JP7272843B2

JP7272843B2 - 電池管理システム装置

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Publication number: JP7272843B2
Application number: JP2019063146A
Authority: JP
Inventors: 智浩疋田
Original assignee: Lapis Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Lapis Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2019-03-28
Filing date: 2019-03-28
Publication date: 2023-05-12
Anticipated expiration: 2039-03-28
Also published as: JP2020166930A

Description

本発明は、二次電池等のバッテリの状態情報を管理する電池管理システム装置に関し、例えば電気自動車等に搭載される磁界通信の電池管理システム装置に関する。

特許文献１は、車両に設けられ直列接続された複数のセルを有するバッテリの状態情報を検出するバッテリ監視装置を開示している。バッテリ監視装置は、各々がバッテリ上に設けられバッテリの状態情報を検出する回路を有した基板及び基板上に設けられ電磁波を介して非接触通信を行う第１のアンテナを有した複数の検出ユニットと、バッテリに搭載され電磁波を介して第１のアンテナと非接触通信を行う第２のアンテナを有した搭載部材と、を有する。第１のアンテナは、バッテリの状態情報を第２のアンテナに転送し、第２のアンテナは、第１のアンテナから転送されたバッテリの状態情報を上位の機器に転送する。

特開２０１６－１５７６８１号公報

しかしながら、特許文献１に記載のバッテリ監視装置の構成では、検出ユニット毎の第１のアンテナと、搭載部材の第２のアンテナがそれぞれ１対１で通信を行い、複数の検出ユニットのブロック数分だけ搭載部材側にアンテナ部分が必要となる。よって、ブロック数が増えると搭載部材側の面積が大きくなり、電池管理システム装置全体として小型化できないという問題があった。また、隣り合う搭載部材同士が混信しないように、搭載部材の間の距離を離さなければならなかった。

本発明は、以上の従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、小型化が可能な電池管理システム装置を提供することを目的とする。

本発明の電池管理システム装置は、バッテリの状態情報を検出する電池監視ユニットと、第１の磁界アンテナを有し、前記電池監視ユニットから前記バッテリの状態情報を受けて磁界結合を介して通信を行う無線制御ユニットとを有する少なくとも１つの検出ユニットと、
磁束中心軸が前記第１の磁界アンテナの磁束中心軸と一致するように設けられた第２の磁界アンテナを有し、前記磁界結合を介して前記無線制御ユニットと前記バッテリの状態情報の通信を行う電池管理ユニットと、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、電池監視ユニットと電池管理ユニットの間で配線接続や絶縁対策が不要となり、電池システムの軽量化や小型化となる。電気自動車等では、電池システムの軽量化により航続距離の延長となるため、自動車の価値を高めることが可能となる。

第１の実施例の電池管理システム装置の概略斜視図である。第１の実施例の電池管理システム装置を説明するためのシステム構成図である。第１の実施例の電池管理ユニットの構成例を示すブロック図である。第１の実施例の無線制御ユニットの構成例を示すブロック図である。第２の実施例の電池管理システム装置を説明するためのシステム構成図である。第２の実施例の電池管理システム装置の動作における通信の組み合わせを示す概略構成図である。第３の実施例の電池管理システム装置の動作における通信の組み合わせを示す概略構成図である。

以下、図面を参照しつつ本発明による実施例について説明する。なお、実施例において、実質的に同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

（第１の実施例）
図１は、本実施例の電池管理システム装置の概略斜視図である。電池管理システム装置は、１つの電池管理ユニットＥＣＵと複数の検出ユニットＤＴＵ１、ＤＴＵ２、ＤＴＵ３、ＤＴＵ４（４個）とから構成されている。電池管理ユニットＥＣＵは、電池システム全体を管理する電子制御ユニットであり、各電池セルの状態を管理する。検出ユニットＤＴＵ１、ＤＴＵ２、ＤＴＵ３は電池監視ユニット２１、２２、２３、２４と無線制御ユニット４１、４２、４３、４４のそれぞれを含み、電池監視ユニット２１、２２、２３、２４は電池ブロック３１、３２、３３、３４にそれぞれ接続されている。但し、電池ブロックのブロック数は電池監視ユニット数と同じでシステムによって増減する。検出ユニットＤＴＵを４つのユニットにしているのは参考例であり、システムによってユニット数は増減する。

電池監視ユニット２１、２２、２３、２４は、電池ブロック３１、３２、３３、３４に収容される各電池セルを管理し、電圧及び温度の監視や、複数電池セルの場合は電池セルのバランス調整を行う。

