JPWO2015092846A1 - 電池システム、電池セル管理装置 - Google Patents

電池システム、電池セル管理装置 Download PDF

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Abstract

電池システムは、１つまたは複数の電池セルにより構成される電池セル群と、電池セル群に対応して設けられ、電池セル群の電池セルの充電状態に関する測定結果を取得する電池セル管理装置と、電池セル管理装置との間で無線通信を行う組電池管理装置とを備え、無線通信では、複数の無線周波数を使用可能である。

Description

本発明は、電池システムおよび電池セル管理装置に関する。
現在、地球環境問題が大きくクローズアップされる中、地球温暖化防止の為に、炭酸ガスの排出削減が求められている。たとえば、炭酸ガスの大きな排出源となっているガソリンエンジンの自動車については、ハイブリッド電気自動車や電気自動車などへの代替が始まっている。ハイブリッド電気自動車や電気自動車の動力用電源として代表的な大型二次電池システムは、高出力、大容量であることが必要である。そのため、このような電池システムは、一般的に、複数の電池セルを直並列接続して構成されている。
大容量の二次電池としては、リチウムイオン電池が広く知られている。リチウムイオン電池の取扱いでは、高電圧充電の防止や過放電による性能低下の防止などの措置が必要となる。そのため、ハイブリッド電気自動車や電気自動車に搭載され、各電池セルにリチウムイオン電池を用いて構成される大容量の電池システムには、一般に、電圧、電流、温度などの電池状態を電池セルごとに監視して各電池セルの電池状態を管理する機能が設けられている。
大容量の電池システムでは複数の電池セルを多直列、多並列にして構成する。そのため、電池セルの情報管理を有線通信で行う場合、製造時の接続工数が多く、配線量が膨大になることが懸念され、配線部品の増加や配線量の増加による作業時誤配線などによるコストの増加の懸念がある。また、いったん通信線を結線すると電池の構成を自由に変更しにくいという課題がある。
上記のような電池システムの一例として、下記の特許文献１に開示される電源装置が知られている。この電源装置は、直並列に接続された複数の電池モジュールの各々に無線通信手段を設け、この無線通信手段により各電池モジュールの情報を制御モジュールに無線通信で送信している。これにより、各電池モジュールと制御モジュール間の配線を省略し、電源装置の構成を容易に変更できるようにしている。
日本国特開２０１１−３６１０６号公報
近年、大容量の二次電池システムは、前述のようなハイブリッド電気自動車や電気自動車の動力用電源に限らず、様々な用途で利用されている。たとえば、風力発電や太陽光発電のような自然エネルギーによる発電では、自然環境によって発電量が大きく変動する。そのため、発電量の変動が電力系統に与える悪影響を緩和するために、大容量の二次電池システムに発電した電力を一時的に蓄積することが行われている。この他にも、様々な用途で電池システムが利用されている。
上記のような状況から、ハイブリッド電気自動車や電気自動車の動力用電源に限らず、様々な用途に適用可能な汎用性の高い電池システムが求められている。しかし、特許文献１に開示された電源装置では、各電池モジュールの配置や、各電池モジュールと制御モジュールとの位置関係、周囲の電波伝搬環境等によっては、各電池モジュールと制御モジュールの間で無線通信が困難となる場合がある。また、用途によって無線通信で使用可能な周波数が異なる場合もある。そのため、特許文献１に開示された電源装置は、電池モジュールの個数については容易に変更可能かもしれないが、用途が限られてしまい、汎用性に乏しいものとなっている。
本発明による電池システムは、１つまたは複数の電池セルにより構成される電池セル群と、前記電池セル群に対応して設けられ、前記電池セル群の電池セルの充電状態に関する測定結果を取得する電池セル管理装置と、前記電池セル管理装置との間で無線通信を行う組電池管理装置と、を備え、前記無線通信では、複数の無線周波数を使用可能である。
本発明による電池セル管理装置は、１つまたは複数の電池セルにより構成される電池セル群と接続されており、前記電池セル群の各電池セルの状態を測定するための測定回路と、前記電池セル群の電池セルから供給される電力に基づいて電源電圧を発生する電源回路と、複数の無線周波数のいずれかにより送信される無線信号を受信すると共に、前記複数の無線周波数のいずれかにより無線信号を送信するためのアンテナと、前記アンテナにより送受信される前記無線信号を変復調するための無線通信部と、を備える。
さらには、書き換え可能な記憶領域を電池セル管理装置内に有する。
本発明によれば、様々な用途に適用可能な汎用性の高い電池システムを実現できる。
本発明の一実施形態による電池システムの基本構成図である。 本発明の一実施形態による電池システムを含む電動システムの構成を示す図である。 本発明の一実施形態による電池システムの基本動作の説明図である。 電池セル管理装置の機能ブロック図である。 無線周波数が２．４ＧＨｚ帯の場合と９００ＭＨｚ帯の場合とで電池セル管理装置からそれぞれ送信される情報を説明するための図である。 第１周波数帯用変復調回路の構成例を示す図である。 組電池管理装置から電池セル管理装置への無線送信方法の説明図である。 電池セル管理装置から組電池管理装置への無線送信方法の説明図である。
図１は、本発明の一実施形態による電池システム１の基本構成図である。
図１において、組電池管理装置２００は、各電池セル管理装置１００との間で無線通信を行う。この無線通信により、組電池管理装置２００は、各電池セル管理装置１００に対して、対応する電池セル群１０の各電池セルの測定情報やセルバランシング等を要求することができる。組電池管理装置２００からの要求に応答して、各電池セル管理装置１００は、対応する電池セル群１０の各電池セルの測定情報を組電池管理装置２００へ送信したり、セルバランシングを実行したりする。
