JP6811019B2

JP6811019B2 - 二次電池システム

Info

Publication number: JP6811019B2
Application number: JP2016047415A
Authority: JP
Inventors: 田島　新治; 新治田島; 功治倉山
Original assignee: Nishimu Electronics Industries Co Inc
Current assignee: Nishimu Electronics Industries Co Inc
Priority date: 2016-03-10
Filing date: 2016-03-10
Publication date: 2021-01-13
Anticipated expiration: 2036-03-10
Also published as: JP2017163749A

Description

本発明は、二次電池モジュールに搭載された個々のＥＣＵ（Electronic Control Unit）で独立して異常監視を行いつつ、ＢＭＳと連携して二次電池システムを多重監視、制御する二次電池システムに関する。

複数の二次電池セルからなる複数の二次電池モジュールを監視、制御する技術として、特許文献１〜３に示す技術が開示されている。特許文献１に示す技術は、電源装置１０は、複数のセルが直列接続された電池モジュール１と、電池モジュール１の異常を監視する監視ＥＣＵ２と、監視ＥＣＵ２のグランド端子と電池モジュール１の負端子との間に接続されたダイオード４と、電池モジュール１の負端子とダイオード４のカソードとに接続され、監視ＥＣＵ２によりオン/オフ制御されるスイッチ手段３と、を有する複数の電源ユニットが、各々の電池モジュール１の正端子が共通接続され、かつ各々のスイッチ手段４の他端が共通接続され、かつ各々の監視ＥＣＵ２のグランド端子が共通接続されているものである。

特許文献２に示す技術は、複数の二次電池を直列に接続した電池列を複数個並列に接続してなるバッテリユニット２と、電池列間の電圧差を低減させる電圧均等化回路３と、各電池列１１、１２、１３と負荷１０との間に設けられたコンタクタ２１、２２、２３とを有する蓄電装置１において、電圧均等化回路３に、各電池列１１、１２、１３に接続する第１抵抗２４、２５、２６と、複数の電池列１１、１２、１３を第１抵抗２４、２５、２６を介して電気的に接続および切断するスイッチング素子２７と、スイッチング素子２７を制御するＢＭＵ１、ＢＭＵ２、ＢＭＵ３とを設け、システムが停止した後に、電圧均等化回路３のスイッチング素子２７をオンすることにより電池列間の電圧差を低減させるものである。

特許文献３に示す技術は、電池セルを複数個接続して一つの電池モジュールを構成してなる二次電池において、電池セルの正極と負極とを短絡する短絡回路を開閉するスイッチを閉作動して電池セルの正極と負極とを短絡させた状態で電圧測定回路により測定した当該電池セルの第１の電圧Ｖ’と（ｓ20）、スイッチを開作動して短絡回路を遮断させた状態で電圧測定回路により測定した当該電池セルの第２の電圧Ｖ（ｓ10）との差に基づいて、電池モジュールの異常を判定する（ｓ30）ものである。

特開２０１５−８０３６７号公報特開２０１２−２０５４０７号公報特開２０１３−２４２３２４号公報

特許文献１にはＥＣＵが電池モジュールのスイッチを独立に制御することが記載されているものの、上位装置であるＢＭＳ／ＢＭＵ（Battery Management System/Battery Management Unit）との連携については記載されていない。つまり、ＥＣＵ自体に異常が発生してしまったような場合には、電池モジュールの異常を検知することができなくなってしまう可能性がある。

特許文献２に示す技術は、電池列間の電圧差を低減させる電圧均等化回路のスイッチングをＢＭＵで制御して電池列間の電圧を均等化するものであり、ＥＣＵで二次電池モジュールを独立して監視しつつ、各二次電池モジュール全体をＢＭＳで監視、制御する技術ではない。また、インバータ等のノイズを受けやすいＢＭＵに異常等が発生してしまったような場合には、システムの監視、制御ができずシステムを停止しなければならなくなるという課題を有する。

