JPWO2012124221A1

JPWO2012124221A1 - 通信システムおよび蓄電池システム

Info

Publication number: JPWO2012124221A1
Application number: JP2013504520A
Authority: JP
Inventors: 孝義阿部; 圭介淺利; 浩二松村
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2011-03-14
Filing date: 2011-12-07
Publication date: 2014-07-17
Also published as: US20140001866A1; EP2688175A4; WO2012124221A1; EP2688175A1

Abstract

少なくとも一つの蓄電池セルを有する複数の電池パックが直列接続されてなる組電池と、前記電池パックを管理するバッテリ管理部と、前記電池パックにより危険状態が検知された場合に送信される前記組電池を電力変換部との接続から切り離すための緊急停止信号の前記電池パックから前記バッテリ管理部への送信と、前記電池パックから前記バッテリ管理部への電池データ送信に共通して用いられる光回線と、を備える通信システムとする。

Description

本発明は、通信システムおよび蓄電池システムに関する。

従来、蓄電池セルを有した電池パックを複数備えた通信システムが存在する。このような通信システムは、例えば特許文献１に開示されている。

特許文献１の通信システムでは、複数の蓄電池セルから成るモジュール電池とセルコントローラを有する電池パックが直列接続される。そして、セルコントローラは、検出された電池状態情報を絶縁通信回路を介してバッテリコントローラに送信する。

特開２００８−２３５０３２号公報（第３図等）

上記特許文献１では、絶縁通信回路にフォトカプラを使用している。フォトカプラによる絶縁については、国内外の様々な安全規格にて、危険な高電圧からユーザの安全を保護するために、絶縁距離、沿面距離並びに空間距離の最小値が規定されている。絶縁距離とは、樹脂で絶縁された発光側と受光側との間の最短距離である（図８のＬ０）。沿面距離とは、パッケージ表面に沿った発光側端子と受光側端子との間の最短距離である（図８のＬ１）。空間距離とは、樹脂外部の空間で発光側端子と受光側端子との間が最短となる距離である（図８のＬ２）。

電池パックの直列接続による２００Ｖ〜６００Ｖの高圧の蓄電池システムでは、絶縁通信回路にフォトカプラを使用することは可能である。しかしながら、電池パックの直列接続数を増やして６００Ｖ以上のさらに高圧な蓄電池システムを構築しようとすると、グローバルの安全規格に準拠させるためにはフォトカプラによる絶縁は限界となってしまう。

また、電池パックへの充電など制御を誤ると、電池パックは過電圧などの危険状態になる場合があり、このような場合に安全のため何らかの対策を採ることが重要である。

上記問題点に鑑み、本発明は、電池パックの直列接続により高圧なシステムを構築する場合でも構成機器間の通信路の絶縁対策を効果的に行え、さらに電池パックが危険状態になった場合でも安全性を確保することができる通信システムおよびこれを備えた蓄電池システムを提供することを目的とする。

本発明の通信システムは、少なくとも一つの蓄電池セルを有する複数の電池パックが直列接続されてなる組電池と、
前記電池パックを管理するバッテリ管理部と、
前記電池パックにより危険状態が検知された場合に送信される前記組電池を電力変換部との接続から切り離すための緊急停止信号の前記電池パックから前記バッテリ管理部への送信と、前記電池パックから前記バッテリ管理部への電池データ送信に共通して用いられる光回線と、
を備える構成とする。

また、本発明の蓄電池システムは、上記構成の通信システムと、前記通信システムが有する組電池に接続される電力変換部と、前記組電池と前記電力変換部との接続・開放を切替える切替え部と、を備える構成とする。

本発明によると、電池パックの直列接続により高圧なシステムを構築する場合でも構成機器間の通信路の絶縁対策を効果的に行え、さらに電池パックが危険状態になった場合でも安全性を確保することができる。

本発明に係る蓄電池システムの全体構成例を示す図である。本発明に係る電池パックの構成例を示す図である。本発明に係るＢＭＵ（Battery Management Unit）の構成例を示す図である。本発明に係る通信システムの構成例を示す図である。本発明に係る電池パックの送受信に関する構成例を示す図である。本発明に係る応答データと緊急停止信号の一例を示す図である。本発明に係る通信システムの別の構成例を示す図である。フォトカプラの一例の概略断面を示す図である。