各電池セル管理装置１００は、対応する電池セル群１０の各電池セルに対してそれぞれ設けられた複数のセンサ２０と、処理部３０と、無線通信部４０と、アンテナ５０とを有している。処理部３０は、電源回路３１と、ＡＤ変換器３２と、ＣＰＵ３３と、メモリ３４により構成される。ここでメモリ３４はＣＰＵ中の演算用のレジスタ用メモリではなく、論理や情報を保持するための書き込み可能な記憶領域をさす。たとえば、マスクＲＯＭ、あるいは書き換え可能なＥＥＰＲＯＭやフラッシュメモリである。各センサ２０は、電池セル群１０の各電池セルの状態を測定するためのセンサであり、電圧センサ、電流センサ、温度センサ、磁気センサ等の少なくともひとつ以上を含んで構成される。センサ２０による電池セル状態の測定結果は、ＡＤ変換器３２によりデジタル信号に変換され、測定情報としてＣＰＵ３３へ出力される。このセンサ２０およびＡＤ変換器３２により、電池セル群１０の各電池セルの状態を測定する測定回路が構成される。
電源回路３１は、電池セル群１０の電池セルから供給される電力を受け、これに基づいて、電源電圧ＶｃｃおよびＶｄｄを発生する。電源電圧Ｖｃｃは、ＡＤ変換器３２やＣＰＵ３３の動作電源として用いられ、電源電圧Ｖｄｄは、無線通信部４０の動作電源として用いられる。なお、電源回路３１は、電池セル群１０を構成する各電池セルのうち、少なくともいずれか１つの電池セルから電力供給を受けることができる。
ＣＰＵ３３は、電池セル管理装置１００の動作を制御するための処理を実行する。たとえば、ＡＤ変換器３２から出力された各電池セルの測定情報を送信すると共に、組電池管理装置２００からの要求に応じ、メモリ３４に記憶させたり、または、組電池管理装置２００からの要求に応じて、メモリ３４に記憶された測定情報を組電池管理装置２００へ無線送信するための送信処理を行う。あるいは、メモリ３４に記憶された、異常時のフラグ情報や、個体情報等、電池セル管理装置の要求によって書き込み読み出しされる情報の受信、送信処理を行う。この組電池管理装置２００への送信処理において、ＣＰＵ３３は、送信すべき情報に応じて無線通信部４０を制御することにより、各電池セルの状態に応じた測定情報を組電池管理装置２００へ送信する。また、組電池管理装置２００からバランシング要求が送信されると、ＣＰＵ３３は、不図示のバランシングスイッチを制御することにより、電池セル群１０の各電池セルの充電状態を均一化するためのバランシング処理を行う。これ以外にも、様々な処理をＣＰＵ３３において実行することができる。なお、上記のようなＣＰＵ３３の機能を論理回路で実現してもよい。
無線通信部４０は、電池セル管理装置１００が組電池管理装置２００との間で無線通信を行うための処理や制御を実行する回路である。組電池管理装置２００から送信されてアンテナ５０により受信された無線信号は、無線通信部４０により復調されてＣＰＵ３３へ出力される。これにより、組電池管理装置２００からの要求内容がＣＰＵ３３により解読され、その要求内容に応じた処理がＣＰＵ３３において実行される。また、無線通信部４０は、電源回路３１から供給される電源電圧Ｖｄｄを用いて、得られた測定情報を所定の送信周波数に合わせて変調し、アンテナ５０に出力する。これにより、電池セル群１０の各電池セルの状態に応じた測定情報が電池セル管理装置１００から組電池管理装置２００へ送信される。なお、無線通信部４０の具体的な構成や動作については、後で詳細に説明する。
組電池管理装置２００は、無線通信部２１０、ＣＰＵ２２０、電源回路２３０、メモリ２４０およびアンテナ２５０を備える。電源回路２３０は、組電池管理装置２００に内蔵された電池から供給される電力に基づいて、電池セル管理装置１００の電源回路３１と同様に、電源電圧ＶｃｃおよびＶｄｄを発生する。なお、組電池管理装置２００に電池を内蔵せず、外部から供給される電力を用いてもよい。
ＣＰＵ２２０は、無線通信部２１０およびメモリ２４０の動作を制御する。無線通信部２１０は、ＣＰＵ２２０の制御に応じて動作し、組電池管理装置２００が各電池セル管理装置１００との間で無線通信を行うための処理や制御を実行する。無線通信部２１０は、電源回路２３０から供給される電源電圧Ｖｄｄを用いて、各電池セル管理装置１００に対する測定情報の要求を所定の送信周波数に合わせて変調し、アンテナ２５０に出力する。この要求に応答して、電池セル群１０の各電池セルの状態に応じた測定情報が、無線信号により各電池セル管理装置１００から組電池管理装置２００へ送信される。各電池セル管理装置１００から送信されてアンテナ２５０により受信された無線信号は、無線通信部２１０により復調されてＣＰＵ２２０へ出力される。これにより、各電池セル管理装置１００で取得された測定情報がＣＰＵ２２０により解読され、その内容に応じた処理が必要に応じて実行される。
以上説明したように、組電池管理装置２００は、各電池セル管理装置１００と無線通信を行うことで、各電池セル管理装置１００が検出した電池状態を取得する。この時、組電池管理装置２００は、通信を主導するマスターとして動作し、各電池セル管理装置１００は、マスターの指示によって通信を行うスレーブとして動作する。各電池セル管理装置１００は、組電池管理装置２００の要求に従った動作を実施した後に、必要に応じてその結果を組電池管理装置２００に送信する。
なお、組電池管理装置２００と各電池セル管理装置１００との間の無線通信は、複数の周波数を用いて行うことができる。この点について、後で図３を参照して説明する。
図２は、本発明の一実施形態による電池システムを含む電動システムの構成の一例を示す図である。図２に示す電動システムは、上記のような構成の電池システム１を車載用の電動システムにおいて適用した場合の例であり、電池システム１と、インバータ２、モータ３、リレーボックス４および上位コントローラ５とを備える。