特許文献３に示す技術は、ＣＭＵ（Cell Monitoring Unit）で各二次電池モジュールの充電状態を監視しつつ、ＢＭＵを経由してＥＣＵ（Engine Control Unit）により電圧異常の制御や均等化を図るものであり、上記と同様に、ＣＭＵで二次電池モジュールを独立して監視しつつ、各二次電池モジュール全体をＢＭＳで監視、制御する技術ではない。また、接続される負荷やインバータ等のノイズを受けやすいＢＭＵに異常等が発生してしまったような場合には、システムの監視、制御ができずシステムを停止しなければならなくなるという課題を有する。

本発明は、二次電池が直並列に複数接続された二次電池モジュールの異常等の監視を各モジュールごとにＥＣＵが独立して行いつつ、各モジュール全体をＢＭＵで監視し、ＢＭＵが機能しなかった場合等にＥＣＵが自己の判断でモジュールを切り離すことでまず自己のモジュール全体を安全状態に移行できると共に、システム全体の運用を止めることなく異常対応が可能となる二次電池システムを提供する。

本発明に係る二次電池システムは、複数の二次電池が直列に接続された二次電池モジュールを複数並列に接続して形成される二次電池モジュール群と、二次電池システムの充電／放電の制御を行う充放電制御部と、前記二次電池モジュール群の各二次電池モジュールと前記充放電制御部との間の接続のＯＮ／ＯＦＦを切り替える個別スイッチと、前記各二次電池モジュールごとに電流値を計測する電流計測手段と、前記電流計測手段の電流値の情報を受信し、受信した当該電流値の状態に応じて前記個別スイッチのＯＮ／ＯＦＦを制御するＥＣＵと、前記充放電制御部と前記二次電池モジュール群との間の接続をＯＮ／ＯＦＦする主幹スイッチと、システム全体を監視して制御し、前記ＥＣＵから取得される情報に基づいて、前記主幹スイッチのＯＮ／ＯＦＦ制御を行うＢＭＳとを備えるものである。

このように、本発明に係る二次電池システムにおいては、複数の二次電池が直列に接続された二次電池モジュールを複数並列に接続して形成される二次電池モジュール群と、二次電池システムの充電／放電の制御を行う充放電制御部と、前記二次電池モジュール群の各二次電池モジュールと前記充放電制御部との間の接続のＯＮ／ＯＦＦを切り替える個別スイッチと、前記各二次電池モジュールごとに電流値を計測する電流計測手段と、前記電流計測手段の電流値の情報を受信し、受信した当該電流値の状態に応じて前記個別スイッチのＯＮ／ＯＦＦを制御するＥＣＵと、前記充放電制御部と前記二次電池モジュール群との間の接続をＯＮ／ＯＦＦする主幹スイッチと、システム全体を監視して制御し、前記ＥＣＵから取得される情報に基づいて、前記主幹スイッチのＯＮ／ＯＦＦ制御を行うＢＭＳとを備えるため、ＥＣＵにて各二次電池モジュールごとに独立して監視、制御しつつ、ＥＣＵとＢＭＳとの二重監視を行うことで、二次電池システムを効果的に保護することができるという効果を奏する。

本発明に係る二次電池システムは、前記ＥＣＵが、前記電流値の状態が異常であると判断した場合に、当該電流異常となっている前記二次電池モジュールに対応する前記個別スイッチをＯＦＦにし、前記ＢＭＳが、前記ＥＣＵから前記二次電池の電流異常の情報を受信し、当該電流異常となった前記二次電池を除外した容量でシステムの運用が可能であるかどうかを判断し、運用の継続が可能であれば前記主幹スイッチをＯＮにし、前記電流異常となった二次電池を除外した容量で運用に必要な再計算を行うものである。

