JPWO2019073608A1

JPWO2019073608A1 - 蓄電池装置及び起動検出回路

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Publication number: JPWO2019073608A1
Application number: JP2019547891A
Authority: JP
Inventors: 黒田　和人; 和人黒田; 洋介佐伯
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2017-10-13
Filing date: 2017-10-13
Publication date: 2020-07-27
Anticipated expiration: 2037-10-13
Also published as: JP6866496B2; WO2019073608A1

Abstract

実施形態の蓄電池装置は、蓄電池モジュールと、蓄電池モジュールを監視する蓄電池監視ユニットと、起動信号により蓄電池監視ユニットの起動制御を行う起動ユニットと、を備え、起動ユニットは、一端がアースに接地された高電圧側信号線及び一端がグランドに接地された低電圧側信号線とを有し、受動素子で構成された絶縁回路と、高電圧側信号線の他端に接続された発振器と、高電圧側信号線の他端に接続され、発振器の出力信号を検波する検波回路と、検波回路の出力信号を所定の基準電圧と比較し、低電圧側信号線の他端に設けられた起動端子がグランドに短絡されて検波回路の出力信号レベルが基準電圧よりも低下したことを検出して起動信号を出力する比較部と、を備えるので、待機時の消費電力を出来る限り低減し、装置停止状態で電池が過放電になるまでの時間を出来る限り長くして、メンテナンス作業を低減し、運用を容易とできる。

Description

本発明の実施形態は、蓄電池装置及び起動検出回路に関する。

従来鉛蓄電池で構成されていた１００Ｖや１２５Ｖ出力の産業機器用直流電源盤をリチウムイオン電池で置き換えることを考えたとき、鉛蓄電池では電池セル毎の監視回路は不要であったがリチウムイオン電池ではそれらが必要である。

一方で、監視回路は電池セルに取り付けられる回路なので電池への充放電電流が流れる主回路と同じ電位を持つが、主回路電圧が高い場合に監視回路の制御入出力は安全面から主回路と絶縁することが望ましい。
そのため、従来は、絶縁電源とフォトカプラで構成される回路が一般的であった。

特開２０１３−０２４６７５号公報

しかしながら、従来技術においては、装置の起動入力については装置が停止状態でも低負荷で（低効率で）絶縁電源を使用しており、装置停止状態で電池が過放電になるまでの時間が短くなってしまうという不具合があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、装置停止状態、すなわち、待機時の消費電力を出来る限り低減し、装置停止状態で電池が過放電になるまでの時間を出来る限り長くして、メンテナンス作業を低減し、運用を容易とすることが可能な蓄電池装置及び起動検出回路を提供することにある。

実施形態の蓄電池装置は、蓄電池モジュールと、蓄電池モジュールを監視する蓄電池監視ユニットと、起動信号により蓄電池監視ユニットの起動制御を行う起動ユニットと、を備え、起動ユニットは、一端がアースに接地された高電圧側信号線及び一端がグランドに接地された低電圧側信号線とを有し、受動素子で構成された絶縁回路と、高電圧側信号線の他端に接続された発振器と、高電圧側信号線の他端に接続され、発振器の出力信号を検波する検波回路と、検波回路の出力信号を所定の基準電圧と比較し、低電圧側信号線の他端に設けられた起動端子がグランドに短絡されて検波回路の出力信号レベルが基準電圧よりも低下したことを検出して起動信号を出力する比較部と、を備える。

図１は、実施形態の蓄電池装置の概要構成ブロック図である。図２は、起動ユニットの概要構成ブロック図である。図３は、第１実施形態の起動検出回路の回路構成図である。図４は、起動検出回路の動作タイミングチャートである。図５は、第１実施形態の第１変形例の起動検出回路の回路構成図である。図６は、第１実施形態の第２変形例の起動検出回路の回路構成図である。図７は、第２実施形態の起動検出回路の回路構成図である。

