JP2018038097A - 蓄電池制御システム - Google Patents
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Abstract
【課題】蓄電池の高電圧化を図る際に、コストの安い汎用の絶縁回路を用いることができるようにすることである。【解決手段】蓄電池制御システム10は、蓄電池部12を構成し互いに直列に接続される複数の電池モジュール20と制御コントローラ70を絶縁通信部120,122で接続する。制御コントローラ70のフローティング接地パターンを第1フローティング接地パターン112と第2フローティング接地パターン114に分離し、蓄電池部12の複数の電池モジュールを第1ゾーン電池モジュール群14と第2ゾーン電池モジュール群16に分け、第1ゾーン電池モジュール群14の電池モジュール20を第1フローティング接地パターン112に対応させ、第2ゾーン電池モジュール群16の電池モジュール20を第2フローティング接地パターン114に対応させ、それぞれを絶縁通信部120,122で接続する。【選択図】図3
Description
本発明は、蓄電池制御システムに関する。
蓄電池の大容量、高電圧化のために、複数の電池モジュールを直列及び並列に接続することが行われる。
特許文献1には、複数の電池を直列接続する電池モジュールを構成する各電池の電圧値の全ての監視を1つの中央マイクロプロセッサで行うと、各電池毎に設けられる電圧検出ICの基準電位点と中央マイクロプロセッサの1つのグランド基準点との間の電圧差を変換するアナログレベルシフト回路が必要で、電池数が増加するほど、消費電力が増大することを指摘している。
そこで、各電池毎に電圧値検出とマイクロプロセッサの機能を併せ持つ個別検出モジュールを設け、それぞれの個別モジュールがそれぞれのアイソレータを介して中央マイクロプロセッサと接続することが述べられている。
蓄電池の高電圧化を図る際に、コストの安い汎用の絶縁回路を用いることができるようにすることである。
本発明に係る蓄電池制御システムは、所定の高電圧値を出力する蓄電池部を構成し互いに直列に接続される複数の電池モジュールと制御コントローラを絶縁通信部で接続する蓄電池制御システムであって、各電池モジュールは、モジュール電圧値を出力する2次電池、及び2次電池のモジュール基準電位点とは絶縁されたフローティング基準電位点を有し電池モジュールと絶縁通信部とを接続するモジュール側絶縁回路を含み、制御コントローラは、低電圧電源部、及び低電圧電源部のコントローラ基準電位点とは絶縁されたフローティング基準電位点を有し、制御コントローラと絶縁通信部とを接続するコントローラ側絶縁回路を含み、制御コントローラのフローティング基準電池点を有するフローティング接地パターンを、蓄電池部が出力する高電圧値をモジュール側絶縁回路の絶縁耐圧値で除して得られる数に基づいて定められるゾーン分割数に対応して複数のフローティング接地パターンに分離し、電池モジュールの総数をゾーン分割数に対応して複数のゾーン電池モジュール群に分け、各ゾーン電池モジュール群を互いに異なるフローティング接地パターンに対応させて絶縁通信部で接続する。
上記構成の蓄電地制御システムによれば、蓄電池部が出力する高電圧値が絶縁回路の耐圧値を超えるときに、複数のゾーン電池モジュール群に分けて、ゾーン電池モジュール毎に異なるフローティング接地パターンを用いるので、絶縁耐圧値が低くコストの安い汎用の絶縁回路を用いることができる。
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、電池モジュールを構成する2次電池のタイプとしてリチウムイオン電池を説明するが、これ以外のタイプの2次電池であってもよい。例えばニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池等であってもよい。蓄電池部、電池モジュールとするのは、負荷の必要電力に対応するための電圧値と電流値とを得るためであるので、蓄電池部を構成する電池モジュールの数、電池モジュールを構成する2次電池に含まれる電池セルの数等は、蓄電池制御システムの仕様に応じ適宜なものとできる。また、以下で述べる電圧値等は、説明のための例示であり、蓄電池制御システムの電力仕様等に応じ適宜変更が可能である。
