JPWO2018061459A1 - 無線電池システム - Google Patents

Abstract

第一のセルコントローラおよび第二のセルコントローラには所定のタイムスロットが割り当てられており、第二のセルコントローラは、第一セルコントローラからバッテリコントローラへの第一の送信電波を検知し、第二のセルコントローラによる第一の送信電波の未検知後に、第二のセルコントローラに割り当てられたタイムスロットとは独立して、第二のセルコントローラの第二の送信電波をバッテリコントローラに送信する無線電池システム。

Description

本発明は、無線電池システムに関する。

ハイブリッド電気自動車や電気自動車の動力用電源に代表される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為、それを構成する蓄電池モジュール内は、複数の電池（セル）を直並列接続して構成される。また、二次電池であるリチウムイオン二次電池は、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適切な二次電池の使いこなしが必要となる。この為、ハイブリッド電気自動車や電気自動車に搭載される蓄電池モジュールには、電池の状態である電圧、電流、温度などを検出する機能を持っている。

図１にハイブリッド電気自動車や電気自動車に搭載される蓄電池モジュールの一般的な構成を示す。蓄電池モジュール１０００は、電池セル群１０、複数のセルコントローラ１００、バッテリコントローラ２００を有する。図１に示すように、電池セル群１０はセルコントローラ１００と接続され、セルコントローラ１００は、電池セル群１０の状態を計測する。また、複数のセルコントローラ１００はバッテリコントローラ２００に接続され、バッテリコントローラ２００は複数のセルコントローラ１００から複数の電池セル群１０の状態を取得する。さらに、バッテリコントローラ２００は、取得した電池セル群１０の状態から充電状態（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）や電池劣化状態（ＳＯＨ：Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｈｅａｌｔｈ）を演算する。図１では、バッテリコントローラ２００とセルコントローラ１００は有線通信である。

特許文献１では、セルコントローラとバッテリコントローラ間を有線から無線にして、配線コストや高電圧対策の為の絶縁コスト及び組立てコストを低減できるとある。また、特許文献２では、蓄電管理システムとしてバッテリコントローラ、セルコントローラ間の無線通信プロトコルや通信エラー時の回復処理についての記載がある。

特開２００５−１３５７６２号公報 ＷＯ２０１６／０７２００２

特許文献２では、バッテリコントローラと複数のセルコントローラとの無線通信方式として時分割通信を使用しており、バッテリコントローラは周期的に複数のセルコントローラのデータを受信していた。この場合、所定の周期の為、複数のセルコントローラのデータ読取り時間は固定となり、読取り時間の高速化や可変は、バッテリコントローラおよびセルコントローラを一旦電源オフして時分割通信の再設定をするなど手間がかかっていた。

本発明の目的は、バッテリコントローラが複数のセルコントローラとの通信中において、個々のセルコントローラのデータが可変した時でも、各セルコントローラが適切なタイミングで各セルコントローラのデータをバッテリコントローラに送信できる無線通信システムを提供するものである。

上記課題を解決するための本発明の特徴は、例えば以下の通りである。

第一の電池群に接続された第一のセルコントローラと、第二の電池群に接続された第二のセルコントローラと、を有する複数のセルコントローラと、第一のセルコントローラおよび第二のセルコントローラと無線で接続されるバッテリコントローラと、を備え、 第一のセルコントローラおよび第二のセルコントローラには所定のタイムスロットが割り当てられており、 第二のセルコントローラは、第一セルコントローラからバッテリコントローラへの第一の送信電波を検知し、 第二のセルコントローラによる第一の送信電波の未検知後に、第二のセルコントローラに割り当てられたタイムスロットとは独立して、第二のセルコントローラの第二の送信電波をバッテリコントローラに送信する無線電池システム。

本発明により、バッテリコントローラが複数のセルコントローラとの通信中において、個々のセルコントローラのデータが可変した時でも、各セルコントローラが適切なタイミングで各セルコントローラのデータをバッテリコントローラに送信できる無線通信システムを提供できる。上記した以外の課題、構成及び効果は以下の実施形態の説明により明らかにされる。

車載用蓄電池モジュールの構成図である。 本発明の一実施形態に係る無線電池システムの構成図である。 本発明の一実施形態に係るバッテリコントローラおよびセルコントローラ間の無線通信タイミング図である。 本発明の一実施形態に係るセルコントローラの回路構成図である。 本発明の一実施形態に係るバッテリコントローラの回路構成図である。 本発明の一実施形態に係るバッテリコントローラおよびセルコントローラの無線通信タイミング図である。 本発明の親機、子機の無線通信タイミング図である。 本発明の一実施形態に係るセルコントローラの受信回路構成図である。