電池ブロック３１、３２、３３、３４は、１つまたは複数の電池を直列に接続したブロックである。これら電池ブロックが直列または並列接続され、モーター等の他の機能ブロックの電源として供給される。

無線制御ユニット４１、４２、４３、４４は、磁界アンテナｓ１、ｓ２、ｓ３、ｓ４を介して電池管理ユニットＥＣＵと電池監視ユニット２１、２２、２３、２４の間のデータ送受信を制御する。

図１に示すように、本実施例では、電池管理ユニットＥＣＵの基準面はＸＹＺ座標系においてＸＹ面に平行な面とし、その読取り及び書込み用のループ磁界アンテナｍ１の開口面となるべき面とする。当該磁界アンテナｍ１の開口面は、磁界アンテナｍ１による磁場ＭＦが垂直方向（Ｚ方向）に発生する面である。そして、縦長の直方体である検出ユニットＤＴＵ１、ＤＴＵ２、ＤＴＵ３、ＤＴＵ４の各々は、基準面（ＸＹ面）に対して平行となるように、すなわち各検出ユニットの各面のうち主表面と裏面とがＸ方向に平行に延びるように設置される。図１に示すように、検出ユニットＤＴＵ１、ＤＴＵ２、ＤＴＵ３、ＤＴＵ４のそれぞれは、表面及び裏面がＸＹ面に平行になった状態で無線制御ユニット４１、４２、４３、４４が積み重ねて置かれている。

磁界アンテナｓ１、ｓ２、ｓ３、ｓ４のそれぞれは、検出ユニットＤＴＵの片端部に設けられており、電池管理ユニットＥＣＵの磁界アンテナｍ１からの無線信号（通信信号等）を含む電磁波を受信する。そのため、図１に示すように、無線制御ユニット４１、４２、４３、４４と電池管理ユニットＥＣＵは、無線制御ユニットの磁界アンテナｓ１、ｓ２、ｓ３、ｓ４の磁束Ｔの中心軸Ａと電池管理ユニットＥＣＵの磁界アンテナｍ１の磁束Ｔの中心軸Ｂとが一致するように、配置されている。ここで、「磁束中心軸が一致する」とは、ループ半径の１／２の距離範囲内に該軸があることとする。本実施例の磁界アンテナｍ１、ｓ１、ｓ２、ｓ３、ｓ４のそれぞれは、開口面の中心に関して、点対称な対称性を有する対称形状となっている。すなわち、磁界アンテナｓ１、ｓ２、ｓ３、ｓ４のそれぞれを構成するループ状の配線の外観形状は、例えば磁界アンテナの磁束中心軸に（Ｚ軸まわりに）半回転させるとそれ自身と重なるようになっている。このような対称形状の磁界アンテナｍ１、ｓ１、ｓ２、ｓ３、ｓ４は、例えば、プリント基板上に形成された配線パターンや誘電体製の円筒にエナメル線等を巻き付けることで環状に形成され得る。また、この場合、磁界アンテナｍ１、ｓ１、ｓ２、ｓ３、ｓ４のそれぞれは、立体的な３次元形状となる。また、磁界アンテナとして、導電パターンとして形成される多層プリント基板として、例えば４個の配線層を有する４層プリント基板が使用されることができ、この場合、配線層毎に渦巻き状導電パターンを形成し、ランド及びスルーホールに接続してヘリカルコイルアンテナを形成してもよい。磁界アンテナを同一形状とすることにより、共振周波数にて効率の良い通信が可能となる。なお、磁界アンテナの自己共振周波数から離れた周波数帯での搬送波を用いる。

図２は第１の実施例の電池管理システム装置を説明するためのシステム構成図である。後述するように無線制御ユニット４１、４２、４３、４４は、電源及びクロックを有する。これにより、磁界結合で電力を送ることが不要となり、また磁界の周波数からクロックを検出する必要がなくなるため、長距離通信が可能となる。無線制御ユニット４１、４２、４３、４４は、ＮＦＣ通信やＱｉ通信のように電源及びクロックを有さないアンテナで受信した磁界から電源及びクロックを生成するものではない。

また、本実施例においては磁界発生方向が重なり互いに積極的に干渉をさせている。本実施例においては電界アンテナと比べると磁界アンテナの配置が異なる。電界アンテナでは、一般的にそれぞれの磁界発生方向が並行になるよう配置し互いに干渉しないようになされる。