以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。
図1は、蓄電池制御システム10の構成を示す図である。蓄電池制御システム10は、複数の電池モジュール20を組み合わせた蓄電池部12と、制御コントローラ70とを含み、蓄電池部12の最適な充放電制御を行うシステムである。
蓄電池部12は、予め定められた個数の電池モジュール20を直列接続して構成される。図1では予め定めた数をNとし、N個の電池モジュール20が正面から見て下側から上側に向かって縦方向に積み上げられ、電池モジュール20の積層体として蓄電池部12が構成されることが示される。N個の電池モジュール20を区別するため、積層体の下側の低電圧側から上側の高電圧側に向かって、電池モジュール20(1),20(2),・・・,20(N)とした。制御コントローラ70は、1つの蓄電池部12について1つ設けられ、図1の場合、N個の電池モジュール20に対し1つ設けられる。
一例を上げると、1つの電池モジュール20の端子間電圧値であるモジュール電圧値を40Vとして、N=20の場合、蓄電池部12の端子間電圧値は、20×40V=800Vである。以下では、この例について述べる。これは一例であって、モジュール電圧値は40V以外であってもよく、Nも20以外であってもよい。
図2は、1つの電池モジュール20の構成図である。電池モジュール20は、1つ下の低電圧側となる電池モジュール20の出力端子(24)からの出力電力が供給される入力端子22と、入力端子22の電圧値よりも40V高いモジュール電圧値を有する出力電力を1つ上の高電圧側の電池モジュール20の入力端子(22)に供給する出力端子24と、制御コントローラ70側と交信する信号端子36を有する。
電池モジュール20の内部には、モジュール電圧値を出力する2次電池26と、モジュールDC/DC30と、2次電池26の電圧値等を検出するセル電圧検出部32と、電池モジュール20内部の信号制御等を行うモジュールCPU34と、モジュール側絶縁回路40とを含んで構成される。
これらの要素はモジュール回路基板上に配置されるが、モジュール回路基板は、モジュール電圧値についてのモジュール基準電位点を有する高圧接地パターン50と、モジュール基準電位点とは絶縁されたフローティング基準電位点を有するフローティング接地パターン52を有し、これらは絶縁領域54を挟んで互いに電気的に絶縁される。モジュール側絶縁回路40は、この2つの接地パターンにまたがって配置される。モジュール側絶縁回路40の内容については後述する。モジュール基準電位点は、入力端子22である。フローティング基準電位点は、モジュール側絶縁回路40のフローティング接地パターン52側に配置される部分の接地端子48である。
2次電池26は、複数の電池セル28を直列に接続して構成される。図2の例では、3つの電池セル28が直列に接続されて1つの2次電池26を構成することが示される。1つの電池セル28の端子間電圧値は、(40V/3)=13.3Vである。1つの電池セル28は、複数の単位電池を直列及び並列に接続して所定の出力電圧値、出力電流値となるように構成される。単位電池としては、端子電圧値が1Vから4Vのリチウムイオン電池を用いることができる。
モジュールDC/DC30は、2次電池26の電力の一部を用いて、電池モジュール20内の電子部品等に必要な電力を供給するモジュール側電圧変換器である。モジュールDC/DC30は、2次電池26の端子間電圧値は40Vであるので、これを例えば、5Vの動作電圧値に電圧変換する電圧変換器である。モジュールDC/DC30の入力端子は2次電池26の正極端子に接続され、出力端子は、モジュールCPU34の電源端子、モジュール側絶縁回路40の電源端子にそれぞれ接続される。
セル電圧検出部32は、2次電池26の端子間電圧値等を検出するセンサである。さらに、各電池セル28のそれぞれの端子間電圧値である電池セル電圧値等を検出するものとしてもよい。セル電圧検出部32は、電圧値の他に電流値、電池セル温度等の電池セル状態値を検出する機能を有するが、ここでは電池セル電圧値に代表させて、セル電圧検出部32と呼ぶ。検出された電池セル電圧値等は、モジュールCPU34、モジュール側絶縁回路40、信号端子36を経由して、制御コントローラ70の側に送信される。
