコントローラ200は、一つ以上のセルコントローラ100と通信し、セルコントローラ100が計測するセル状態(電池状態)を取得する。なお、この時のセルコントローラ100とバッテリコントローラ200との間における通信は、後述のように、時分割の無線通信により行われる(図3)。なお、この無線通信方式としては、RFIDシステムにおけるスロットアロハ方式が挙げられる。ここで、RFIDは、Radio Frequency Identificationの略称である。
また、車載用や産業用の蓄電池モジュールのセル数は、予め決まっている。このため、バッテリコントローラ200は、セル数と同じ時分割通信の通信スロット数を設定し、無線通信をする。
セルコントローラ100は、バッテリコントローラ200と通信する前に、通信すべきバッテリコントローラ200のIDと、固有ID又はスロットIDと、通信スロット数とが、メモリ34の中に書き込まれる。そして、この固有ID又はスロットIDに基づき通信スロットを選択し、バッテリコントローラ200と通信する。例えば、スロットIDが10のセルコントローラ100は、通信スロット10(10番目の通信スロット)を選択し、スロットIDが85のセルコントローラ100は、通信スロット85(85番目の通信スロット)を選択する。
図3は、図2のバッテリコントローラ200と複数のセルコントローラ100との通信のタイミングチャートを示したものである。横軸は、時間を示し、縦軸は、それぞれのCCが通常動作をする送受信モードにあるか、低消費電力になるスリープモードであるかを示している。
本図においては、例として、通信スロット数100で100個のセルコントローラ100(CC1〜CC100)と通信している状態を示している。また、CC1〜CC100は、事前に各メモリ34に、通信スロット数として100(100個の通信スロット)が書き込まれ、スロットIDとしてCC1にはスロット1、CC2にはスロット2、…、CC100にはスロット100が書き込まれている。
バッテリコントローラ200は、自分のID(識別情報)を含むスロット1の先頭を示すコマンド(例えば、Queryコマンド)を送信する。この送信は、ブロードキャスト送信が望ましい。また、Queryコマンドには、通信スロット数である100を示すコマンドが含まれていてもよい。
CC1〜CC100は、Queryコマンドを受信する為に、事前に受信状態(送受信モード)となり、Queryコマンドを受信すると、CC1〜CC100それぞれに接続されているセルの状態(例えば、電圧、電流及び温度)を計測し、セル状態を保持する。その後、CC2〜CC100は低消費電力のスリープモードになる。CC1は、セル状態を送信した後、スリープモードになる。
本図においては、代表例であるCC3及びCC100の状態を示している。
一方、バッテリコントローラ200は、CC1からセル状態を受信し、又はQueryコマンドを送信後一定の時間を待ち、その後、自分のIDを含むスロット2の先頭を示すコマンド(例えば、QueryRep2)を送信する。CC2は、QueryRep2コマンドの直前にスリープモードから受信状態となる。そして、QueryRep2コマンドを受信すると、保持しているセル状態を送信した後、スリープモードになる。
バッテリコントローラ200は、CC2からセル状態を受信し、又はQueryRep2コマンドを送信後一定の時間を待ち、その後、自分のIDを含むスロット3の先頭を示すコマンド(例えば、QueryRep3)を送信する。CC3は、QueryRep3コマンドの直前にスリープモードから受信状態となり、QueryRep3コマンドを受信すると、保持しているセル状態を送信した後、スリープモードになる。バッテリコントローラ200は、CC3からセル状態を受信し、又はQueryRep3コマンドを送信後一定の時間を待ち、自分のIDを含むスロット4の先頭を示すコマンド(例えば、QueryRep4)を送信する。以降、CC4〜CC100及びバッテリコントローラ200は上記動作を繰り返す。
本図においては、CC1〜CC100のうち、CC3のみを示している。
CC1〜CC99は、Queryコマンドの直前にスリープモードから受信状態となり、Queryコマンドを受信する。CC100は、QueryRep100コマンドを受信すると、保持しているセル状態を送信した後、スリープモードにはならずに受信状態となり、Queryコマンドを受信する。
ここで、CC及びBCのそれぞれの動作を総括すると、次のようになる。
各CCは、CC3で例示しているように、スロット1を示すQueryコマンドを受信する。その後、セルの状態(例えば、電圧、電流及び温度)を計測し、セル状態を保持した後、予め割り当てられた通信スロットまでスリープし、割り当てられた通信スロットでセル状態を送信する。送信した後は、スロット1を示すQueryコマンドを受信するタイミングまで、再度スリープする。これにより、各CCが間欠的に電力を消費する送受信モードとなるため、消費電力の低減が可能となる。
(実施の形態2)