（動作の説明）
第１の実施例の動作について説明する。電池管理ユニットＥＣＵの要求により磁界アンテナｍ１に磁界が発生すると、磁界アンテナｓ１、ｓ２、ｓ３、ｓ４は磁界を受けて同時に受信を開始する。電池管理ユニットＥＣＵが予めデータの中に無線制御ユニット４１、４２、４３、４４の内のどの無線制御ユニットへのデータかを示す番号情報を付与しておき、対象の無線制御ユニットのみがデータの送受信を行う。

（効果の説明）
以上のように、第１の実施例によれば、磁界アンテナ配置を変更することで、以下の効果が期待できる。

電池管理ユニットＥＣＵの磁界アンテナが１つで済むようになり、また特定の磁界アンテナ間の干渉を気にする必要がなくなるため、電池管理システム装置全体を小型化することができる。

図３は、第１の実施例の電池管理ユニットＥＣＵの構成例を示すブロック図である。

電池管理ユニットＥＣＵは磁界アンテナｍ１を備えている。電池管理ユニットＥＣＵは、さらに、電源回路１、記憶部２、外部インターフェイス３、マイクロプロセッサ４、デジタル信号処理部５、発振回路６と、変調回路７と、送信増幅８と、検波復調、増幅及びフィルタリングを行う受信部９と、から構成される。電源回路１は、電池管理ユニットＥＣＵの各部に電源を供給する。外部インターフェイス３は、上位装置（図示せず）と信号のやり取りを行うための通信部である。外部インターフェイス３を介して外部とやりとりされるコマンドや応答信号は、マイクロプロセッサ４との間でやり取りされる。記憶部２には、マイクロプロセッサ４が動作するための制御プログラムが記憶されており、マイクロプロセッサ４により必要に応じてデータの読み出しと書き込みとが行われる。

電池管理ユニットＥＣＵは、無線制御ユニット４１と通信するための制御プログラム及び無線制御ユニット４１の相関データとが組み込まれており、予め決められた制御プログラムに従って、無線制御ユニット４１に対してコマンドを送信データとして送出する。電池管理ユニットＥＣＵは、コマンドに従ったデジタル送信データを、デジタルデータをＲＦ（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙ）信号に変換する。このＲＦ信号は、磁界アンテナｍ１に給電され、空間に送信電磁波として放射される。送信電磁波が放射された空間にはＲＦ磁界が発生する。

予め記憶され制御プログラムによるコマンドの他、外部インターフェイス３を介して入力されたコマンドもマイクロプロセッサ４の制御動作に従って、送信データとして出力される。マイクロプロセッサ４から出力された送信データは、デジタル信号処理部５に出力され、ここでデジタル符号化されたデジタル送信データを外部へ出力する。出力されたデジタル送信データは変調回路７へ入力される。

変調回路７は、デジタル送信データによって発振回路６で発生される搬送波を変調する。変調された搬送波は、送信増幅器２０において電力増幅され、磁界アンテナｍ１に給電され、空間に送信電磁波として放射される。

一方、磁界アンテナｍ１において受信された無線制御ユニット４１からの受信電磁波は、磁界アンテナｍ１上に送信増幅器２０から給電される増幅後の送信信号に重畳する電力として現れる。磁界アンテナｍ１の給電点に現れる送受信重畳電力は、受信部９に入力されて、ここでフィルタリングされ、送信増幅８から出力されて磁界アンテナｍ１に給電される送信データと振り分けされ、受信信号として増幅され検波復調において受信信号の搬送波から受信データを検波復調し、受信部９がデジタル受信データを生成する。このデジタル受信データは、受信部９から出力され、デジタル信号処理部５に入力される。

デジタル信号処理部５は、デジタル受信データを復号化し、さらに受信データを生成し出力する。この受信データはマイクロプロセッサ４に入力され、制御プログラムに従った処理が行われ、外部インターフェイス３を介して応答信号が出力される。以上の手順により、無線制御ユニット４１とのデータ通信が実現できる。

図４は、代表として無線制御ユニット４１の構成例を示す。無線制御ユニット４１、４２、４３、４４は同様の構成を有する。図４に示すように、本実施例による無線制御ユニット４１は、電池管理ユニットＥＣＵに送信される電磁波の電磁結合手段である磁界アンテナｓ１を有する。無線制御ユニット４１は、端部に磁界アンテナｓ１を搭載しており、これにより電池管理ユニットＥＣＵの磁界アンテナｍ１から放射されるＲＦ磁界を介して無線通信を行う。

