JP4575830B2 - 電池モジュール用制御システム - Google Patents

Description

本発明は電池モジュール用制御システムに係り、特に、直列に接続された複数の単電池を有する複数の電池群が直列に接続されてなる電池モジュールに用いられる制御システムに関する。

近年、電気自動車用電源や据置用電源として、多数の単電池を直並列に接続した電池モジュールが使用されている。この種の電池モジュールでは、例えば、単電池を８直列単位程度の電池群とし、電池群単位で各単電池を監視ないし容量調整をするための制御回路を設けることが多い（例えば、特許文献１参照）。各単電池の電圧を測定するのは、例えば、リチウムイオン電池を単電池として使用する場合のように、安全性に影響を及ぼす過充電状態を確実に検出するためと、単電池電圧のバラツキをなくして寿命と入出力特性を最大限に引き出すためである。

従って、多数の単電池を有する電池モジュールでは、一般に、複数の単電池を直並列に接続した電池群ごとにマイクロコンピュータ等を含む制御回路と、これらの制御回路からのデータを統合して処理すると共に、電池モジュール全体を制御し各制御回路の上位制御回路として機能する主制御回路とを有している（例えば、特許文献２参照）。

このような電池モジュールでは、各制御回路と主制御回路とは、双方向の信号伝達にデータを伝送するデータライン及び同期信号を伝送するクロックラインの２線式の通信信号線を介して通信が行われる場合がある。一般に、小型機器では、配線をできるだけ少なくするために、シリアル通信が用いられており（例えば、特許文献３参照）、電池モジュールにおいても、各制御回路、主制御回路間でシリアル通信によりデータのやりとりがなされている。

特開２０００−０９２７３２公報 特開２００１−２３１１７８号公報 特開平５−０２２７７４号公報

しかしながら、複数の電池群を有する電池モジュールにおいて、マイクロコンピュータなどを用いて制御回路を構成し主制御回路と通信すると、強電系統と弱電系統の分離やインターフェース等を考慮する必要があるため、制御回路を構成する部品が増えコスト高となる、という問題があった。また、パーソナルコンピュータ等の民生用用途で用いられている同期式通信が可能な低価格の専用ＩＣを用いると、通信信号線が絶縁されていないため、主制御回路が複数の制御回路と通信することができない、という問題があった。

本発明は上記事案に鑑み、直列に接続された複数の単電池を有する複数の電池群が直列に接続されてなる電池モジュールの主制御回路及び複数の制御回路間で通信可能な電池モジュール用制御システムを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、直列に接続された複数の単電池を有する複数の電池群が直列に接続されてなる電池モジュールに用いられる制御システムであって、前記複数の電池群のそれぞれに対応して設けられ、対応する電池群が有する複数の単電池を制御する複数の第１制御回路と、前記複数の第１制御回路に対応して設けられた第２制御回路と、前記複数の第１制御回路のそれぞれと前記第２制御回路との間に設けられた通信回路と、を有し、前記第２制御回路は、データ送信端子、データ受信端子、同期信号送信端子及び同期信号受信端子のそれぞれを個別に備え、前記通信回路は、前記複数の第１制御回路のそれぞれと前記第２制御回路の前記データ送信端子との間、及び前記複数の第１制御回路のそれぞれと前記第２制御回路の前記データ受信端子との間に設けられたデータ伝送用通信線と、前記複数の第１制御回路のそれぞれと前記第２制御回路の前記同期信号送信端子との間、及び前記複数の第１制御回路のそれぞれと前記第２制御回路の前記同期信号受信端子との間に設けられた同期信号伝送用通信線と、を備え、前記データ伝送用通信線及び前記同期信号伝送用通信線のそれぞれには、前記複数の第１制御回路側と前記第２制御回路側との間を絶縁するためのフォトカプラが設けられ、前記複数の第１制御回路及び前記第２制御回路間での通信時に、前記第２制御回路は、前記フォトカプラの遅延時間が経過した後に、前記複数の第１制御回路の送受信端子を介して送受信される論理をモニタして通信する、ことを特徴とする。