電池システム１には、１つまたは複数の電池セルによってそれぞれ構成される１つまたは複数の電池セル群１０が備えられており、各電池セル群１０に対応して、電池セル管理装置１００がそれぞれ設けられている。各電池セル管理装置１００は、電池セル群１０の充電状態（ＳＯＣ：State of Charge）や劣化状態（ＳＯＨ：State of Health）を検知するために必要な情報、および異常の検知に関する測定（電圧、電流、温度等）を行う。そして、電池セル群１０の電池セルから供給される電力を用いて、組電池管理装置２００との間で無線通信を行い、電池セル群１０の充電状態や劣化状態および異常監視に関する測定結果や必要な情報や、組電池管理装置から要求された情報を組電池管理装置２００へ送信する。なお、このとき行われる通信の詳細については、後で説明する。
組電池管理装置２００は、各電池セル管理装置１００から、当該電池セル管理装置１００に対応する電池セル群１０の充電状態や劣化状態に関する測定結果を取得する。そして、取得した測定結果に基づいて、各電池セル群１０の充電状態や劣化状態を推定し、その推定結果を上位コントローラ５へ送信する。
上位コントローラ５は、組電池管理装置２００から送信された各電池セル群１０の充電状態や劣化状態の推定結果に基づいて、インバータ２やリレーボックス４を制御する。インバータ２は、リレーボックス４が導通状態のときに各電池セル群１０から供給される直流電力を三相交流電力に変換してモータ３へ供給することにより、モータ３を回転駆動させて駆動力を発生させる。また、モータ３を回生動作させた場合には、モータ３により発生された三相交流回生電力を直流電力に変換して各電池セル群１０へ出力することにより、各電池セル群１０の電池セルを充電する。こうしたインバータ２の動作は、上位コントローラ５によって制御される。
なお、電池システム１は、図２に示したような電動システム以外にも、様々な用途に使用することができる。たとえば、ハイブリッド電気自動車や電気自動車等の車両に搭載されてモータ３の駆動力により車両を走行させる車載システム、または工場等に設置されてモータ３の駆動力により産業機械を動作させる産業システムなどにおいて、電池システム１を共通に使用可能である。これ以外にも、モータ３の駆動力を利用する様々な電動システムにおいて、電池システム１を適用することができる。すなわち、電池システム１は、様々な用途に適用可能な汎用性の高いものであり、その用途に応じた構成がとられる。
図３は、本発明の一実施形態による電池システム１の基本動作の説明図である。なお、図３では、各電池セル管理装置１００が接続されている電池セル群１０の各電池セルを、１つの電池セルで代表して図示している。
図３において、図１、２に示した組電池管理装置２００は、（ａ）に示す車載用組電池管理装置２００ａ、または（ｂ）に示す産業用組電池管理装置２００ｂとして図示されている。車載用組電池管理装置２００ａは、電池システム１を車載システムに適用した場合の組電池管理装置２００を表しており、産業用組電池管理装置２００ｂは、電池システム１を産業システムに適用した場合の組電池管理装置２００を表している。
図３（ａ）において、車載用組電池管理装置２００ａは、各電池セル管理装置１００との間で、２．４ＧＨｚ帯の無線周波数を用いた無線通信を行う。この周波数帯域は、日本をはじめとする各国において、主に産業・科学・医学用の機器で用いられる周波数帯域であり、無線ＬＡＮ等で広く利用されている。この周波数帯域の無線周波数を用いて行われる無線通信では、一般的に、約２ｍ以下の近距離において、高速で信頼性の高い通信が可能である。
一方、図３（ｂ）において、産業用組電池管理装置２００ｂは、各電池セル管理装置１００との間で、９００ＭＨｚ帯の無線周波数を用いた無線通信を行う。この周波数帯域は、日本をはじめとする各国において、無線タグ（ＲＦＩＤ）で利用されている周波数帯域である。この周波数帯域の無線周波数を用いて行われる無線通信では、一般的に、比較的長い距離での通信が可能であり、さらに途中に遮蔽物があるような環境でも通信が可能である。
各電池セル管理装置１００は、車載用組電池管理装置２００ａとの組み合わせ、または産業用組電池管理装置２００ｂとの組み合わせで、それぞれ異なる周波数を用いて送信される無線信号を受信した場合も、その送信されてきた周波数と同じ周波数を用いて、車載用組電池管理装置２００ａまたは産業用組電池管理装置２００ｂに対する無線信号を送信できる。これにより、電池システム１は、組電池管理装置２００（車載用組電池管理装置２００ａまたは産業用組電池管理装置２００ｂ）と各電池セル管理装置１００との間の通信距離や、電池システム１の用途に応じて、組電池管理装置２００と各電池セル管理装置１００との間の無線通信で使用する無線周波数を変化することができる。
なお、組電池管理装置２００の例として図３に示した車載用組電池管理装置２００ａおよび産業用組電池管理装置２００ｂや、これらを用いた無線通信でそれぞれ使用される周波数帯域は、あくまで一例である。たとえば、図３（ｂ）に産業用組電池管理装置２００ｂとして示した組電池管理装置２００は、倉庫での保管中や組み立て前に行われる在庫管理時に、電池システムの個別用途（たとえば車載用や産業蓄電装置用など）を問わずに、電池の状態を確認するものであってもよい。すなわち、これ以外の用途に電池システム１を使用してもよいし、上記とは異なる周波数帯域で無線通信を行ってもよい。組電池管理装置２００と各電池セル管理装置１００との間で行われる無線通信において複数の無線周波数を使用可能であれば、電池システム１をどのような構成で実現してもよい。
