JP6649447B2

JP6649447B2 - 電池システム

Info

Publication number: JP6649447B2
Application number: JP2018175024A
Authority: JP
Inventors: 光三浦; 睦菊地; 彰彦工藤; 金井　友範; 友範金井
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2018-09-19
Filing date: 2018-09-19
Publication date: 2020-02-19
Anticipated expiration: 2033-04-15
Also published as: JP2019012080A

Description

本発明は、電池システムに関する。

従来、複数の電池セルを直列接続した組電池ブロックごとに監視回路を設け、マイコンから各監視回路へ所定の指示信号を出力することにより、組電池の状態監視を行う電池システムが知られている。このような電池システムでは、マイコンと監視回路の間を絶縁するために、絶縁素子としてのフォトカプラが設けられている（特許文献１参照）。

特開２００７−２７８９１３号公報

特許文献１に開示されたような絶縁方法では、フォトカプラが高電圧である組電池に接続されている。したがって、たとえばマイコンと監視回路の間が離れている場合などは、高電圧の配線を長距離に渡って引き回す必要があるため、安全上の問題を生じる可能性がある。そこで、こうした課題に鑑みて、本発明の主な目的は、安全で信頼性の高い電池システムを提供することにある。

本発明の一態様は、複数の電池セルを有する組電池に対応してそれぞれ設けられ、互いに直列に接続された複数の電池監視回路と、前記電池監視回路と信号の送受信を行うマイコンと、を備えた電池監視装置において、前記電池監視回路と前記マイコンはそれぞれ異なる基板に設けられ、前記直列に接続された電池監視回路の一端側は第一の信号伝送路を介して前記マイコンと接続され、前記直列に接続された電池監視回路の他端側は第二の信号伝送路を介して前記マイコンと接続され、前記第一の信号伝送路及び前記第二の信号伝送路はそれぞれ、前記電池監視回路が設けられた側の基板に配置された第一の絶縁素子と、前記マイコンが設けられた側の基板に配置された第二の絶縁素子とを介して、前記電池監視回路及び前記マイコンと接続されており、前記第二の絶縁素子は、前記マイコンが設けられた側の基板上で互いに電気的に独立した２つの内部電源をそれぞれ有し、前記２つの内部電源の一方は、前記第二の絶縁素子の前記マイコン側の動作電源を生成し、前記２つの内部電源の他方は、前記第二の絶縁素子の前記第一の信号伝送路または前記第二の信号伝送路側の動作電源を生成することを特徴とする。
本発明の他の一態様は、複数の電池セルを有する組電池に対応してそれぞれ設けられ、互いに直列に接続された複数の電池監視回路と、前記電池監視回路と信号の送受信を行うマイコンと、を備えた電池監視装置において、前記電池監視回路と前記マイコンはそれぞれ異なる基板に設けられ、前記直列に接続された電池監視回路の一端側は信号伝送路を介して前記マイコンと接続され、前記信号伝送路は、前記電池監視回路が設けられた側の基板に配置された第一の絶縁素子と、前記マイコンが設けられた側の基板に配置された第二の絶縁素子とを介して、前記電池監視回路及び前記マイコンと接続されており、前記第二の絶縁素子は、前記マイコンが設けられた側の基板上で互いに電気的に独立した２つの内部電源を有し、前記２つの内部電源の一方は、前記第二の絶縁素子の前記マイコン側の動作電源を生成し、前記２つの内部電源の他方は、前記第二の絶縁素子の前記信号伝送路側の動作電源を生成することを特徴とする。

本発明によれば、安全で信頼性の高い電池システムを提供することができる。

本発明の第１の実施形態による電池システムの構成を示す図である。本発明の第２の実施形態による電池システムの構成を示す図である。本発明の第３の実施形態による電池システムの構成を示す図である。本発明の第４の実施形態による電池システムの構成を示す図である。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態による電池システムの構成を示す図である。本電池システムは、電池モジュール１、電池監視基板２、電池監視基板３、および上位制御基板５を備える。電池監視基板２、３は、電池監視回路２１、３１と、通信用コンデンサ２３、３３とをそれぞれ有する。上位制御基板５は、絶縁素子５０、絶縁素子６０、絶縁電源８、マイコン９、および電源部１０を有する。

