JP6681599B2 - 電池管理システム - Google Patents

電池管理システム Download PDF

Info

Publication number
JP6681599B2
JP6681599B2 JP2018504324A JP2018504324A JP6681599B2 JP 6681599 B2 JP6681599 B2 JP 6681599B2 JP 2018504324 A JP2018504324 A JP 2018504324A JP 2018504324 A JP2018504324 A JP 2018504324A JP 6681599 B2 JP6681599 B2 JP 6681599B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
region
power
battery
insulation
insulation distance
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2018504324A
Other languages
English (en)
Other versions
JPWO2017154516A1 (ja
Inventor
雄太 黒崎
雄太 黒崎
隆博 神川
隆博 神川
阿賀 悦史
悦史 阿賀
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Original Assignee
Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd filed Critical Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Publication of JPWO2017154516A1 publication Critical patent/JPWO2017154516A1/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6681599B2 publication Critical patent/JP6681599B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/396Acquisition or processing of data for testing or for monitoring individual cells or groups of cells within a battery
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • H01M10/482Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte for several batteries or cells simultaneously or sequentially
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/569Constructional details of current conducting connections for detecting conditions inside cells or batteries, e.g. details of voltage sensing terminals
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0014Circuits for equalisation of charge between batteries
    • H02J7/0019Circuits for equalisation of charge between batteries using switched or multiplexed charge circuits
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/3644Constructional arrangements
    • G01R31/3648Constructional arrangements comprising digital calculation means, e.g. for performing an algorithm
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • H01M2010/4271Battery management systems including electronic circuits, e.g. control of current or voltage to keep battery in healthy state, cell balancing
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • H01M2010/4278Systems for data transfer from batteries, e.g. transfer of battery parameters to a controller, data transferred between battery controller and main controller
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/02Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from ac mains by converters
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Battery Mounting, Suspending (AREA)