モジュールCPU34は、電池モジュール20内部の信号制御等を行うモジュール側制御回路である。信号制御としては、セル電圧検出部32から送信される電池セル電圧値等について、制御コントローラ70の処理に適した値等に変換する処理、2次電池26の充電状態を示すSOC(State Of Charge)等を求める処理等が含まれる。
モジュール側絶縁回路40は、モジュールCPU34から出力されるデータを制御コントローラ70側に送信するための送信回路である。モジュール側絶縁回路40を設ける理由は、電池モジュール20の基準電位であるモジュール接地電位が、制御コントローラ70の基準電位であるコントローラ接地電位と異なるためである。
モジュール側絶縁回路40は、高圧接地パターン50側の1次側回路部42と、フローティング接地パターン52側の2次側回路部44と、その間の絶縁帯46とで構成される。一般的に知られている絶縁回路の例としては、トランスを用いる磁気結合方式、対向する2つの電極を用いる容量結合方式、フォトカプラを用いる光結合方式がある。ここでは、モジュール側絶縁回路40として、双方向フォトカプラ方式を用いる。双方向フォトカプラは、電池モジュール20側から送信する往路送信と、電池モジュール20側が受信する復路受信の双方が可能なもので、2つのフォトカプラで構成される。すなわち、1次側回路部42に往路送信用LEDと復路受信用フォトダイオードを設け、2次側回路部44に往路受信用フォトダイオードと復路送信用LEDを設ける。絶縁帯46は分離空間または透光性樹脂で構成される。
フォトカプラを用いる電子式のモジュール側絶縁回路40は、既に市販され汎用化されている光通信用絶縁回路を用いる。ここで、モジュール側絶縁回路40の1次側回路部42と2次側回路部44との間に必要な絶縁耐圧値を検討する。
モジュール側絶縁回路40の1次側回路部42の接地端子は、高圧接地パターン50を経由してモジュール基準電位点である入力端子22に接続される。入力端子22の電圧値は、電池モジュール20(N)のNによって異なる。N=1のときは、入力端子22の電圧値は蓄電池制御システム10の接地電位で0Vである。N=2のときは、40Vであり、N=3のときは(2×40V)=80Vである。以下、Nが増加するにつれ、入力端子22の電圧値は高圧になり、N=20では(19×40V)=760Vとなる。これに対し、モジュール側絶縁回路40の2次側回路部44の接地端子48の電圧値は、フローティング接地パターンの52のフローティング接地電位であり、特定値を取らない。その最低電圧値は、安全を見ると電池モジュール20(1)の入力端子22の電圧値の0Vである。
このことから、各電池モジュール20(N)のモジュール側絶縁回路40に必要な絶縁耐圧値は、[{(N−1)×40V}−0V]となる。全てのモジュール側絶縁回路40を同じ仕様のものを用いるとすると、モジュール側絶縁回路40の絶縁耐圧値は、760Vが必要である。市販され汎用化されているフォトカプラ方式の光通信用絶縁回路の絶縁耐圧値の仕様は、約400V以下である。760Vの絶縁耐圧値を得るには、絶縁帯46の間隔を長く取り、それに対応して光量を増加させあるいは受光感度を向上させる等の特殊仕様になり、大型化し、さらに開発費と開発時間を要する。
図3は、モジュール側絶縁回路40として、既に市販され汎用化されている光通信用絶縁回路を用いた蓄電池制御システム10の構成を示す図である。ここでは、蓄電池部12を構成する20個の電池モジュール20の接続状態を代表的に示すため、N=1,9,10,11,19,20の電池モジュール20と、それぞれの入力端子22、出力端子24における電圧値を示した。
制御コントローラ70は、蓄電池部12の充放電を制御する制御回路である。制御コントローラ70は、外部商用電源76に接続される電源端子72と、蓄電池制御システム10の接地電位である0Vに接続される接地端子74と、蓄電池部12側と交信する信号端子84,86を有する。