電池監視基板２と上位制御基板５は、送信信号伝送路４１を介して互いに接続されている。送信信号伝送路４１は、上位制御基板５内のマイコン９と電池監視基板２内の電池監視回路２１の間で入出力される信号を伝送するための信号伝送路である。また、電池監視基板３と上位制御基板５は、受信信号伝送路４２を介して互いに接続されている。受信信号伝送路４２は、電池監視基板３内の電池監視回路３１と上位制御基板５内のマイコン９の間で入出力される信号を伝送するための信号伝送路である。なお、図１では、送信信号伝送路４１および受信信号伝送路４２を２線式の差動信号伝送路としてそれぞれ図示しているが、単線式の信号伝送路としてこれらを構成してもよい。

電池モジュール１は、複数の電池セル１０をそれぞれ有する組電池１１および１２が直列に接続されて構成されている。組電池１１は電池監視基板２と接続され、組電池１２は電池監視基板３と接続されている。

電池監視基板２は、組電池１１に対応して設けられた電池監視回路２１を有している。電池監視回路２１は、上位制御基板５に設けられたマイコン９からの指令に応じて、組電池１１の各電池セル１０の電圧等を測定し、その測定結果を基に、組電池１１の各電池セル１０の状態を監視する。電池監視回路２１には内部電源２２が内蔵されている。この内部電源２２は、組電池１１の各電池セル１０から供給される電力を用いて、電池監視回路２１の動作電源を生成する。

電池監視基板３は、組電池１２に対応して設けられた電池監視回路３１を有している。電池監視回路３１は、上位制御基板５に設けられたマイコン９からの指令に応じて、組電池１２の各電池セル１０の電圧等を測定し、その測定結果を基に、組電池１２の各電池セル１０の状態を監視する。電池監視回路３１には内部電源３２が内蔵されている。この内部電源３２は、組電池１２の各電池セル１０から供給される電力を用いて、電池監視回路３１の動作電源を生成する。

電池監視基板２と電池監視基板３は、中継信号伝送路４３を介して互いに接続されている。中継信号伝送路４３は、電池監視回路２１と電池監視回路３１の間で入出力される中継信号を伝送するための伝送路である。この中継信号伝送路４３は、電池監視基板２においては、通信用コンデンサ２３を介して電池監視回路２１に接続されており、電池監視基板３においては、通信用コンデンサ３３を介して電池監視回路３１に接続されている。すなわち、中継信号伝送路４３は、通信用コンデンサ２３、３３によって電池監視回路２１、３１からそれぞれ絶縁されている。これにより、電池監視回路２１、３１の各電位に対して、中継信号伝送路４３の電位は浮動電位となっている。さらに、中継信号伝送路４３は、上位制御基板５内のマイコン９の電位に対しても浮動電位となっている。この中継信号伝送路４３を介して、電池監視回路２１と電池監視回路３１の間で、組電池１１、１２の状態をそれぞれ監視するために用いられる中継信号が互いに送受信される。なお、図１では、中継信号伝送路４３を２線式の差動信号伝送路としてそれぞれ図示しているが、単線式の信号伝送路として構成してもよい。

上位制御基板５において、マイコン９は、電池監視回路２１および３１の動作を制御するための回路であり、絶縁素子５０と送信信号伝送路４１を介して、電池監視回路２１および３１に対して所定の指令信号を送信する。この指令信号を受信することで、電池監視回路２１、３１は、マイコン９からの指令内容に応じた動作をそれぞれ実行する。なお、マイコン９から電池監視回路３１への指令信号は、電池監視回路２１において一端受信された後、中継信号伝送路４３を介した中継信号として電池監視回路３１に送信される。

また、マイコン９は、電池監視回路２１および３１から受信信号伝送路４２と絶縁素子６０を介して送信される測定信号を受信する。この測定信号は、電池監視回路２１、３１による組電池２１、３１の各電池セル１０の電圧等の測定結果を示す信号を含んでいる。なお、電池監視回路２１からマイコン９への測定信号は、中継信号伝送路４３を介した中継信号として電池監視回路３１に一端送信された後、電池監視回路３１からマイコン９に送信される。