以下に本発明の一実施形態を図面を参照して説明する。本発明に係る蓄電池システムの全体構成例を図１に示す。但し、図１において、細い実線は信号線を示し、太い実線は電力線を示す。図１に示す蓄電池システムは、マスタコントローラ１と、ＨＵＢ２と、電力変換器管理部３と、電力変換器（Power Conversion System（ＰＣＳ））４と、蓄電池ユニット５と、を備えている。

電力変換器管理部３は、マスタコントローラ１から充放電制御指令を受け、複数設けられた電力変換器４の動作を管理する機能を有する。電力変換器４ごとに組電池５０が電力線により複数接続される。電力変換器４は、外部の電力源（不図示）と組電池５０との間の電力変換、あるいは組電池５０と外部の負荷（不図示）との間の電力変換を行う機能を有し、双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ等のコンバータである。例えば、外部の電力源が外部商用電源の場合は、電力変換器４として双方向ＡＣ／ＤＣコンバータが用いられ、外部の電力源が太陽電池の場合は、電力変換器４として双方向ＤＣ／ＤＣコンバータが用いられる。

電力変換器管理部３は、充放電制御指令に基づき、電力変換器４の動作を制御し、外部の電力源の電力を組電池５０に一旦蓄電させたり、蓄電した電力を外部の負荷に放電させる電力管理を行う機能を有する。

一つの電力変換器４に対応して複数の蓄電池ユニット５が設けられ、一つの蓄電池ユニット５は、組電池５０と、ＢＭＵ（Battery Management Unit）５１と、ＢＳＵ（Battery Switching Unit）５２とを有する。組電池５０は、電池パックが複数直列接続されて構成され、直列接続により６００Ｖ以上の高圧システムとなっている。ＢＳＵ５２（本発明で言う切替え部）は、電力変換器４と組電池５０との間に配され、ＢＭＵ５１の制御の下で接続状態または開放状態とされる。

ＢＭＵ５１は、組電池５０との間で光回線による通信を行い、組電池５０への電池データ要求を行って組電池５０から電池データを取得する。そして、ＢＭＵ５１は、取得した電池データに基づき電池パックに不具合が生じたと判断した場合、組電池５０を電力変換器４から切り離すようＢＳＵ５２を開放状態とさせる。また、ＢＭＵ５１は、その不具合が生じた旨を電池データと共にまとめてマスタコントローラ１に送信もする。

なお、図１の構成では、複数の電力変換器４を一つの電力変換器管理部３により制御するようにしているが、一つの電力変換器管理部３に不具合があった場合に全ての電力変換器４を制御不能となる可能性がある。そこで、電力変換器４ごとに電力変換器管理部３を設ける構成としてもよい。

組電池５０を構成する電池パック５００の構成例を図２に示す。電池パック５００は、複数の蓄電池セル５０１と、電池状態検出部５０２と、制御部５０３と、光通信部５０４とを備えている。リチウムイオン電池等の複数の蓄電池セル５０１は、並列および直列に接続される。例えば、蓄電池セル５０１を２４個並列に接続し、並列接続された各段を１３個直列に接続する。なお、電池パック５００は、蓄電池セル５０１が並列接続された一つの単位のみを有してもよいし、単一の蓄電池セル５０１のみを有するようにしてもよい。

電池状態検出部５０２は、蓄電池５０１が並列接続されている各段の電圧値を検出すると共に、電池パック５００の＋−電極間の電流値および電圧値、電池パック５００のＳＯＣ（State Of Charge）、電池パック５００の温度を検出し、それらの検出データを制御部５０３に出力する。ここで、ＳＯＣとは、満充電容量に対する放電可能容量（残存容量）の比を百分率で表したパラメータである。ＳＯＣは、電池パック５００に流れる充放電電流の積算値から求められる他、予め決定された電池パック５００の開路電圧（Open Circuit Voltage（ＯＣＶ））とＳＯＣとの関係を示す計算式或いはテーブルを参照することにより求めることができる。制御部５０３は、電池状態検出部５０２から取得した検出データを電池データとして光通信部５０４を介して送信する。光通信部５０４は、光送信モジュールと光受信モジュールとから成る。

また、絶縁のため光通信部５０４を用いる場合は、メタルによる通信の場合のように通信部の駆動電力をＢＭＵ５１側から与えることができないため、光通信部５０４の駆動電力は蓄電池セル５０１から供給するようにしている。