次に図面を参照して実施形態の好適な実施形態について説明する。
図１は、実施形態の蓄電池装置の概要構成ブロック図である。
蓄電池装置１０は、大別すると、複数（図１では、２４個）のバッテリモジュール１１−１〜１１−２４と、バッテリモジュール１１−１２とバッテリモジュール１１−１３との間に設けられたサービスディスコネクト１２と、電流センサ１３と、ヒューズ１４と、ＢＭＵ（Battery Management Unit）１５と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６と、起動ユニット１７と、コンタクタ１８Ｐ、１８Ｎと、を備えている。

上記構成において、バッテリモジュール１１−１〜１１−２４は、それぞれ当該バッテリモジュールを構成する複数のセルモジュールの状態（温度、ＳＯＣ等）の監視を行うＣＭＵ（Cell Monitoring Unit）を備えている。

ここで、各バッテリモジュール１１−１〜１１−２４を構成しているセルモジュールは、電池セルが複数、直並列に接続されて組電池を構成している。そして、複数の直列接続されたセルモジュールで組電池群を構成している。

また、バッテリモジュール１１−１〜１１−２４の各ＣＭＵは、ＢＭＵ１５との間でＣＡＮ通信を行って監視結果をＢＭＵ１５に通知している。
また、ＢＭＵ１５は，図示しない上位制御装置から運転開始指示が入力される端子Ｔ１５Ａと、バッテリモジュール１１−１〜１１−２４における充電末状態を検出した場合に充電末状態を上位制御装置に通知する端子Ｔ１５Ｂ、バッテリモジュール１１−１〜１１−２４における放電末近傍状態（未だ放電末には至っていないが、そのまま放電を継続すると放電末に容易に至る可能性のある状態）を検出した場合に放電末近傍状態を上位制御装置に通知する端子Ｔ１５Ｃと、バッテリモジュール１１−１〜１１−２４における放電末状態を検出した場合に放電末状態を上位制御装置に通知する端子Ｔ１５Ｄと、バッテリモジュール１１−１〜１１−２４が高温度状態となり、高温度保護状態に至ったことを上位制御装置に通知する端子Ｔ１５Ｅと、を備えている。

本実施形態の蓄電池装置においては、待機状態における消費電力を低減するために、待機状態において、ＢＭＵ１５を停止状態として、外部からの起動ユニットに１７に対する起動指示により起動するように構成している。

図２は、起動ユニットの概要構成ブロック図である。
起動ユニット１７は、起動端子１７Ｔ１、１７Ｔ２の状態に対応する起動検出信号ＷＵ１をＢＭＵ１５に出力する起動検出回路２１と、“Ｈ”レベルの起動検出信号ＷＵ１がセット端子に入力されるとセット状態となり、自立遮断信号ＳＤ０が第１フォトカプラ２２を介して“Ｌ”レベルの自立遮断信号ＳＤ１（＝リセット信号）となることによりによりリセット状態となり、電源制御信号ＰＣ０を“Ｈ”レベルとすることにより第２フォトカプラ２３を介して絶縁状態で外部（ＤＣ／ＤＣコンバータ１６）に対する電源制御信号ＰＣ１を“Ｌ”レベルに遷移させるＲＳフリップフロップ回路２４と、主回路から電力信号ＳＰの供給がなされ、起動検出回路２１及びＲＳフリップフロップ回路２４に電源を供給する常時電源生成回路２５と、起動端子１７Ｔ１、１７Ｔ２が短絡されることによりベース端子がグランドに接地されると“Ｈ”レベルの起動指令ＷＵＣを出力するトランジスタ２６と、を備えている。

［１］第１実施形態
図３は、第１実施形態の起動検出回路の回路構成図である。
起動検出回路２１は、高電圧側信号線（一次側巻線）ＬＨ１と低電圧側信号線（二次側巻線）ＬＬ１とを有する絶縁トランス３１と、絶縁トランス３１の高電圧側信号線ＬＨ１の一端に接続された発振器３２と、絶縁トランス３１の高電圧側信号線ＬＨ１の一端に接続された第１検波回路３３と、第１検波回路３３の出力信号を基準電圧Ｖｒｅｆと比較して起動検出信号ＷＵ１を出力する比較器３４と、絶縁トランス３１の低電圧側信号線ＬＬ１の一端及び起動端子１７Ｔ１との間に接続された第２検波回路３５と、を備えている。

