JP4584758B2 - 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、複数の単電池よって構成された電池群を備えた電池モジュールに用いられる制御システムに関する。

従来、複数の単電池を直並列に接続した電池モジュールでは、単電池の電圧測定機能や単電池の充電状態を制御するセルバランス機能を含んだ制御回路を有し、上位あるいは下位の制御回路またはシステムとの信号伝送を行っている。特に、近時実用化されているリチウムイオン電池では、過充電になると安全性に問題があるため、単電池異常や単電池の充電状態、制御信号などの信号伝送が必要である（例えば、特許文献１、２参照）。

また、例えば、電気自動車用電池モジュールでは、単電池を直列に接続した電池モジュールの総電圧が数１００Ｖになるため、電池モジュールの総電圧側の強電系統と信号伝送側の弱電系統とを絶縁する必要がある。このため、従来、図３に示すように、フォトカプラ９を用いて強電系統と弱電系統とを絶縁して、制御回路（マイコン１０）からのシリアル通信の信号伝送を行っていた。

特開２０００−０９２７３２号公報 特開２００１−２３１１７８号公報

ところが、電池モジュール用通信システムにおいて、従来技術のようにフォトカプラで強電系統と弱電系統とを絶縁すると、フォトカプラが高価なため制御回路のコストを上昇させ、通信システム全体がコスト高となる原因を招いていた。

本発明は上記事案に鑑み、フォトカプラを用いずに強電系統と弱電系統とを絶縁し、信号伝送が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、本発明の第１の態様は、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ると共に、対応する電池群の複数の単電池のそれぞれの電圧を測定するための電圧測定回路と、対応する電池群の複数の単電池のそれぞれの容量を調整するための容量調整回路と、信号を送受信するための通信部とを有する複数の第１制御回路と、前記電池モジュール全体を制御すると共に、前記複数の第１制御回路のうちの一つの通信部と通信する第２制御回路と、前記複数の第１制御回路のうちの一つの通信部と前記第２制御回路との間に接続され、前記複数の第１制御回路側と前記第２制御回路側とを絶縁する絶縁手段と、を有し、前記複数の第１制御回路は、信号が順次伝送されるように、隣り合う第１制御回路の通信部が接続されており、前記絶縁手段は、コンデンサにより構成されていると共に、その最大定格電圧が、前記電池群の電圧の２倍以上、かつ前記電池モジュールの総電圧未満である、ことを特徴とする。

本態様において、第２制御回路から出力される信号は、電圧測定或いは容量調整に関する指令信号であり、この指令信号が、コンデンサを介して複数の第１制御回路の最上位のものに伝送され、最上位の制御回路から最下位の第１制御回路に向かって、複数の第１制御回路を順次伝送されるようにしてもよい。このとき、電圧測定に関する指令信号を受けて複数の第１制御回路において測定された電圧に関するデータは、最下位の第１制御回路から最上位の第１制御回路に向かって、複数の第１制御回路を順次伝送され、最上位の第１制御回路からコンデンサを介して前記第２制御回路に伝送されることが好ましい。

また、上記課題を解決するために、本発明の第２の態様は、直列に接続された複数の単電池よって構成された電池群を備えた電池モジュールに用いられる制御システムであって、前記電池群の複数の単電池のそれぞれの電圧を測定するための電圧測定回路と、前記電池群の複数の単電池のそれぞれの容量を調整するための容量調整回路と、信号を送受信するための通信部とを有する第１制御回路と、前記第１制御回路の通信部と通信する第２制御回路と、前記第１制御回路の通信部と前記第２制御回路との間に接続され、前記第１制御回路側と前記第２制御回路側とを絶縁する絶縁手段と、を有し、前記絶縁手段は、コンデンサにより構成されていると共に、その最大定格電圧が、前記電池群の電圧の２倍以上、かつ前記電池モジュールの総電圧未満である、ことを特徴とする。

本発明の第１の態様によれば、複数の第１制御回路は、直列に接続された複数の単電池を有する複数の電池群のそれぞれに対応して設けられ、隣り合う第１制御回路の通信部は信号が順次伝送されるように接続されており、複数の第１制御回路のうちの一つの通信部と第２制御回路との間に複数の第１制御回路側と第２制御回路側とを絶縁する絶縁手段が設けられており、この絶縁手段を介して通信部と第２制御回路とが通信するので、高価なフォトカプラを用いずに強電系統と弱電系統とを絶縁することができ、第１制御回路の通信部間では信号が順次伝送され、第２制御回路及び第１制御回路の通信部間で信号伝送を行うことができると共に、この絶縁手段が、コンデンサにより構成されていると共に、隣り合う第１制御回路間の直流電位差は低いため、コンデンサの最大定格電圧を、電池群の電圧の２倍以上、かつ電池モジュールの総電圧未満とすることができ、比較的安コストの低耐圧コンデンサを用いることができ、本発明の第２の態様は第１の態様の複数の第１制御回路を一つにまとめたものであるため、第２の態様によっても、第１の態様と同様に、高価なフォトカプラを用いずに強電系統と弱電系統とを絶縁することができ、第２制御回路及び第１制御回路の通信部間で信号伝送を行うことができると共に、コンデンサの最大定格電圧を、電池群の電圧の２倍以上、かつ電池モジュールの総電圧未満とすることができ、比較的安コストの低耐圧コンデンサを用いることができる、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、複数個の電池群２１を直列に接続して電池モジュールが構成されている。各電池群２１は、複数個のリチウムイオン電池（以下、単電池という。）が直列に接続されている。これらの単電池は、制御回路２０により電圧測定がなされ、当該単電池の充電状態に応じて単電池容量にバラツキが生じないように、容量調整（セルバランス）が図られる。

