JP6463371B2 - 蓄電管理システム - Google Patents
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Description
(実施形態1)
近年、地球環境問題が大きくクローズアップされるようになり、地球温暖化防止を目的として、あらゆる場面において炭酸ガスの排出削減が求められている。とりわけ、炭酸ガスの大きな排出源となっている自動車、特にガソリンエンジンを動力源として搭載した自動車では、図1に示すようなモータシステム10を搭載した電気自動車への代替が進んでいる。
図1に示すように、モータシステム10は、主要な構成要素として、モータ7と、このモータ7の駆動を制御するインバータ装置6と、このインバータ装置6に直流電力を放電すると共に、インバータ装置6から直流電力の供給を受けて、その直流電力を充電する電池システム1と、この電池システム1とインバータ装置6との間に設けられたリレー8とを備えている。
モータ7は、例えば三相交流電力の供給を受けて作動し、車両の駆動に供せられる回転動力を発生する三相交流同期電動機である。また、モータ7は、車両から回転動力を受けて回転し、三相交流電力を発生する発電機となる。尚、ここでは、モータ7として三相交流同期電動機を例に挙げたが、他の電動機を用いてもよく、例えば三相交流誘導電動機や直流電動機を用いてもよい。
インバータ装置6は、半導体スイッチのオンオフによって、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置の一つであり、電池システム1から放電された直流電力を所定の三相交流電力に変換してモータ7に供給している。また、インバータ装置6は、モータ7から供給された三相交流電力を直流電力に変換して電池システム1に供給し、電池システム1を充電している。尚、モータ7を直流電動機とした場合には、直流電力を所定の直流電力に変換する電力変換装置を用いる。直流電力を所定の直流電力に変換する電力変換装置としては、例えばチョッパ装置がある。
リレー8は、電池システム1とインバータ装置6との間の電気的な接続を、インバータ装置6からの指令信号に基づいて接続を制御している。イグニションキースイッチをオンして車両を走行させる場合、リレー8はオンになり、インバータ装置6と電池システム1との間を電気的に接続する。一方、車両を停止させてイグニションキースイッチをオフした場合、リレー8はオフになり、インバータ装置6と電池システム1との間の電気的な接続を解除する。尚、リレー8に対する指令信号は、後述する電池システム1から出力するようにしてもよい。
電池システム1(電池パックとも呼ばれている)は、主要な構成要素として、複数の電池セル200を備えた電池モジュール2と、複数の電池セル200の状態を管理する電池管理システム3とを備えている。
次に、図2を用いて、セルコントローラ30及びバッテリコントローラ40の構成をより詳細に説明する。
セルコントローラ30は、電池セル200の状態量を取得する情報取得部であり、図2に示すように、集積回路300と、無線回路370と、アンテナ380とを主要な構成要素として備えている。それらは回路基板に実装されている。尚、セルコントローラ30の構成要素としては、電池セル200のバランシング制御に用いられる抵抗や、電池セル200の端子電圧を検出するための電圧検出線に設けられた回路素子、例えばフィルタ回路(例えばRCフィルタ回路を構成する抵抗及びコンデンサ)、インダクタ、電流制限抵抗、静電気対策のコンデンサなど、さらには、集積回路300と無線回路370との間の信号伝送路に設けられたフィルタ回路など、多数の回路素子がある。また、電池セル群20側の電圧検出線とセルコントローラ30側の電圧検出線とを接続するコネクタなどもある。これらの回路素子や端子部材も回路基板に実装されているが、図2ではその図示を省略している。
バッテリコントローラ40は、電池セル200や電池セル群20や組電池の状態量を収集する情報収集部、かつ収集した各状態量に基づいて各種処理を実行する処理部であり、図2に示すように、マイクロコンピュータ(マイコン)410と、電源回路420と、無線回路430と、アンテナ440とを主要な構成要素として備えている。それらは回路基板に実装されている。尚、バッテリコントローラ40の構成要素としては、組電池の総電圧を検出する総電圧検出回路や、組電池が漏電していないかどうか検出するためのリーク検出回路などがある。これらの構成部品も回路基板に実装されているが、図2ではその図示を省略している。
次に、図3乃至図15を用いて、電池管理システム3の動作、特に各セルコントローラ30とバッテリコントローラ40との間の無線通信において通信エラーが生じたときの動作について説明する。図15において○は受信又は送信成功、×は受信又は送信失敗を示す。