上記構成において、絶縁トランス３１の低電圧側信号線ＬＬ１の一端に起動端子１７Ｔ１が接続され、起動端子１７Ｔ２がグランド（フレームグランド）に接続されている。
この場合において、起動端子１７Ｔ１と、起動端子１７Ｔ２との間には、半導体スイッチング素子ＴＲが接続される。

また、絶縁トランス３１の高電圧側信号線ＬＨ１の他端及び第１検波回路３３は、アース（大地接地）に接続され、絶縁トランス３１の低電圧側信号線ＬＬ１の他端は、グランドに接続されている。

第１検波回路３３は、アノード端子が発振器３２に接続され片波整流を行うダイオード４１と、ダイオード４１のカソード端子に一端が接続され、他端がアースに接続されて発振器３２の出力の平滑化を行うコンデンサ４２と、コンデンサ４２と並列に接続されたプルアップ抵抗４３と、を備えている。

第２検波回路３５は、アノード端子が絶縁トランス３１の低電圧側信号線ＬＬ１の一端に接続され片波整流を行うダイオード４５と、ダイオード４５のカソード端子に一端が接続され、他端がグランドに接続されて絶縁トランス３１を介して入力される発振器３２の出力の平滑化を行うコンデンサ４６と、を備えている。

次に起動検出回路２１の動作について説明する。
図４は、起動検出回路の動作タイミングチャートである。
図４において、時刻ｔ１は、起動端子１７Ｔ１を、起動端子１７Ｔ１と起動端子１７Ｔ２との間に接続した半導体スイッチング素子ＴＲ及び起動端子１７Ｔ２を介してグランドとを短絡したタイミングである。

時刻ｔ１より前の期間においては、図４（Ａ）の示すように発振器３２の出力として、所定周波数のパルス信号を出力した場合、起動端子１７Ｔ１においては、図４（Ｂ）に示すように、発振器３２の出力波形が絶縁トランス３１により変圧された電圧波形が出力されているのを検出することができる。

一方、第１検波回路３３の出力には図４（Ｃ）に示すように、発振器３２の出力波形を片波整流し、平滑化した信号が出力される。
そして、時刻ｔ１に至り、起動端子１７Ｔ１を、起動端子１７Ｔ１と起動端子１７Ｔ２との間に接続した半導体スイッチング素子ＴＲ及び起動端子１７Ｔ２を介してグランドに短絡させると、図４（Ｂ）に示すように、起動端子１７Ｔ１−起動端子１７Ｔ２間の出力電圧は低下し、最終的には時刻ｔ２において、グランドの電圧レベルとなる。

これと並行して、第１検波回路３３の出力は、徐々に低下し、時刻ｔ３において比較器の基準電圧Ｖｒｅｆを下回ることとなる。
そして、時刻ｔ３において、比較器から出力される起動検出信号ＷＵ１は、“Ｈ”レベルから“Ｌ”レベルに遷移し、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６に出力される。
これらの結果、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６は、ＢＭＵ１５に電源を供給し、ＢＭＵ１５は、各バッテリモジュール１１−１〜１１−２４の制御を開始することとなる。

以上の説明のように、本第１実施形態によれば、絶縁を確保するのに受動素子である絶縁トランスを用い、さらに起動端子１７Ｔ１と起動端子１７Ｔ２との間に半導体スイッチング素子ＴＲを接続し、当該半導体スイッチング素子ＴＲを制御することで、起動端子１７Ｔ１を起動端子１７Ｔ２を介してグランドに短絡させることができ、第１実施形態と同様に、待機時の消費電力を出来る限り低減し、装置停止状態で電池が過放電になるまでの時間を出来る限り長くして、メンテナンス作業を低減し、運用を容易とすることができる。

［１．１］第１実施形態の第１変形例
上記第１実施形態においては、起動端子１７Ｔ１と起動端子１７Ｔ２との間を半導体スイッチング素子ＴＲにより短絡することにより起動制御を行う場合について説明したが、本第１変形例は、起動端子１７Ｔ１と起動端子１７Ｔ２とを機械的スイッチあるいは導体により短絡するためのものである。