制御回路２０は、マイクロコンピュータ（以下、マイコンという。）５を備えている。マイコン５は、演算処理を行うＣＰＵ、ＣＰＵが実行するプログラム及び種々の設定値等を格納したＲＯＭ、ＣＰＵのワークエリアとして働くＲＡＭ、Ａ／Ｄコンバータ及び外部とシリアル通信を行うためのシリアル入力部及びシリアル出力部を含んで構成されている。

制御回路２０は、電池群２１を構成する単電池と各々並列に接続され、各単電池の容量を調整する容量調整回路２２を有している。これらの容量調整回路２２は、抵抗及びスイッチを含んで構成されており、マイコン５から信号を送出しスイッチをオン状態とすることで、単電池単位で容量調整を図ることが可能である。

また、制御回路２０は、各単電池に接続され、マイコン５の指定に従い、各単電池電圧を電池群２１の最下位電位単電池の−端子を基準に変換してマイコン５に電圧を出力する電池電圧変換部２３を有している。電池電圧検出部２３は、オペアンプ及び抵抗を有する複数の差動増幅回路やマルチプレクサを含んで構成されている。なお、マイコン５は、Ａ／Ｄコンバータを介して、指定した単電池の電圧をデジタル値で取り込むことが可能である。

更に、制御回路２０は、上位電池群を制御する制御回路及び下位電池群を制御する制御回路のいずれかに信号を伝送する通信部を有している。図２に示すように、通信部は入力系及び出力系の２系統で構成されている。入力系は、コンデンサ１、不要信号を除去するスイッチドキャパシタ型フィルタ２、電圧レベルを変換するフェーズロックループ（以下、ＰＬＬと略称する。）３、入力信号の波形を成形する波形整形部４で構成されており、出力系は、クロック８、クロック８で生成された周波数を分周する分周回路部７、マイコン５の指令に従い、クロック８への接続、分周回路部７への接続、クロック８及び分周回路部７のいずれへも非接続、のいずれかに選択的に切り替える切替部６、コンデンサ１で構成されている。コンデンサ１には、最大定格電圧が、電池群２１の電圧の２倍以上で電池モジュールの総電圧（本実施形態では電池群２１の総電圧）未満のものを用いることができる。

なお、本実施形態の電池モジュール用通信システムは複数の制御回路２０を有しており、最上位側（最高電位側）の制御回路２０は、電池モジュール全体を制御する主制御回路（不図示）との通信が可能である。

（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通信原理及び動作について説明する。

図２に示すように、各制御回路２０は、入出力系ともにコンデンサ１によって絶縁されている。入力された交流信号はスイッチドキャパシタ型フィルタ２により不要信号が除去され、ＰＬＬ３により電圧レベルに変換され、波形整形部４を通じてマイコン５のシリアル入力部に入力される。このため、例えば、下位側（又は上位側）の制御回路から制御回路２０の入力に、図４に示す交流信号が入力されると、マイコン５のシリアル入力部には、図５に示す波形が入力され、マイコン５は２値信号を取り込むことができる。一方、制御回路２０から上位側（又は下位側）の制御回路に交流信号を出力する場合には、マイコン５が、選択的にクロック８又は分周回路部７を接続するように切替部６に指令することで、２値信号を、コンデンサ１を介して出力する。従って、本実施形態の電池モジュール用通信システムでは、最下位側の制御回路２０から順次上位側の制御回路２０にリレー式に信号伝送（データ転送）が可能である。

このため、例えば、主制御回路から最上位側の制御回路２０に、電池モジュールを構成する単電池の電池電圧を測定するように指令すると、その指令は順次下位の制御回路２０に伝送され、各制御回路２０は、電池電圧変換回路２３から各単電池の電圧を取り込んでＲＡＭに記憶しておき、下位側の制御回路２０から各単電池の電池電圧の測定値が伝送されてくると、これに自己の制御対象の単電池の電池電圧の測定値を追加して、上位側の制御回路２０に伝送することで、最上位側の制御回路２０は電池モジュールを構成する全ての単電池の電池電圧を主制御回路に報知（伝送）することができる。