図13はバッテリコントローラ40と各セルコントローラ30との通信シーケンスを示す。図12、13においてBCはバッテリコントローラ40を、CC1〜CCnはセルコントローラ30をそれぞれ示す。図12において、TxB1はBCから各CCに対するデータ読出し要求、TxはCCからBCに対するデータ送信状態、TxB2はBCから各CCに対する連続受信要求、CRxは連続受信状態、TxC2はBCからCC2(通信エラーCC)に対するデータ読出し要求、Sはスリープ(低消費電力待機)状態 、Rxは受信状態である。図13において○は受信又は送信成功、×は受信又は送信失敗を示す。
電池管理システム3の起動はトリガ信号を取得することにより行われる。トリガ信号は、車両のイグニションキースイッチのオンを示す信号であり、統合制御装置9から信号伝送路に出力される。電池管理システム3がトリガ信号を取得すると、まず、バッテリコントローラ40が起動され、この後、バッテリコントローラ40から出力された起動信号により、各セルコントローラ30が起動される。
車両のイグニションキースイッチがオンされると、イグニションキースイッチがオンされたことを示す信号が統合制御装置9から信号伝送路に出力される。この出力された信号を起動信号としてバッテリコントローラ40が受信すると、図3のS301に示すように、バッテリコントローラ40が起動する。ここで、バッテリコントローラ40が起動するとは、起動信号を受けて電源回路420がマイコン410や無線回路430などの各回路に動作電圧を印加し、これによって、マイコン410や無線回路430などの各回路が動作を開始することである。
バッテリコントローラ40から起動信号が一斉に送信されると、各セルコントローラ30のアンテナ380によって起動信号が受信され、無線回路370を介して集積回路300に入力される。起動信号が集積回路300に入力されると、図5のS501に示すように、各セルコントローラ30が起動する。ここで、セルコントローラ30が起動するとは、起動信号を受けて集積回路300内の電源回路320が集積回路300内のロジック回路340や、集積回路300外の無線回路370などの各回路に動作電圧を印加し、これによって、集積回路300内のロジック回路340や、集積回路300外の無線回路370などの各回路が動作を開始することである。
図3のフローでは図示を省略したが、各セルコントローラ30から起動が完了した旨の信号が返信されると、バッテリコントローラ40から各セルコントローラ30に対して、無負荷状態(リレー8がオフ状態)にあるときの電池セル200の端子電圧(開路電圧)の出力を求めるための指令信号が一斉に送信される。この後、バッテリコントローラ40は各セルコントローラ30からの応答を待つ。各セルコントローラ30からデータに関する信号が返信されると、各電池セル200の端子電圧が開路電圧(OCV)としてメモリ412に記憶されると共に、各電池セル200の端子電圧を開路電圧に基づいて、各電池セル200の初期充電状態(SOC)が演算され、メモリ412に記憶される。また、各電池セル200の初期充電状態に基づいて、バランシング制御の要否が判断され、要の場合には、バランシング制御の対象となる電池セル200を放電或いは充電させるための時間などの制御値が演算され、メモリ412に記憶される。この後、バッテリコントローラ40は、初期準備が完了したと判断し、統合制御装置9に対してリレー8をオンしてもよい旨の信号を送信する。
図5のフローでは図示を省略したが、セルコントローラ30が起動した後、電池セル200の端子電圧(開路電圧)の出力を求めるための指令信号がバッテリコントローラ40から各セルコントローラ30に送信されると、各セルコントローラ30において、対応する電池セル群20を構成する複数の電池セル200のそれぞれの端子電圧が検出され、この検出により取得した端子電圧に関するデータがレジスタ350に書き込まれると共に、バッテリコントローラ40に対して送信される。また、各セルコントローラ30において、検出された端子電圧と、過充電や過放電などの診断用閾値のそれぞれとが比較されて、各電池セル200に過充電や過放電などの異常があるか否かが診断されると共に、この診断結果がレジスタ350に書き込まれる。さらに、診断の結果、異常がある場合には、その結果が、端子電圧の検出結果と共にバッテリコントローラ40に対して送信される。この後、各セルコントローラ30は、起動状態を維持した状態のままバッテリコントローラ40から送信される次の指令信号を待つ。