制御コントローラ70は、その内部に、AC/DCとして示した交直電力変換器と、コントローラDC/DC80と、コントローラCPU82と、コントローラ側絶縁回路90,100とを含んで構成される。
交直電力変換器78は、外部商用電源76の交流電力を所定の直流電圧値を有する直流電力に変換する低電圧電源部である。コントローラDC/DC80は、交直電力変換器78から出力される直流電力の直流電圧値をコントローラCPU82とコントローラ側絶縁回路90,100の動作電圧値に変換する電圧変換回路である。コントローラCPU82の動作電圧値とコントローラ側絶縁回路90,100の動作電圧値が異なるときは、例えば、交直電力変換器78が出力する直流電力をコントローラ側絶縁回路90,100に供給し、コントローラDC/DC80が出力する直流電力をコントローラCPU82に供給するものとしてよい。コントローラCPU82は、制御コントローラ70内部の信号制御等を行い、蓄電池部12を構成する各電池モジュール20に対して必要な制御指示を与える制御回路である。
これらの要素はコントローラ回路基板上に配置されるが、コントローラ回路基板は、コントローラCPU82についてのコントローラ基準電位点を有する低圧接地パターン110と、コントローラ低圧基準電位点とは絶縁された2つのフローティング基準電位点にそれぞれ対応する第1フローティング接地パターン112と第2フローティング接地パターン114を有し、これらは絶縁領域116を挟んで互いに電気的に絶縁される。コントローラ側絶縁回路90は、低圧接地パターン110と第1フローティング接地パターン112にまたがって配置され、コントローラ側絶縁回路100は、低圧接地パターン110と第2フローティング接地パターン114にまたがって配置される。
コントローラ側絶縁回路90は、低圧接地パターン110側の1次側回路部92と、第1フローティング接地パターン112側の2次側回路部94と、その間の絶縁帯96とで構成される。同様に、コントローラ側絶縁回路100は、低圧接地パターン110側の1次側回路部102と、第2フローティング接地パターン114側の2次側回路部104と、その間の絶縁帯106とで構成される。コントローラ側絶縁回路90とコントローラ側絶縁回路100は、図2で説明したモジュール側絶縁回路40と同じく、既に市販され汎用化されている双方向フォトカプラ式の光通信用絶縁回路を用いる。
コントローラ基準電位点は、接地端子74である。第1フローティング接地パターン112の基準電位点である第1フローティング基準電位点は、コントローラ側絶縁回路90の第1フローティング接地パターン112側に配置される部分の接地端子98である。第2フローティング接地パターン114の基準電位点である第2フローティング基準電位点は、コントローラ側絶縁回路100の第2フローティング接地パターン114側に配置される部分の接地端子108である。
図3に示すように、制御コントローラ70において、互いに分離された第1フローティング接地パターン112と第2フローティング接地パターン114を設け、それぞれにコントローラ側絶縁回路90,100を設けたのは、蓄電池部12の各電池モジュール20のフローティング接地電位の最低値が電池モジュール20(1)の入力端子22の電圧値である0Vとなることを避けるためである。
すなわち、市販され汎用化されている光通信用絶縁回路をモジュール側絶縁回路40に用いたときの絶縁耐圧値である400Vで蓄電池部12の出力電圧値である800Vを除して得られる数=2をゾーン分割数として、ゾーン分割数=2に対応してフローティング接地パターンを2つのフローティング接地パターンに分離する。そして、電池モジュールの総数=20をゾーン分割数=2で除して得られる10個の電池モジュール20で構成される2つのゾーン電池モジュール群に蓄電池部12を分ける。
図3の例では、N=1からN=10の10個の電池モジュール20を第1ゾーン電池モジュール群14とし、N=11からN=20の10個の電池モジュール20を第2ゾーン電池モジュール群16とする。そして、第1ゾーン電池モジュール群14を構成するN=1〜N=10の電池モジュール20のフローティング接地電位を制御コントローラ70の第1フローティング接地電位に合わせ、第2ゾーン電池モジュール群16を構成するN=11〜N=20の電池モジュール20のフローティング接地電位を制御コントローラ70の第2フローティング接地電位に合わせる。