実施の形態1では、BCは、各通信スロットの前に、自分のIDを含む各通信スロットを示すデータを送信して各通信スロットを定義したが、実施の形態2では、BCは、先頭の通信スロットのみに先頭スロットを示すデータを送信し、その後に続く通信スロットを時間で定義した例である。
図4は、実施の形態2の通信タイミングチャートを示したものである。
本図においては、通信スロット数100で100個のセルコントローラ(CC1〜CC100)と通信している状態を示している。また、CC1〜CC100は、事前に各メモリ34に、通信スロット数として100(100個の通信スロット)が書き込まれ、スロットIDとしてCC1にはスロット1、CC2にはスロット2、…、CC100にはスロット100が書き込まれている。
バッテリコントローラ200は、自分のIDを含むスロット1の先頭を示すコマンド(例えば、Queryコマンド)を送信する。Queryコマンドには、通信スロット数である100を示すコマンドが含まれていてもよい。
CC1〜CC100は、Queryコマンドを受信する為に、事前に受信状態となり、Queryコマンドを受信すると、CC1〜CC100それぞれに接続されているセルの状態(例えば、電圧、電流及び温度)を計測し、セル状態を保持する。その後、CC2〜CC100は低消費電力のスリープモードになる。CC1は、セル状態を送信した後、スリープモードになる。
CC2は、一定時間後(Xミリ秒=通信スロット1の時間)、スリープモードから送受信モードに移行し、セル状態を送信した後、再度スリープモードになる。
CC3は、一定時間後(X+Y(ミリ秒)、Y=通信スロット2〜99の各通信スロット時間)、スリープモードから送受信モードに移行し、セル状態を送信した後、再度スリープモードになる。
CC4は、一定時間後(X+2×Y(ミリ秒))、スリープモードから送受信モードに移行し、セル状態を送信した後、再度スリープモードになる。
CC99は、一定時間後(X+97×Y(ミリ秒))、スリープモードから送受信モードに移行し、セル状態を送信した後、再度スリープモードになる。
C100は、一定時間後(X+98×Y(ミリ秒))、スリープモードから送受信モードに移行し、セル状態を送信した後、そのままQueryコマンドを受信する。
CC1〜CC99は、セル状態を送信した後、スリープモードに移行するが、C100は、Queryコマンドの直前であるため、送受信モードに移行し、Queryコマンドを受信する。各CCは上記動作を繰り返す。
バッテリコントローラ200は、自分のIDを含むスロット1の先頭を示すコマンド(例えば、Queryコマンド)を送信するが、コマンドの種類を変えて通信スロット時間を可変することも可能である。例えば、Query−1コマンドであれば、通信スロット1時間は、X1(ミリ秒)、通信スロット2〜100の各通信スロット時間はY1(ミリ秒)と定義する。
各CCは、Query−1コマンド受信すると、X1、Y1に応じた動作をする。CC99であれば、Query−1コマンドを受信後、セルの状態(例えば、電圧、電流、温度)を計測し、セル状態を保持する。その後、スリープモードになり一定時間後(X1+97×Y1(ミリ秒))、スリープモードから送受信モードに移行する。そして、セル状態を送信した後、再度スリープモードになる。これにより、セル状態以外のデータ送信(例えば、各セルのメモリに保存されているデータ)の時でも適切なスロット時間を設定し、通信の高速化や各CCの消費電力の低減が可能となる。
(実施の形態3)
セルコントローラ100の回路構成については、図2に示しているが、セルコントローラ100の更なる消費電力の低減が可能なセルコントローラ100の回路構成を図5に示す。
実施の形態1及び2のように、セルコントローラ100は、スリープモード及び送受信モードを繰り返す。スリープモードでは、数μW〜数十μWの低消費電力の為、バッテリコントローラ200から送信される無線電力でセルコントローラ100の動作が可能である。
よって、図5に示すセルコントローラ100の電源構成としては、バッテリコントローラ200の無線電力からセルコントローラ100の動作電力を作り出す無線電力回収回路60を追加し、無線電力回収回路60の出力を電源回路36に入力する。電源回路36は、無線電力から動作電圧を得る第二の電源回路であり、セルコントローラ100の動作電圧(Vcc、Vdd)を生成し、スイッチ37(SW)に出力する。また、電源回路31は、セル群10からの電圧(電力)が入力され、セルコントローラ100の動作電圧(Vcc、Vdd)を生成し、スイッチ37(SW)に出力する。スイッチ37(SW)は、処理回路33の信号によって、電源回路31の出力電圧(Vdd、Vcc)を出力するか、電源回路36の出力電圧(Vdd、Vcc)を出力する。
処理回路33の制御としては、スリープモード時には、電源回路36の出力電圧(Vdd、Vcc)を出力し、送受信モードでは電源回路31の出力電圧(Vdd、Vcc)を出力するように制御する。この為、セル群10の電力を消費する量が少なくなり、セルコントローラ100の消費電力を低減することができる。