図４は、電池セル管理装置１００の機能ブロック図の一例である。図４に示すように、電池セル管理装置１００は、処理部３０において、制御回路部３３ａ、送信処理部３３ｂおよび受信処理部３３ｃの各機能ブロックをそれぞれ有している。また、メモリ３４には、測定情報３４ａ、電池制御パラメータ３４ｂ、電池使用履歴３４ｃおよび管理情報３４ｄが記録されており、無線通信部４０は、第１周波数帯用変復調回路４１、第２周波数帯用変復調回路４２および周波数判定選択部４３を有している。
ここで、メモリ３４に記録されている各情報について説明する。測定情報３４ａは、電池セル管理装置１００が接続されている電池セル群１０の各電池セルの状態測定結果を示すセンサ２０からの測定情報である。電池システム１において各電池セルが充放電されている場合、常に各電池セルの状態測定結果が電池セル管理装置１００から組電池管理装置２００へ送信され、さらに制御回路部３３ａによって必要に応じてメモリ３４に測定情報３４ａとして逐次記録される。電池制御パラメータ３４ｂは、各電池セルの制御において用いられるパラメータ情報であり、たとえば、内部抵抗値、ＳＯＣ−ＯＣＶ曲線、計算用の各種定数およびこれらの初期値等を含む。電池制御パラメータ３４ｂの内容は、組電池管理装置２００から送信される要求に基づき、組電池管理装置２００の電池状態演算開始前にのみ読み込まれる。保守等の必要がある場合には必要に応じて更新される。電池使用履歴３４ｃは、各電池セルの使用状態に関する情報であり、たとえば、通電時間、容量の劣化度、抵抗の劣化度、積算使用容量、最大最小電圧、平均使用電圧、異常フラグの有無等の少なくとも１つ以上の情報を含む。電池使用履歴３４ｃの内容は、組電池管理装置２００からの停止要求に応じて電池セル管理装置１００がスリープ状態となるときに適宜更新される。管理情報３４ｄは、各電池セルを管理するための情報であり、たとえば、製造履歴、管理番号、製造番号、仕様等の情報を含む。管理情報３４ｄの内容は予め決められており、通常は書き換えられることはない。
制御回路部３３ａは、図１のＡＤ変換器３２およびＣＰＵ３３の処理演算を担当する部分に対応する部分であり、前述のセンサ２０で測定されたセルグループ１０の各電池セルの電圧、電流、温度等のセンシング情報を受信処理部３３ｃの要求に従って取得する。取得した情報は、送信処理部３３ｂにより逐次無線通信部４０に送られ、無線通信部４０から、組電池管理装置２００からの無線周波数に応じた第１または第２の周波数で組電池管理装置２００に送信される。さらに、組電池管理装置２００からの要求により、メモリ３４に測定情報３４ａとして記録される。制御回路部３３ａはまた、組電池管理装置２００から送信されたバランシング要求に応じて、セルグループ１０の各電池セルに対するバランシング処理を行ったり、組電池管理装置２００からの送信要求に応じて、メモリ３４に記録された各種情報を読み出して送信処理部３３ｂを通して無線通信部４０から送信させる処理を行ったりする。
送信処理部３３ｂは、図１のＣＰＵ３３で実現される機能であり、組電池管理装置２００からの要求に応じて、制御回路部３３ａからの情報を基に、所定の形式による送信情報を生成する。送信処理部３３ｂにより生成された送信情報は、無線通信部４０に出力される。
受信処理部３３ｃは、図１のＣＰＵ３３で実現される機能であり、組電池管理装置２００からの無線信号を受信した無線通信部４０から出力される受信情報を受け、その受信情報に含まれる様々な情報を制御回路部３３ａを通してメモリ３４に記録する。これにより、メモリ３４に記録されている電池制御パラメータ３４ｂ等の内容が更新される。また、受信情報にバランシング要求や各種情報の送信要求など、組電池管理装置２００から電池セル管理装置１００に対する様々な要求を示す情報が含まれている場合は、その内容に応じた処理を制御回路部３３ａに実行させる。
無線通信部４０において、第１周波数帯用変復調回路４１および第２周波数帯用変復調回路４２は、電池セル管理装置１００と組電池管理装置２００の間の無線通信で使用される無線周波数の１つにそれぞれ対応している。たとえば、第１周波数帯用変復調回路４１は前述の２．４ＧＨｚ帯の無線周波数に対応しており、第２周波数帯用変復調回路４２は前述の９００ＭＨｚ帯の無線周波数に対応している。周波数判定選択部４３は、組電池管理装置２００から送信された無線信号の周波数に応じて、第１周波数帯用変復調回路４１または第２周波数帯用変復調回路４２のいずれか一方を選択する。
以下に図４を参照して、電池セル管理装置１００の通信動作の一例を説明する。図１の組電池管理装置２００は、電源が投入されてＣＰＵ２２０が起動されると、電池セル管理装置１００に対して、メモリ３４に記録されている各情報の送信要求を含む無線信号を送信する。この無線信号が電池セル管理装置１００においてアンテナ５０により受信されると、無線通信部４０に入力される。
無線通信部４０において、周波数判定選択部４３は、組電池管理装置２００から受信した無線信号の周波数を判別し、第１周波数帯用変復調回路４１または第２周波数帯用変復調回路４２のいずれか一方を選択する。なお以下では、第１周波数帯用変復調回路４１が選択された場合を例として説明を進めるが、第２周波数帯用変復調回路４２が選択された場合も同様である。
第１周波数帯用変復調回路４１は、無線通信部４０から送信されてアンテナ５０により受信された無線信号を復調することで無線信号から受信情報を取得し、受信処理部３３ｃに出力する。
制御回路部３３ａ、送信処理部３３ｂおよび受信処理部３３ｃは、電池システム１が非動作状態のときには、暗電流を最小化して各電池セルの電力消費を抑制するために、スリープ状態となっている。組電池管理装置２００からの無線信号が無線通信部４０において受信されると、これらのスリープ状態が解除される。受信処理部３３ｃは、第１周波数帯用変復調回路４１で取得された受信情報を解読し、制御回路部３３ａおよび送信処理部３３ｂに対して起動時の指令を出力する。