Description

本開示は、電池を監視する電池管理システムに関する。
電源装置に関する安全のために、電源装置の一次側と二次側との間の絶縁としては、機械的、電気的に二重絶縁と同等に感電に対する保護を行える単一の絶縁である強化絶縁が要求される。ここで、二重絶縁とは、感電に対する基礎的な保護をする絶縁である基礎絶縁と、基礎絶縁が破壊した場合に感電に対する保護をするため基礎絶縁に追加して施した独立の絶縁である付加絶縁との両方からなる絶縁である。なお、機器が正しく動作するための絶縁である機能絶縁は、着火及び発火の防止に役立つ絶縁であるが、感電に対する保護を行っていない。
国際的な安全規格では、回路実効電圧に応じて、これらの絶縁に必要な絶縁距離が定められる。絶縁距離としては、空間を通して測定した2つの導電部間、または導電部と機器の導電性外面との最短距離である空間距離と、絶縁物表面に沿って測定した2つの導電部間、または導電部と機器の導電性外面との最短距離である沿面距離とが規定される。
例えば、特許文献1には、回路実効電圧が400Vの溶接電源の絶縁距離は、国際規格等で、基礎絶縁として空間距離が5.5mm以上、沿面距離が6.3mm以上と定められると述べている。さらに、入力回路と出力回路の絶縁は、強化絶縁あるいは二重絶縁が要求され、基礎絶縁の2倍の絶縁距離である空間距離11mm以上、沿面距離12.6mm以上が要求されると述べている。
特許文献2には、複数の電池セルを含む電池モジュールの複数を直列に接続して構成される電池システムの拡張性を確保する方法が述べられている。各電池モジュールは、電池モジュール毎の電圧等の情報について電池システムの上位管理装置と交信するフォトカプラ等の絶縁デバイスを備え、各電池モジュールの筐体は、内部に収容する複数の電池セルとの間に、絶縁シートと空間的距離とを設けて絶縁を確保している。
特許第3368752号公報 国際公開第2013/098923号パンフレット
複数の電池モジュールを互いに直列に接続して構成される電池ブロックと、電池ブロックに関する制御を行う制御装置との間は、通信回線で接続される。電池モジュールの電圧自体が高い場合、または、電力系統に非絶縁で接続され過渡的な高電圧印加が想定される場合の少なくとも1つのときの電池管理システムでは、電池モジュールから制御装置のユーザ側インタフェイスとの間で、強化絶縁が要求される。例えば、電池管理システムが過電圧区分IIIのAC400Vの電路と非絶縁で接続される場合には、強化絶縁で空間距離は11mm以上が必要とされる。市販されている絶縁デバイスは、現在では、端子間隔は約9mm弱程度までが一般的で、これよりも端子間隔が長い絶縁デバイスは、かなり価格が高く、強化絶縁を1つの絶縁デバイスで行う構成では、システムのコスト増につながる。
電池モジュールの内部で強化絶縁を設ける場合、電池ブロックは複数の電池モジュールで構成されるので、強化絶縁のための絶縁デバイスは、少なくとも電池モジュールと同じ数が必要である。電池ブロックの仕様は、ユーザの要望によって千差万別であり、場合によっては、後に増設要求が出ることもある。増設すると、電池ブロックの端子間電圧自体が高くなり、各電池モジュールのGND電位が高めになる。これによって、強化絶縁のための絶縁距離を各電池モジュールで長くする必要が生じ、絶縁距離と絶縁デバイスの再設定が必要となり、多大の時間とコスト増を要する。そこで、電池ブロックの仕様に左右されずに、市販されている一般的な絶縁デバイスを用いて、より効果的な絶縁保護が行える電池管理システムが要望される。
本開示に係る電池管理システムは、複数の電池モジュールを互いに直列に接続して構成される電池ブロック、及び、電池ブロックと通信回線で接続される制御装置を含む電池管理システムであって、電池ブロックにおいて、各電池モジュールは、電池、電池側コントローラ、制御装置側との間の交信のための第1通信部、電池側コントローラが実装される第1領域、及び、第1通信部が実装され第1領域のGND電位とは異なるGND電位を有する第2領域を有する電池回路基板、第1絶縁距離を隔てて第1領域と第2領域との間を接続するとともに、電池側コントローラの出力データを第2領域に伝送する第1絶縁デバイス、を備え、制御装置は、電池ブロック側との間の交信のための第2通信部、制御コントローラ部、第2通信部が実装される第3領域、制御コントローラ部が実装される第4領域、を有するとともに、第3領域のGND電位と第4領域のGND電位とがそれぞれ独立の電位であり、第3領域に対して所定の第2絶縁距離を隔てて配置され、かつ第4領域に対して所定の第3絶縁距離を隔てて配置される中継領域を有する制御回路基板と、第2絶縁距離を隔てて第3領域と中継領域との間を接続するとともに、第2通信部が受信したデータを中継領域に伝送する第2絶縁デバイスと、第3絶縁距離を隔てて中継領域と第4領域との間を接続するとともに、第2絶縁デバイスにより中継領域に伝送されたデータを第4領域に伝送する第3絶縁デバイスと、を備え、第1絶縁距離は、第2絶縁距離及び第3絶縁距離よりも短く、第1領域から第4領域までに必要な所定の絶縁距離を第2絶縁デバイス及び第3絶縁デバイスにより設定する。
本開示に係る電池管理システムによれば、電池ブロックの仕様に左右されずに、市販されている一般的な絶縁デバイスを用いて、より効果的な絶縁保護が行える。
本開示に係る電池管理システムを含む電源装置のブロック図である。 図1の電池管理システムに用いられる電池回路基板と制御回路基板とを示す図である。 図2における第2絶縁デバイスを示す図である。 図2における第1絶縁デバイスを示す図である。 本開示に係る電池管理システムの作用効果を示す図である。 図5に対し、比較例を示す図である。
以下に図面を用いて本開示に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、高電圧電池の動作状態を管理する電池管理システムを述べるが、これは説明のための例示である。
以下で述べる形状、寸法、電圧、電池モジュールの数、配置関係等は、説明のための例示であって、電池管理システムの仕様等に合わせ、適宜変更が可能である。以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
充放電可能な電池ブロックは、電力系統とパワーコンディショナーにより接続され、電力系統の需要供給の変動に合わせ、ピークカットや周波数調整(Frequency Regulation)等が行なえる。図1は、そのような電池ブロック100と、通信回線を介して電池ブロック100のデータを吸い上げて外部へそのデータを送信する制御装置200とを含む電池管理システム10のブロック図である。図1において、電源系の配線は太い実線で示す。これに対し、信号系の配線を矢印付きの細い実線で示す。信号系の配線は、電池ブロック100と制御装置200との間で双方向の信号伝送を行うが、図1の信号系の配線の矢印は、電池ブロック100から制御装置200へ向かう信号の流れを示す。
本開示の電池管理システム10において、電池ブロック100の両端子は、図示しないパワーコンディショナーにより電力系統に非絶縁で接続される。そのため、印加され得る過渡電圧や各種条件を考慮すると、一次回路となる電池ブロック100に含まれる電池140と、二次回路となる制御装置200における可触部との間で満たすべき絶縁距離は空間距離で14mm以上である。
電池ブロック100は、予め定められた個数の電池モジュール120を直列接続して構成される。図1では予め定めた数をN=20とし、N個の電池モジュール120を区別するため、積層体の下側の低電圧側から上側の高電圧側に向かって、N=1,2・・・、19,20と示す。
一例を上げると、1つの電池モジュール120の端子間電圧であるモジュール電圧を40Vとして、N=20の場合、電池ブロック100の端子間電圧は、20×40V=800Vである。以下では、この例について述べる。これは一例であって、モジュール電圧は40V以外であってもよく、Nも20以外であってもよい。
20個の電池モジュール120の内部構成はすべて同じであるので、N=20の電池モジュール120についてその構成を述べる。電池モジュール120は、低電圧側に隣接する電池モジュール120(N=19)の電源電圧が印加される負極端子122と、上記負極端子122に印加される電源電圧に自身のモジュール電圧を加えた電源電圧が印加される正極端子124とを有する。正極端子124と負極端子122との間の端子間電圧が電池モジュール120の端子間電圧=40Vである。N=20の電池モジュール120の場合、負極端子122には、1つ下の低電圧側となるN=19の電池モジュール120の正極端子124からの出力電力が供給される。なお、N=1の電池モジュール120の負極端子122の電圧は、電池ブロック100の基準電位で、後述する他の基準電位と区別して、GND1と示す。N=20の正極端子124の出力電圧は、電池ブロック100の出力電圧VOUTで、800Vである。
電池モジュール120は、制御装置200との間のデータ通信のために、電源端子126と、グランド端子128と、信号端子130とを有する。データ通信のための信号を、負極端子122、正極端子124の電位から分離するために、電池モジュール120は、互いに基準電位の異なる第1領域132と第2領域134とに分離される。第1領域132の基準電位は、負極端子122の電位であり、第2領域134の基準電位は、グランド端子128の電位である。各電池モジュール120のそれぞれのグランド端子128は互いに接続され、1つの基準電位となる。図1では、各電池モジュール120のグランド端子128の電位を、GND2と示す。図1ではGND2は電池ラインに対しフローティングとしているが、直列電池電圧の中点に電位固定する設計であってもよい。
電池モジュール120は、モジュール電圧を出力する電池140を含む。電池140は、充放電可能な二次電池で、複数の電池セルを所定の並列数で並列接続したものをさらに所定の直列数で直列接続した組電池である。電池セルの端子間電圧は、電池セルの種類によって異なるが、約1Vから約4V程度である。電池セルの種類としては、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池等が用いられる。所定の並列数と直列数の一例を挙げると、27並列13直列である。27並列の1直列分の端子間電圧を約3Vとすると、電池140の端子間電圧は、モジュール電圧の約40Vとなる。