本発明では、データ伝送用通信線及び同期信号伝送用通信線をフォトカプラにより複数の第１制御回路側と第２制御回路側とで絶縁し、第２制御回路側にデータ伝送用通信線及び同期信号伝送用通信線の送信端子と受信端子とを個別に設けたので、複数の第１制御回路及び第２制御回路はそれぞれ独立してグランドをとることができ、複数の第１制御回路及び第２制御回路間での通信時に、第２制御回路は、フォトカプラの遅延時間が経過した後に、複数の第１制御回路の送受信端子を介して送受信される論理をモニタして通信するので、複数の第１制御回路及び第２制御回路間で非同期シリアル通信を確実に行うことができる。

本発明において、配線を少なくするために、第２制御回路側に、第２制御回路が複数の第１制御回路と個別に通信するための通信信号線切換回路を更に設けることが望ましい。

本発明によれば、データ伝送用通信線及び同期信号伝送用通信線をフォトカプラにより複数の第１制御回路側と第２制御回路側とで絶縁し、第２制御回路側にデータ伝送用通信線及び同期信号伝送用通信線の送信端子と受信端子とを個別に設けたので、複数の第１制御回路及び第２制御回路はそれぞれ独立してグランドをとることができ、複数の第１制御回路及び第２制御回路間での通信時に、第２制御回路は、フォトカプラの遅延時間が経過した後に、複数の第１制御回路の送受信端子を介して送受信される論理をモニタして通信するので、複数の第１制御回路及び第２制御回路間で非同期シリアル通信を確実に行うことができる、という効果を得ることができる。

以下、図面を参照して、本発明に係る電池モジュール用通信システムの実施の形態について説明する。

（構成）
図１に示すように、本実施形態では、４つの単電池Ｃ１〜Ｃ４を直列に接続した電池群Ａ１と、４つの単電池Ｃ５〜Ｃ８を直列に接続した電池群Ａ２とが直列接続され電池モジュールが構成されている。

一方、電池モジュール用通信システムは、電池群Ａ１を制御する制御回路Ｂ１、電池群Ａ２を制御する制御回路Ｂ２、制御回路Ｂ１、Ｂ２のデータを統合して制御する主制御回路Ｂ３を有して構成されている。

主制御回路Ｂ３は、制御回路Ｂ１、Ｂ２へデータを送信するデータライン送信端子部Ｔ１、制御回路Ｂ１、Ｂ２からのデータを受信するデータライン受信端子部Ｔ２、制御回路Ｂ１、Ｂ２へクロックを送信するクロックライン送信端子部Ｔ３、制御回路Ｂ１、Ｂ２からのクロックを受信するクロックライン受信端子部Ｔ４、制御回路Ｂ１、Ｂ２への接続を切替えるライン切換回路Ｂ４を有している。

制御回路Ｂ１は、主制御回路Ｂ３へデータを送信、または主制御回路Ｂ３からのデータを受信するデータライン送受信端子部Ｔ５、主制御回路Ｂ３へクロックを送信または主制御回路Ｂ３からのクロックを受信するクロックライン送受信端子部Ｔ６を有している。同様に、制御回路Ｂ２は、主制御回路Ｂ３へデータを送信、または主制御回路Ｂ３からのデータを受信するデータライン送受信端子部Ｔ７、主制御回路Ｂ３へクロックを送信または主制御回路Ｂ３からのクロックを受信するクロックライン送受信端子部Ｔ８を有している。

また、電池モジュール用通信システムは、主制御回路Ｂ３と制御回路Ｂ１、Ｂ２との間に、各制御回路を絶縁して信号を通信可能なフォトカプラＦ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４、Ｆ５、Ｆ６、Ｆ７、Ｆ８を有している。従って、本実施形態では、主制御回路Ｂ３と制御回路Ｂ１、Ｂ２との間で、双方向の信号伝達にデータを伝送するデータライン及び同期信号を伝送するクロックラインの２線式の通信信号線がフォトカプラＦ１〜Ｆ８を介して絶縁されている。なお、制御回路Ｂ１のグランドＧ１は単電池Ｃ４の−端子であり、制御回路Ｂ２のグランドＧ２は単電池Ｃ８の−端子である。