以下、図面等を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

本実施例は、バッテリコントローラと複数のセルコントローラとが無線で通信する無線電池システムにおいて、複数のセルコントローラは、自己が送信する前のセルコントローラからバッテリコントローラへの送信電波を検出し、その送信電波の未検知後にセルコントローラのデータをセルコントローラに送信するものである。

本発明の一実施形態に係る無線電池システムの構成図を図２に示す。基本構成は、１つのバッテリコントローラ２００と複数のセルコントローラ１００がネットワークを構築して、バッテリコントローラ２００と複数のセルコントローラ１００との間で無線パケットを用いた通信を行う。

図３は、本発明のバッテリコントローラおよびセルコントローラ間の無線通信タイミング図である。バッテリコントローラ２００とセルコントローラ１００との通信は、図３に示すように時分割通信で、バッテリコントローラ２００からの同期信号をセルコントローラ１００に送信した後に、各セルコントローラ１００は所定の通信スロットでバッテリコントローラ２００に各セルコントローラ１００のデータを送信する。但し、この通信スロット時間Δ（デルタ）ｔは可変である。図３では、セルコントローラ１００―１（第一のセルコントローラ）がスロット１で、セルコントローラ１００―２（第二のセルコントローラ）はスロット２で、セルコントローラ１００―ｎがスロットｎで順番に各セルコントローラ１００のデータをバッテリコントローラ２００に送信する例である。各セルコントローラ１００には所定のタイムスロットが割り当てられている。

図４に、セルコントローラの回路構成図を示す。各セルコントローラ１００は、１または複数の電池セルから成る電池セル群１０に取り付けられ、電池セル群１０の状態（電圧、電流、温度など）を計測する。セルコントローラ１００内は、電池セル群１０の状態（電圧、電流、温度など）を計測する１つまたは複数のセンサー２０、電池セル群１０の状態情報を取得し処理する処理部３０、無線回路４０および電波を入出力するアンテナ５０、から構成される。

処理部３０は、電池セル群１０から電源をもらって動作電圧を生成する電源回路３１と、センサー２０によって計測されたアナログ値をデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換回路３２と、Ａ／Ｄ変換回路３２によって変換されたデータを無線回路４０に出力するＣＰＵ３３と、個体識別情報（固有ＩＤ）などを記憶するメモリ３４と、クロック発生器３５から構成される。

クロック発生器３５は、数ＭＨｚ程度の高速クロックと数十ｋＨｚ程度の低速クロックを切替えて発振することができる。また、ＣＰＵ３３は、無線回路４０からのデータに基づき、無線回路４０及びＣＰＵ３３内の一部の回路のオン／オフ、クロック発生器３５のクロック周波数の切り替え、メモリ３４へのリード／ライト、バッテリコントローラ２００からの指示を実行することができる。

図５に、バッテリコントローラの回路構成図を示す。バッテリコントローラ２００は、無線回路２１０、ＣＰＵ２２０、電池を含む電源回路２３０、メモリ２４０、アンテナ２５０、から構成される。電源回路２３０については、図５では電池を内蔵しているが、外部から電源を供給しても構わない。

図３を用いてバッテリコントローラ２００、セルコントローラ１００の送受信タイミングを説明する。バッテリコントローラ２００は各セルコントローラ１００からのデータを受信する為に、各セルコントローラ１００に同期信号を送信する。セルコントローラ１００は、この同期信号を受信すると、予めバッテリコントローラ２００、セルコントローラ１００で設定されている初期の通信スロット時間を認識し、各セルコントローラ１００が各セルコントローラ１００内のデータをバッテリコントローラ２００に送信すべき通信スロットが確定する。

セルコントローラ１００―１は、バッテリコントローラ２００からの同期信号を受信すると、スロット１で即座にデータ（第一の送信電波）をバッテリコントローラ２００に送信する。これにより、セルコントローラ１００―１に送信するバッテリコントローラ２００からの同期信号が、通信スロットの先頭を示すことになり、各セルコントローラ１００からバッテリコントローラ２００へデータを送信するタイミングのずれを低減できる。セルコントローラ１００―２は、バッテリコントローラ２００からの同期信号を受信すると、受信アンプではなく、低消費電力で受信するパッシブ受信に切替えて、セルコントローラ１００―１からバッテリコントローラ２００へのデータ送信を受信し、セルコントローラ１００―１からバッテリコントローラ２００へのデータ送信の終了を確認した後、データ（第二の送信電波）をバッテリコントローラ２００に送信する。セルコントローラ１００―２をパッシブ受信に切替えることにより、低消費電力で動作できる。