また、ＢＭＵ５１の構成例を図３に示す。ＢＭＵ５１は、制御部５１０と、光通信部５１１と、通信インタフェース５１２とを備えている。光通信部５１１は、光送信モジュールと光受信モジュールとから成る。制御部５１０は、光通信部５１１を介して電池データ要求コマンドを組電池５０に送信し、電池データを組電池５０から取得する。また、制御部５１０は、ＢＳＵ５２を接続状態または開放状態に制御すると共に、通信インタフェース５１２およびＨＵＢ２を介してマスタコントローラ１（図１）と通信を行う。

次に、各電池パック５００とＢＭＵ５１から構成される通信システムについて説明する。本発明に係る通信システムの構成例を図４に示す。図４では、Ｎ個（Ｎ：２以上の自然数）の電池パック５００が直列接続されて組電池５０を構成する（図４においてｎ（ｎ＝１〜Ｎ）個目の電池パック５００は「Ｂ−ｎ」と表記）。１個目の電池パック５００がＢＳＵ５２のプラス側に、Ｎ個目の電池パック５００がＢＳＵ５２のマイナス側に接続され、組電池５０は、ＢＳＵ５２を介して電力変換器４（図１）に接続される。

各電池パック５００は、光送信モジュールＴｘと光受信モジュールＲｘを有している。光送信モジュールＴｘは、ＬＥＤの点灯によりデータ送信を行う。直列接続における隣り合う電池パックの光送信モジュールＴｘと光受信モジュールＲｘとが光ファイバにより接続される。また、ＢＭＵ５１が有する光送信モジュールＴｘとＮ個目の電池パック５００が有する光受信モジュールＲｘとが光ファイバにより接続され、１個目の電池パック５００が有する光送信モジュールＴｘとＢＭＵ５１が有する光受信モジュールＲｘとが光ファイバにより接続される。これにより、各電池パック５００とＢＭＵ５１とが光ファイバによりデイジーチェーン接続されることになる。デイジーチェーン接続された光回線は、電池データ要求通信に使用される。

また、電池データ送信用に各電池パック５００の各光送信モジュールＴｘとＢＭＵ５１が有するＮ個の各光受信モジュールＲｘとが光ファイバにより１対１に接続される。

通信方法としては、まず、ＢＭＵ５１は自身の光送信モジュールＴｘからブロードキャスト用のアドレスを指定して電池データ要求コマンドを送信する。電池データ要求コマンドを受信した電池パック５００は、ブロードキャスト用のアドレスから自身宛と判断し、電池データを自身の光送信モジュールＴｘからＢＭＵ５１に対して送信すると共に、隣り合う次の電池パック５００へ電池データ要求コマンドを転送する。これにより、Ｎ個目から２個目までの電池パック５００が電池データを順次ＢＭＵ５１に送信し、電池データ要求コマンドを転送された１個目の電池パック５００は、電池データを自身の光送信モジュールＴｘからＢＭＵ５１に対して送信すると共に、ＢＭＵ５１へ電池データ要求コマンドを転送する。

電池データ要求コマンドを受信したＢＭＵ５１は、電池データ要求コマンドを確認することでデータ化けがないか、光回線の断線がないか等を判断できる。なお、１個目の電池パック５００からＢＭＵ５１への電池データ要求コマンドを転送するための光回線は必須ではない（このような光回線がない接続形態もデイジーチェーン接続に含まれる）。

このように、ＢＭＵ５１と各電池パック５００の間を光回線で接続することにより、電池パック５００の直列接続により６００Ｖ以上の高圧システムが構築されている場合でも、構成機器間の通信路の絶縁対策および耐ノイズ対策を効果的に行える。また、デイジーチェーン接続によりＢＭＵ５１側の通信ポート数の増加をなるべく抑えることができる。

さらに、電池データ要求コマンドをブロードキャストすること、および１対１接続による電池データ送信により、電池パック５００間のＬＥＤ点灯時間のばらつきを抑えて電池パック５００間の容量バランスの崩れを抑制できると共に、ＬＥＤ点灯による電力消費を抑えることもできる。電池パック間の容量バランスの崩れについて極端な例を挙げると、直列接続された電池パック列の中に、満充電の電池パックと空の電池パックが混在した状態では、満充電の電池パックがあるため充電すると過充電になるので充電できず、空の電池パックがあるため放電すると過放電になるので放電できない。よって、放電も充電もできない状態となる。このように電池パック間の容量バランスの崩れを抑えることは重要である。

