JP5646660B2 - 組電池システム - Google Patents

Description

本発明は、ハイブリッド自動車や電動アシスト自転車の走行電源などに使用される電池モジュールが１以上の二次電池からなる組電池システムに係り、特に電池モジュール間の通信インタフェース方式の技術に関する。

電気自動車、燃料電池自動車やハイブリッドカーでは、動力源又は補助動力源として電動機である電動モータが用いられている。この電動モータの電力源としては、二次電池を有する単セルが多数直列に配設された電池モジュールが採用され、特に、単セルの電池電圧が高い二次電池を直列に多数接続すれば、高電圧、かつ高出力化が実現可能である。そのため、近年、二次電池からなる単セルを直列に接続した組電池が採用された組電池システムの開発が普及している。

従来では、この組電池システムにおいて、電池モジュール間のデータ通信Ｉ／Ｆにはシリアル伝送を使用している場合が多く、１本の伝送路を使用してデータを１ビットずつ順番に伝送している。

ところで、上記のような電池モジュール間のデータ通信Ｉ／Ｆとしてシリアル伝送を使用する組電池システムでは、図６の通り、各電池モジュールを繋ぐデータ通信用の伝送路は１本である。そのため、当該伝送路中の所定箇所が切断されたり、ある電池モジュールの故障が生じた場合には、切断箇所や故障した電池モジュールの下流にある電池モジュール及び管理基板とは通信が不能となるといった問題が生じた。これにより、組電池システムにおける電池モジュールの制御が実行できないという状態に陥っていた。

また、上記のような組電池システムでは、電池モジュール間の通信は、電位差のある電池モジュール間でデータ通信が行われることから、シリアル伝送用の通信Ｉ／Ｆには絶縁回路を使用したり、レベルシフト回路を使用したりする必要があり、回路全体が大規模になる傾向が強かった。

本発明は、上記のような課題を解消するために提案されたものであって、その目的は、電池モジュール間のデータの伝送路をループ状に構成することで、一部の伝送路が切断されたり、ある電池モジュールに故障が生じた場合であっても、それ以外の電池モジュールとのデータ伝送を確保し、当該電池モジュールの制御を継続することが可能な組電池システムを提案することにある。

また、本発明は、同電位の電池モジュールを並列に接続した組電池システムを採用することで、電位が同等の電池モジュール間に、レベルシフト回路や絶縁回路の使用を抑え、通信Ｉ／Ｆやレベルシフト回路の使用量の増加を抑制し、回路量の大規模化を防止することも目的とする。

本発明は、１以上の電池モジュールが直列及び並列に接続された組電池システムにおいて、前記各電池モジュールは、二次電池と、前記二次電池の電圧を測定する電圧測定回路と、前記電池モジュール間の通信を行う通信Ｉ／Ｆと、を備え、同電位の前記電池モジュール同士は、同電位の前記電池モジュール毎に、当該各電池モジュールの通信Ｉ／Ｆを通じて接続され、電位が異なる前記電池モジュール同士は、前記通信Ｉ／Ｆの受信側および送信側のうち、電位が異なる前記電池モジュールが接続される一方の側にだけ設けられた絶縁回路又はレベルシフト回路を通じて接続され、前記電池モジュールの低電位側は、１本の伝送路を介して管理基板に接続されている。

以上のような態様によれば、並列に接続された電池モジュールのうち、同電位の電池モジュールに対して当該モジュール内の通信Ｉ／Ｆ間を伝送路により接続することから、この通信Ｉ／Ｆ内では、絶縁回路やレベルシフト回路を不要な構成とすることができる。これにより、保護基板の回路を簡素化することが可能になる。

また、本発明は、前記各電池モジュールは、二重化された伝送路及び当該伝送路に配設された通信Ｉ／Ｆを備え、一方の前記伝送路は、低電位側の前記電池モジュールから通信し、他方の前記伝送路は、絶縁回路を介した上で高電位側の前記電池モジュールから通信するよう構成されていることを特徴とする点も一態様とする。

従来のシステムでは、１つの電池モジュールで故障が生じると、それより下流の伝送路に接続された電池モジュール及び管理基板に対する通信は不能となっていたが、本組電池システムでは、保護基板上に通信Ｉ／Ｆが二重化され、２本の伝送路によりデータ通信を行うことで、故障した電池モジュールを除く全ての電池モジュールとの通信が可能となる。つまり、故障した電池モジュールより下流の電池モジュール及び管理基板との通信不能から電池システムの制御が困難であったが、上記構成を有する組電池システムにより、当該システムの大部分の制御を実行することが可能となる。

また、本発明は、前記通信Ｉ／Ｆは、電位が異なる前記電池モジュール同士が接続する場合には、絶縁回路とレベルシフト回路のいずれかを備えることを特徴とする点も一態様とする。

以上のような態様によれば、電池モジュール内の保護基板上に配設された通信Ｉ／Ｆには、絶縁回路やレベルシフト回路を送信側又は受信側の片方に配設すれば済むため、この絶縁回路等の回路量を削減することが可能となる。また、管理基板上には、低電位側の電池モジュールから１本の伝送路によりデータ通信を行うため、第２の実施形態と比較しても絶縁回路の量を削減することが可能である。

