JPWO2019208163A1

JPWO2019208163A1 - 管理装置、電源システム

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Publication number: JPWO2019208163A1
Application number: JP2020516179A
Authority: JP
Inventors: 公彦古川; 智徳國光
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2018-04-25
Filing date: 2019-04-05
Publication date: 2021-05-20
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Abstract

複数の蓄電モジュール（Ｍ１−Ｍ３）と管理装置（１０−５０）を備える電源システム（１）の配線を簡素化するために、複数のサブ管理部（１０−３０）は、複数の蓄電モジュール（Ｍ１−Ｍ３）をそれぞれ管理する。メイン管理部（５０）は、複数のサブ管理部（１０−３０）を介して、複数の蓄電モジュール（Ｍ１−Ｍ３）を管理する。メイン管理部（５０）と複数のサブ管理部（１０−３０）は、電力線（４０ｖ）によりデイジーチェーン接続されている。
メイン管理部（５０）は、複数の蓄電モジュール（Ｍ１−Ｍ３）以外の蓄電部（２）から、電力線（４０ｖ）を介して複数のサブ管理部（１０−３０）に電源を供給可能である。メイン管理部（５０）および複数のサブ管理部（１０−３０）はそれぞれ、通信部（１２−３２）を含む。各通信部（１２−３２）は、電力線（４０ｖ）に通信信号を重畳する。

Description

本発明は、蓄電部の状態を管理する管理装置、及び電源システムに関する。

近年、ハイブリッド車（ＨＶ）、プラグインハイブリッド車（ＰＨＶ）、電気自動車（ＥＶ）が普及してきている。これらの車にはキーデバイスとして二次電池が搭載される。車載用二次電池としては主に、ニッケル水素電池およびリチウムイオン電池が普及している。今後、エネルギー密度が高いリチウムイオン電池の普及が加速すると予想される。

リチウムイオン電池は常用領域と使用禁止領域が近接しているため、他の種類の電池より厳格な電圧管理が必要である。一般的に、リチウムイオン電池では電力効率の維持および安全性担保の観点から、直列接続された複数のセル間において電圧を均等化する均等化処理が実行される（例えば、特許文献１参照）。

一般的に高圧の電源システムは、直列接続された複数のセルを含む蓄電モジュールを、複数直列に接続して構成される。各蓄電モジュールが搭載される蓄電スタックには、当該蓄電モジュールに含まれる複数のセルの各電圧を検出するための電圧検出回路と、複数のセル間の均等化処理を実行するための均等化回路が設置される。当該電圧検出回路は、検出した電圧値を、複数の蓄電スタック全体を管理する管理装置に、通信線を介して送信する。上記均等化回路は、当該管理装置から通信線を介して受信した制御信号に基づき、均等化処理を実行する。

均等化処理の方式としてはパッシブ方式が主流である。パッシブ方式は、直列接続された複数のセルにそれぞれ放電抵抗を接続し、最も電圧が低いセルの電圧に、他のセルの電圧を合わせように他のセルを放電する。

均等化処理の別の方式としてアクティブ方式がある。アクティブ方式では充電回路を備え、直列接続された複数のセルの内、最も高い電圧のセルの電圧に、他のセルの電圧を合わせるように他のセルを充電する。充電用の電源としては、充電対象のセルを含む蓄電モジュール自体を使用してもよいし、外部の補機電池（例えば、１２Ｖ出力の鉛電池）を使用してもよい。

特開２０１３−２１８５１号公報

蓄電スタック内のＩＣやアクティブ素子の電源電圧は、当該蓄電スタック内の蓄電モジュールから取得する方式と補機電池から取得する方法がある。補機電池から電源を取得する場合、蓄電スタックの回路基板と管理装置の回路基板間が基本的に、通信線と電力線の２系統のワイヤーハーネスで接続される。また、蓄電スタック内のＩＣやアクティブ素子の電源電圧を当該蓄電スタック内の蓄電モジュールから取得する場合でも、充電用の電源を外部から取得するアクティブセルバランス方式を用いる場合は、同様に両者が２系統のワイヤーハーネスで接続される。

両者が２系統のワイヤーハーネスで接続される場合、電源システム内の配線が複雑になり、配線コストが上昇する。

本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、複数の蓄電モジュールと管理装置を備える電源システムの配線を簡素化する技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の管理装置は、直列に接続される複数のセルをそれぞれ含む複数の蓄電モジュールをそれぞれ管理する複数のサブ管理部と、前記複数のサブ管理部を介して、前記複数の蓄電モジュールを管理するメイン管理部と、を備える。前記メイン管理部と前記複数のサブ管理部は、電力線によりデイジーチェーン接続されており、前記メイン管理部は、前記複数の蓄電モジュール以外の蓄電部から、前記電力線を介して前記複数のサブ管理部に電源を供給可能であり、前記メイン管理部および前記複数のサブ管理部はそれぞれ、通信部を含む。各通信部は、前記電力線に通信信号を重畳する。