電源部１０には鉛蓄電池１１が接続されている。電源部１０は、鉛蓄電池１１から供給される電力を用いて、一次側電源Ｖｃｃを出力する。この一次側電源Ｖｃｃは、マイコン９において入力され、マイコン９の動作電源として利用される。また、絶縁素子５０および６０と、絶縁電源８にも入力される。

絶縁電源８は、電源部１０から供給される一次側電源Ｖｃｃを用いて、マイコン９から絶縁された二次側電源Ｖｓを生成する。この二次側電源Ｖｓは、絶縁電源８から、絶縁素子５０の出力側（送信信号伝送路４１側）および絶縁素子６０の入力側（受信信号伝送路４２側）に供給される。なお、二次側電源Ｖｓは、電池監視回路２１および３１からも絶縁されている。

絶縁素子５０は、マイコン９と送信信号伝送路４１の間を絶縁するための素子であり、たとえばフォトカプラ等を用いて構成されている。絶縁素子５０には、内部電源５１および５２が内蔵されている。内部電源５１は、電源部１０から供給される一次側電源Ｖｃｃを用いて、絶縁素子５０の入力側、すなわちマイコン９側の動作電源を生成する。一方、内部電源５２は、絶縁電源８から供給される二次側電源Ｖｓを用いて、絶縁素子５０の出力側、すなわち送信信号伝送路４１側の動作電源を生成する。

送信信号伝送路４１は、上位制御基板５においては、絶縁素子５０を介してマイコン９に接続されている。また、電池監視基板２においては、通信用コンデンサ２３を介して電池監視回路２１に接続されている。すなわち、送信信号伝送路４１は、絶縁素子５０によってマイコン９から絶縁されると共に、通信用コンデンサ２３によって電池監視回路２１から絶縁されている。これにより、マイコン９の電位および電池監視回路２１の電位に対して、送信信号伝送路４１の電位は浮動電位となっている。

絶縁素子６０は、マイコン９と受信信号伝送路４２の間を絶縁するための素子であり、たとえばフォトカプラ等を用いて構成されている。絶縁素子６０には、内部電源６１および６２が内蔵されている。内部電源６１は、電源部１０から供給される一次側電源Ｖｃｃを用いて、絶縁素子６０の出力側、すなわちマイコン９側の動作電源を生成する。一方、内部電源６２は、絶縁電源８から供給される二次側電源Ｖｓを用いて、絶縁素子６０の入力側、すなわち受信信号伝送路４２側の動作電源を生成する。

受信信号伝送路４２は、上位制御基板５においては、絶縁素子６０を介してマイコン９に接続されている。また、電池監視基板３においては、通信用コンデンサ３３を介して電池監視回路３１に接続されている。すなわち、受信信号伝送路４２は、絶縁素子６０によってマイコン９から絶縁されると共に、通信用コンデンサ３３によって電池監視回路３１から絶縁されている。これにより、マイコン９の電位および電池監視回路３１の電位に対して、受信信号伝送路４２の電位は浮動電位となっている。

以上説明したように、本発明の第１の実施形態による電池システムでは、電池監視回路２１、３１とマイコン９から、送信信号伝送路４１、受信信号伝送路４２および中継信号伝送路４３をそれぞれ電気的に切り離した構成としている。これにより、高電圧駆動回路である電池監視回路２１、３１の各電位および低電圧駆動回路であるマイコン９の電位に対して、各伝送路の電位をそれぞれ浮動電位としている。そのため、これらの伝送路が高電圧になるのを防いで、安全な電池システムを実現することができる。

以上説明した本発明の第１の実施形態によれば、次のような作用効果を奏する。

（１）送信信号伝送路４１および受信信号伝送路４２は、絶縁素子５０、６０によってマイコン９からそれぞれ絶縁されると共に、通信用コンデンサ２３、３３によって電池監視回路２１、３１からそれぞれ絶縁されている。これにより、送信信号伝送路４１および受信信号伝送路４２の電位は、マイコン９の電位および電池監視回路２１、３１の電位に対して浮動電位である。このようにしたので、安全で信頼性の高い電池システムを提供することができる。

（２）中継信号伝送路４３は、通信用コンデンサ２３、３３によって電池監視回路２１、３１からそれぞれ絶縁されている。これにより、中継信号伝送路４３の電位は、マイコン９の電位および電池監視回路２１、３１の電位に対して浮動電位である。このようにしたので、さらに安全で信頼性の高い電池システムを提供することができる。