DDC1と示す第1電圧変換器142は、第1領域132に配置される回路に動作電力を供給する。電池140の端子間電圧は約40Vであるので、これを例えば、約5Vに降圧した動作電力に変換する。第1電圧変換器142としては、シリーズレギュレータ方式等の非絶縁型のDCDCコンバータが用いられる。
第1領域132には、監視回路144と、電池側コントローラ146が配置される。監視回路144は、電池140の一直列毎のセル電圧を監視用に検出し、デジタルデータに変換して出力するアナログデジタル変換機能付き電圧検出手段である。電池側コントローラ146は、電池モジュール120内部の信号制御等を行う制御回路である。信号制御としては、監視回路144から送信されるセル電圧等について、後述する制御装置200の制御コントローラ部238の処理に適するデータ等に変換する処理、電池140の充電状態を示すSOC(State Of Charge)等を求める処理等が含まれる。かかる電池側コントローラ146としては、適当なマイクロプロセッサが用いられる。
第1領域132と第2領域134との間に設けられ、ISL1と示される第1絶縁デバイス148は、基準電位が互いに異なる第1領域132と第2領域134の間において、電気的に絶縁された信号を伝送する素子である。一般的に知られている絶縁デバイスの例としては、一次側と二次側が磁気結合して信号を伝送するデジタルアイソレータや、一次側にフォトダイオード、二次側にフォトトランジスタを用いた光絶縁型のフォトカプラが用いられる。ここでは、電池モジュール120側から送信する往路送信と、電池モジュール120側が受信する復路受信の双方が可能な双方向型の絶縁デバイスが用いられる。第1領域132と第2領域134との間は、所定の第1絶縁距離で空間的に絶縁される。第1絶縁デバイス148と第1絶縁距離の詳細については、図2,4を用いて後述する。
第2領域134に設けられる第1通信部150は、電池側コントローラ146と制御装置200側の制御コントローラ部238との間のデジタル信号の交信を行う送受信回路である。電池側コントローラ146との間の信号の伝送は第1絶縁デバイス148を介して行われ、制御装置200側との信号の伝送は信号端子130を介して行われる。第1通信部150の動作電力は、電源端子126とグランド端子128によって制御装置200側から供給される。
以上が電池ブロック100の構成の説明である。次に、電池ブロック100と通信回線で接続される制御装置200の構成について述べる。
制御装置200は、ユーザ側外部装置である外部管理装置12と接続される信号端子202及びGND4と示す端子204と、回路電源14に接続される端子206,208とを有する。また、電池ブロック100の各電池モジュール120の電源端子126及びグランド端子128とそれぞれ電力線で接続される電源端子210及びグランド端子212を有する。さらに、電池ブロック100の出力電圧VOUT及びGND1にそれぞれ接続される端子216及び218を有する。
制御装置200は信号端子214を有し、この信号端子214と、電池ブロック100の各電池モジュール120の信号端子130との間は、通信回線で接続される。図1では、通信回線を1本の線で示すが、電池モジュール120の数の信号線で通信回線が構成される。
制御装置200と信号端子202で接続される外部管理装置12は、電池管理システム10に接続されるユーザ側の装置である。外部管理装置12の一例を挙げると、電池管理システム10から出力される電池ブロック100の動作状態に関するデータに基づいて、図示しないパワーコンディショナーにより電池ブロック100の充放電制御等を行う制御装置である。外部管理装置12が動作する電圧は、ユーザ側の仕様により様々であるが、一例を挙げると約5Vである。
制御装置200と端子206,208で接続される回路電源14は、高電圧の電池ブロック100とは別の外部回路電源で、制御装置200の回路部分を動作させるための動作電力を供給する。回路電源14は、交流電源で、例えば、50Hzまたは60Hzの周波数を有し実効電圧が100Vの商用電源が用いられる。
制御装置200は、基準電位が互いに異なる第3領域220、中継領域222、第4領域224、第5領域226、第6領域228、第7領域230に分けられる。図1において、各領域を区別して、各領域の番号を四角枠で囲んで示す。なお、中継領域222は、Mを四角枠で囲んで示す。これらの各領域の基準電位であるGND電位は、第3領域220がGND2、中継領域222がGNDM、第4領域224がGND3、第5領域226がGND4、第6領域がGND5、第7領域230がGND1と、互いに独立である。基準電位が異なる領域の間は、所定の絶縁距離を確保する必要がある。所定の絶縁距離を確保するには、信号系の伝送がない場合には十分な空間的な距離を離し、信号系の伝送を行う場合には、所定の絶縁距離を有する絶縁デバイスを用いる。
第3領域220には、第2通信部232が配置され、第4領域224には、制御コントローラ部238が配置され、第5領域226には、ユーザインタフェイス部242が配置される。第6領域228には、回路電源接続部244が配置され、第7領域230には、電圧計測部246が配置される。中継領域222は、第3領域220及び第7領域230と、第4領域224との間に配置される領域である。
第2通信部232は、電池ブロック100側の電池側コントローラ146と、制御コントローラ部238との間のデジタル信号の交信を行う送受信回路である。電池側コントローラ146との間の信号の伝送は、各電池モジュール120の信号端子130と制御装置200の信号端子214を介して通信回線を用いて行われる。電池モジュール120の信号端子130は、電池モジュール120の第1通信部150に接続される。したがって、電池ブロック100側の電池側コントローラ146と、制御コントローラ部238との間のデジタル信号の交信は、第1通信部150と第2通信部232との間で行われる。第1通信部150と第2通信部232は、それぞれの電源端子126,210が互いに接続され、それぞれのグランド端子128,212が互いに接続される。換言すれば、第1通信部150と第2通信部232は、基準電位が同じGND2で、同じ動作電力で動作する。
第2通信部232と制御コントローラ部238の間のデジタルデータの伝送は、ISL2と示される第2絶縁デバイス234と、ISL3と示される第3絶縁デバイス236とを介して行われる。第2絶縁デバイス234と第3絶縁デバイス236とは、基準電位が互いに異なる第3領域220と第4領域224との間において、中継領域222を介して、電気的に絶縁された信号を伝送する素子である。第2絶縁デバイス234が配置される第3領域220と中継領域222との間は、所定の第2絶縁距離で空間的に絶縁され、第3絶縁デバイス236が配置される中継領域222と第4領域224との間は、所定の第3絶縁距離で空間的に絶縁される。第2絶縁デバイス234及び第3絶縁デバイス236と、第2絶縁距離及び第3絶縁距離の詳細については、図2,3を用いて後述する。
制御コントローラ部238は、電池側コントローラ146から伝送されるセル電圧やSOCに関するデジタルデータ、電圧計測部246から伝送される電池ブロック100の出力電圧VOUTに関するデータ等を受け取る。そして、制御コントローラ部238は受け取ったデータに基づいて、各電池モジュール120及び電池ブロック100の状態に関するデジタル信号を出力する。かかる制御コントローラ部238としては、適当なマイクロプロセッサが用いられる。制御コントローラ部238が配置される第4領域224に、制御コントローラ部238の動作を支援する周辺回路を設けてもよい。かかる周辺回路としては、例えば、各種の信号処理回路、通信回路等が挙げられる。
制御コントローラ部238とユーザインタフェイス部242との間のデジタルデータの伝送は、ISL4と示される第4絶縁デバイス240を介して行われる。第4絶縁デバイス240は、基準電位が互いに異なる第4領域224と第5領域226との間において、電気的に絶縁された信号を伝送する素子である。第4絶縁デバイス240が配置される第4領域224と第5領域226との間は、所定の第4絶縁距離で空間的に絶縁される。第4絶縁デバイス240と、第4絶縁距離の詳細については、図2を用いて後述する。
ユーザインタフェイス部242は、制御コントローラ部238の出力信号を外部管理装置12の処理に適した信号に調整して伝送する。図1では、信号端子202及び端子204とこれらに接続される配線が示されるが、必要に応じ、例えば適当な保護回路を含むインタフェイス回路を設けてもよい。
回路電源接続部244は、所定の回路の動作電力を生成するために、回路電源14から供給される交流電力を受け取る。回路電源接続部244には、端子206,208に接続され、ACDCと示される交直電力変換器250が配置される。交直電力変換器250は、回路電源14の50Hzまたは60Hzの周波数を有し実効電圧が100Vの交流電力を、所定の直流電圧を有する直流電力に変換する回路である。一例を挙げると、ダイオードブリッジと平滑回路を組み合わせた交直電力変換器250が用いられる。回路電源14である商用電源には過渡電圧が生じ得るので、交直電力変換器250としては、フォトカプラ等の絶縁デバイスを内蔵するものを用いる。内蔵の絶縁デバイスは、所定の第5絶縁距離を有する。第5絶縁距離については、図2を用いて後述する。内蔵の絶縁デバイスの一次側は端子206,208側で、第6領域228に当たる。第6領域228には、必要に応じ、適当な保護回路を含むインタフェイス回路を設けてもよい。
交直電力変換器250に内蔵された絶縁デバイスの二次側は第4領域224である。交直電力変換器250によって変換された直流電力は、複数出力トランスを内蔵する磁気結合方式の絶縁デバイスである多出力電力変換部252の一次側に入力される。
多出力電力変換部252は、交直電力変換器250の出力を第1直流電力として、第1直流出力から所定の複数種類の動作電力を生成する。多出力電力変換部252は、一次側として、直交電力変換部と、複数出力トランスの一次側巻線とを有し、二次側として、複数出力トランスの複数個の二次側巻線と、複数個の交直電力変換部とを有する。構成の一例を以下に述べる。図1の例では、二次側巻線は第1巻線と第2巻線の2つの巻線で構成され、交直電力変換部は2個であるので、多出力電力変換部252は、所定の2種類の動作電力を出力する2出力電力変換部である。