このように、本発明に係る二次電池システムにおいては、ＥＣＵが、前記電流値の状態が異常であると判断した場合に、当該電流異常となっている前記二次電池モジュールに対応する前記個別スイッチをＯＦＦにし、前記ＢＭＳが、前記ＥＣＵから前記二次電池の電流異常の情報を受信し、当該電流異常となった前記二次電池を除外した容量でシステムの運用が可能であるかどうかを判断し、運用の継続が可能であれば前記主幹スイッチをＯＮにし、前記電流異常となった二次電池を除外した容量で運用に必要なパラメータ等の再計算を行うため、システムを停止することなく運用した状態を維持したままで異常があった二次電池モジュールを修理、メンテナンスすることが可能になるという効果を奏する。

本発明に係る二次電池システムは、前記ＢＭＳが、前記電流異常となった前記二次電池を除外した場合にシステムの運用継続が不可能であると判断された場合は、前記ＢＭＳが前記主幹スイッチをＯＦＦにしてシステムを停止するものである。

このように、本発明に係る二次電池システムにおいては、ＢＭＳが、前記電流異常となった前記二次電池を除外した場合にシステムの運用継続が不可能であると判断された場合は、前記ＢＭＳが前記主幹スイッチをＯＦＦにしてシステムを停止するため、システムの運用が不可能である場合は、システムを停止して保護することができるという効果を奏する。

本発明に係る二次電池システムは、前記各二次電池モジュールごとに、充電と放電とを切り替える充放電切替スイッチと、当該二次電池モジュールと前記充放電制御部との間に相互に逆方向となるダイオードが前記充放電切替スイッチに対応して並列に接続されているものである。

このように、本発明に係る二次電池システムにおいては、各二次電池モジュールごとに、充電と放電とを切り替える充放電切替スイッチと、当該二次電池モジュールと前記充放電制御部との間に相互に逆方向となるダイオードが前記充放電切替スイッチに対応して並列に接続されているため、ある二次電池モジュールに異常が発生した場合であっても電流の回り込みを防止して、二次電池モジュールを保護することができるという効果を奏する。

第１の実施形態に係る二次電池システムのシステム構成図である。ＢＭＳの構成を示す機能ブロック図である。第１の実施形態に係る二次電池システムの運用状態における動作を示すフローチャートである。第２の実施形態に係る二次電池システムのシステム構成図である。二次電池モジュールへの電流の流れ込みを防止する場合の処理を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を説明する。また、本実施形態の全体を通して同じ要素には同じ符号を付けている。

（本発明の第１の実施形態）
本実施形態に係る二次電池システムについて、図１ないし図３を用いて説明する。本実施形態に係る二次電池システムは、複数（例えば、２〜８セル程度）の二次電池セルが直列に接続された二次電池モジュールを複数（例えば、数個〜数千個）並列に接続して二次電池モジュール群を形成し、この二次電池モジュール群の各二次電池モジュールとインバータ等からなる充放電制御部との間の接続のＯＮ／ＯＦＦを切り替える個別スイッチを、各二次電池モジュールごとに計測された電流値に基づいてＥＣＵがＯＮ／ＯＦＦ制御する。また、充放電制御部と二次電池モジュール群との間の接続を一括してＯＮ／ＯＦＦする主幹スイッチを有しており、ＥＣＵから取得された情報に基づいてＢＭＳが主幹スイッチのＯＮ／ＯＦＦ制御を行うものである。

図１は、本実施形態に係る二次電池システムのシステム構成図である。二次電池システム１は、放電時に負荷と接続される放電制御部２ａ及び充電時に電源と接続される充電制御部２ｂとを有する充放電制御部２と、二次電池システム１の充電／放電を切り替える充放電切替スイッチ３と、二次電池全体と充放電制御部２との間のＯＮ／ＯＦＦを切り替える主幹スイッチ４と、複数のセル５が直列に接続されて形成される二次電池モジュール６と、二次電池モジュール６の電流値を計測するＣＴ７と、各二次電池モジュール６ごとに充放電制御部２との接続をＯＮ／ＯＦＦする個別スイッチ８と、ＣＴ７の値に基づいて個別スイッチ８のＯＮ／ＯＦＦ制御を行うＥＣＵ９と、システム全体を監視、制御すると共にＥＵＣ９から取得した情報に基づいて、主幹スイッチ４のＯＮ／ＯＦＦを制御するＢＭＳ１０とを備える。