以上のような本発明によれば、一方の伝送路中で切断が生じた場合であっても、他方の伝送路によりデータ通信が可能となり、また、１つの電池モジュールで故障が生じた場合であっても、保護基板上に通信Ｉ／Ｆが二重化され、２本の伝送路によりデータ通信を行うことで、故障した電池モジュールを除く全ての電池モジュールとの通信が可能となる。

［１．第１の実施形態］
次に、第１の実施形態に係る組電池システムを、図１〜３を参照して説明する。なお、下記で示すモジュール、二次電池の数は任意であるもとし、このような形態に限定するものではない。

図１の通り、第１の実施形態に係る組電池システムは、複数の電池モジュール１ａ〜１ｃと、当該電池モジュール１ａ〜１ｃを管理し制御する管理基板２と、伝送路に配設された絶縁回路３と、から構成されている。

各電池モジュール１ａ〜１ｃは、図２に示すように、各々二次電池４を有する複数のセルが直列に接続されており、各セルの電圧を測定する電圧測定回路５も設けられている。なお、電圧測定回路５には、各セルの二次電池４が電圧検出線を通じて接続されている。また、この電圧測定回路５は、ディスクリート素子で構成した回路とＩＣ化した回路を有している。

各電池モジュールは、保護基板６を有し、この保護基板６上に、上記電圧測定回路５と、二次電池４の充放電を制御するＭＰＵ７と、当該ＭＰＵ７に繋がる通信Ｉ／Ｆ８と、が配設されている。

ここで、通信Ｉ／Ｆ８の構成は、図３に記載されているように、伝送路上に配設される、絶縁回路又はレベルシフト回路８ａ、ｅと、受信Ｉ／Ｆ８ｂと、伝送処理回路８ｃと、送信Ｉ／Ｆ８ｄと、から構成されている。なお、この通信Ｉ／Ｆ８内の伝送処理回路８ｃがＭＰＵ７に接続されている。

第１の実施形態では、図１の通り、保護基板６上に複数の通信Ｉ／Ｆ８を設置する点を特徴とする（図１の例では二つ）。特に、第１の実施形態に係る組電池システムでは、図１に示すように電池モジュール１上の通信Ｉ／Ｆ８を二重化すると共に、一方の伝送路を、管理基板２からみて低電位側の電池モジュール１ｃから接続していき、他方の伝送路を、絶縁回路３を介した上で、管理基板２からみて高電位側の電池モジュール１ａから接続するように構成している。なお、保護基板６上に二重化された通信Ｉ／Ｆ８は、いずれもＭＰＵ７に繋がっている。

以上のような構成を有する組電池システムによれば、一方の伝送路中で切断が生じた場合であっても、他方の伝送路によりデータ通信が可能になる。また、ある電池モジュールと、高電位側、低電位側で隣接する電池モジュールとの間の伝送路が共に切断された場合であっても、２本の伝送路により補完し合うことで全電池モジュールとの通信が可能となる。

また、従来のシステムでは、１つの電池モジュールで故障が生じると、それより下流の伝送路に接続された電池モジュール及び管理基板に対する通信は不能となっていたが、本組電池システムでは、保護基板上に通信Ｉ／Ｆが二重化され、２本の伝送路によりデータ通信を行うことで、故障した電池モジュールを除く全ての電池モジュールとの通信が可能となる。つまり、故障した電池モジュールより下流の電池モジュール及び管理基板との通信不能から電池システムの制御が困難であったが、上記構成を有する組電池システムにより、当該システムの大部分の制御を実行することが可能となる。

［２．第２の実施形態］
次に、第２の実施形態に係る組電池システムを、図４を参照して説明する。なお、下記で示すモジュール、二次電池の数は任意であるもとし、このような形態に限定するものではない。また、第１の実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図４の通り、第２の実施形態に係る組電池システムは、第１の実施形態が、直列に接続した電池モジュール１ａ〜ｃを採用していたのに対し、直列に接続した電池モジュール１ａ〜ｃと、電池モジュール１ｄ〜ｆと、電池モジュール１ｇ〜ｉと、を並列に接続して構成されている。また、並列に接続された電池モジュール１ｇ〜ｉの各々は、絶縁回路３を介して管理基板２に接続されている。すなわち、管理基板２と電位が各々相違する電池モジュール間の伝送路には絶縁回路３が配設されている。

特に、第２の実施形態では、並列とした、電池モジュール１ａ〜ｃ、１ｄ〜ｆ、１ｇ〜ｉに対して、同電位の電池モジュール間をデータ通信が可能となるように伝送路により接続している。具体的には、第１の実施形態では、各電池モジュールの保護基板６上に配設された通信Ｉ／Ｆ８を当該通信Ｉ／Ｆ８内の絶縁回路又はレベルシフト回路８ａ、８ｅを介して直列に伝送路を通じて接続していたのに対し、第２の実施形態では、並列に接続された電池モジュールのうち同電位となる電池モジュール内の通信Ｉ／Ｆ８を接続している。