無線制御ユニット４１は、更に、キャパシタ１０と整合部１１と、変調器１２と、コマンド部１３と、クロック発生回路１４と、ＣＰＵ１５と、メモリ１６と、内部インターフェイス１７と、小型電源１８（又は電池ブロックからの電力線）とを含んで構成される。このメモリ１６は不揮発性メモリであり、これには、ＣＰＵ１５が動作するための制御プログラム（例えば、バッテリの状態情報の中継通信を行う機能のプログラム）が記憶されており、ＣＰＵ１５により必要に応じてデータの読み出しと書き込みとが行われる。内部インターフェイス１７は、電池監視ユニット２１と信号のやり取りを行うための通信部であり、電池ブロック３１のバッテリの状態情報を取得して、該情報をメモリ１６に格納する。

本実施例による電源を搭載した無線制御ユニット４１は、小型電源１８（又は電池ブロックからの電力線）を内蔵している。小型電源１８が消耗することによる電池交換は必要になるが、無電源のものと比較して、安定したより大きな電流供給が可能であるため、通信距離が大きく取れるという利点がある。

電池管理ユニットＥＣＵから放射される電磁波は、無線制御ユニット４１の磁界アンテナｓ１により受信される。この装置では、磁界アンテナｓ１のインダクタンスとキャパシタ１０のキャパシタンスとにより並列共振回路を構成し、受信電磁波に共振するように調節される。共振回路の共振周波数と同一の周波数の搬送波を受信した場合、上記並列共振回路は、共振現象を誘起し高い誘起電圧を得る。整合部１１は、磁界アンテナｓ１とキャパシタ１０とのインピーダンスマッチングを行い、受信信号を得る。さらに受信信号は、コマンド部１３にて復調復号化されて受信コマンドを生成、すなわち、受信信号の搬送波成分からのデータの復調分離を行う。

ＣＰＵ１５は、クロックに同期したコマンドから、予め決められた手順により動作する。ＣＰＵ１５は、受信コマンドの受付を行う。メモリ１６は、無線制御ユニット４１固有のＩＤ（番号）等のデジタル情報も記憶されている。ＣＰＵ１５は、受付した受信コマンドの情報から、メモリ１６に記憶されている固有ＩＤを比較し、自分が通信対象であることを判断する。通信対象であった場合、ＣＰＵ１５は、メモリ１６に記憶された情報（番号）を、変調器１２に入力し、これより符号化変調が行われる。符号化変調された信号は、送信信号として整合部１１に入力されて磁界アンテナｓ１に給電されて再び電磁波として放射される。以上の手順により、電池管理ユニットＥＣＵとのデータ通信が開始できる。

自己が電池管理ユニットＥＣＵに対して通信対象であるとの条件判断処理を行った無線制御ユニット４１は、電池監視ユニット２１との通信処理後のメモリ１６に格納されている電池ブロック３１のバッテリの状態情報のデータをＲＦ信号に変換して磁界アンテナｓ１から空間に受信電磁波として放射する。

無線制御ユニット４１から放射された受信電磁波は、電池管理ユニットＥＣＵの磁界アンテナｍ１で受信され、受信された電磁波はデジタル受信データに変換される。

デジタル受信データは、復号化され、バッテリの状態情報の信号として予め決められた通信プロトコルに従って電池管理ユニットＥＣＵの外部へ出力される。応答信号は上位装置（図示せず）に入力され、制御ソフトに準じた処理が行われる。

（第２の実施例）
図５は第２の実施例の電池管理システム装置を説明するためのシステム構成図である。本実施例の電池管理システム装置は、第１の実施例の無線制御ユニット４１、４２、４３、４４のそれぞれに磁界アンテナｓ１、ｓ２、ｓ３、ｓ４と同じ機能（形状）を持つ追加の磁界アンテナｓ１１、ｓ１２、ｓ１３、ｓ１４を追加し、且つ磁界アンテナｍ１と同じ機能（形状）を持つ追加の磁界アンテナｍ１１を電池管理ユニットＥＣＵに追加した以外、第１の実施例と同一である。なお、第１の実施例と比較して磁界アンテナ数が２倍となるが、第１の実施例の隙間に磁界アンテナを増やせばよいので電池システムの大きさへの影響はない。