この時、セルコントローラ１００―１からバッテリコントローラ２００へのデータ送信時間が、初期の通信スロット時間Δ（デルタ）ｔ未満の時は、通信スロット時間がその分短くなり、スロット２がスタートする。また、セルコントローラ１００―１からバッテリコントローラ２００へのデータ送信時間が、初期の通信スロット時間Δ（デルタ）ｔ以上の時は、通信スロット時間がその分長くなり、スロット２がスタートする。その様子を図６に示す。

図６は、バッテリコントローラおよびセルコントローラの無線通信タイミング図である。図６では、セルコントローラ１００―２は、セルコントローラ１００―１からバッテリコントローラ２００への第一の送信電波を検知し、セルコントローラ１００―２による第一の送信電波の未検知後に、第二のセルコントローラ１００―２に割り当てられたタイムスロットとは独立して（関係なく）、第二のセルコントローラ１００―２の第二の送信電波をバッテリコントローラ２００に送信している。これにより、バッテリコントローラ２００が複数のセルコントローラ１００との通信中において、各セルコントローラ１００のデータが可変した時でも、各セルコントローラ１００が適切なタイミングで各セルコントローラ１００のデータをバッテリコントローラ２００に送信でき、バッテリコントローラ２００が複数のセルコントローラ１００を読取る時間の可変化や高速化が可能となる。

図６（ａ）では、各セルコントローラ１００からバッテリコントローラ２００へのデータ送信時間が初期設定のΔ（デルタ）ｔよりも短い時のタイミング図であり、図６（ｂ）は、各セルコントローラ１００からバッテリコントローラ２００へのデータ送信時間が初期設定のΔ（デルタ）ｔよりも長い時のタイミング図である。しかし、セルコントローラ１００―２がセルコントローラ１００―１からバッテリコントローラ２００へのデータ送信を受信（検知）できなかった時には、初期に設定されたスロット２のタイミング（ｔ２）（所定のタイムスロット）でバッテリコントローラ２００にデータ（第二の送信電波）を送信する。これにより、セルコントローラ１００―２は、第一の送信電波を検知できなかった時にでも、電池セルの電圧などの電池セルの状態をバッテリコントローラ２００へ送信できる。

セルコントローラ１００―３は、セルコントローラ１００―２と同様に、バッテリコントローラ２００からの同期信号を受信すると、低消費電力で受信するパッシブ受信に切替えて、セルコントローラ１００―２からバッテリコントローラ２００へのデータ送信を受信し、セルコントローラ１００―２からバッテリコントローラ２００へのデータ送信が終了を確認した後、セルコントローラ１００―３はバッテリコントローラ２００にデータを送信する。この時、セルコントローラ１００―２と同様に、セルコントローラ１００―２からバッテリコントローラ２００へのデータ送信を受信できた場合には、セルコントローラ１００―２からバッテリコントローラ２００へのデータ送信終了後に、セルコントローラ１００―３はバッテリコントローラ２００にデータ送信する。セルコントローラ１００―２からバッテリコントローラ２００へのデータ送信を受信できなかった時には、セルコントローラ１００―３は初期に設定されたスロット３タイミング（ｔ３）でバッテリコントローラ２００にデータ送信する。

バッテリコントローラ２００は、全てのセルコントローラ１００（セルコントローラ１００―１〜セルコントローラ１００―ｎ）のデータ送信を受信後、または最後のセルコントローラ１００−ｎからのデータを受信後、または所定の時間経過後に、ふたたび同期信号を全てのセルコントローラ１００に送信し、各セルコントローラ１００からバッテリコントローラ２００へのデータ送信を促す。これを周期的に繰り返す。これにより、バッテリコントローラ２００がセルコントローラ１００からの応答状況によらず、周期的に同期信号をバッテリコントローラ２００から各セルコントローラ１００に送信でき、通信の中断を抑制できる。

各セルコントローラ１００は、バッテリコントローラ２００にデータを送信した後は、次のバッテリコントローラ２００からの同期信号の受信タイミングを推定し、そのタイミングで同期信号を受信するように受信タイマを設定し、低消費電力スリープモードに遷移する。換言すれば、例えば、セルコントローラ１００−１は、セルコントローラ１００−１のデータ送信タイミングに基づき、バッテリコントローラ２００がセルコントローラ１００−１に送信する同期信号のタイミングを推定し、同期信号を受信する。

ここで、各セルコントローラ１００がバッテリコントローラ２００にデータを送信した後、次のバッテリコントローラ２００からの同期信号の受信タイミング（Ｔ）の推定式を（式１）にタイミング図を図７に示す。（式１）において、ｔ_Ｌは各セルコントローラ１００からバッテリコントローラ２００へのデータ送信時間、ｎは通信スロット数またはセルコントローラ１００の数、ｋは各セルコントローラ１００の送信スロット番号、αはマージン、ある。
Ｔ ＝ ｔ_Ｌ×（ｎ − ｋ）− α ・・・・・（式１）