多出力電力変換部252の構成の一例を示す。多出力電力変換部252は、第1直流電力を第1交流電力に変換する直交電力変換部と、第1交流電力を一次側巻線に供給し、二次側巻線の2つの巻線のそれぞれからそれぞれ第2交流電力及び第3交流電力を出力する2出力トランスとを備える。さらに、第2交流電力を第2直流電力に変換して第3領域220に供給する第2電力変換部、第3交流電力を中継直流電力に変換して中継領域222に供給する中継電力変換部を有する。
多出力電力変換部252は、一次側巻線と二次側巻線との間が絶縁距離または絶縁電線の少なくとも一方によって所定の第6絶縁距離相当分の絶縁機能を有し、二次側巻線の2つの巻線の間が絶縁距離または絶縁電線の少なくとも一方によって所定の第7絶縁距離相当分の絶縁機能を有している。第6絶縁距離、第7絶縁距離については、図2を用いて後述する。
ここで、制御装置200の各領域における回路の動作電力についてまとめる。
基準電位がGND2である第3領域220に配置される第2通信部232と、第2絶縁デバイス234の第3領域側部分には、第3電圧を有する第3直流電力が供給される。第3直流電力は、多出力電力変換部252の二次側巻線における2つの巻線の内の一方側巻線の出力である第2交流電力から変換された直流電力である。図1において、第3電圧をV3として示す。以下の各領域における各電圧も同様に、Vに領域符号を付して示す。高電圧端子210,126の電圧はV3である。
基準電位がGNDMである中継領域222に配置される第2絶縁デバイス234の中継領域側部分と、第3絶縁デバイス236の中継領域側部分には、中継領域電圧VMの中継直流電力が供給される。中継直流電力は、多出力電力変換部252の二次側巻線における2つの巻線の内の他方側巻線の出力である第3交流電力から変換された直流電力である。
基準電位がGND4である第4領域224に配置される制御コントローラ部238と、第3絶縁デバイス236の第4領域側部分と、第4絶縁デバイス240の第4領域側部分の電圧V4は、交直電力変換器250の出力電圧V6から生成される。出力電圧V6は、DDC2と示す第2電圧変換器260とDDC3と示す第3電圧変換器262の2段階で降圧され、第4電圧V4が生成される。第2電圧変換器260、第3電圧変換器262としては、シリーズレギュレータ方式等の非絶縁型のDCDCコンバータが用いられる。
基準電位がGND4である第5領域226に配置される第4絶縁デバイス240の第5領域側部分には、第2電圧変換器260の出力を、IDDCと示すトランスを用いた絶縁型の電圧変換器264で降圧した電圧V5が供給される。第2電圧変換器260、第3電圧変換器262がシリーズレギュレータ方式等の非絶縁型であるのに対し、電圧変換器264がトランスを用いた絶縁型であるのは、電圧変換器264が基準電位の異なる第4領域224と第5領域226とに跨るからである。絶縁型の電圧変換器264は、所定の絶縁距離L41を有する。絶縁距離L41については、図2を用いて後述する。
第6領域228に配置される交直電力変換器250は、回路電源14からの電力で動作する。第6領域228の基準電位であるGND5は、回路電源14のGNDと同じである。
回路の動作電力について、その電圧範囲の一例を述べると、V3=3.3V、VM=3.3V、V4=3.3V、V5=3.3Vである。これらの電圧は説明のための例示であって、電池管理システム10の仕様によって適宜変更が可能である。
なお、各領域の回路の動作電力としては、電池ブロック100の出力電圧VOUTから生成することが考えられるが、出力電圧VOUTが高電圧である。これを各領域の回路が動作する電圧まで低下させるには、電圧変換器の高耐圧部品の使用や電力損失の点で不利である。
次に、第7領域230に設けられる電圧計測部246について述べる。電圧計測部246は、電圧分割抵抗部270と、AD変換部と示すアナログデジタル変換器272とを含み、電池ブロック100の端子間電圧を計測する。図1の例では、電池ブロック100の端子間電圧は、{VOUT−(GND1の電位)}である。
電圧分割抵抗部270は、電池ブロック100の端子間電圧をアナログデジタル変換器272の動作範囲に適した電圧に調整する直列抵抗群である。電圧分割抵抗部270の両端は、制御装置200の端子216と端子218に接続される。制御装置200の端子216は、電池ブロック100のN=20の正極端子124に接続され、制御装置200の端子218は、電池ブロック100のN=1の負極端子122に接続される。電圧分割抵抗部270における中間端子はアナログデジタル変換器272の入力端子に接続される。中間端子は、電池ブロック100の端子間電圧に相当する分圧電圧を出力する。アナログデジタル変換器272は、電圧分割抵抗部270の中間端子が出力する電池ブロック100の端子間電圧に相当する分圧電圧のアナログデータをデジタル信号に変換する。アナログデジタル変換器272としては、例えば16bitsのアナログデジタルコンバータが用いられる。
電圧計測部246は、電池ブロック100を構成する各電池モジュール120に関する電圧を計測するのではなく、電池ブロック100の端子間電圧に相当する分圧電圧を計測する。各電池モジュール120に関する電圧を計測し、その結果に基づいて電池ブロック100の端子間電圧を求める方法に比較して、より短時間で、電池ブロック100の端子間電圧に相当する電圧情報を出力できる。これによって、各電池モジュール120、電池モジュール120における各電池セルの動作状態に応じた電池ブロック100の制御をより迅速に行なえる。
アナログデジタル変換器272と制御コントローラ部238の間のデジタルデータ伝送は、ISL8と示される第8絶縁デバイス274と、ISL9と示される第9絶縁デバイス278とを介して行われる。第8絶縁デバイス274、第9絶縁デバイス278は、基準電位が互いに異なる第7領域230と第4領域224の間において、中継領域222を介して、電気的に絶縁された信号を伝送する素子である。第8絶縁デバイス274が配置される第7領域230と中継領域222との間は、所定の第8絶縁距離で空間的に絶縁され、第9絶縁デバイス278が配置される中継領域222と第4領域224との間は、所定の第9絶縁距離で空間的に絶縁される。第8絶縁デバイス274及び第9絶縁デバイス278と、第8絶縁距離及び第9絶縁距離の詳細については、図2を用いて後述する。
なお、アナログデジタル変換器272、及び、アナログデジタル変換器272により変換されたデジタルデータを伝送する第8絶縁デバイス274を、単一パッケージ内に組み込んだ集積回路としての電池電圧計測用回路が実用化されている。また、アナログデジタル変換器272及び電圧変換器を、単一パッケージ内に組み込んだ集積回路としての電池電圧計測用回路も実用化されている。さらに、アナログデジタル変換器272、第8絶縁デバイス274、及び、電圧変換器を、単一パッケージ内に組み込んだ集積回路としての電池電圧計測用回路も実用化されている。また、絶縁デバイスと絶縁型DCDCコンバータを単一パッケージ内に組み込んだ絶縁デバイス用集積回路も実用化されている。図1の例では、アナログデジタル変換器272、第8絶縁デバイス274、及び、絶縁型のDCDCコンバータを単一パッケージに組み込んだ集積回路としての電池電圧計測用回路276を用いる。この場合、第7領域230の回路の動作電力は、電池電圧計測用回路276によって生成される直流電力である。
絶縁型DCDCコンバータを内蔵しない電池電圧計測集積回路を用いることもできる。その場合に必要な電池電圧計測集積回路に対する動作電力の供給に、多出力電力変換部252を利用できる。例えば、多出力電力変換部252において、2出力トランスに代えて、3出力トランスとする。3出力トランスを用いる多出力電力変換部252は、交直電力変換器250から供給される第1直流電力を第1交流電力に変換した後、第1交流電力を3出力トランスの一次側巻線に供給する。そして、3出力トランスの二次側巻線における3つの巻線を区別して、第1巻線、第2巻線、第3巻線とすると、第1巻線から第2交流電力、第2巻線から第3交流電力、第3巻線から第4交流電力を出力する。第2交流電力、第3交流電力からはそれぞれ、第3直流電力、中継直流電力が生成される。3出力トランスを用いる多出力電力変換部252は、第4交流電力を第4直流電力に変換して、第7領域230の回路の動作電力を生成する第7電力変換部を含む。この場合、第7領域230の回路の動作電力は、多出力電力変換部252の二次側において出力される第4直流電力である。
制御装置200において、電池ブロック100と接続されるのは第3領域220と第7領域230である。第3領域220の基準電位はGND2であり、第7領域230の基準電位はGND1である。しかし、第3領域220と第7領域230の間ではデータの伝送がない。そこで、第7領域230と第3領域220との間は、特に絶縁デバイスを配置する必要がなく、十分に長い所定の第10絶縁距離で電気的に絶縁される。
制御装置200において、電池ブロック100以外の外部と接続されるのは第5領域226と第6領域228である。第5領域226は外部管理装置12と接続され、第6領域228は回路電源14と接続される。外部管理装置12の基準電位と回路電源14の基準電位は互いに異なるので、第5領域226の基準電位と第6領域228の基準電位も互いに異なる。そこで、第5領域226と第6領域228との間も、特に絶縁デバイスを配置せずに、十分に長い所定の第10絶縁距離で電気的に絶縁される。第10絶縁距離については、図2を用いて後述する。
図2は、図1に示す電池管理システム10について、電池ブロック100の各電池モジュール120の電池回路基板180と、制御装置200の制御回路基板280の構成を示す図である。電池回路基板180と制御回路基板280は、それぞれ、絶縁基板181(図3、図4参照)の上に導体配線パターンを所定の形状に形成し、所定の導体配線パターン上に回路部品を実装したものである。電池回路基板180も制御回路基板280も、互いに電気的に分離された複数の導体領域を有する。互いに隣接する導体領域間の絶縁距離は、以下の通りである。
電池モジュール120の電池回路基板180は、第1領域132と第2領域134に対応して、第1導体領域182と第2導体領域184とを有する。第1導体領域182と第2導体領域184との間は、第1絶縁距離L1で電気的に分離される。
制御装置200の制御回路基板280は、第3領域220、中継領域222、第4領域224、第5領域226、第6領域228、第7領域230の6つの領域を有する。これらにそれぞれ対応して、第3導体領域282、中継導体領域284、第4導体領域286、第5導体領域288、第6導体領域290、第7導体領域292の6つの導体領域を有する。