（動作の説明）
図６は第２の実施例の電池管理システム装置の動作における通信の組み合わせを示す概略構成図である。第２の実施例の基本的な動作は第１の実施例と同じであるが、違いとして、電池管理ユニットＥＣＵと無線制御ユニット４１、４２、４３、４４がそれぞれ２つの磁界アンテナを持つ点である。電池管理ユニットＥＣＵ側の磁界アンテナｍ１、ｍ１１は、図６の線分に示すように、無線制御ユニット４１、４２、４３、４４側の全ての磁界アンテナｓ１、ｓ２、ｓ３、ｓ４、ｓ１１、ｓ１２、ｓ１３、ｓ１４と通信することができる。

以上のように、第２の実施例によれば追加の磁界アンテナｍ１１、ｓ１１、ｓ１２、ｓ１３、ｓ１４を追加することで、以下の効果が期待できる。

電池管理ユニットＥＣＵと無線制御ユニット４１、４２、４３、４４がそれぞれ２つの磁界アンテナを持つことにより、電池管理システム装置全体の大きさを変えることなく、磁界通信経路の信頼性を向上させることができる。

（第３の実施例の説明）
本実施例の電池管理システム装置は、第２の実施例と、無線制御ユニット４１、４２、４３、４４において動作するための制御プログラムにおけるバッテリの状態情報の中継通信を行う機能のプログラムを起動させた以外、第２の実施例と同一である。なお、バッテリ状態情報の中継通信を行う機能のプログラムを用いる構成とする以外に、専用のハードウェアを無線制御ユニット４１、４２、４３、４４に設けてもよい。

無線制御ユニット４１、４２、４３、４４は、自身マスター送信する機能を持つ。すなわち、無線制御ユニット４１、４２、４３、４４のいずれのユニット間でもデータ送受信が可能となる。これにより、無線制御ユニット４１、４２、４３、４４の何れかが電池管理ユニットＥＣＵと通信する際に、自身以外の他の無線制御ユニットを介した間接的な通信もすることが可能となる。

（動作の説明）
図７は第３の実施例の電池管理システム装置の動作における通信の組み合わせを示す概略構成図である。第３の実施例によれば以下の効果が期待できる。

第３の実施例によれば、図７の線分に示すように、磁界通信のメッシュネットワークを形成することが可能となり、外部環境の変化や経年劣化による特性の変化により特定の磁界アンテナ間通信に問題が発生しても、別の経路で電池管理ユニットＥＣＵと無線制御ユニット４１、４２、４３、４４の通信を確立することができ、通信の信頼性を確保できる。

いずれの実施例においても、電池ブロック及び電池監視ユニット及び無線制御ユニット及び磁界アンテナの数を変更することで、電気自動車のような大型の製品からロボット掃除機のような小型の製品まで、電池を搭載する様々な製品に適用可能である。

２１、２２、２３、２４…電池監視ユニット、
３１、３２、３３、３４…電池ブロック、
４１、４２、４３、４４…無線制御ユニット、
ＥＣＵ…電池管理ユニット、
ＤＴＵ１、ＤＴＵ２、ＤＴＵ３、ＤＴＵ４…検出ユニット、
ｍ１、ｍ１１、ｓ１、ｓ２、ｓ３、ｓ４、ｓ１１、ｓ１２、ｓ１３、ｓ１４…磁界アンテナ。

Claims

バッテリの状態情報を検出する電池監視ユニットと、第１の磁界アンテナを有し、前記電池監視ユニットから前記バッテリの状態情報を受けて磁界結合を介して通信を行う無線制御ユニットとを有する検出ユニットと、
磁束中心軸が前記第１の磁界アンテナの磁束中心軸と一致するように設けられた第２の磁界アンテナを有し、前記磁界結合を介して前記無線制御ユニットと前記バッテリの状態情報の通信を行う電池管理ユニットと、
を備え、
複数の前記検出ユニットは並んで設けられ、
複数の前記無線制御ユニットの複数の前記第１の磁界アンテナの磁束中心軸と前記電池管理ユニットの第２の磁界アンテナの磁束中心軸とが一致するように設けられる電池管理システム装置。
前記検出ユニットの前記無線制御ユニットは、前記第１の磁界アンテナと並んで設けられた第３の磁界アンテナを更に有し、前記第１の磁界アンテナの磁束中心軸と前記第３の磁界アンテナの磁束中心軸とが一致するように設けられている請求項１記載の電池管理システム装置。
前記検出ユニットの前記無線制御ユニットは、前記バッテリの状態情報の中継通信を行う機能を有する請求項１又は２に記載の電池管理システム装置。