リレー8がオンすると、電池システム1とインバータ装置6とが電気的に接続され、電池システム1とインバータ装置6との間に電流が流れる。これをバッテリコントローラ40が検出すると、電池管理システム3が通常動作を開始する。電池システム1とインバータ装置6との間に流れる電流は、組電池に流れる電流を検出するための電流センサからの情報に基づいて検出できる。
通常動作が開始されると、図12のBCに示すように、時分割された複数の期間のうちの最初の期間において、図3のS303及び図13のBCに示すように、バッテリコントローラ40から各セルコントローラ30に対して、一斉送信コマンドを示すブロードキャストコマンドを使って、電池セル200の端子電圧のデータ読出し要求(TxB1)に関する指令信号が送信される。
一方、図12のCC1〜CCnに示すように、時分割された複数の期間のうちの最初の期間において、バッテリコントローラ40から送信された指令信号は、受信状態(Rx)にある各セルコントローラ30によって受信される。この時、各セルコントローラ30では、図5のS502及び図13のCC1〜CCnに示すように、指令信号の受信に成功したか失敗したかという判断がなされる。この判断の結果、指令信号の受信に成功したという肯定判断がなされた場合には、図5のS503において、受信した指令信号がTxB1であるか否かを判断する。この後、図5のS503に示すように、その指令信号がTxB1であるか否かを判断し、S503において指令信号がTxB1であるという肯定判断した場合には、図5のS504に進む。
セルコントローラ30が起動或いはセルコントローラ30の起動が維持された後、ロジック回路340は、図6のS601乃至S603に示すように、状態量として、複数の電池セル200の端子電圧を測定して複数の電池セル200の一つを選択して、この選択した電池セル200の端子電圧を測定し、この後、図6のS602に示すように、測定した端子電圧に関する情報(データ)をレジスタ350に記憶するように、電圧検出回路311及びレジスタ350を制御する。
セルコントローラからデータが送信された後、バッテリコントローラはデータを受信する。図3のS305に進み、図12に示すように、各セルコントローラ30から送信された電池セル200の端子電圧に関するデータを受信するための受信状態(Rx)になり、各セルコントローラ30から送信されたデータを時分割で、予め決められた順番で受信する。ここでは、セルコントローラ30が、CC1、CC2、…CCn−1、Cnの順にデータを送信する場合を例に挙げて説明する。
次に、セルコントローラに異常があるときの動作を図7〜15を用いて説明する。
実施形態1では、BCはCC2からの電池セル200の端子電圧に関するデータが所定の回数以上連続で受信できなかった時には、CC1からCCnに対してブロードキャストに送信するタイミングで、全てのCC(CC1〜CCn)に対して連続的に受信することを通知する要求(TxB2)を送信し、その後、通信エラーが発生しているCC2に対して、読出し要求(TxC2)を1回以上送信し、CC2からの電池セル200の端子電圧に関するデータが帰ってくるといったように、通信エラーの回復処理が成功する例を示した。実施形態2ではCC2からの電池セル200の端子電圧に関するデータが帰ってこなかった時のBC、CC2の処理について、図14、図16を用いて説明する。図14は実施形態2に係る蓄電管理システムの通信タイミングチャート、図16は実施形態2に係る蓄電管理システムの通信シーケンスである。図14において、TxB1はBCから各CCに対するデータ読出し要求、TxはCCからBCに対するデータ送信状態、TxB2はBCから各CCに対する連続受信要求、CRxは連続受信状態、TxC2はBCからCC2(通信エラーCC)に対するデータ読出し要求、Sはスリープ(低消費電力待機)状態 、Rxは受信状態である。図16において○は受信又は送信成功、×は受信又は送信失敗を示す。
図8のS803において、CC2がバッテリコントローラからの読出し要求(TxC2)を受信できない場合は、S804においてカウンタ1のカウント値が所定値Tcc12であるかを判断する。カウンタ1のカウント値がTcc12でない場合は、図8のS802に戻る。一方、カウンタ1のカウント値がTcc12である場合は、カウンタ1のカウント値がリセットされ(S805)、カウンタ1のカウントが開始される(S806)。その後、カウンタ1のカウント値が所定値Tcc13でない場合には、S806に戻り、再びカウンタ1のカウントが開始される。カウンタ1のカウント値が所定値Tcc13である場合には、図10のS1001に示すように、現在の周波数(f1)から所定の周波数(f2)切り替える。その後、S1002に示すように、カウンタ1のカウント値が所定値Tcc11であるか否かを判断する。カウンタ1のカウント値が所定値Tcc11でない場合には、カウンタ1は再びカウントが開始される(S1004)。一方、カウンタ1のカウント値が所定値Tcc11である場合、バッテリコントローラからの読出し要求(TxB1)を受信する(S1003)。読出し要求(TxB1)を受信した場合には、動作フローは図6のS607に進む。また、読出し要求(TxB1)を受信しなかった場合には、セルコントローラは動作を終了する。