図５は、第１実施形態の第１変形例の起動検出回路の回路構成図である。
図３の第１実施形態と異なる点は、第２検波回路３５を省略した点である。
具体的には、第１変形例の起動検出回路２１は、高電圧側信号線（一次側巻線）ＬＨ１と低電圧側信号線（二次側巻線）ＬＬ１とを有する絶縁トランス３１と、絶縁トランス３１の高電圧側信号線ＬＨ１の一端に接続された発振器３２と、絶縁トランス３１の高電圧側信号線ＬＨ１の一端に接続された第１検波回路３３と、第１検波回路３３の出力信号を基準電圧Ｖｒｅｆと比較して起動検出信号ＷＵ１を出力する比較器３４と、を備えている。

この場合において、起動端子１７Ｔ１と起動端子１７Ｔ２とを短絡する方法としては、起動端子１７Ｔ１と起動端子１７Ｔ２との間に機械的スイッチ（リレー等）を設けるか、あるいは、現地作業員が導体により両端子１７Ｔ１、１７Ｔ２間を短絡させる。

本第１実施形態の第１変形例の構成によれば、機械的スイッチあるいは導体により起動端子１７Ｔ１を起動端子１７Ｔ２を介してグランドに短絡させることができ、第１実施形態と同様に、待機時の消費電力を出来る限り低減し、装置停止状態で電池が過放電になるまでの時間を出来る限り長くして、メンテナンス作業を低減し、運用を容易とすることができるとともに、構成を簡略化できる。

［１．２］第１実施形態の第２変形例
上記第１実施形態においては、第２検波回路３５として、片波整流を行う検波回路を用いていたが、本第２変形例は、第２検波回路として、両波整流を行う検波回路を用いた場合のものである。

図６は、第１実施形態の第２変形例の起動検出回路の回路構成図である。
図６において、図５の第１実施形態の第１変形例と同様の部分には、同一の符号を付すものとする。

第２の検波回路５０は、図６に示すように、アノード端子が絶縁トランス３１の低電圧側信号線ＬＬ１の一端に接続され高電位側の片波整流を行うダイオード４５と、ダイオード４５のカソード端子に一端が接続され、他端が低電圧側信号線ＬＬ１の中点を介してグランドに接続され、絶縁トランス３１を介して入力される発振器３２の出力の平滑化を行うコンデンサ５１と、アノード端子がグランドに接続され、カソード端子がダイオード４５のカソード端子に接続されたダイオード５２と、絶縁トランス３１の低電圧側信号線ＬＬ１の一端に接続され低電位側の片波整流を行うダイオード５２と、を備えている。

すなわち、本第１実施形態の第２変形例の構成によれば、ダイオード４５及びダイオード５２は、共働して低電圧側の信号線ＬＬ１に伝送される発振器３２の出力波形を両波整流を行うので、ノイズの影響を低減してより安定して動作することが可能となる。

［２］第２実施形態
図７は、第２実施形態の起動検出回路の回路構成図である。
起動検出回路６０は、高電位側信号線ＬＨ２に抵抗６１を介して接続された発振器６２と、抵抗６１に直列接続され、コモンモード高周波電流を抑制してノイズを低減するためのコモンモード高周波電流抑制抵抗６３と、コモンモード高周波電流抑制抵抗６３に直列接続された高電位側絶縁用コンデンサ６４−１、６４−２と、抵抗６１とコモンモード高周波電流抑制抵抗６３との接続点に接続された第１検波回路６５と、第１検波回路６５の出力信号を基準電圧Ｖｒｅｆと比較して起動検出信号ＷＵ１を出力する比較器６６と、一端がアースに接続され、コモンモード高周波電流を抑制してノイズを低減するためのコモンモード高周波電流抑制抵抗６７と、コモンモード高周波電流抑制抵抗６３に直列接続された低電位側絶縁用コンデンサ６８−１と、一端が低電位側絶縁用コンデンサ６８−１に接続され、他端が低電位側信号線ＬＬ２を介してグランドに接続された低電位側絶縁用コンデンサ６８−２と、一端が高電位側絶縁用コンデンサ６４−２に接続され、他端が起動端子１７Ｔ１に接続された第２検波回路６９と、を備えている。