セルコントローラ１００―１の場合、送信スロット番号は１なので、（式１）から次のバッテリコントローラ２００からの同期信号の受信タイミングＴは、Ｔ＝ｔ_Ｌ×（ｎ−１）−αとなる。

セルコントローラ１００―３の場合は、送信スロット番号は３なので、（式１）から次のバッテリコントローラ２００からの同期信号の受信タイミングＴは、Ｔ＝ｔ_Ｌ×（ｎ−３）−αとなる。但し、各セルコントローラ１００は、隣接するセルコントローラ１００の送信を受信できなかった時（セルコントローラ１００―２が、セルコントローラ１００ー―１の送信を受信できなかった時など）には、初期設定のタイミングでバッテリコントローラ２００の同期信号を受信するように設定する。以上により、各セルコントローラ１００は、バッテリコントローラ２００の同期信号を見逃さずに受信でき、通信を継続できる。

次に、各セルコントローラ１００の受信の方法について説明する。各セルコントローラ１００は、バッテリコントローラ２００からの同期信号の受信については、バッテリコントローラ２００が各セルコントローラ１００の近接に設置されない事を踏まえて、通常の無線通信時の受信回路構成と同様の図８のような、ＬＮＡ４００（ローノイズアンプ）およびミキサ４１０の構成にて受信する。図８は、セルコントローラの受信回路構成図である。

各セルコントローラ１００が隣接するセルコントローラ１００の送信電波を受信するパッシブ受信においては、増幅器（アンプ）を使用せず図８のようなダイオード３００とコンデンサ３１０で受信強度を検出する方法がある。また、このダイオード３００とコンデンサ３１０の回路で、セルコントローラ１００の振幅変調波を検出することも可能である。

１０ 電池セル群
２０ センサー
３０ 処理部
３１ 電源回路
３２ Ａ／Ｄ変換器
３３ ＣＰＵ
３４ メモリ
３５ クロック発生器
４０ 無線回路
５０ アンテナ
１００ セルコントローラ
１００−１ セルコントローラ
１００−２ セルコントローラ
１００−３ セルコントローラ
１００−ｎ セルコントローラ
２００ バッテリコントローラ
２１０ 無線回路
２２０ ＣＰＵ
２３０ 電源回路
２４０ メモリ
２５０ アンテナ
３００ ダイオード
３１０ コンデンサ
４００ ＬＮＡ
４１０ ミキサ
１０００ 蓄電池モジュール

Claims (7)

1. 第一の電池群に接続された第一のセルコントローラと、第二の電池群に接続された第二のセルコントローラと、を有する複数のセルコントローラと、
   前記第一のセルコントローラおよび前記第二のセルコントローラと無線で接続されるバッテリコントローラと、を備え、
   前記第一のセルコントローラおよび前記第二のセルコントローラには所定のタイムスロットが割り当てられており、
   前記第二のセルコントローラは、前記第一セルコントローラから前記バッテリコントローラへの第一の送信電波を検知し、
   前記第二のセルコントローラによる前記第一の送信電波の未検知後に、前記第二のセルコントローラに割り当てられたタイムスロットとは独立して、前記第二のセルコントローラの第二の送信電波を前記バッテリコントローラに送信する無線電池システム。
2. 請求項１の無線電池システムにおいて、
   前記第一のセルコントローラは、前記バッテリコントローラからの同期信号を受信後、所定のタイムスロットで前記バッテリコントローラに前記第一の送信電波を送信する無線電池システム。
3. 請求項１の無線電池システムにおいて、
   前記第二のセルコントローラは、パッシブ受信で前記第一の送信電波を検知する無線電池システム。
4. 請求項１の無線電池システムにおいて、
   前記第二のセルコントローラは、前記第一の送信電波を検知できなかった時には、所定のタイムスロットで第二の送信電波を前記バッテリコントローラに送信する無線電池システム。
5. 請求項１の無線電池システムにおいて、
   前記第一のセルコントローラは、前記第一の送信電波の送信タイミングに基づき、前記バッテリコントローラが前記第一のセルコントローラに送信する同期信号のタイミングを推定し、前記同期信号を受信する無線電池システム。
6. 請求項１の無線電池システムにおいて、
   前記バッテリコントローラは、前記複数のセルコントローラ中の所定のセルコントローラからの送信電波を受信した時に、前記複数のセルコントローラに同期信号を送信する無線電池システム。
7. 請求項１の無線電池システムにおいて、
   前記バッテリコントローラは、前記複数のセルコントローラ中の所定のセルコントローラからの送信電波を所定のタイムスロット時間経過後も受信できなかった時に、前記複数のセルコントローラに同期信号を送信する無線電池システム。

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