つまり、図４で言えば、伝送路により、同電位の電池モジュール毎に、電池モジュール１ａと１ｄと１ｇを接続し、また、電池モジュール１ｂと１ｅと１ｈを接続し、電池モジュール１ｃと１ｆと１ｉを接続している。なお、このような同電位の電池モジュールでは、各電池モジュール内の通信Ｉ／Ｆ８を繋ぐ伝送路にコンデンサが配設されている。

以上のような構成を有する組電池システムによれば、並列に接続された電池モジュールのうち、同電位の電池モジュールに対して当該モジュール内の通信Ｉ／Ｆ間を伝送路により接続することから、この通信Ｉ／Ｆ内では、絶縁回路やレベルシフト回路を不要な構成とすることができる。これにより、保護基板の回路を簡素化することが可能になる。

［３．第３の実施形態］
次に、第３の実施形態に係る組電池システムを、図５を参照して説明する。なお、下記で示すモジュール、二次電池の数は任意であるものとし、このような形態に限定するものではない。また、第１及び２の実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

第２の実施形態に係る組電池システムでは、管理基板２と電位が各々相違する電池モジュール間に対して、伝送路を介して絶縁回路３が配設されていたのに対し、第３の実施形態では、図５の通り、この絶縁回路３を削減するために、低電位側の電池モジュールに繋がれた１本の伝送路を管理基板２に接続する点を特徴とする。すなわち、電池モジュール１ｉの通信Ｉ／Ｆ８と管理基板２とが伝送路により接続されている。

さらに、第３の実施形態では、電位が異なる電池モジュール間を繋ぐ場合にのみ、絶縁回路又はレベルシフト回路８ａ、ｅを有する通信Ｉ／Ｆ８を採用する。つまり、直列に接続された電池モジュール間で、第１の実施形態のように、データ通信を行う場合には、絶縁回路又はレベルシフト回路８ａ、ｅと、受信Ｉ／Ｆ８ｂ、送信Ｉ／Ｆ８ｄとを備えた通信Ｉ／Ｆ８を使用する。

具体的には、図５によると、一例として、電池モジュール１ｃの保護基板６Ａでは、通信Ｉ／Ｆ８の送信Ｉ／Ｆ８ｄ側にだけ絶縁回路又はレベルシフト回路８ｅを備え、電池モジュール１ｂの保護基板６Ｂでは、通信Ｉ／Ｆ８の受信Ｉ／Ｆ８ｂ側にだけ絶縁回路又はレベルシフト回路８ａを備えている。なお、電池モジュール１ａ、ｄ〜ｆ、ｉ内に配設された保護基板６Ｎでは、通信Ｉ／Ｆ８に絶縁回路又はレベルシフト回路８ａ、ｅを有していない。

以上のような構成を有する組電池システムによれば、電池モジュール内の保護基板上に配設された通信Ｉ／Ｆには、絶縁回路やレベルシフト回路を信側又は受信側の片方に配設すれば済むため、この絶縁回路等の回路量を削減することが可能となる。また、管理基板上には、低電位側の電池モジュールから１本の伝送路によりデータ通信を行うため、第２の実施形態と比較しても絶縁回路の量を削減することが可能である。

本発明の第１の実施形態に係る組電池システムを示す構成図 本発明の第１の実施形態に係る組電池システムを示すブロック構成図 本発明の第１の実施形態に係る電池モジュール内の保護基板上の通信Ｉ／Ｆの構成を示す図 本発明の第２の実施形態に係る組電池システムを示す構成図 本発明の第３の実施形態に係る組電池システムを示す構成図 従来の組電池システムを示す構成図

１、１ａ〜ｉ…電池モジュール
２…管理基板
３…絶縁回路
４…二次電池
５…電圧測定回路
６Ａ、６Ｂ、６Ｎ…保護基板
７…ＭＰＵ
８…通信Ｉ／Ｆ
８ａ、ｅ…レベルシフト回路
８ｂ…受信Ｉ／Ｆ
８ｃ…伝送処理回路
８ｄ…送信Ｉ／Ｆ

Claims (1)

1. １以上の電池モジュールが直列及び並列に接続された組電池システムにおいて、
   前記各電池モジュールは、
   二次電池と、
   前記二次電池の電圧を測定する電圧測定回路と、
   前記電池モジュール間の通信を行う通信Ｉ／Ｆと、を備え、
   同電位の前記電池モジュール同士は、同電位の前記電池モジュール毎に、当該各電池モジュールの通信Ｉ／Ｆを通じて接続され、
   電位が異なる前記電池モジュール同士は、前記通信Ｉ／Ｆの受信側および送信側のうち、電位が異なる前記電池モジュールが接続される一方の側にだけ設けられた絶縁回路又はレベルシフト回路を通じて接続され、
   前記電池モジュールの低電位側は、１本の伝送路を介して管理基板に接続されている組電池システム。

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