第3導体領域282と中継導体領域284との間の信号系の伝送は第2絶縁デバイス234によって行われる。第2絶縁デバイス234において、第3導体領域282と中継導体領域284との間は、第2絶縁距離L2で電気的に分離される。
中継導体領域284と第4導体領域286との間の信号系の伝送は第3絶縁デバイス236によって行われる。第3絶縁デバイス236において、中継導体領域284と第4導体領域286との間は、第3絶縁距離L3で電気的に分離される。
第4導体領域286と第5導体領域288との間の信号系の伝送は第4絶縁デバイス240によって行われる。第4絶縁デバイス240において、第4導体領域286と第5導体領域288との間は、第4絶縁距離L4で電気的に分離される。
第4導体領域286と第6導体領域290との間の絶縁は、交直電力変換器250に内蔵される絶縁デバイスによって行われる。交直電力変換器250に内蔵される絶縁デバイスにおいて、第4導体領域286と第6導体領域290との間は、第5絶縁距離L5で電気的に絶縁される。
多出力電力変換部252は、第4導体領域286、第3導体領域282、中継導体領域284に跨って配置されるが、多出力電力変換部252における各領域の間の絶縁は、多出力電力変換部252の一次側コイルと二次側のコイルとの間の空間的絶縁で行われる。まず、多出力電力変換部252の一次側コイルと二次側のコイルとの間において、第4導体領域286と、第3導体領域282及び中継導体領域284との間は、第6絶縁距離L6で電気的に分離される。多出力電力変換部252の一次側コイルと二次側コイルとの間は、例えば3層絶縁電線等のコイル素線の絶縁被膜を用いて必要な第6絶縁距離L6相当分の絶縁が確保されてもよい。この場合、回路基板の導体配線パターンにそれぞれ接続される一次側コイルと二次側コイルとの端子間は、第6絶縁距離L6分隔てて配置される。また、多出力電力変換部252の二次側の2つのコイルの間において、第3導体領域282と中継導体領域284との間は、第7絶縁距離L7で電気的に絶縁される。多出力電力変換部252の二次側の2つのコイル間は、例えば3層絶縁電線等のコイル素線の絶縁被膜を用いて必要な第7絶縁距離L7相当分の絶縁が確保されてもよい。この場合、回路基板の導体配線パターンにそれぞれ接続される二次側の2つのコイルの端子間は、第7絶縁距離L7分隔てて配置される。
第7導体領域292と中継導体領域284との間の信号系の伝送は第8絶縁デバイス274によって行われる。第8絶縁デバイス274において、第7導体領域292と中継導体領域284との間は、第8絶縁距離L8で電気的に分離される。
第7導体領域292から第8絶縁デバイス274を経て中継導体領域284に伝送された信号系の第4導体領域286への伝送は、第9絶縁デバイス278によって行われる。第9絶縁デバイス278において、中継導体領域284と第4導体領域286との間は、第9絶縁距離L9で電気的に分離される。
第5導体領域288と第6導体領域290との間、及び、第3導体領域282と第7導体領域292との間は、信号系の伝送が無いが、基準電位が互いに異なるので、第10絶縁距離L10で電気的に絶縁される。
このように、制御装置200の制御回路基板280においては、互いに隣接する導体領域の間は、第2絶縁距離L2から第10絶縁距離L10のいずれか1によって電気的に分離される。
本開示の電池管理システム10において、各絶縁距離の合計が満たすべき寸法は、電池ブロック100の端子間電圧が約800Vであることと、電力系統から印加され得る過渡電圧から要求される安全規格上の絶縁距離で14mm以上と定められる。この安全規格上の絶縁距離で14mmというのは、電池モジュール120の電池140が配置される第1導体領域182から、ユーザインタフェイス部242が配置される第5導体領域288までの間で確保する必要がある。また、電池ブロック100の端子間電圧を計測する電圧計測部246が配置される第7導体領域292から、ユーザインタフェイス部242が配置される第5導体領域288までの間でも、安全規格上の絶縁距離で14mmを確保する必要がある。
図2の例では、第2絶縁距離L2=第3絶縁距離L3=7mmとする。そして、第2絶縁距離L2=第8絶縁距離L8=第7絶縁距離L7とし、第3絶縁距離L3=第9絶縁距離L9とし、第6絶縁距離L6=(第2絶縁距離L2+第3絶縁距離L3)=(第8絶縁距離L8+第9絶縁距離L9)=14mmとする。これによって、第1導体領域182から第5導体領域288までの間については、第2絶縁距離L2と第3絶縁距離L3とによって、安全規格上の絶縁距離で14mmが確保される。また、第7導体領域292から第5導体領域288までの間についても、第8絶縁距離L8と第9絶縁距離L9とによって、安全規格上の絶縁距離で14mmが確保される。
第1導体領域182から第5導体領域288までの間については、第2絶縁距離L2と第3絶縁距離L3とによって、安全規格上の絶縁距離で14mmが確保されるので、第1絶縁距離L1と第4絶縁距離L4は、7mmより短くてよい。図2の例では、第1絶縁距離L1=第4絶縁距離L4=5mmとする。また、絶縁型の電圧変換器264の絶縁距離L41と、交直電力変換器250の内蔵絶縁デバイスの第5絶縁距離L5も、第4絶縁距離L4と同じ5mmとする。第10絶縁距離L10は、十分な空間距離を持たせて、第1絶縁距離L1から第9絶縁距離L9のいずれに比べてもはるかに長く、約20mm程度とする。
図3、図4を用いて、第2絶縁距離L2を有する第2絶縁デバイス234、第1絶縁距離L1を有する第1絶縁デバイス148を示す。これらの図において、(a)は平面図であり、(b)は、制御回路基板280、電池回路基板180に実装したときの側面図を示す。ここで制御回路基板280、電池回路基板180は断面図で示す。図3、図4では、それぞれ、1ビット信号伝送用の第2絶縁デバイス234、第1絶縁デバイス148を述べる。多ビット信号伝送の場合は、多ビット信号伝送用の絶縁デバイスを用いてもよく、1ビット伝送用の絶縁デバイスを複数個用いてもよい。
図3において、第2絶縁デバイス234は、V3用リード、GND2用リード、一次側信号のS3用リードの3つの一次側リード、及び、VM用リード、GNDM用リード、二次側信号のSM用リードの3つの二次側リードが引き出されるパッケージである。パッケージの中には、絶縁デバイスとその周辺回路が配置される。かかる第2絶縁デバイス234としては、デジタルアイソレータやフォトカプラが用いられる。
第2絶縁デバイス234が実装される部分の制御回路基板280は、絶縁基板281と、第3領域220に対応する第3導体領域282における導体配線パターン283と、中継領域222に対応する中継導体領域284における導体配線パターン285とを含む。絶縁基板281としては、ガラスエポキシ基板が用いられる。導体配線パターン283,285は、銅等の導体箔を所定の形状に形成したものが用いられる。導体配線パターン283には、第2絶縁デバイス234の一次側の3つのリードが半田付けされ、導体配線パターン285には、第2絶縁デバイス234の二次側の3つのリードが半田付けされて、第2絶縁デバイス234が制御回路基板280に実装される。
図3(b)において、絶縁距離のうちの空間距離は、導体配線パターン283と導体配線パターン285とが向かい合う空間的な最短距離で、第2絶縁距離L2に対応する。L2は7mmであるので、空間距離は7mmとなる。絶縁距離のうちの沿面距離は、制御回路基板280に第2絶縁デバイス234が実装されるとき、第2絶縁デバイス234の絶縁体であるパッケージの表面に沿って一次側のリードから二次側のリードに至る距離で、図3(b)にL2’として示す。図3(b)の例では、L2とL2’とはほぼ同じ距離であるので、以下では、絶縁距離としてL2を用いる。
L2は、第2絶縁デバイス234の一次側のリードと二次側のリードとの間隔でほぼ決まる。市販されている絶縁デバイスとしてのデジタルアイソレータやフォトカプラは、現在では、一次側のリードと二次側のリードの間隔が約9mm弱程度までは一般的である。第2絶縁デバイス234としては、一次側のリードと二次側のリードの間隔が7mmで要求絶縁耐圧に見合う市販のデジタルアイソレータやフォトカプラが用いられる。
第3絶縁デバイス236、第8絶縁デバイス274、第9絶縁デバイス278は、第2絶縁デバイス234と同じ構造と寸法の絶縁デバイスで、第2絶縁距離L2に等しい絶縁距離に相当する端子間距離を有する。したがって、第3絶縁デバイス236、第8絶縁デバイス274、第9絶縁デバイス278についても、一次側のリードと二次側のリードの間隔が7mmで要求絶縁耐圧に見合う市販のデジタルアイソレータやフォトカプラが用いられる。
図4において、第1絶縁デバイス148は、V1用リード、負極端子122の電圧V122用リード、一次側信号のS1用リードの3つの一次側リード、及び、V2用リード、GND2用リード、二次側信号のS2用リードの3つの二次側リードを有する。第1絶縁デバイス148のパッケージの中には、絶縁デバイスとその周辺回路が配置される。かかる第1絶縁デバイス148としては、第2絶縁デバイス234よりも小型のものが用いられる。
第1絶縁デバイス148が実装される部分の電池回路基板180は、絶縁基板181と、第1領域132に対応する第1導体領域182における導体配線パターン183と、第2領域134に対応する第2導体領域184における導体配線パターン185とを含む。絶縁基板181、導体配線パターン183,185の内容は、第2絶縁デバイス234で述べた内容と同じであるので詳細な説明を省略する。導体配線パターン183には、第1絶縁デバイス148の一次側の3つのリードが半田付けされ、導体配線パターン185には、第1絶縁デバイス148の二次側の3つのリードが半田付けされて、第1絶縁デバイス148が電池回路基板180に実装される。
図4(b)において、絶縁距離のうちの空間距離は、導体配線パターン183と導体配線パターン185とが向かい合う空間的な最短距離で、第1絶縁距離L1に対応する。L1は5mmであるので、空間距離は5mmとなる。絶縁距離のうちの沿面距離は、電池回路基板180に第1絶縁デバイス148が実装されるとき、導体配線パターン183からパターン間ギャップを通して導体配線パターン185に至る距離で、図4(b)にL1’として示す。図4(b)の例では、L1とL1’とはほぼ同じ距離であるので、以下では、絶縁距離としてL1を用いる。