（３）絶縁素子５０は、入力側がマイコン９に接続されて出力側が送信信号伝送路４１に接続されており、絶縁素子６０は、入力側が受信信号伝送路４２に接続されて出力側がマイコン９に接続されている。絶縁電源８は、絶縁素子５０の出力側および絶縁素子６０の入力側に、マイコン９および電池監視回路２１、３１から絶縁された二次側電源Ｖｓを供給する。このようにしたので、マイコン９および電池監視回路２１、３１から絶縁された状態で、絶縁素子５０の出力側および絶縁素子６０の入力側をそれぞれ動作させることができる。そのため、動作電源が必要なフォトカプラ等の素子を絶縁素子５０、６０として用いた場合に、送信信号伝送路４１および受信信号伝送路４２の電位を、マイコン９および電池監視回路２１、３１に対して浮動電位とすることができる。また、高電圧駆動回路側から絶縁素子５０および６０に対して二次側電源Ｖｓを供給する必要がないため、電池モジュール１の各電池セル１０の消費電流を抑制すると共に、各電池セル１０間での消費電流のばらつきを低減することができる。さらに、電池監視基板２および３と上位制御基板５との間の配線を高電圧駆動回路から電気的に切り離すことができるため、さらなる安全性の向上を図ることができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図２は、本発明の第２の実施形態による電池システムの構成を示す図である。この電池システムは、第１の実施形態で説明した電池システムと比べて、電池監視基板３と上位制御基板５の間に受信信号伝送路４２が設けられていない点が異なっている。

本実施形態の電池システムでは、送信信号伝送路４１は、上位制御基板５において、絶縁素子５０に加えて、絶縁素子６０にも接続されている。これにより、電池監視回路２１および３１から送信された測定信号を、送信信号伝送路４１および絶縁素子６０を介して、マイコン９において受信することができる。

以上説明した本発明の第２の実施形態によれば、第１の実施形態で説明したのと同様の作用効果を奏することができる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図３は、本発明の第３の実施形態による電池システムの構成を示す図である。この電池システムは、第１の実施形態で説明した電池システムと比べて、絶縁電源８が絶縁素子６０の中に内蔵されている点が異なっている。

以上説明した本発明の第３の実施形態によれば、絶縁電源８を絶縁素子６０に内蔵することにより、上位制御基板５の部品点数を削減すると共に配線構造を簡略化することができる。これにより、低コスト化を図ることができる。なお、絶縁電源８を絶縁素子６０ではなく絶縁素子５０に内蔵してもよい。また、絶縁電源８を絶縁素子５０と絶縁素子６０の両方に内蔵してもよい。

（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。図４は、本発明の第４の実施形態による電池システムの構成を示す図である。この電池システムは、第１の実施形態で説明した電池システムと比べて、電源部１０と絶縁電源８の間にスイッチ１２が設けられている点が異なっている。

スイッチ１２は、マイコン９の制御に応じて、電源部１０から絶縁電源８への一次側電源Ｖｃｃの供給をオンまたはオフすることにより、絶縁電源８の動作状態を切り替える。たとえば、マイコン９と電池監視回路２１、３１の間で通信を行うタイミングに合わせて、スイッチ１２を導通状態として絶縁電源８を動作させ、絶縁電源８から絶縁素子５０および６０に二次側電源Ｖｓを供給する。これ以外のときには、スイッチ１２を遮断状態に切り替えて絶縁電源８の動作を停止させる。このようにすれば、絶縁電源８を必要なときにのみ動作させることができる。

以上説明した本発明の第４の実施形態によれば、マイコン９の制御に応じて、スイッチ１２により絶縁電源８の動作状態を切り替えることができる。これにより、絶縁電源８を必要なときにのみ動作させて低消費電力化を図ることができる。

なお、以上説明した第１〜第４の各実施形態では、絶縁電源８から供給される二次側電源Ｖｓを受けて絶縁素子５０および６０が動作する例を説明したが、電源供給を受けずに動作可能な素子を絶縁素子５０および６０として用いてもよい。たとえば、コンデンサやパルストランス等の受動素子を絶縁素子５０および６０として用いることができる。この場合、上位制御基板５において、絶縁電源８は不要となる。また、電池監視基板２内の通信用コンデンサ２３や、電池監視基板３内の通信用コンデンサ３３を、他の絶縁素子、たとえばパルストランスやフォトカプラ等に置き換えてもよい。