コントローラ側絶縁回路90の2次側回路部94の出力は、信号端子84を介して、絶縁通信部120によって、第1ゾーン電池モジュール群14を構成する各電池モジュール20のモジュール側絶縁回路40の信号端子36に接続される。図3では、N=1の電池モジュール20のモジュール側絶縁回路40の信号端子36と、N=10の電池モジュール20のモジュール側絶縁回路40の信号端子36に代表させて、これらに絶縁通信部120を接続させた。
同様に、コントローラ側絶縁回路100の2次側回路部104の出力は、信号端子86を介して、絶縁通信部122によって、第2ゾーン電池モジュール群16を構成する各電池モジュール20のモジュール側絶縁回路40の信号端子36に接続される。図3では、N=11の電池モジュール20のモジュール側絶縁回路40の信号端子36と、N=20の電池モジュール20のモジュール側絶縁回路40の信号端子36に代表させて、これらに絶縁通信部122を接続させた。
この構成によって、第2のゾーン電池モジュールを構成するN=11〜N=20の10個の電池モジュール20のフローティング接地電位の最低値が電池モジュール20(11)の入力端子22の電圧値である400Vとなる。したがって、第2のゾーン電池モジュールを構成するN=11〜N=20の10個の電池モジュール20の中で最も高い絶縁耐圧値を必要とするN=20の電池モジュール20のモジュール側絶縁回路40において、必要な絶縁耐圧値は、(760V−400V)=360Vとなる。
第1のゾーン電池モジュールを構成するN=1〜N=10の10個の電池モジュール20のフローティング接地電位の最低値は電池モジュール20(1)の入力端子22の電圧値である0Vである。したがって、第1のゾーン電池モジュールを構成するN=1〜N=10の10個の電池モジュール20の中で最も高い絶縁耐圧値を必要とするN=10の電池モジュール20のモジュール側絶縁回路40において、必要な絶縁耐圧値は、(360V−0V)=360Vとなる。
このように、制御コントローラ70のフローティング接地パターンを2つに分離し、それぞれに第1ゾーン電池モジュール群14と第2ゾーン電池モジュール群16を割り当てることで、モジュール側絶縁回路40、コントローラ側絶縁回路90,100に必要な絶縁耐圧値を400V以下とすることができる。これによって、モジュール側絶縁回路40、コントローラ側絶縁回路90,100の全てについて、市販され汎用化されている双方向フォトカプラ型の光通信用絶縁回路を用いることが可能になる。
上記では、蓄電池部12の出力電圧値800Vを絶縁耐圧値400Vで除して分割数=2とした。一般的には、蓄電池部12が出力する高電圧値をモジュール側絶縁回路40の絶縁耐圧値で除して得られる数に基づいて定められるゾーン分割数に対応して複数のフローティング接地パターンに分離すればよい。例えば、蓄電池部12が出力する高電圧値=900Vのときは、分割数=3とすればよい。用いようとする市販され汎用化されている双方向フォトカプラ型の光通信用絶縁回路の絶縁耐圧値が300Vであるときは、800V/300V=2.67に基づいて分割数=3とすればよい。
図4は、比較例として、1つのフローティング接地パターンの場合の蓄電池制御システム11の構成図である。ここでは、制御コントローラ71は、低圧接地パターン110と絶縁領域142を挟んで絶縁される1つのフローティング接地パターン140を有し、1つのコントローラ側絶縁回路130が用いられる。コントローラ側絶縁回路130は、低圧接地パターン110側の1次側回路部132と、フローティング接地パターン140側の2次側回路部134と、その間の絶縁帯136とで構成される。フローティング接地パターン140の基準電位点であるフローティング基準電位点は、コントローラ側絶縁回路130のフローティング接地パターン140側に配置される部分の接地端子138である。