L1は5mmであるが、満たすべき絶縁距離14mmを第2絶縁距離L2と第3絶縁距離L3で確保できるので、第1導体領域182と第2導体領域184との間は非絶縁であってもよい。したがって、第1絶縁デバイス148の一次側のリードと二次側のリードとの間隔は、不問としてよい。但し、第1導体領域182と第2導体領域184との間を絶縁距離L1で絶縁とすることで、L1がL2+L3、あるいはL6により確保すべき絶縁距離に余裕を与え、L2+L3、及びあるいはL6により確保される絶縁距離が安全規格上の絶縁距離に余裕がなかったり、あるいはばらつきなどにより不足する場合であってもL1+L2+L3、あるいはL1+L6により安全規格上の絶縁距離を確実に確保することができる。
図2の例では、第6絶縁距離L6=(第2絶縁距離L2+第3絶縁距離L3)=(第8絶縁距離L8+第9絶縁距離L9)=14mmとしているが、絶縁距離L1により確保すべき絶縁距離に余裕を与えているので、絶縁距離L1により長くなった分以下であれば、第6絶縁距離L6、(第2絶縁距離L2+第3絶縁距離L3)あるいは(第8絶縁距離L8+第9絶縁距離L9)を短くしても安全規格上の絶縁距離を確保することができる。ここで、第3導体領域282と第4導体領域286との電源経路は多出力電力変換部252による単一のデバイスにより形成され、第3導体領域282と第4導体領域286との信号経路は第2絶縁デバイス234および第3絶縁デバイス236による2つの絶縁デバイスにより形成される。そのため、第2絶縁距離L2と第3絶縁距離L3との加算相当分の絶縁距離を第6絶縁距離L6により確保することが困難の場合があるが、L2=L3>L1なので、第6絶縁距離L6を第3絶縁距離L3よりL2(L3)−L1相当分長くすることにより安全規格上の絶縁距離を確保することができる。少なくとも第6絶縁距離L6を第3絶縁距離L3より長くすれば、第3導体領域282と第4導体領域286との絶縁距離を単一の第3絶縁デバイス236による第3絶縁距離L3より長くすることができ、安全規格上の絶縁距離を確保するのに有利となる。
現在では、一次側のリードと二次側のリードの間隔が4mm程度の市販されている小型の絶縁デバイスとしてのデジタルアイソレータやフォトカプラは、第2絶縁デバイス234のリード間隔が7mmで高絶縁耐圧のものに比べると、安価で入手可能である。第1絶縁デバイス148としては、一次側のリードと二次側のリードの間隔が4mm程度の安価な市販のデジタルアイソレータやフォトカプラが用いられる。第4絶縁デバイス240も一次側のリードと二次側のリードの間隔が4mm程度の安価な市販のデジタルアイソレータやフォトカプラが用いられる。また、絶縁型の電圧変換器264は、要求される絶縁距離が不問となるので、小型化された市販の絶縁型DCDCコンバータ等が用いられる。
上記構成の電池管理システム10の作用効果を図5、図6を用いて説明する。図5は、図1において、信号系の伝送に関する部分のブロック図を簡略化して示す図である。
本開示の電池管理システム10の設置環境を考慮すると、強化絶縁としての空間距離と沿面距離は、前述の14mm以上が必要である。図5においては、第2絶縁デバイス234、第3絶縁デバイス236として、一次側リードと二次側リードとの間のリード間隔が7mmの市販品のデジタルアイソレータやフォトカプラを用いる。したがって、第3領域220と第4領域224の間について、中継領域222を介して、14mmの絶縁距離を確保できる。また、第8絶縁デバイス274、第9絶縁デバイス278として、一次側リードと二次側リードとの間のリード間隔が7mmの市販品のデジタルアイソレータやフォトカプラを用いる。これにより、第7領域230と第4領域224の間についても、中継領域222を介して、14mmの絶縁距離を確保できる。
一次側の直流高圧である800Vと電力系統からの過渡的な高電圧について、二次側の第4領域224は強化絶縁で保護されるので、第1領域132と第2領域134との間は、感電に対する特別な保護を必要とせず、機能絶縁であってもよい。このために、第1絶縁距離L1は5mmとして、第1絶縁デバイス148は、一次側のリードと二次側のリードの間隔が5mm程度の安価な市販のデジタルアイソレータやフォトカプラが用いられる。このことは、いずれの電池モジュール120の電池140について同じである。したがって、電池管理装置側の絶縁距離で安全が確保できる範囲であれば、電池モジュール120は内部回路の設計変更なしで直列数が変更されても構わない。例えば、第1絶縁デバイス148を含む電池モジュール120を増設できる。
また、第4領域224が強化絶縁で保護されるので、第4領域224以降の信号伝送については、機能絶縁のレベルの保護で足り、回路構成上可能であれば、外部管理装置12に対して非絶縁でもよい。第5領域226は、複数のインタフェイス部を介して複数の外部装置を接続する場合がある。そのような場合において、第4領域224に複数の第5領域226を接続しても、第4領域224が既に強化絶縁で保護されているので、複数の第5領域226の絶縁はすべて機能絶縁あるいは非絶縁でよい。さらに、電池ブロック100の端子間電圧についてのデータを外部管理装置12に伝送するので、電池モジュール120、電池セルの電圧についてのデータを外部管理装置12に伝送する場合に比べ、より高速に電池ブロック100の動作状態を管理できる。このように、市販されている一般的な絶縁デバイスを用いて、より効果的な絶縁保護が行なえる。
電池管理システム10において、安全規格上で必要とされる絶縁距離は、電池140からユーザインタフェイス部242の間であれば、どこに設けてもよい。本開示の電池管理システム10では、中継領域222を挟んでその両側に絶縁デバイスを配置して、安全規格上で必要とされる絶縁距離を確保するが、これに代えて、各電池モジュール120において実現してもよい。その場合において、本開示の電池管理システム10との作用効果の相違について、図6を用いて説明する。図6の各図に示す電池管理システム300は、電池ブロック302を構成する各電池モジュール120において、第1領域132と第2領域134の間に、安全規格上で必要とされる絶縁距離を確保できる絶縁デバイス304を設ける例である。図6(a)は、電池ブロック302の端子間電圧が数100V程度の場合であり、(b)は、電池ブロック302の端子間電圧が800V程度の場合である。図6の各図は、図5と同様に、簡略化したブロック図で示す。
図6(a)において、電池ブロック302を構成する電池モジュール120の直列接続数Nが10程度で、端子間電圧が数100V程度である。この場合には、絶縁デバイス304として、一次側リードと二次側リードとの間のリード間隔が7mmのデジタルアイソレータやフォトカプラが用いられる。第7領域230と第4領域224の間も、一次側リードと二次側リードとの間のリード間隔が7mmの絶縁デバイス306が用いられる。絶縁デバイス304,306は、図3で述べた第2絶縁デバイス234と同じものが用いられる。電池ブロック302の直列接続数N=10とすると、第2絶縁デバイス234と同等の絶縁デバイスが、(N+1)=11必要である。図5の場合は、第2絶縁デバイス234と同等の絶縁デバイスは、4つですむ。
第3領域220と第4領域224との間、第4領域224と第5領域226との間は、機能絶縁の絶縁距離を有する絶縁デバイス308,310が用いられる。特に、第5領域226は、複数のインタフェイス部を介して複数の外部装置を接続する場合がある。そのような場合において、第4領域224に複数の第5領域226を接続しても、複数の第5領域226の絶縁はすべて機能絶縁あるいは非絶縁でよい。
図6(b)は、ユーザの仕様変更等で、(a)に対して、電池モジュール120の直列接続数Nを増やして、本開示の電池管理システム10と同じN=20とした場合である。このときは、安全規格上で必要とされる絶縁距離が14mmとなるので、各電池モジュール120において、第1領域132と第2領域134との間に中継領域320を設け、その両側に、絶縁距離が7mmの絶縁デバイス304,305を配置する。同様に、第7領域230と第4領域224との間に中継領域322を設け、その両側に、絶縁距離が7mmの絶縁デバイス306,307を配置する。絶縁デバイス304,305,306,307は、いずれも第2絶縁デバイス234と同等品である。
図6(a),(b)に示すように、安全規格上で必要とされる絶縁距離を確保できる絶縁デバイスを各電池モジュール120に設ける方法では、電池ブロック302の直列接続数Nの変更によって、電池モジュール120の内部構成の変更が必要となることがある。また、制御装置200に電圧計測部246を含む第7領域230を設ける場合は、第7領域と第4領域224との間の絶縁構成の変更が必要になることが生じる。なお、図6(b)において、電池ブロック302において電池モジュール120の直列接続数がN=20の場合、第2絶縁デバイス234と同等の絶縁デバイスは、{2N+2}=22必要である。図5の場合は、第2絶縁デバイス234と同等の絶縁デバイスは、4つですむ。
上記のように、本開示の電池管理システム10によれば、電池ブロック100の仕様に左右されずに、市販されている一般的な絶縁デバイスを用いて、より効果的な絶縁保護が行なえる。
10,300 電池管理システム、12 外部管理装置、14 回路電源、100,302 電池ブロック、148,234,236,240,274,278,304,305,306,307,308,310 絶縁デバイス、120 電池モジュール、122 負極端子、124 正極端子、126,210 電源端子、128,212 グランド端子、130,202,214 信号端子、132,134,220,224,226,228,230 (第1から第7)領域、140 電池、142,260,262 電圧変換器、144 監視回路、146 電池側コントローラ、150 第1通信部、180 電池回路基板、181,281 絶縁基板、182,184,282,284,286,288,290,292 (第1から第7)導体領域、183,185,283,285 導体配線パターン、200 制御装置、204,206,208,216,218 端子、222 中継領域、232 第2通信部、238 制御コントローラ部,242 ユーザインタフェイス部、244 回路電源接続部、246 電圧計測部、250 交直電力変換器、252 多出力電力変換部、264 絶縁型の電圧変換器、270 電圧分割抵抗部、272 アナログデジタル変換器、276 電池電圧計測集積回路、280 制御回路基板。