（動作）
次に、本実施形態の電池モジュール用通信システムの動作について説明する。

主制御回路３は、まず、通信しようとする制御回路との通信チャネルを確保するために、ライン切換回路Ｂ４を作動させ、例えば、制御回路Ｂ１との通信チャネルを確保する。次いで、図２に示すように、主制御回路Ｂ３は、クロックライン送信端子部Ｔ３及びデータライン送信端子部Ｔ１を介して、クロック及び７９ｈ（１６進数）のデータを制御回路Ｂ１のクロックライン送受信端子部Ｔ６及びデータライン送受信端子部Ｔ５に送信する。主制御回路Ｂ３からのクロックに同期して、制御回路Ｂ１は、動作していることを示すａｃｋ（＝０）を主制御回路Ｂ３に送信し、続いて、例えば、７Ａｈ（１６進数）というデータを送信する。各データの確定はクロックの立ち上がりである。

主制御回路Ｂ３は、制御回路Ｂ１の論理を、クロックライン受信端子部Ｔ４を介してモニタすることでフォトカプラＦ１〜Ｆ４の遅延時間ｔ１が経過した後に、データライン受信端子部Ｔ２を介して制御回路Ｂ１からのデータを読み込む。

次に、ライン切換回路Ｂ４を作動させ、制御回路Ｂ２との通信チャネルを確保し、制御回路Ｂ１で説明した場合と同様に、フォトカプラＦ１〜Ｆ４の遅延時間ｔ１が経過した後に、データライン受信端子部Ｔ２を介して制御回路Ｂ２からのデータを読み込む。

単電池Ｃ１〜Ｃ８が、例えば、リチウムイオン電池であれば、従来技術で説明したように、各単電池の電圧の監視が必要となり、また、電池モジュールを構成する各単電池Ｃ１〜Ｃ８の電圧のバラツキをなくするため、主制御回路Ｂ３は、制御回路Ｂ１、Ｂ２からの各単電池の電圧データを統合して、平均電圧から外れ容量調整が必要な単電池（複数の場合もある。）を特定する。次いで、主制御回路Ｂ３から容量調整が必要な単電池を制御する制御回路に当該容量調整の指令データを通信する。単電池Ｃ１〜Ｃ８がリチウムイオン電池の場合には、制御回路には、各単電池Ｃ１〜Ｃ８と並列に、抵抗及びＦＥＴ等で構成されるスイッチが直列接続されたバイパス放電回路が接続されており（不図示、上述した特許文献１参照）、主制御回路Ｂ３からの指令データに従って、スイッチをオン状態とすることで当該単電池の容量調整が行われ、電池モジュールを構成する各単電池のバラツキをなくすことができる。

（作用等）
次に、本実施形態の電池モジュール用通信システムの作用等について、一般的な同期式通信の場合と比較して説明する。

図３は、同期式通信を用いて、装置Ａ（上記実施形態の主制御回路Ｂ３に相当）、装置Ｂ（上記実施形態の制御回路Ｂ１に相当）間で通信する場合の一般的な波形である。Ａ−ＣＬは装置Ａのクロックライン送受信端子部、Ａ−ＤＡは装置Ａのデータライン送受信端子部、Ｂ−ＣＬは装置Ｂのクロックライン送受信端子部、Ｂ−ＤＡは装置Ｂのデータライン送受信端子部である。装置Ａからクロックと７９ｈ（１６進数）のデータを送信すると、装置Ａからのクロックに同期して、装置Ｂは動作していることを示すａｃｋ（＝０）を送信し、続いて７Ａｈ（１６進数）というデータを送信する。従って、装置Ａ、Ｂ間の通信では、両者ともに、クロックライン送受信端子部とデータライン送受信端子部とを有することで通信が可能である。また、装置Ａ、Ｂ間には、フォトカプラが存在しないため、クロック波形に同期してデータが出力され、クロックに対し遅延時間は発生しない。