制御回路部３３ａは、受信処理部３３ｃからの指令に応じて、起動時の電池セル群１０の各電池セルの状態を測定する。この測定値は、そのまま制御回路部３３ａから送信処理部３３ｂに出力されると共に、必要に応じてメモリ３４に測定情報３４ａとして記録される。送信処理部３３ｂは、制御回路部３３ａからの情報に基づいて送信情報を生成し、無線通信部４０に出力する。
送信処理部３３ｂから出力された送信情報は、無線通信部４０において第１周波数帯用変復調回路４１に入力される。第１周波数帯用変復調回路４１は、入力された送信情報を変調して無線信号を生成し、アンテナ５０を介して組電池管理装置２００に送信する。なお、このとき第１周波数帯用変復調回路４１は、組電池管理装置２００から送信される無変調搬送波に対するインピーダンスを送信情報に応じて所定のタイミングで変化させることにより、無変調搬送波に対する反射波として送信情報の送信を行う。この点については、後で詳しく説明する。
組電池管理装置２００は、上記のようにして電池セル管理装置１００から送信される無線信号を受信することで、電池セル管理装置１００が起動されたことを確認する。以後は、電池セル管理装置１００に対して、測定情報の送信要求を含む無線信号を一定間隔（たとえば、１０ｍｓ〜６０ｓの範囲内の所定周期）ごとに繰り返し送信し、これに応じて電池管理装置１００から送信される測定情報を受信する。一方、電池セル管理装置１００は、組電池管理装置２００から一定間隔で送信される無線信号を受信し、これに応じて、一定間隔で電池セル群１０の各電池セルの状態測定を行う。そして、その測定結果に基づく測定情報を含む無線信号を組電池管理装置２００へ返信する。
電池システム１の動作を停止させる場合、組電池管理装置２００は、電池セル管理装置１００に対して、動作停止要求を含む無線信号を送信する。これを受信すると電池セル管理装置１００は、メモリ３４に記録されている電池使用履歴３４ｃの内容を更新した後、制御回路部３３ａ、送信処理部３３ｂおよび受信処理部３３ｃをスリープ状態とする。これにより、待機時に必要な最小限の構成を除いて、電池セル管理装置１００内の各部の動作を停止させる。
以上説明したような通信動作により、組電池管理装置２００において、電池セル群１０の各電池セルに関する情報を個別に確認することができる。そのため、いずれかの電池セルにおいて異常が発生したり、劣化が進んだりした場合でも、その電池セルを容易に特定して交換することができる。すなわち、従来は電池セル群１０全体を交換する必要があったが、本発明を適用することで、電池セル単位での交換が可能となる。したがって、保守時のコスト低減を図ることができる。さらに、異なる種類の電池セルが混在して用いられた場合でも、各電池セルに対して適切な制御パラメータを設定することで、制御パラメータの不一致による制御不良を回避することができる。
ここで、電池セル管理装置１００からの送信情報の種類について説明する。前述のように、電池セル管理装置１００は、組電池管理装置２００との無線通信において複数の無線周波数を使用可能である。そのため、無線周波数ごとに異なる情報を送信することで、電池システム１の用途に応じて最適な情報を送信できるようにしてもよい。この点について、以下に図５を参照して説明する。
図５は、無線周波数が２．４ＧＨｚ帯の場合と９００ＭＨｚ帯の場合とで電池セル管理装置１００からそれぞれ送信される情報を説明するための図である。図５に示すように、電池セル管理装置１００は、２．４ＧＨｚ帯の無線周波数を用いた無線通信では、各電池セルから取得した制御用の動的電池情報と、予め記憶された管理用の静的電池情報とを、組電池管理装置２００に対して送信する。一方、９００ＭＨｚ帯の無線周波数を用いた無線通信では、予め記憶された管理用の静的電池情報を組電池管理装置２００に対して送信する。
なお、制御用の動的電池情報は、たとえば図４に示した測定情報３４ａであり、時刻ｔにおける電池セル群１０の各電池セルの電圧Ｖ（ｔ）、電流Ｉ（ｔ）、温度Ｔ（ｔ）などの情報を含む。これらの情報は、組電池管理装置２００において、各電池セルの状態を制御するための情報として用いられる。一方、管理用の静的電池情報は、たとえば図４に示した電池制御パラメータ３４ｂ、電池使用履歴３４ｃ、管理情報３４ｄなどである。これらの情報は、組電池管理装置２００において、各電池セルを管理するための情報として用いられる。
２．４ＧＨｚ帯の無線周波数を用いた無線通信は、図３（ａ）で説明したように、たとえば電池システム１を車載システムに適用した場合に、車載用組電池管理装置２００ａと電池セル管理装置１００の間で行われる。電池システム１が他のシステムに組み込まれる前に倉庫等で保管されている状態や、電池システム１の保守点検時において、９００ＭＨｚ帯の無線周波数を用いた無線通信を行うようにしてもよい。このようにすれば、組電池管理装置２００は、比較的長距離の無線通信を安価に実現可能な９００ＭＨｚ帯の無線周波数を利用して、多数の電池セルを保管または保守する際に必要な情報を電池セル管理装置１００から読み取ることができる。こうすることにより、図２の車載用組電池管理装置２００と組み合わせたシステムとする場合は、車内に組電池管理装置２００と、電池セル群１０の各電池セルと一体化した電池セル管理装置１００とが搭載されるため、通信距離は２ｍ以内である。自動車は、複数国に輸出され、国を跨いで走行することも多いので、走行時は世界共通で利用可能な２．４ＧＨｚ帯の無線通信を使用して、制御用の動的電池情報も、制御・管理用の静的電池情報も、２．４ＧＨｚ帯で通信する。一方、倉庫等での保管時や保守時には、安価に読み取りが可能な９００ＭＨｚ帯の無線通信を使用して、各電池セルの制御・管理用の静的電池情報を読み取る。制御・管理用の静的電池情報とは、電池情報、ＬＯＴ名、製造年月日、履歴、個別識別ＩＤやその他、電池セルの各個体を識別するための情報と、公称容量（Ａｈ）、公称電圧（Ｖ）、ＳＯＣ−ＯＣＶ、ＤＣＲ、抵抗値、電池制御用パラメータ、使用履歴ログ、異常フラグのログなどに代表される、電池が動作していないときにも内部記録されていて固定で読み出せる情報を指す。一方、制御用の動的電池情報とは、各電池セルの状態をセンシングして得られる情報であり、刻々と変化する情報を指す。これにより、電池システムの状態によって通信時の読み取りや応答の周波数が変わっても、情報を取得することができる。