この報知を受けた主制御回路は、電池モジュールを構成する全単電池のうち、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、主制御回路から容量調整が必要な単電池について最上位側の制御回路２０に容量調整の指令データを通信する。最上位側の制御回路２０は下位の制御回路２０に順次指令データを伝送することで、当該容量調整が必要な単電池を制御対象とする制御回路２０に容量調整の指令データを伝達することができる。この指令データに従って、制御回路２０は、容量調整回路２２の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全単電池の残存容量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説明する。

本実施形態の電池モジュール用通信システムでは、各制御回路２０間の信号伝達方向が上位及び下位の制御回路２０のいずれかに信号を伝送する方向であり、かつ、伝達信号が交流信号であってコンデンサを用いて絶縁するので、高価なフォトカプラを用いず、交流信号で信号伝送を行うことができる。また、本実施形態では、電池モジュールの総電圧に対して隣り合う制御回路２０間の直流電位差が小さいため、コンデンサ１に、最大定格電圧が電池群２１の２倍以上で電池モジュールの総電圧未満の比較的低コストの低耐圧コンデンサを用いることができる。このため、電池モジュール用通信システムの低コスト化を図ることができる。

また、本実施形態の電池モジュール用通信システムでは、スイッチドキャパシタ型フィルタ２を用いたので、不要信号の除去が行え、耐ノイズ性を向上させることができる。更に、スイッチドキャパシタ型フィルタ２は集積回路化が行いやすく、コストを低減することが可能である。

本発明はフォトカプラを用いずに強電系統と弱電系統とを絶縁し、交流信号で信号伝送が可能なため、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制御回路の単電池電圧測定部及び容量調整部を示す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制御回路の通信部を示すブロック回路図である。 従来技術の電池モジュール用通信システムの制御回路の通信部を示す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制御回路の通信部に入力される入力波形を模式的に示す波形図である。 実施形態の電池モジュール用通信システムのマイコンのシリアル入力部に入力される入力波形を模式的に示す波形図である。

符号の説明

１ コンデンサ
２ スイッチドキャパシタ型フィルタ
５ マイコン
２０ 制御回路（第１制御回路）
２１ 電池群
２２ 容量調整回路
２３ 電池電圧変換部

Claims (4)

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ると共に、対応する電池群の複数の単電池のそれぞれの電圧を測定するための電圧測定回路と、対応する電池群の複数の単電池のそれぞれの容量を調整するための容量調整回路と、信号を送受信するための通信部とを有する複数の第１制御回路と、
   前記電池モジュール全体を制御すると共に、前記複数の第１制御回路のうちの一つの通信部と通信する第２制御回路と、
   前記複数の第１制御回路のうちの一つの通信部と前記第２制御回路との間に接続され、前記複数の第１制御回路側と前記第２制御回路側とを絶縁する絶縁手段と、を有し、
   前記複数の第１制御回路は、信号が順次伝送されるように、隣り合う第１制御回路の通信部が接続されており、
   前記絶縁手段は、コンデンサにより構成されていると共に、その最大定格電圧が、前記電池群の電圧の２倍以上、かつ前記電池モジュールの総電圧未満である、
   ことを特徴とする電池モジュール用制御システム。
2. 請求項１に記載された電池モジュール用制御システムにおいて、
   前記第２制御回路から出力される信号は、電圧測定或いは容量調整に関する指令信号であり、
   前記指令信号は、前記コンデンサを介して前記複数の第１制御回路の最上位のものに伝送され、前記最上位の制御回路から最下位の第１制御回路に向かって、前記複数の第１制御回路を順次伝送される、
   ことを特徴とする電池モジュール用制御システム。
3. 請求項２に記載された電池モジュール用制御システムにおいて、
   前記電圧測定に関する指令信号を受けて前記複数の第１制御回路において測定された電圧に関するデータは、前記最下位の第１制御回路から前記最上位の第１制御回路に向かって、前記複数の第１制御回路を順次伝送され、前記最上位の第１制御回路から前記コンデンサを介して前記第２制御回路に伝送される、
   ことを特徴とする電池モジュール用制御システム。
4. 直列に接続された複数の単電池よって構成された電池群を備えた電池モジュールに用いられる制御システムであって、
   前記電池群の複数の単電池のそれぞれの電圧を測定するための電圧測定回路と、前記電池群の複数の単電池のそれぞれの容量を調整するための容量調整回路と、信号を送受信するための通信部とを有する第１制御回路と、
   前記第１制御回路の通信部と通信する第２制御回路と、
   前記第１制御回路の通信部と前記第２制御回路との間に接続され、前記第１制御回路側と前記第２制御回路側とを絶縁する絶縁手段と、を有し、
   前記絶縁手段は、コンデンサにより構成されていると共に、その最大定格電圧が、前記電池群の電圧の２倍以上、かつ前記電池モジュールの総電圧未満である、
   ことを特徴とする電池モジュール用制御システム。

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