しかしながら、例えば、電気自動車用電池モジュールでは、単電池が直列に接続された電池モジュールの総電圧が数１００Ｖとなり、強電系統（電池モジュール側）と弱電系統（各制御回路及び主制御回路）とが分離される必要があり、制御回路の数も多くなるため、上記一般的な同期式通信を利用することができない。本実施形態の電池モジュール用通信システムでは、主制御回路Ｂ３側でデータライン及びクロックラインの送信、受信端子を個別に設けており、グランドＧ２に対しグランドＧ１は、各単電池の電圧を４Ｖとすると１６Ｖ分高くなるが、グランドＧ１、Ｇ２、Ｇ３はそれぞれ独立したグランドになっているので、各制御回路Ｂ１、Ｂ２及び主制御回路Ｂ３間で通信が可能となる。また、フォトカプラＦ１〜Ｆ８を用いることで、強電系統と弱電系統を分離し、フォトカプラＦ１〜Ｆ８のそれぞれの遅延時間分が経過後に、各制御回路Ｂ１、Ｂ２からのデータを読み取ることで、各制御回路Ｂ１、Ｂ２及び主制御回路Ｂ３間での非同期シリアル通信を確保している。更に、本実施形態の電池モジュール用通信システムでは、主制御回路Ｂ３側にライン切換回路Ｂ４を設けたので、配線を少なくし、システムの小型化を図ることができる。

なお、本実施形態では、単電池にリチウムイオン電池を例示し、制御回路に容量調整機能を例示したが、本発明はリチウムイオン電池を用いた電池モジュール用通信システムに限定されるものでないことは論を待たない。従って、例えば、単電池の監視のみを行う場合には、「制御」は「監視」と解釈されるべきである。また、本実施形態では、コストの点で、制御回路Ｂ１、Ｂ２側にデータライン、クロックラインの送受信端子を例示したが、本発明はこれに制限されず、主制御回路と同様に、データライン、クロックラインの送信端子と受信端子とを個別に設けるようにしてもよい。

本発明は複数の電池群を有する電池モジュールの主制御回路及び複数の制御回路間で通信可能な電池モジュール用通信システムを提供するため、電池モジュール用通信システムの製造、販売に寄与するので、産業上の利用可能性を有する。

本発明が適用可能な実施形態の電池モジュール用通信システムのブロック回路図である。 実施形態の電池モジュール用通信システムの通信動作を示すタイミングチャートである。 一般的な同期式通信における通信動作を示すタイミングチャートである。

符号の説明

Ａ１、Ａ２ 電池群
Ｂ１、Ｂ２ 制御回路（第１制御回路）
Ｂ３ 主制御回路（第２制御回路）
Ｂ４ ライン切換回路（通信信号線切換回路）
Ｃ１〜Ｃ８ 単電池
Ｆ１〜Ｆ８ フォトカプラ
Ｔ１ データライン送信端子部（データ送信端子）
Ｔ２ データライン受信端子部（データ受信端子）
Ｔ３ クロックライン送信端子部（同期信号送信端子）
Ｔ４ クロックライン受信端子部（同期信号受信端子）

Claims (2)

1. 直列に接続された複数の単電池を有する複数の電池群が直列に接続されてなる電池モジュールに用いられる制御システムであって、
   前記複数の電池群のそれぞれに対応して設けられ、対応する電池群が有する複数の単電池を制御する複数の第１制御回路と、
   前記複数の第１制御回路に対応して設けられた第２制御回路と、
   前記複数の第１制御回路のそれぞれと前記第２制御回路との間に設けられた通信回路と、を有し、
   前記第２制御回路は、データ送信端子、データ受信端子、同期信号送信端子及び同期信号受信端子のそれぞれを個別に備え、
   前記通信回路は、前記複数の第１制御回路のそれぞれと前記第２制御回路の前記データ送信端子との間、及び前記複数の第１制御回路のそれぞれと前記第２制御回路の前記データ受信端子との間に設けられたデータ伝送用通信線と、前記複数の第１制御回路のそれぞれと前記第２制御回路の前記同期信号送信端子との間、及び前記複数の第１制御回路のそれぞれと前記第２制御回路の前記同期信号受信端子との間に設けられた同期信号伝送用通信線と、を備え、
   前記データ伝送用通信線及び前記同期信号伝送用通信線のそれぞれには、前記複数の第１制御回路側と前記第２制御回路側との間を絶縁するためのフォトカプラが設けられ、
   前記複数の第１制御回路及び前記第２制御回路間での通信時に、前記第２制御回路は、前記フォトカプラの遅延時間が経過した後に、前記複数の第１制御回路の送受信端子を介して送受信される論理をモニタして通信する、
   ことを特徴とする電池モジュール用制御システム。
2. 前記第２制御回路側に、前記第２制御回路が前記複数の第１制御回路と個別に通信するための通信信号線切換回路を更に設けたことを特徴とする請求項１に記載の電池モジュール用制御システム。

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