なお、９００ＭＨｚ帯の無線周波数を用いた無線通信は、図３（ｂ）で説明したように、たとえば電池システム１を産業システムに適用した場合に、産業用組電池管理装置２００ｂと電池セル管理装置１００の間で行われるようしてもよい。あるいは、通信距離が比較的長い場合や、通信速度に比較的余裕がある場合に、９００ＭＨｚ帯の無線周波数を用いた無線通信を行ってもよい。
なお、制御用の動的電池情報や管理用の静的電池情報を無線送信する際には、悪意の他者によるデータの窃取や改ざん等を防止するために、これらの情報を暗号化して送信してもよい。特に、倉庫での保管時等に管理用の静的電池情報を長距離にわたって無線送信する場合には、こうした措置が効果的である。
次に、図４の第１周波数帯用変復調回路４１および第２周波数帯用変復調回路４２の構成について説明する。図６は、第１周波数帯用変復調回路４１の構成例を示す図である。なお、第１周波数帯用変復調回路４１と第２周波数帯用変復調回路４２とは、いずれも同様の構成を有している。そのため、図６ではこれらを代表して、第１周波数帯用変復調回路４１の構成のみを図示している。
図６に示すように、第１周波数帯用変復調回路４１は、１段目のチャージポンプ回路を構成するダイオードＤ１１、Ｄ１２およびコンデンサＣ１１、Ｃ１２と、２段目のチャージポンプ回路を構成するダイオードＤ２１、Ｄ２２およびコンデンサＣ２１、Ｃ２２と、３段目のチャージポンプ回路を構成するダイオードＤ３１、Ｄ３２およびコンデンサＣ３１、Ｃ３２とを有している。すなわち、図６に示した第１周波数帯用変復調回路４１は、３段構成のチャージポンプ回路として構成されている。また、アンテナ５０に接続される端子ＬＡおよびＶｓｓと、送信信号を変調するためのスイッチＳＷ１と、スイッチＳＷ１の動作を制御するための変調信号の入力端子ＭＯＤと、復調信号の出力端子ＤＥＭとを有している。
なお、第２周波数帯用変復調回路４２も図６と同様の構成を有しているが、コンデンサＣ１１〜Ｃ３２の容量値は、第１周波数帯用変復調回路４１と第２周波数帯用変復調回路４２がそれぞれ対応する無線信号の周波数に応じて設定される。すなわち、コンデンサＣ１１〜Ｃ３２の容量値は、第１周波数帯用変復調回路４１と第２周波数帯用変復調回路４２とで異なっている。
組電池管理装置２００から送信された無線信号の受信時には、アンテナ５０が無線信号を受信すると、その無線信号の振幅に応じた入力電圧Ｖｉｎが端子ＬＡおよびＶｓｓに入力される。この入力電圧Ｖｉｎは、図６に示すように、１〜３段目の各チャージポンプ回路によってそれぞれ増幅される。これにより、出力端子ＤＥＭには以下の式（１）で表される出力電圧Ｖｏｕｔが出力される。なお、式（１）において、ＶＦはダイオードＤ１１〜Ｄ３２の順方向降下電圧を表している。
Ｖｏｕｔ＝６（｜Ｖｉｎ｜−ＶＦ） ・・・（１）
上記の式（１）をより一般化すると、チャージポンプ回路の段数をｎとして、以下の式（２）で表すことができる。
Ｖｏｕｔ＝２ｎ×（｜Ｖｉｎ｜−ＶＦ） ・・・（２）
ここで、組電池管理装置２００は、送信情報に含まれる各データの値に応じて搬送波の振幅を変化させたＡＳＫ変調波による無線信号を送信するものとする。この場合、組電池管理装置２００からの無線信号を受信した電池セル管理装置１００では、上記の式（１）、（２）で表される出力電圧Ｖｏｕｔの変化を測定することで、受信した無線信号を復調することができる。
一方、組電池管理装置２００に対する無線信号の送信時には、所定の通信レートに従って、送信情報に含まれる各データの値に応じた変調信号を入力端子ＭＯＤに入力する。すると、入力された変調信号に応じてスイッチＳＷ１がオンオフを繰り返すことで、組電池管理装置２００から送信される無変調搬送波に対するアンテナ５０のインピーダンスを送信情報の内容に応じて変化させ、送信する無線信号を変調することができる。
以上説明したような構成を採用することで、発振器を使用しない簡易な構成により、第１周波数帯用変復調回路４１や第２周波数帯用変復調回路４２を実現することができる。
次に、電池セル管理装置１００と組電池管理装置２００の間で行われる無線通信についてさらに説明する。図７は、組電池管理装置２００から電池セル管理装置１００への無線送信方法の説明図である。
組電池管理装置２００から電池セル管理装置１００への無線送信を行う際、組電池管理装置２００は、図７に示すように、無線通信部２１０からアンテナ２５０を介して、搬送波周波数の振幅を送信データに応じて変化させたＡＳＫ変調波を電池セル管理装置１００へ送信する。このＡＳＫ変調波は、電池セル管理装置１００においてアンテナ５０により受信され、無線通信部４０内の復調器４１ａにより復調される。なお、図７および図８では、図４の第１周波数帯用変復調回路４１において無線信号の復調をそれぞれ行う部分（図６の各チャージポンプ回路）を復調器４１ａとして示している。復調器４１ａは、受信したＡＳＫ変調波を復調することでクロックとデータを再生し、受信データとしてＣＰＵ３３へ出力する。受信データは、ＣＰＵ３３によりメモリ３４に記憶され、必要に応じて読み出される。
なお、図７ではＡＳＫ変調波を用いた例を説明したが、他の変調方式を用いてもよい。たとえば、搬送波周波数の位相を送信データに応じて変化させたＰＳＫ変調波を用いたり、これらを組み合わせた変調方式を用いたりすることができる。