充電時にはＢＭＳ１０の制御により充放電切替スイッチ３が充電制御部２ｂに接続され、二次電池モジュール６に充電がなされる。放電時には充放電切替スイッチ３が放電制御部２ａに接続され、二次電池モジュール６の電力が負荷に供給される。ＥＣＵ９は、各二次電池モジュール６ごとに対応する当該二次電池モジュール６の状態を監視し、ＢＭＳ１０に送信する。従来であれば、ＥＣＵ９からの異常を検知した時点でＢＭＳ１０が二次電池モジュール６を二次電池システム１から切り離すように主幹スイッチ４を制御するが、この場合、いずれか１つのみの二次電池モジュール６に異常がある場合であってもシステム全体が停止してしまう。

そこで、本実施形態においては、各二次電池モジュール６の電流値をＣＴ７で測定し、測定された電流値が正常であるか異常であるかをＥＣＵ９で判断する。そして、電流値が異常であると判断した場合は、ＢＭＳ１０にその旨の情報を送信すると共に、電流値に異常が生じている二次電池モジュール６に対応する個別スイッチ８をＯＦＦに制御する。個別スイッチ８をＯＦＦにすることで、電流値に異常が生じている二次電池モジュール６のみをシステムから切り離し、その他の正常な二次電池モジュール６でシステムの運用を維持することが可能となる。

また、ＥＣＵ９から電流値異常の情報を受信したＢＭＳ１０では、当該異常が生じた二次電池モジュール６をシステムから切り離した状態での運用の再計算を行い、システムの運用を継続可能かどうかを判断する。システムの運用継続が可能であれば、パラメータ等を再設定して運用を継続する。システムの運用継続が不可能であれば、主幹スイッチ４をＯＦＦにしてシステム全体を停止する。

図２は、ＢＭＳ１０の構成を示す機能ブロック図である。ＢＭＳ１０は、ＥＣＵ９からの情報を入力する入力部２１と、入力された情報に基づいて、異常が生じた二次電池モジュール６をシステムから切り離した状態で運用する場合の必要となる容量や供給可能な容量等の再計算を行う再計算部２２と、再計算した結果に基づいて、運用を継続できるかどうかを判定する継続判定部２３と、運用を継続できると判断された場合に設定情報記憶部２６に再計算後のパラメータ等を設定して更新するパラメータ再設定部２４と、運用が継続できないと判断された場合に主幹スイッチ４をＯＦＦにして全ての二次電池モジュール６をシステムから切り離す制御を行うスイッチ制御部２５とを備える。

このような構成により、ＥＣＵ９がＥＣＵ９の判断で電流値異常となっている二次電池モジュール６をシステムから切り離した場合であっても、継続してシステム全体を運用することができるかどうかを判断し、継続可能であればシステムを停止することなく運用状態を維持することが可能となる。また、システムを運用することがでいない場合は、ＢＭＳ１０の判断でシステムを停止することができるため、ＥＣＵ９とＢＭＳ１０との多重チェックにより確実に安全性を確保しつつシステムを保護することができる。

次に、本実施形態に係る二次電池システムの動作について説明する。図３は、本実施形態に係る二次電池システムの運用状態における動作を示すフローチャートである。二次電池システム１の運用が開始されると、ＣＴ７で二次電池モジュール６の電流値が測定され、その情報がＥＣＵ９に送信される（Ｓ１）。ＥＣＵ９では、ＣＰＵの演算機能によりメモリに予め設定されている閾値と測定された電流値とが比較され、測定された電流値が異常であるかどうかが判定される（Ｓ２）。異常がないと判定された場合は、ステップＳ１に戻って電流値の測定を継続する。異常があると判定された場合は、ＥＣＵ９からの指示で個別スイッチ８がＯＦＦに制御され、異常があると判定された二次電池モジュール６のみが二次電池システム１から切り離される（Ｓ３）。