本発明によれば、複数の蓄電モジュールと管理装置を備える電源システムの配線を簡素化することができる。

比較例に係る電源システムの構成を示す図である。本発明の実施の形態に係る電源システムの構成を示す図である。図２の第３サブ管理部の構成例を示す図である。電力線を介して第３サブ管理部に入力される入力電圧を模式的に示した図である。変形例に係る電源システムの構成を示す図である。

図１は、比較例に係る電源システム１の構成を示す図である。電源システム１は、複数の蓄電モジュール（図１では、第１蓄電モジュールＭ１−第３蓄電モジュールＭ３）、複数のサブ管理部（図１では、第１サブ管理部１０−第３サブ管理部３０）、及びメイン管理部５０を備える。

第１蓄電モジュールＭ１は複数のセル（図１では、第１セルＥ１−第５セルＥ５）が直列接続されて形成され、第２蓄電モジュールＭ２は複数のセル（図１では、第６セルＥ６−第１０セルＥ１０）が直列接続されて形成され、第３蓄電モジュールＭ３は複数のセル（図１では、第１１セルＥ１１−第１５セルＥ１５）が直列接続されて形成される。なお図１に示す蓄電モジュールＭ１−Ｍ３の構成は、説明を簡略化するために簡素化したものであり、実際の構成は、電源システム１に要求される電圧に応じて、より多くのセルが直列接続された構成となることが多い。

各セルには、リチウムイオン電池セル、ニッケル水素電池セル、鉛電池セル、電気二重層キャパシタセル、リチウムイオンキャパシタセル等を用いることができる。以下、本明細書ではリチウムイオン電池セル（公称電圧：３．６−３．７Ｖ）を使用する例を想定する。

第１蓄電モジュールＭ１と第１サブ管理部１０は１つの蓄電スタックを構成している。第１サブ管理部１０は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）１１、通信部１２及び絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１３を含み、それらは１つの回路基板上に実装される。なお通信部１２は、ＡＳＩＣ１１内に組み込まれていてもよい。

同様に第２蓄電モジュールＭ２と第２サブ管理部２０も１つの蓄電スタックを構成し、第２サブ管理部２０は、ＡＳＩＣ２１、通信部２２及び絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２３を含む。同様に第３蓄電モジュールＭ３と第３サブ管理部３０も１つの蓄電スタックを構成し、第３サブ管理部３０は、ＡＳＩＣ３１、通信部３２及び絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ３３を含む。

メイン管理部５０は、制御部５１、通信部５２及び電源スイッチ５３を含み、それらは１つの回路基板上に実装される。制御部５１は例えば、マイクロコンピュータにより構成される。通信部５２は、当該マイクロコンピュータ内に組み込まれていてもよい。

第１サブ管理部１０のＡＳＩＣ１１は、電圧検出回路１１ａ及び均等化回路１１ｂを含む。電圧検出回路１１ａは、直列接続された複数のセルＥ１−Ｅ５の各ノードと複数の電圧線で接続され、隣接する２本の電圧線間の電圧をそれぞれ検出することにより、各セルＥ１−Ｅ５の電圧を検出する。電圧検出回路１１ａは、マルチプレクサ及びＡ／Ｄ変換器（不図示）を含む。マルチプレクサは、複数のセルＥ１−Ｅ５の各電圧値を所定の順番でＡＤ変換器に出力し、ＡＤ変換器は、マルチプレクサから入力されるアナログ信号をデジタル値に変換する。ＡＤ変換器によりデジタル値に変換された複数のセルＥ１−Ｅ５の各電圧値は、通信部１２に出力される。

均等化回路１１ｂは、第１蓄電モジュールＭ１に含まれる複数のセルＥ１−Ｅ５を均等化する。本比較例では均等化回路１１ｂは、アクティブセルバランシング方式を用いて、複数のセルＥ１−Ｅ５間の電圧／容量を均等化する。均等化回路１１ｂの構成例は後述する。

通信部１２は、電圧検出回路１１ａから入力された第１蓄電モジュールＭ１に含まれる複数のセルＥ１−Ｅ５の電圧値を、通信線４０ｃを介してメイン管理部５０に送信する。第１サブ管理部１０−第３サブ管理部３０と、メイン管理部５０は通信線４０ｃによりデイジーチェーン接続されている。なお、デイジーチェーン接続とは、複数のデバイスが一列に接続されるような接続方法を意味し、隣接するデバイス間で信号を伝播させる接続方式である。図１に示す例ではメイン管理部５０及び第１サブ管理部１０をそれぞれ終端として、隣接する、メイン管理部５０と第３サブ管理部３０間、第３サブ管理部３０と第２サブ管理部２０間、及び第２サブ管理部２０と第１サブ管理部１０間がそれぞれ通信線４０ｃで接続される。図１に示す例では、通信線４０ｃをノイズ耐性が高い差動配線（２線）で構成する例を示しているが、単線や４線で構成してもよい。