電池パック５００は電池データのみでなく、自身が危険状態となった場合に安全のため緊急停止信号をＢＭＵ５１に自主的に送信もする。これについて以下説明する。

電池パック５００の送受信に関する構成例を図５に示す。図５に示すように、電池パック５００は、制御部５０３と、ＯＲ回路５０５と、セル電圧測定部５０６と、光送信モジュールＴｘと、光受信モジュールＲｘと、を有している。デイジーチェーン接続される光送信モジュールＴｘと光受信モジュールＲｘとが制御部５０３に接続される。ＯＲ回路５０５の一方の入力に制御部５０３が接続され、他方の入力にセル電圧測定部５０６の出力が接続される。セル電圧測定部５０６の入力には、蓄電池セル５０１（図２）の並列接続された各段の電圧値が入力され、また、過充電保護電圧Ｖｒｅｆが入力される。そして、ＢＭＵ５１と１対１に光回線で接続される光送信モジュールＴｘにＯＲ回路５０５の出力が接続される。

制御部５０３は、所定周期（例えば１ｓｅｃ周期）で送信される電池データ要求コマンドを受信するたびに、電池データを含む応答データをＯＲ回路５０５と光送信モジュールＴｘを介して光信号としてＢＭＵ５１に送信する。

電池データの送信方法としては、いわゆる調歩同期式を用いる。調歩同期式とは、シリアル通信において、一文字分（８ビット）のデータを送るたびにデータの先頭にデータ送信開始を示す情報（スタートビット）、データの末尾にデータ送信終了を示す情報（ストップビット）を付加して送受信を行う方式のことである。図６の上段に示すように、制御部５０３は、応答データとして、８ビット分の電池データに１ビット分のパリティビットを付加したデータの先頭と末尾にそれぞれ１ビット分のスタートビットとストップビットを付加して送信する。スタートビットは光信号をＯＮ（ＬＥＤ点灯）とし、ストップビットは光信号をＯＦＦ（ＬＥＤ消灯）とする。なお、データを送信しない間は光信号をＯＦＦのままとする。

セル電圧測定部５０６に入力される蓄電池セル５０１（図２）の並列接続された各段の電圧値の内の最大値が過充電保護電圧Ｖｒｅｆを超えて電池パック５００が危険状態となった場合、セル電圧測定部５０６の出力はアクティブとなるので、図６の下段に示すようＯＮとなった光信号として緊急停止信号が光送信モジュールＴｘからＢＭＵ５１へ送信される。このような制御部５０３を介さない構成（ハードウェア構成）により、緊急停止信号をより確実に送信するようにしている。

ＢＭＵ５１は、光信号がＯＮになっている期間が１１ビット分のデータに相当する一定期間Ｔｄ（図６）以上であるか否かを判定することにより、送信されたのが緊急停止信号であるか、電池データを含めた通常の応答データであるかを判定する（例えばボーレートが１９２００ｂｐｓの場合、Ｔｄ＝１１ｂｉｔ／１９２００ｂｐｓ＝０．０００５７ｓｅｃ）。ストップビットでは光信号がＯＦＦとなるため、少なくとも１１ビット分のデータに相当する期間、光信号がＯＮであれば、緊急停止信号であると判定することができる。

ＢＭＵ５１は、緊急停止信号が送信されたと判定した場合、組電池５０を電力変換器４から切り離すためＢＳＵ５２を開放状態にさせる。これにより、電池パック５００が危険状態になった場合でも安全性を確保することができる。

なお、上述の判定方法では、仮に応答データのうち、電池データとパリティビットから成るデータが全てＯＮで、ストップビットがＯＦＦからＯＮにデータ化けしたような場合、緊急停止信号が送信されたと誤判定されてしまう。そこで、光信号がＯＮになっている期間が一定期間Ｔｄの２倍や３倍等の期間以上であるか否かにより、送信されたのが緊急停止信号であるか通常の応答データであるかを判定するようにしてもよい。

また、送信する電池データは必ずいずれかのビットをＯＦＦとするように規定した上で、上述の判定方法を用いるようにしてもよい。

このように、電池データを送信するのに用いる光回線を共用して緊急停止信号を送信するので、緊急停止信号用の専用線を設ける場合と比較して通信ポート数および配線数を低減することができる。また、緊急停止信号専用の光回線を設けようとすると、例えばマルチコア光ファイバで実現することはできるがコストアップが問題となる。