図８は、電池セル管理装置１００から組電池管理装置２００への無線送信方法の説明図である。
電池セル管理装置１００から組電池管理装置２００への無線通信を行う際、組電池管理装置２００は、図８に示すように、無線通信部２１０からアンテナ２５０を介して、無変調の搬送波を連続的に送信する。一方、電池セル管理装置１００は、無線通信部４０内の変調器４１ｂにおいて、所定の通信レートに従って、アンテナ５０のインピーダンスを送信データに応じて変化させる。なお、図７および図８では、図４の第１周波数帯用変復調回路４１において無線信号の変調をそれぞれ行う部分（図６のスイッチＳＷ１）を変調器４１ｂとして示している。すなわち、スイッチＳＷ１を送信データのビットが「１」である場合と「０」である場合とで切り替えることにより、アンテナ５０を構成する一対のアンテナエレメントの間の接続状態を制御して、インピーダンスを変化させる。なお、このときのスイッチＳＷ１の動作電源には、対応する電池セル群１０の電池セルから供給される電力に基づいて電源回路３１により生成された前述の電源電圧Ｖｄｄが用いられる。
上記のようにしてアンテナ５０のインピーダンスを変化させながら、組電池管理装置２００から送信される無変調搬送波を電池セル管理装置１００が受信すると、そのときのインピーダンスの状態に応じた反射波がアンテナ５０から送信される。すなわち、インピーダンス整合が取れた状態で組電池管理装置２００からの無変調搬送波を受信した場合は、アンテナ５０において無変調搬送波が全て吸収されるため、反射波は送信されない。一方、インピーダンス整合が取れていない状態で組電池管理装置２００からの無変調搬送波を受信した場合は、無変調搬送波の一部がアンテナ５０から反射波として送信される。このようにして、組電池管理装置２００からの無変調搬送波に対する反射波を送信データに応じて変化させることで、電池セル管理装置１００から組電池管理装置２００への無線通信を行うことができる。また、組電池管理装置２００から送信される無変調搬送波に対する反射波を利用して、電池セル管理装置１００から組電池管理装置２００への無線通信を行っているため、電池セル管理装置１００において無線通信に要する消費電力を抑えることができる。
以上説明した本発明の一実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
（１）電池システム１は、１つまたは複数の電池セルにより構成される電池セル群１０と、電池セル群１０に対応して設けられ、電池セル群１０の電池セルの充電状態に関する測定結果を取得する電池セル管理装置１００と、電池セル管理装置１００との間で無線通信を行う組電池管理装置２００とを備える。この電池システム１において、組電池管理装置２００と電池セル管理装置１００との間の無線通信では、複数の無線周波数を使用可能である。このようにしたので、様々な用途に適用可能な汎用性の高い電池システム１を実現できる。
（２）電池セル管理装置１００は、無線通信部４０を備える。この無線通信部４０は、組電池管理装置２００から複数の無線周波数のいずれかにより送信される無線信号を受信すると共に、組電池管理装置２００へ複数の無線周波数のいずれかにより無線信号を送信する。このようにしたので、組電池管理装置２００との間の無線通信において複数の無線周波数を使用可能な電池セル管理装置１００を実現できる。
（３）組電池管理装置２００は、複数の無線周波数のいずれかにより、電池セル管理装置１００へ無変調搬送波を連続的に送信する。電池セル管理装置１００は、無線通信部４０において、組電池管理装置２００から送信される無変調搬送波に対するインピーダンスを、電池セル群１０の各電池セルの状態測定結果に応じて所定のタイミングで変化させることにより、複数の無線周波数のいずれかを用いて、電池セル群１０の各電池セルの状態測定結果を組電池管理装置２００へ無線送信する。このようにしたので、電池セル管理装置１００において、送信時の消費電力を抑えることができる。
（４）電池セル管理装置１００は、電池セル群１０の各電池セルの状態を測定するための測定回路を構成するセンサ２０およびＡＤ変換器３２と、組電池管理装置２００から送信される無変調搬送波を受信するためのアンテナ５０とを備える。無線通信部４０は、この測定回路により測定された電池セル群１０の各電池セルの状態に応じて、アンテナ５０のインピーダンスを変化させる。このようにしたので、電池セル管理装置１００において、対応する電池セル群１０の各電池セルの状態を確実に測定し、その測定結果を組電池管理装置２００へ送信することができる。
（５）電池セル管理装置１００は、無線通信において使用する無線周波数ごとに異なる情報を組電池管理装置２００へ送信する。具体的には、電池セル管理装置１００は、無線通信において第１の無線周波数（たとえば２．４ＧＨｚ帯）および第２の無線周波数（たとえば９００ＭＨｚ帯）を使用可能である。この電池セル管理装置１００は、第１の無線周波数では、電池セル群１０の各電池セルの状態を制御するための動的情報を含む第１の送信情報を組電池管理装置２００へ送信し、第２の無線周波数では、電池セル群１０の各電池セルを管理するための静的情報を含む第２の送信情報を組電池管理装置２００へ送信する。このようにしたので、電池システム１の用途に応じて最適な情報を電池セル管理装置１００から組電池管理装置２００へ送信することができる。
（６）電池セル管理装置１００は、電池セル群１０の各電池セルの状態を測定するための測定回路を構成するセンサ２０およびＡＤ変換器３２と、電池セル群１０の電池セルから供給される電力に基づいて電源電圧を発生する電源回路３１と、組電池管理装置２００から複数の無線周波数のいずれかにより送信される無線信号を受信すると共に、組電池管理装置２００へ複数の無線周波数のいずれかにより無線信号を送信するためのアンテナ５０と、アンテナ５０により送受信される無線信号を変復調するための無線通信部４０とを備える。このようにしたので、組電池管理装置２００との間の無線通信において複数の無線周波数を使用可能な電池セル管理装置１００を実現できる。