一方、BCは、通信エラー処理でCC2に対して、読出し要求(TxC2)を1回以上送信し応答を待つ(図4のS408)。図4のS410においてCC2からのデータを受信できない場合は、図4のS403にステップが進む。
実施形態2では、CC2が周波数f1から周波数f2に切り替えることで、通信が回復する例を示した。実施形態3では、周波数f2で所定の時間連続受信しても、BCからの読出し要求を受信できなかった場合の動作フローを説明する。図16に実施形態に係る電池管理システムにおける通信エラー処理時の動作シーケンスを示す。
実施形態4は、複数のセルコントローラ30とバッテリコントローラ40との間の通信に有線方式を採用した例である。図18に実施形態4に係る電池管理システムと負荷との接続構成を示すブロック図を示す。複数のセルコントローラ30とバッテリコントローラは配線51により接続され、複数のセルコントローラ30とバッテリコントローラ40の間にはフォトカプラ5が設けられている。フォトカプラは、内部で電気信号を光に変換し再び電気信号へ戻すことによって電気的に絶縁しながら信号を伝達できる。
実施形態5は、バッテリコントローラを2チャンネルとし、複数のセルコントローラ30とバッテリコントローラ40との間の通信に無線方式を採用した例である。図19に実施形態5に係る電池システムと負荷との接続構成を示すブロック図を示す。バッテリコントローラ40には、複数のセルコントローラ30のそれぞれとの間で電波を送受信するためのアンテナ440、450が設けられている。アンテナ440、450は、無線回路430から出力された送信波を電波に変換して各セルコントローラ30に送信すると共に、各セルコントローラ30から出力された電波を受信して無線回路430に入力される受信波に変換し、無線回路430に入力する信号媒体変換器である。
実施形態6は、バッテリコントローラを2チャンネルとし、複数のセルコントローラ30とバッテリコントローラ40との間の通信に有線方式を採用した例である。図20に実施形態6に係る電池システムと負荷との接続構成を示すブロック図を示す。バッテリコントローラ40と複数のセルコントローラ30とは、配線51、52により接続され、複数のセルコントローラ30とバッテリコントローラを接続の間には、フォトカプラ5が設けられている。
20・・・・電池の状態を計測する1つまたは複数の計測器(センサー)
30・・・・電池の状態情報を取得し処理する処理部
31・・・・電源回路
32・・・・電池セルの状態を検出する検出回路(A/D変換器)
33・・・・電池セルの状態を診断する処理回路(CPU)
34・・・・記憶装置(メモリ)
40・・・・無線回路
50・・・・アンテナ
60・・・・電池の状態情報を取得し処理する処理部
61・・・・電源回路
62・・・・電池セルの状態を検出する検出回路(A/D変換器)
63・・・・電池セルの状態を診断する処理回路(CPU)
64・・・・記憶装置(メモリ)
100・・・電池セル管理装置
200・・・組電池管理装置
210・・・無線回路
220・・・処理回路(CPU)
230・・・電池を含む電源回路
240・・・記憶装置(メモリ)
250・・・アンテナ
Claims (12)
- 複数の蓄電セルの状態を取得する複数の情報取得装置と、
前記複数の情報取得装置のそれぞれと時分割で通信し、前記複数の情報取得装置のそれぞれにおいて取得した複数の蓄電セルの状態に関する情報である状態情報を収集する情報収集装置と、を有し、
前記複数の情報取得装置は、それぞれ、前記情報収集装置と通信する第1期間では、前記情報収集装置との通信が可能な状態になると共に、他の前記情報取得装置と前記情報収集装置とがn対1(nは前記情報収集装置の通信チャンネル数を示す正の自然数)の関係において通信する第2期間では、前記情報収集装置との通信可能状態が解かれた状態になり、
前記複数の情報取得装置のいずれか一つ又は複数と前記情報収集装置との間において信号の送信或いは受信若しくはその両方ができない通信エラーが発生した場合には、前記複数の情報取得装置の全てを、常時、前記情報収集装置との通信が可能な状態にして、前記通信エラーを解消するための処理を実行する、
蓄電管理システム。 - 請求項1に記載の蓄電管理システムにおいて、
前記情報収集装置は、時分割通信の基準タイミングとなるタイミング信号を周期的に前記複数の情報取得装置に送信し、