Claims (9)

  1. 複数の電池モジュールを互いに直列に接続して構成される電池ブロック、及び、前記電池ブロックと通信回線で接続される制御装置を含む電池管理システムであって、
    前記電池ブロックにおいて、
    前記電池モジュールは、
    電池、
    電池側コントローラ、
    前記制御装置側との間の交信のための第1通信部、
    前記電池側コントローラが実装される第1領域、及び、前記第1領域のGND電位とは異なるGND電位を有し前記第1通信部が実装される第2領域を有する電池回路基板、
    第1絶縁距離を隔てて前記第1領域と前記第2領域との間を接続するとともに、前記電池側コントローラの出力データを前記第2領域に伝送する第1絶縁デバイス、
    を備え、
    前記制御装置は、
    前記電池ブロック側との間の交信のための第2通信部、
    制御コントローラ部、
    前記第2通信部が実装される第3領域、
    前記制御コントローラ部が実装される第4領域、
    を有するとともに、
    前記第3領域のGND電位と前記第4領域のGND電位とがそれぞれ独立の電位であり、前記第3領域に対して所定の第2絶縁距離を隔てて配置され、かつ前記第4領域に対して所定の第3絶縁距離を隔てて配置される中継領域を有する制御回路基板と、
    前記第2絶縁距離を隔てて前記第3領域と前記中継領域との間を接続するとともに、前記第2通信部が受信したデータを前記中継領域に伝送する第2絶縁デバイスと、
    前記第3絶縁距離を隔てて前記中継領域と前記第4領域との間を接続するとともに、前記第2絶縁デバイスにより前記中継領域に伝送されたデータを前記第4領域に伝送する第3絶縁デバイスと、
    を備え、
    前記第1絶縁距離は、前記第2絶縁距離及び前記第3絶縁距離よりも短く、前記第1領域から前記第4領域までに必要な所定の絶縁距離を前記第2絶縁デバイス及び前記第3絶縁デバイスにより設定する、電池管理システム。
  2. 前記制御装置は、
    所定の回路の動作電力を生成するために、前記電池ブロックとは別の外部回路電源から電力が供給される回路電源接続部を有する、請求項1に記載の電池管理システム。
  3. 前記外部回路電源は、交流電源であり、
    前記回路電源接続部は、前記外部回路電源の交流電力を第1直流電力に変換する交直電力変換器を含み、
    前記第1直流電力から少なくとも所定の2種類の前記回路の動作電力を生成する多出力電力変換部であって、
    前記第1直流電力を第1交流電力に変換した後、前記第1交流電力を一次側巻線に供給し、二次側巻線を構成する二次側第1巻線及び二次側第2巻線からそれぞれ第2交流電力及び第3交流電力を出力する多出力トランスと、
    前記第2交流電力を第2直流電力に変換して前記第3領域に供給する第2電力変換部と
    前記第3交流電力を中継直流電力に変換して前記中継領域に供給する中継電力変換部と、
    を含み、
    前記多出力トランスの前記二次側第1巻線及び二次側第2巻線の間は、絶縁距離または絶縁電線の少なくとも一方によって前記第2絶縁距離相当分の絶縁機能を有し、前記多出力トランスの前記一次側巻線と前記二次側巻線との間は絶縁距離または絶縁電線の少なくとも一方によって前記第3絶縁距離より大きい絶縁機能を有する前記多出力電力変換部を備える、請求項2に記載の電池管理システム。
  4. 前記多出力トランスの前記一次側巻線と前記二次側巻線との間の前記多出力電力変換部は、絶縁距離または絶縁電線の少なくとも一方によって前記第2絶縁距離と前記第3絶縁距離との加算相当分の絶縁機能を有する、請求項3に記載の電池管理システム。
  5. 前記制御装置は、
    前記制御コントローラ部とユーザ側外部装置との交信のためのユーザインタフェイス部、前記ユーザインタフェイス部が実装される第5領域を有し、
    前記第5領域は、前記第4領域に対して前記第2絶縁距離及び前記第3絶縁距離よりも短い所定の第4絶縁距離を隔てて配置される、請求項2に記載の電池管理システム。
  6. 前記制御装置は、
    前記電池ブロックの端子間電圧を計測する電圧計測部を備え、
    前記制御回路基板は、
    前記電圧計測部が実装され、前記第3領域、前記中継領域、前記第4領域のいずれの領域のGND電位とは異なるGND電位を有し、前記中継領域に対して前記第2絶縁距離を隔てて配置される第7領域、
    前記第2絶縁距離を隔てて前記第7領域と前記中継領域との間を接続するとともに、前記電圧計測部により計測された前記電池ブロック端子間電圧に関するデータを前記中継領域に伝送する第8絶縁デバイス、
    前記第3絶縁距離を隔てて前記中継領域と前記第4領域との間を接続するとともに、前記第8絶縁デバイスにより前記中継領域に伝送された前記電池ブロックの前記端子間電圧に関するデータを前記第4領域に伝送する第9絶縁デバイス、
    を含む、請求項1,2,5のいずれか1に記載の電池管理システム。
  7. 前記電圧計測部は、前記電池ブロックの前記端子間電圧を分割する電圧分割抵抗部、及び前記電圧分割抵抗部により分割された電圧のアナログデータをデジタル信号に変換するアナログデジタル変換器を有し、
    前記アナログデジタル変換器、及び前記第8絶縁デバイスは、単一パッケージの電池電圧計測用回路に組み込まれる、請求項6に記載の電池管理システム。
  8. 前記外部回路電源は、交流電源であり、
    前記回路電源接続部は、前記外部回路電源の交流電力を第1直流電力に変換する交直電力変換器を含み、
    前記第1直流電力を変換した第1交流電力を一次側巻線に供給し、二次側巻線を構成する二次側第1巻線、二次側第2巻線及び二次側第3巻線からそれぞれ第2交流電力、第3交流電力及び第4交流電力を出力する多出力トランスと
    前記第2交流電力を第2直流電力に変換して前記第3領域に供給する第2電力変換部と、
    前記第3交流電力を中継直流電力に変換して前記中継領域に供給する中継電力変換部と、
    前記第4交流電力を第4直流電力に変換して前記第7領域に供給する第7電力変換部と、
    を含む多出力電力変換部を備える、請求項7に記載の電池管理システム。
  9. 前記単一パッケージの前記電池電圧計測用回路は、前記第7領域における動作電力を生成する電圧変換器が組み込まれている、請求項7に記載の電池管理システム。
JP2018504324A 2016-03-10 2017-02-17 電池管理システム Active JP6681599B2 (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016046517 2016-03-10
JP2016046517 2016-03-10
PCT/JP2017/005865 WO2017154516A1 (ja) 2016-03-10 2017-02-17 電池管理システム