二次電池モジュール６を切り離すと共に、ＥＣＵ９が二次電池モジュール６の電流値異常の情報をＢＭＳ１０に送信する（Ｓ４）。ＢＭＳ１０は受信した電流値異常の情報に基づいて、二次電池システム１から切り離された二次電池モジュール６を特定し、切り離された二次電池モジュール６を除いた他の二次電池モジュール６で二次電池システム１の運用継続が可能かどうかを再計算する（Ｓ５）。再計算の結果、ＢＭＳ１０が二次電池システム１の運用継続が可能であるかどうかを判定し（Ｓ６）、運用継続が可能であると判断した場合は、再計算して得られたパラメータ等で設定情報を更新し（Ｓ７）、ステップＳ１に戻って運用を継続する。そして、二次電池システム１の運用を維持したまま、異常が発生した二次電池モジュール６を修理・メンテナンスする。再計算の結果、ＢＭＳ１０が二次電池システム１の運用継続が不可能であると判断した場合は、ＢＭＳ１０が主幹スイッチ４をＯＦＦに制御し（Ｓ８）、二次電池モジュール６を全て二次電池システム１から切り離し、二次電池システム１を停止する。

このように、本実施形態に係る二次電池システムにおいては、ＥＣＵ９にて各二次電池モジュール６ごとに独立して監視、制御しつつ、ＥＣＵ９とＢＭＳ１０との二重監視を行うことで、二次電池システム１を効果的に保護することができる。

また、電流異常となった二次電池モジュール６を除外した容量で二次電池システム１の運用が可能であるかどうかを判断し、運用の継続が可能であれば主幹スイッチ４をＯＮにし、電流異常となった二次電池モジュール６を除外した容量で運用に必要なパラメータ等の再計算を行うため、二次電池システム１を停止することなく運用した状態を維持したままで異常があった二次電池モジュール６を修理、メンテナンスすることが可能になる。

さらに、ＢＭＳ１０が電流異常となった二次電池モジュール６を除外した場合に、二次電池システム１の運用継続が不可能であると判断された場合は、ＢＭＳ１０が主幹スイッチ４をＯＦＦにしてシステムを停止するため、二次電池システム１の運用が不可能である場合は、二次電池システム１を停止して保護することができる。

（本発明の第２の実施形態）
本実施形態に係る二次電池システムについて、図４及び図５を用いて説明する。本実施形態に係る二次電池システムは、各二次電池モジュールごとに、当該二次電池モジュールと充放電制御部との間に相互に逆方向となるダイオードが並列に接続されているものである。なお、本実施形態において、前記第１の実施形態を重複する説明は省略する。

図４は、本実施形態に係る二次電池システムのシステム構成図である。前記第１の実施形態における図１と異なるのは、充放電切替スイッチ３が充電時に接続される端子４１ａ側に接続し、充放電制御部２側をアノード、二次電池モジュール６側をカソードとするダイオード４２ａと、当該ダイオード４２ａと並列に接続され、充放電切替スイッチ３が放電時に接続される端子４１ｂ側に接続し、充放電制御部２側をカソード、二次電池モジュール６側をアノードとするダイオード４２ｂとを備えることである。

充放電切替スイッチ３は、これから行われる処理が充電であるか放電であるかをＢＭＳ１０で判断し、ＢＭＳ１０の制御により切り替えられる。すなわち、系統又は太陽光パネル等の外部電源に接続された場合は、ＢＭＳ１０が充電処理であると判断し、充放電切替スイッチ３を端子４１ａ側に接続する。このとき、ダイオード４２ａがあるため、充放電制御部２側から二次電池モジュール６への電流は流れるが、その逆方向へは流れない。一方、外部負荷に接続された場合は、ＢＭＳ１０が放電処理であると判断し、充放電切替スイッチ３を端子４１ｂ側に接続する。このとき、ダイオード４２ｂがあるため、二次電池モジュール６側から充放電制御部２への電流は流れるが、その逆方向へは流れない。つまり、充放電切替スイッチ３を制御することで充放電に関しての処理を問題なく行うことができる。