以上説明した各実施形態や変形例はあくまで一例であり、発明の特徴が損なわれない限り、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。

Claims

複数の電池セルを有する組電池に対応してそれぞれ設けられ、互いに直列に接続された複数の電池監視回路と、
前記電池監視回路と信号の送受信を行うマイコンと、を備えた電池監視装置において、
前記電池監視回路と前記マイコンはそれぞれ異なる基板に設けられ、
前記直列に接続された複数の電池監視回路の一端側は第一の信号伝送路を介して前記マイコンと接続され、
前記直列に接続された複数の電池監視回路の他端側は第二の信号伝送路を介して前記マイコンと接続され、
前記第一の信号伝送路及び前記第二の信号伝送路はそれぞれ、前記電池監視回路が設けられた側の基板に配置された第一の絶縁素子と、前記マイコンが設けられた側の基板に配置された第二の絶縁素子とを介して、前記電池監視回路及び前記マイコンと接続されており、
前記第二の絶縁素子は、前記マイコンが設けられた側の基板上で互いに電気的に独立した２つの内部電源をそれぞれ有し、
前記２つの内部電源の一方は、前記第二の絶縁素子の前記マイコン側の動作電源を生成し、
前記２つの内部電源の他方は、前記第二の絶縁素子の前記第一の信号伝送路または前記第二の信号伝送路側の動作電源を生成することを特徴とする電池監視装置。
請求項１に記載の電池監視装置において、
一次側電源を出力する電源部と、
前記電源部から出力される前記一次側電源を用いて、前記マイコンおよび前記電池監視回路から絶縁された二次側電源を生成する絶縁電源と、を備え、
前記２つの内部電源の一方は、前記一次側電源を用いて、前記第二の絶縁素子の前記マイコン側の動作電源を生成し、
前記２つの内部電源の他方は、前記二次側電源を用いて、前記第二の絶縁素子の前記第一の信号伝送路または前記第二の信号伝送路側の動作電源を生成することを特徴とする電池監視装置。
複数の電池セルを有する組電池に対応してそれぞれ設けられ、互いに直列に接続された複数の電池監視回路と、
前記電池監視回路と信号の送受信を行うマイコンと、を備えた電池監視装置において、
前記電池監視回路と前記マイコンはそれぞれ異なる基板に設けられ、
前記直列に接続された電池監視回路の一端側は信号伝送路を介して前記マイコンと接続され、
前記信号伝送路は、前記電池監視回路が設けられた側の基板に配置された第一の絶縁素子と、前記マイコンが設けられた側の基板に配置された第二の絶縁素子とを介して、前記電池監視回路及び前記マイコンと接続されており、
前記第二の絶縁素子は、前記マイコンが設けられた側の基板上で互いに電気的に独立した２つの内部電源を有し、
前記２つの内部電源の一方は、前記第二の絶縁素子の前記マイコン側の動作電源を生成し、
前記２つの内部電源の他方は、前記第二の絶縁素子の前記信号伝送路側の動作電源を生成することを特徴とする電池監視装置。
請求項３に記載の電池監視装置において、
一次側電源を出力する電源部と、
前記電源部から出力される前記一次側電源を用いて、前記マイコンおよび前記電池監視回路から絶縁された二次側電源を生成する絶縁電源と、を備え、
前記２つの内部電源の一方は、前記一次側電源を用いて、前記第二の絶縁素子の前記マイコン側の動作電源を生成し、
前記２つの内部電源の他方は、前記二次側電源を用いて、前記第二の絶縁素子の前記信号伝送路側の動作電源を生成することを特徴とする電池監視装置。
請求項２または４に記載の電池監視装置において、
前記マイコンの制御に応じて、前記絶縁電源の動作状態を切り替える切替回路を備えることを特徴とする電池監視装置。
請求項１乃至５のいずれかに記載の電池監視装置において、
前記第一の絶縁素子はコンデンサであることを特徴とする電池監視装置。
請求項１乃至６のいずれかに記載の電池監視装置において、
前記第二の絶縁素子はフォトカプラであることを特徴とする電池監視装置。