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPWO2017154516A1 JPWO2017154516A1 (ja) 2019-01-10
JP6681599B2 true JP6681599B2 (ja) 2020-04-15

Family

ID=59790384

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2018504324A Active JP6681599B2 (ja) 2016-03-10 2017-02-17 電池管理システム

Country Status (3)

Country Link
US (1) US10680292B2 (ja)
JP (1) JP6681599B2 (ja)
WO (1) WO2017154516A1 (ja)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6928347B2 (ja) * 2017-08-02 2021-09-01 NExT−e Solutions株式会社 管理装置、蓄電装置、蓄電システム、及び、電気機器
JP7052324B2 (ja) 2017-11-30 2022-04-12 株式会社リコー 基板及び電源装置

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3368752B2 (ja) 1996-06-24 2003-01-20 松下電器産業株式会社 溶接電源装置
JP5588666B2 (ja) * 2009-12-22 2014-09-10 矢崎総業株式会社 混成回路
EP2800229A4 (en) 2011-12-26 2015-08-26 Hitachi Ltd BATTERY SYSTEM
JP6183651B2 (ja) 2013-10-24 2017-08-23 株式会社Gsユアサ 蓄電素子監視システム
JP2018038097A (ja) 2015-01-16 2018-03-08 パナソニックIpマネジメント株式会社 蓄電池制御システム

Also Published As

Publication number Publication date
US20180358662A1 (en) 2018-12-13
JPWO2017154516A1 (ja) 2019-01-10
US10680292B2 (en) 2020-06-09
WO2017154516A1 (ja) 2017-09-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107813724B (zh) 蓄电设备及蓄电系统
JP5403073B2 (ja) 電力受電装置及び電力送電装置
EP3282539B1 (en) Power transmission device, vehicle equipped with power transmission device, and wireless power transmission system
US10361575B2 (en) Power storage module, power storage apparatus, power storage system, control method, electronic apparatus, electric vehicle, and electric power system
KR101438910B1 (ko) 유선-무선 전력 전송 장치 및 그 방법
US9438129B2 (en) Input/output power and signal transfer isolator device
JP6817560B2 (ja) 電池管理システム
US10033217B2 (en) Wireless power receiver device, wireless power transmitter device, and wireless power transceiver device
CN103354963A (zh) 二次电池单元、电池组及功耗设备
KR20130024787A (ko) 축전 장치, 전자 기기, 전동 차량 및 전력 시스템
US20210151244A1 (en) Electrical transformer and method of manufacturing an electrical transformer
JP6551853B2 (ja) 送電装置、送電装置を搭載した車両及び無線電力伝送システム
JP6681599B2 (ja) 電池管理システム
WO2013098923A1 (ja) 電池システム
CN106487100B (zh) 线圈装置及无线电力传输装置
CN107117059B (zh) 电动汽车车载端充电装置、电动汽车
US20220045520A1 (en) IC Chip and Circuit System Using the Same
US20150331058A1 (en) Voltage detecting device
JP7213930B2 (ja) 送電回路及び受電回路
US10978953B2 (en) Flyback power supply, inverter and electrically powered vehicle
KR20150048693A (ko) 무접점 전력 수신 장치, 케이스 어셈블리, 및 이를 구비하는 전자 기기
CN117728529A (zh) 用于监测和控制电池的系统,电池管理系统
JP2015141928A (ja) 大電力抵抗器および車載機器
JP2022002446A (ja) 電力変換装置
JP2020161568A (ja) コンデンサモジュール、共振器、ワイヤレス送電装置、ワイヤレス受電装置、ワイヤレス電力伝送システム、及びモジュール

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20190215

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20191217

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20200203

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20200218

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20200306

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 6681599

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151