また、セルが過放電(例えば、セル電圧が2V以下)の時には、セルコントローラ100は、セル電力(電圧)を使用できない為、送受信モードにおいても電源回路36の出力電圧(Vdd、Vcc)を使用する。これにより、セルの安全性を確保できると共に、セル過放電の異常時にもセル状態をバッテリコントローラ200へ通知できることになる。
無線電力を効率的に回収するためには、バッテリコントローラ200と各セルコントローラ100との距離は、所定の値以下とする必要がある。無線電力(P)は、下記式(1)で表されるフリス(Friis)の伝達公式に従い、通信距離(D)の二乗に反比例するからである。
Figure 2016096623
なお、式中の記号及び単位は、次のとおりである。
:受信電力(W)、P:送信電力(W)、G:受信利得(倍)、G:送信利得(倍)、λ:波長(m)、D:距離(m)
10:セル群、20:センサー、30:処理部、31:電源回路、32:A/D変換回路、33:処理回路、34、240:メモリ、35:クロック発生器、36:電源回路、37:スイッチ、40:無線回路、50、250:アンテナ、60:無線電力回収回路、100:セルコントローラ、200:バッテリコントローラ、210:無線回路、220:処理回路、230:電源回路。

Claims (9)

  1. バッテリコントローラと、複数のセルコントローラと、を備え、これらが時分割で複数の通信スロットにより通信する無線電池システムであって、
    前記バッテリコントローラは、前記複数の通信スロットのそれぞれの先頭でデータを送信し、
    それぞれの前記セルコントローラは、予め設定した1つ又は複数の通信スロットで電池状態を計測すると共に、それぞれの前記セルコントローラに予め設定したそれぞれの前記セルコントローラの通信スロットでデータ送信をするように構成され、通常動作をする送受信モードと低消費電力になるスリープモードとの間で切り替え可能である、無線電池システム。
  2. 前記バッテリコントローラは、前記複数の通信スロットのそれぞれの先頭で、スロット番号と前記バッテリコントローラの識別情報とをデータとしてブロードキャスト送信をする、請求項1記載の無線電池システム。
  3. それぞれの前記セルコントローラは、予め設定した通信スロットの前に前記送受信モードとなり、前記予め設定した通信スロットを受信した後、電池状態を計測し、その後前記スリープモードとなり、それぞれの前記セルコントローラにて予め設定した通信スロットの前に再び前記送受信モードとなり、前記バッテリコントローラが送信する通信スロットデータを受信した後、前記電池状態を送信し、その後前記スリープモードとなる、請求項1又は2に記載の無線電池システム。
  4. バッテリコントローラと、複数のセルコントローラと、を備え、これらが時分割で複数の通信スロットにより通信する無線電池システムであって、
    前記バッテリコントローラは、前記複数の通信スロットのうち先頭の通信スロットでデータを送信し、
    それぞれの前記セルコントローラは、前記先頭の通信スロットを受信した後に電池状態を計測し、その後、予め設定した1つ又は複数の通信スロットでデータ送信をするように構成され、通常動作をする送受信モードと低消費電力になるスリープモードとの間で切り替え可能である、無線電池システム。
  5. それぞれの前記セルコントローラは、予め設定した通信スロットの前に前記送受信モードとなり、前記予め設定した通信スロットを受信した後、電池状態を計測し、その後前記スリープモードとなり、それぞれの前記セルコントローラにて予め設定した時間の経過後に前記送受信モードとなり、前記電池状態を送信し、その後前記スリープモードとなるように構成されている、請求項4記載の無線電池システム。
  6. 前記セルコントローラは、計測対象である電池から動作電圧を得る第一の電源回路と、無線電力から動作電圧を得る第二の電源回路と、を有し、前記送受信モードでは前記第一の電源回路で動作し、前記スリープモードでは前記第二の電源回路で動作する、請求項3又は5に記載の無線電池システム。
  7. 計測対象である電池から動作電圧を得る電源回路と、無線回路と、電波を入出力するアンテナと、を備え、これらが時分割で複数の通信スロットによりバッテリコントローラと通信するセルコントローラであって、
    予め設定した1つ又は複数の通信スロットで電池状態を計測すると共に、予め設定した通信スロットでデータ送信をするように構成され、通常動作をする送受信モードと低消費電力になるスリープモードとの間で切り替え可能である、セルコントローラ。
  8. さらに、無線電力から動作電圧を得る電源回路を備え、
    前記スリープモードでは当該電源回路で動作する、請求項7記載のセルコントローラ。
  9. 電源回路と、無線回路と、電波を入出力するアンテナと、を備え、これらが時分割で複数の通信スロットによりセルコントローラと通信するバッテリコントローラであって、
    前記複数の通信スロットのそれぞれの先頭で、スロット番号と前記バッテリコントローラの識別情報とをデータとしてブロードキャスト送信をする、バッテリコントローラ。
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