（７）組電池管理装置２００は、電池セル管理装置１００との間の通信距離および電池システム１の用途のいずれか一方または両方に応じて、無線通信に使用する無線周波数を変化させる。このようにしたので、状況に応じて最適な無線周波数を使用して電池セル管理装置１００との間の無線通信を行う組電池管理装置２００を実現できる。
さらには、世界各国別に規制された周波数帯のなかで共通使用できる周波数帯を複数持つことで、低コストな電池システムが実現できる。
なお、上記の実施形態や各種の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。
１・・・・電池システム
１０・・・・電池セル群
２０・・・・センサ
３０・・・・処理部
３１・・・・電源回路
３２・・・・ＡＤ変換器
３３・・・・ＣＰＵ
３４・・・・メモリ
４０・・・・無線通信部
４１・・・・第１周波数帯用変復調回路
４２・・・・第２周波数帯用変復調回路
４３・・・・周波数判定選択部
５０・・・・アンテナ
１００・・・電池セル管理装置
２００・・・組電池管理装置
２１０・・・無線通信部
２２０・・・ＣＰＵ
２３０・・・電源回路
２４０・・・メモリ
２５０・・・アンテナ

Claims (10)

  1. １つまたは複数の電池セルにより構成される電池セル群と、
    前記電池セル群に対応して設けられ、前記電池セル群の電池セルの充電状態に関する測定結果を取得する電池セル管理装置と、
    前記電池セル管理装置との間で無線通信を行う組電池管理装置と、を備え、
    前記無線通信では、複数の無線周波数を使用可能である電池システム。
  2. 請求項１に記載の電池システムにおいて、
    前記電池セル管理装置は、前記組電池管理装置から前記複数の無線周波数のいずれかにより送信される無線信号を受信すると共に、前記組電池管理装置へ前記複数の無線周波数のいずれかにより無線信号を送信する無線通信部を備える電池システム。
  3. 請求項２に記載の電池システムにおいて、
    前記組電池管理装置は、前記複数の無線周波数のいずれかにより、前記電池セル管理装置へ無変調搬送波を連続的に送信し、
    前記電池セル管理装置は、前記無線通信部において、前記組電池管理装置から送信される無変調搬送波に対するインピーダンスを、前記電池セル群の各電池セルの状態測定結果に応じて所定のタイミングで変化させることにより、前記複数の無線周波数のいずれかを用いて、前記電池セル群の各電池セルの状態測定結果を前記組電池管理装置へ無線送信する電池システム。
  4. 請求項３に記載の電池システムにおいて、
    前記電池セル管理装置は、前記電池セル群の各電池セルの状態を測定するための測定回路と、前記組電池管理装置から送信される前記無変調搬送波を受信するためのアンテナとを備え、
    前記無線通信部は、前記測定回路により測定された前記電池セル群の各電池セルの状態に応じて、前記アンテナのインピーダンスを変化させる電池システム。
  5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電池システムにおいて、
    前記電池セル管理装置は、前記無線通信において使用する無線周波数ごとに異なる情報を前記組電池管理装置へ送信する電池システム。
  6. 請求項５に記載の電池システムにおいて、
    前記電池セル管理装置は、前記無線通信において第１の無線周波数および第２の無線周波数を使用可能であり、
    前記第１の無線周波数では、前記電池セル群の各電池セルの状態を制御するための動的情報を含む第１の送信情報を前記組電池管理装置へ送信し、
    前記第２の無線周波数では、前記電池セル群の各電池セルを管理するための静的情報を含む第２の送信情報を前記組電池管理装置へ送信する電池システム。
  7. 請求項１に記載の電池システムにおいて、
    前記電池セル管理装置は、
    前記電池セル群の各電池セルの状態を測定するための測定回路と、
    前記電池セル群の電池セルから供給される電力に基づいて電源電圧を発生する電源回路と、
    前記組電池管理装置から前記複数の無線周波数のいずれかにより送信される無線信号を受信すると共に、前記組電池管理装置へ前記複数の無線周波数のいずれかにより無線信号を送信するためのアンテナと、
    前記アンテナにより送受信される前記無線信号を変復調するための無線通信部と、を備える電池システム。
  8. 請求項１に記載の電池システムにおいて、
    前記組電池管理装置は、前記電池セル管理装置との間の通信距離および前記電池システムの用途のいずれか一方または両方に応じて、前記無線通信に使用する無線周波数を変化させる電池システム。
  9. １つまたは複数の電池セルにより構成される電池セル群と接続されており、
    前記電池セル群の各電池セルの状態を測定するための測定回路と、
    前記電池セル群の電池セルから供給される電力に基づいて電源電圧を発生する電源回路と、
    複数の無線周波数のいずれかにより送信される無線信号を受信すると共に、前記複数の無線周波数のいずれかにより無線信号を送信するためのアンテナと、
    前記アンテナにより送受信される前記無線信号を変復調するための無線通信部と、を備える電池セル管理装置。
  10. 請求項１に記載の電池システムにおいて、
    前記複数の無線周波数は、２．４ＧＨｚ帯の無線周波数および９００ＭＨｚ帯の無線周波数の少なくとも１つを含む電池システム。
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