そして、ある二次電池モジュール６に異常が発生した場合、ダイオード４２ａ及び４２ｂを備えることで当該異常が発生した二次電池モジュール６への電流の流れ込みを防止することができる。図５は、二次電池モジュールへの電流の流れ込みを防止する場合の処理を示す図である。図５（Ａ）は充電時における処理、図５（Ｂ）は放電時における処理を示している。図５（Ａ）に示すように、充電時には二次電池モジュール６側がカソード、充放電制御部２側がアノードであるため、例えば図５（Ａ）の真ん中の二次電池モジュール６に何か異常が発生して電圧が低下したような場合であっても、ダイオード４２ａが配設されていることで、他の正常な二次電池モジュール６から真ん中の異常が発生した二次電池モジュールへの電流の流れ込みはない。

また、図５（Ｂ）に示すように、放電時には二次電池モジュール６側がアノード、充放電制御部２側がカソードであるため、例えば図５（Ｂ）の真ん中の二次電池モジュール６に何か異常が発生して電圧が低下したような場合であっても、ダイオード４２ｂが配設されていることで、他の正常な二次電池モジュール６から真ん中の異常が発生した二次電池モジュールへの電流の流れ込みはない。

このように、充電／放電に応じたスイッチ４１及びダイオード４２ａ，４２ｂを有することで、二次電池モジュールに異常が発生した場合であっても電流の回り込みを防止して、二次電池モジュールを保護することができる。

なお、上記ダイオード４２ａ，４２ｂに代わってサイリスタを備えるようにしてもよい。すなわち、通常の状態においてはサイリスタをＯＮにして電流を導通させ、異常が発生した場合にはＥＣＵ９の制御によりサイリスタをＯＦＦにすることで導通状態を停止して二次電池モジュール６を保護することが可能となる。

１二次電池システム
２充放電制御部
２ａ放電制御部
２ｂ充電制御部
３充放電切替スイッチ
４主幹スイッチ
５セル
６二次電池モジュール
７ＣＴ
８個別スイッチ
９ＥＣＵ
１０ＢＭＳ
２１入力部
２２再計算部
２３継続判定部
２４パラメータ再設定部
２５スイッチ制御部
２６設定情報記憶部
４１ａ，４１ｂ端子
４２ａ，４２ｂダイオード

Claims

複数の二次電池が直列に接続された二次電池モジュールを複数並列に接続して形成される二次電池モジュール群と、
二次電池システムの充電／放電の制御を行う充放電制御部と、
前記二次電池モジュール群の各二次電池モジュールと前記充放電制御部との間の接続線のＯＮ／ＯＦＦを切り替える個別スイッチと、
前記各二次電池モジュールごとに電流値を計測するＣＴと、
前記二次電池モジュールごとに配設され、対応する二次電池モジュールに配設される前記ＣＴに接続し、当該ＣＴからの電流に基づく第１の異常を検知した場合に、対応する前記個別スイッチをＯＦＦにして当該第１の異常が検知された二次電池モジュールを切り離して個別独立して制御するＥＣＵと、
前記充放電制御部と前記二次電池モジュール群の全体との間の接続をＯＮ／ＯＦＦする主幹スイッチと、
システム全体を監視して制御し、前記ＥＣＵから送信される前記第１の異常に基づく第２の電流異常の情報から当該異常が発生した二次電池モジュールをシステムから切り離した状態で運用を継続できるかどうかを判断し、運用を継続できない場合に前記主幹スイッチをＯＦＦにしてシステムを停止するＢＭＳとを備えることを特徴とする二次電池システム。