上記構成において、第１検波回路６５は、図５に示した第１検波回路３３と同様の構成を有し、第２検波回路６９は、図５＃に示した第２の検波回路５０と同様の構成をしている。

また、上記構成において、高電位側絶縁用コンデンサ６４−１と高電位側絶縁用コンデンサ６４−２とを直列接続し、低電位側絶縁用コンデンサ６８−１と低電位側絶縁用コンデンサ６８−２とを直列接続しているのは、いずれかのコンデンサが短絡モード故障を起こした場合に漏電を防止するためであり、二個直列接続する構成に限られず、３個以上直列接続する構成を採ることも可能である。なお、原理的には、一つのコンデンサで絶縁を確保することが可能である。

本第２実施形態の動作は第１実施形態の第１変形例と同様であるので、その詳細な説明を援用するものとする。
本第２実施形態によっても、第１実施形態と同様に、絶縁を確保するのに、受動素子であるコンデンサを用い、ＢＭＵ１５を起動させる際には、起動端子１７Ｔ１を起動端子１７Ｔ２を介してグランドに短絡させるだけであるため、待機時における消費電力の低減を図ることができ、ＢＭＵ１５の停止状態においては、絶縁電源を使用する必要なしに絶縁を確保でき、待機時の消費電力を出来る限り低減し、装置停止状態で電池が過放電になるまでの時間を出来る限り長くして、メンテナンス作業を低減し、運用を容易とすることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

Claims

蓄電池モジュールと、
前記蓄電池モジュールを監視する蓄電池監視ユニットと、
起動信号により前記蓄電池監視ユニットの起動制御を行う起動ユニットと、を備え、
前記起動ユニットは、
一端がアースに接地された高電圧側信号線及び一端がグランドに接地された低電圧側信号線とを有し、受動素子で構成された絶縁回路と、
前記高電圧側信号線の他端に接続された発振器と、
前記高電圧側信号線の他端に接続され、前記発振器の出力信号を検波する検波回路と、
前記検波回路の出力信号を所定の基準電圧と比較し、前記低電圧側信号線の他端に設けられた起動端子が前記グランドに短絡されて前記検波回路の出力信号レベルが前記基準電圧よりも低下したことを検出して前記起動信号を出力する比較部と、
を備えた蓄電池装置。
前記低電圧側信号線の他端に接続され、前記絶縁回路を介した前記発振器の出力信号を検波する第２の検波回路を備えた、
請求項１記載の蓄電池装置。
前記絶縁回路は、一方の巻線が前記高電圧側信号線とされ、他方の巻線が前記低電圧側信号線とされた絶縁トランスとして構成されている、
請求項１又は請求項２記載の蓄電池装置。
前記絶縁回路は、複数のコンデンサが直列接続された一対のコンデンサ群のうち一方が前記高電圧側信号線と前記低電圧側信号線との間で接続され、他方が前記アースと前記グランドとの間で接続されている、
請求項１または請求項２記載の蓄電池装置。
蓄電池からの電力供給を受けて駆動される起動対象装置を起動させるための起動信号を出力する起動検出回路であって、
一端がアースに接地された高電圧側信号線及び一端がグランドに接地された低電圧側信号線とを有し、受動素子で構成された絶縁回路と、
前記蓄電池からの電力を供給を受けて動作するとともに、前記高電圧側信号線の他端に接続された発振器と、
前記高電圧側信号線の他端に接続され、前記発振器の出力信号を検波する検波回路と、
前記検波回路の出力信号を所定の基準電圧と比較し、前記低電圧側信号線の他端に設けられた起動端子が前記グランドに短絡されて前記検波回路の出力信号レベルが前記基準電圧よりも低下したことを検出して前記起動信号を出力する比較部と、
を備えた起動検出回路。