前記複数の情報取得装置は、それぞれ、前記情報収集装置から送信された前記タイミング信号を受信した後、前記情報取得装置毎に異なるように割り当てられた個別タイミングに基づいて、前記状態情報に関する信号を前記情報収集装置に送信する、
蓄電管理システム。 - 請求項2に記載の蓄電管理システムにおいて、
前記情報収集装置は、前記各個別タイミングにおいて、前記各個別タイミングに対応する情報取得装置からの前記状態情報に関する信号を受信できない回数が所定の回数以上連続したときには、前記通信エラーが発生したと判断する、
蓄電管理システム。 - 請求項3に記載の蓄電管理システムにおいて、
前記情報収集装置は、前記通信エラーが発生したと判断すると、前記複数の情報取得装置に対して、常時、前記情報収集装置との通信が可能な状態にするための要求信号を送信し、前記通信エラーが発生していない情報取得装置の全てを、常時、前記情報収集装置との通信が可能な状態にする、
蓄電管理システム。 - 請求項4に記載の蓄電管理システムにおいて、
前記複数の情報取得装置は、それぞれ、対応する個別タイミングにおいて、対応する蓄電セルの状態情報に関する信号を前記情報収集装置に送信できない或いは前記情報収集装置からの信号を受信できない回数が所定の回数以上連続したときには、自分自身に前記通信エラーが発生したと判断する、
蓄電管理システム。 - 請求項5に記載の蓄電管理システムにおいて、
前記複数の情報取得装置は、それぞれ、自分自身に前記通信エラーが発生したと判断すると、自分自身を、常時、前記情報収集装置との通信が可能な状態にする、
蓄電管理システム。 - 請求項6に記載の蓄電管理システムにおいて、
前記複数の情報取得装置の全てが、常時、前記情報収集装置との通信が可能な状態になると、前記通信エラーを解消するための通信処理が開始される、
蓄電管理システム。 - 請求項7に記載の蓄電管理システムにおいて、
前記通信エラーを解消するための通信処理は、前記情報収集装置が、前記通信エラーが生じた情報取得装置に対して、1回以上、前記通信エラーが生じた情報取得装置において取得した蓄電セルの状態情報を送信させるための要求信号を送信する処理である、
蓄電管理システム。 - 請求項8に記載の蓄電管理システムにおいて、
前記通信エラーを解消するための通信処理を所定の時間行っても、前記通信エラーを解消できないときには、前記情報収集装置は、前記複数の情報取得装置との間の通信に使用される周波数を所定の周波数に変更する、
蓄電管理システム。 - 請求項8に記載の蓄電管理システムにおいて、
前記通信エラーが生じた情報取得装置は、前記情報収集装置からの信号を連続受信している状態で、所定の時間以上の間、前記情報収集装置からの信号を受信できなかったときには、前記情報収集装置との間の通信に使用される周波数を所定の周波数に変更して、前記情報収集装置からの信号を連続受信する、
蓄電管理システム。 - 請求項9に記載の蓄電管理システムにおいて、
前記通信エラーが生じた情報取得装置は、前記情報収集装置からの信号を連続受信している状態で、所定の時間以上の間、前記情報収集装置からの信号を受信できなかったときには、前記情報収集装置との間の通信に使用される周波数を、前記所定の周波数と同じ周波数に変更して、前記情報収集装置からの信号を連続受信する、
蓄電管理システム。 - 請求項1に記載の蓄電管理システムにおいて、
前記複数の蓄電セルは、一つ又はいくつかの蓄電セルを有する蓄電セル群のそれぞれに対応して設けられた装置であって、対応する蓄電器群を電源として作動用電圧を生成する電源部と、対応する蓄電器群が有する一つ又は複数の蓄電器のそれぞれの状態量を計測する計測部と、信号を送受信する通信部とを有すると共に、前記電源部から前記計測部及び前記通信部に作動用電圧を供給すると作動状態となり、前記電源部から前記計測部及び前記通信部に作動用電圧の供給が停止すると休止状態になる複数の第1制御装置と、
信号を送受信する通信部を有すると共に、前記複数の第1制御装置のそれぞれと時分割で通信する第2制御装置と、を有し、
前記第2制御装置は、前記複数の第1制御装置のいずれか一つ又は複数との間の通信にエラーが発生した場合には、前記複数の第1制御装置の全てを前記作動状態とし、前記複数の第1制御装置の全ての作動状態を連続させるための要求信号を、前記複数の第1制御装置の全てに送信し、
前記複数の第1制御装置は、前記要求信号を受信できるように設定し、前記複数の第1制御装置毎に異なるように割り当てられた個別のタイミングに基づいて、前記状態情報に関する信号を前記情報収集装置に送信する、
蓄電管理システム。
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