また、緊急停止信号用の専用線を設けた場合には、緊急時のみに用いられるラインとなり、通信不能状態（例えば断線状態等）と通常状態の区別がつかず、通信不能状態を検知できない。しかしながら、本発明であれば、電池データ要求に対して応答データをＢＭＵ５１が受信できなければ、通信不能状態を検知でき、即ち緊急停止信号も通信不能であると検知できる。緊急停止信号の通信不能は非常に危険であるため、これを検知することは重要である。

なお、図４に示す構成では、電池データ要求通信用にデイジーチェーン接続していたが、図７で示す構成のように、電池データ要求通信用にＢＭＵ５１が有するＮ個の各光送信モジュールＴｘと各電池パック５００の各光受信モジュールＲｘとを光ファイバにより１対１に接続してもよい。

このような構成における通信方法としては、ＢＭＵ５１の光送信モジュールＴｘから各電池パック５００に対して電池データ要求コマンドを順次送信し、電池データ要求コマンドを受信した時点で電池パック５００が光送信モジュールＴｘからＢＭＵ５１に対して電池データを送信する（即ち、ＢＭＵ５１は各電池パック５００から電池データを順次受信する）。

或いは別の通信方法として、全ての電池パック５００に対してＢＭＵ５１から一斉に電池データ要求コマンドを送信し、ＢＭＵ５１が全ての電池パック５００から並列して電池データを受信するようにしてもよい。

本構成であれば、各電池パック５００は直接ＢＭＵ５１と通信を行えるため、電池パック５００間のＬＥＤ点灯時間のばらつきを抑え、電池パック５００間の容量バランスの崩れを抑制できる。また、電池パック５００は電池データ要求コマンドを転送する必要がないので、電力消費を抑えることができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の趣旨の範囲内であれば、実施形態は種々変更可能である。

例えば、図４に示す構成においてデイジーチェーン接続する場合、ＢＭＵ５１の光送信モジュールＴｘを１個目の電池パック５００の光受信モジュールＲｘに接続し、１個目の電池パック５００からＮ個目の電池パック５００に向かってデータ転送できるよう各電池パック５００間を接続し、Ｎ個目の電池パック５００の光送信モジュールＴｘをＢＭＵ５１の光受信モジュールＲｘに接続する構成としてもよい。なお、この場合、Ｎ個目の電池パック５００からＢＭＵ５１への接続は必須ではない（この接続をしない接続形態もデイジーチェーン接続に含まれる）。

１マスタコントローラ
２ＨＵＢ
３電力変換器管理部
４電力変換器（Power Conversion System（ＰＣＳ））
５蓄電池ユニット
５０組電池
５１ＢＭＵ（Battery Management Unit）
５２ＢＳＵ（Battery Switching Unit）
６０外部樹脂
６１内部樹脂
６２半田ランド
５００電池パック
５０１蓄電池セル
５０２電池状態検出部
５０３制御部
５０４光通信部
５０５ＯＲ回路
５０６セル電圧測定部
５１０制御部
５１１光通信部
５１２通信インタフェース
Ｔｘ光送信モジュール
Ｒｘ光受信モジュール

Claims

少なくとも一つの蓄電池セルを有する複数の電池パックが直列接続されてなる組電池と、
前記電池パックを管理するバッテリ管理部と、
前記電池パックにより危険状態が検知された場合に送信される前記組電池を電力変換部との接続から切り離すための緊急停止信号の前記電池パックから前記バッテリ管理部への送信と、前記電池パックから前記バッテリ管理部への電池データ送信に共通して用いられる光回線と、
を備えることを特徴とする通信システム。
前記緊急停止信号は、ＯＮが継続される光信号であることを特徴とする請求項１に記載の通信システム。
前記バッテリ管理部は、光信号がＯＮになっている期間が一定期間以上であるか否かにより前記緊急停止信号であるか前記電池データであるかを判定することを特徴とする請求項２に記載の通信システム。
請求項１〜請求項３のいずれかに記載の通信システムと、前記通信システムが有する組電池に接続される電力変換部と、前記組電池と前記電力変換部との接続・開放を切替える切替え部と、を備えることを特徴とする蓄電池システム。