コントローラ側絶縁回路130の2次側回路部134の出力は、信号端子85を介して、絶縁通信部146によって、蓄電池部12を構成する各電池モジュール20のモジュール側絶縁回路40の信号端子36に接続される。図4では、N=1の電池モジュール20のモジュール側絶縁回路40の信号端子36と、N=20の電池モジュール20のモジュール側絶縁回路40の信号端子36に代表させて、これらに絶縁通信部146を接続させた。
図4の蓄電池制御システム11では、制御コントローラ71のフローティング接地パターン140が1つであるので、蓄電池部12の各電池モジュール20のフローティング接地電位の最低値が電池モジュール20(1)の入力端子22の電圧値である0Vとなる。したがって、蓄電池部12を構成するN=1〜N=20の20個の電池モジュール20の中で最も高い絶縁耐圧値を必要とするN=20の電池モジュール20のモジュール側絶縁回路40において、必要な絶縁耐圧値は、(760V−0V)=760Vとなる。
市販され汎用化されているフォトカプラ方式の光通信用絶縁回路の絶縁耐圧値の仕様は、約400V以下である。760Vの絶縁耐圧値を得るにはモジュール側絶縁回路40において絶縁帯46の間隔を長く取り、それに対応して光量を増加させあるいは受光感度を向上させる等の特殊仕様になり、モジュール側絶縁回路40が大型化し、これに伴い電池モジュール20が大型化し、さらに開発費が増大し開発時間が長期間となる。
図1から図3の構成の蓄電池制御システム10によれば、図4の蓄電池制御システム11の課題を解決し、蓄電池の高電圧化を図る際に、コストの安い汎用の絶縁回路を用いることができる。
10,11 蓄電池制御システム、12 蓄電池部、14 第1ゾーン電池モジュール群、16 第2ゾーン電池モジュール群、20 電池モジュール、22 入力端子、24 出力端子、26 2次電池、28 電池セル、30 モジュールDC/DC、32 セル電圧検出部、34 モジュールCPU、36,84,85,86 信号端子、40 モジュール側絶縁回路、42,92,102,132 1次側回路部、44,94,104,134 2次側回路部、46,96,106,136 絶縁帯、48,74,98,108,138 接地端子、50 高圧接地パターン、52,140 フローティング接地パターン、54,116,142 絶縁領域、70,71 制御コントローラ、72 電源端子、76 外部商用電源、78 交直電力変換器(AC/DC;低電圧電源部)、80 コントローラDC/DC、82 コントローラCPU、90,100,130 コントローラ側絶縁回路、110 低圧接地パターン、112 第1フローティング接地パターン、114 第2フローティング接地パターン、120,122,146 絶縁通信部。
Claims (3)
- 所定の高電圧値を出力する蓄電池部を構成し互いに直列に接続される複数の電池モジュールと制御コントローラを絶縁通信部で接続する蓄電池制御システムであって、
前記電池モジュールは、モジュール電圧値を出力する2次電池、及び前記2次電池のモジュール基準電位点とは絶縁されたフローティング基準電位点を有し前記電池モジュールと前記絶縁通信部とを接続するモジュール側絶縁回路を含み、
前記制御コントローラは、低電圧電源部、及び前記低電圧電源部のコントローラ基準電位点とは絶縁されたフローティング基準電位点を有し、前記制御コントローラと絶縁通信部とを接続するコントローラ側絶縁回路を含み、
前記制御コントローラの前記フローティング基準電池点を有するフローティング接地パターンを、前記蓄電池部が出力する高電圧値を前記モジュール側絶縁回路の絶縁耐圧値で除して得られる数に基づいて定められるゾーン分割数に対応して複数のフローティング接地パターンに分離し、前記電池モジュールの総数を前記ゾーン分割数に対応して複数のゾーン電池モジュール群に分け、各ゾーン電池モジュール群を互いに異なる前記フローティング接地パターンに対応させて前記絶縁通信部で接続する、蓄電池制御システム。 - 前記モジュール側絶縁回路の前記絶縁耐圧値として、汎用の光通信絶縁回路の絶縁耐圧値を用いる、請求項1に記載の蓄電池制御システム。
- 前記モジュール側絶縁回路及び前記コントローラ側絶縁回路は、フォトカプラ方式の双方向光通信絶縁回路である、請求項1または2に記載の蓄電池制御システム。
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