第１サブ管理部１０の通信部１２は、第１蓄電モジュールＭ１に含まれる複数のセルＥ１−Ｅ５の電圧値を、第２サブ管理部２０の通信部２２、第３サブ管理部３０の通信部３２、メイン管理部５０の通信部５２を介してメイン管理部５０の制御部５１に送信する。第２サブ管理部２０の通信部２２は、第２蓄電モジュールＭ２に含まれる複数のセルＥ６−Ｅ１０の電圧値を、第３サブ管理部３０の通信部３２、メイン管理部５０の通信部５２を介してメイン管理部５０の制御部５１に送信する。第３サブ管理部３０の通信部３２は、第３蓄電モジュールＭ３に含まれる複数のセルＥ１１−Ｅ１５の電圧値を、メイン管理部５０の通信部５２を介してメイン管理部５０の制御部５１に送信する。

なお各蓄電スタック内に、各蓄電モジュールに含まれる複数のセルの温度を検出するための温度センサ（例えば、サーミスタ）が少なくとも１つ搭載されている場合、第１サブ管理部１０−第３サブ管理部３０の各通信部１２−３２は、複数のセルの電圧値に加えて、少なくとも１つの温度センサにより検出された複数のセルの温度値も制御部５１に送信する。

第１サブ管理部１０の通信部１２、第２サブ管理部２０の通信部２２、第３サブ管理部３０の通信部３２及びメイン管理部５０の通信部５２間の通信には、所定のシリアル通信方式を使用することができる。例えば、ＳＰＩ(Serial Peripheral Interface)、Ｉ２Ｃ（Inter-Integrated Circuit）、ＵＡＲＴ（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）を使用することができる。また、これらの通信方式をベースとしたメーカ独自の通信方式が使用されてもよい。

第１サブ管理部１０の通信部１２は、１系統の通信端子を備える。通信部１２のシングルポートの通信端子は差動配線を介して通信用のコネクタに接続される。当該差動配線にコンデンサＣ１１及びコンデンサＣ１２がそれぞれ挿入される。

第２サブ管理部２０の通信部２２は、上りポートと下りポートの２系統の通信端子を備える。通信部２２の上りポートの通信端子は差動配線を介して上り用のコネクタに接続される。当該差動配線にコンデンサＣ２１及びコンデンサＣ２２がそれぞれ挿入される。通信部２２の下りポートの通信端子は差動配線を介して下り用のコネクタに接続される。当該差動配線にコンデンサＣ２３及びコンデンサＣ２４がそれぞれ挿入される。

第３サブ管理部３０の通信部３２も、上りポートと下りポートの２系統の通信端子を備える。通信部３２の上りポートの通信端子は差動配線を介して上り用のコネクタに接続される。当該差動配線にコンデンサＣ３１及びコンデンサＣ３２がそれぞれ挿入される。通信部３２の下りポートの通信端子は差動配線を介して下り用のコネクタに接続される。当該差動配線にコンデンサＣ３３及びコンデンサＣ３４がそれぞれ挿入される。

メイン管理部５０の通信部５２は、１系統の通信端子を備える。通信部５２のシングルポートの通信端子は差動配線を介して通信用のコネクタに接続される。当該差動配線にコンデンサＣ５１及びコンデンサＣ５２がそれぞれ挿入される。

第１サブ管理部１０の通信用のコネクタと第２サブ管理部２０の下り用のコネクタ間、第２サブ管理部２０の上り用のコネクタと第３サブ管理部３０の下り用のコネクタ間、第３サブ管理部３０の上り用のコネクタとメイン管理部５０の通信用のコネクタ間が、それぞれ通信線４０ｃ（差動配線）で接続される。

コンデンサＣ１１−Ｃ１２、Ｃ２１−Ｃ２４、Ｃ３１−Ｃ３４、Ｃ５１−Ｃ５２は、通信線４０ｃで接続された隣接する２つの通信部間を直流的に絶縁する直流カット用のコンデンサである。なお、上記実施例では、グランドの電位が異なる回路間で通信を可能とするための絶縁回路として、コンデンサＣ１１−Ｃ１２、Ｃ２１−Ｃ２４、Ｃ３１−Ｃ３４、Ｃ５１−Ｃ５２を備える構成となっているが、これらの絶縁回路は、トランス等のその他の素子を用いて構成してもよい。

メイン管理部５０の制御部５１は、第１サブ管理部１０−第３サブ管理部３０から通信線４０ｃを介して複数のセルＥ１−Ｅ１５の電圧値と温度値を取得する。また制御部５１は、図示しない電流検出部により検出された複数の蓄電モジュールＭ１−Ｍ３に流れる電流値を取得する。

制御部５１は、複数のセルＥ１−Ｅ１５の電圧値、温度値、電流値をもとに、複数のセルＥ１−Ｅ１５のＳＯＣ(State Of Charge)、ＳＯＨ(State Of Health）を推定する。ＳＯＣは例えば、ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）法または電流積算法により推定できる。ＯＣＶ法は、検出されたセルのＯＣＶと、予め保持されるＳＯＣ−ＯＣＶカーブの特性データをもとにＳＯＣを推定する方法である。電流積算法は、検出されたセルの充放電開始時のＯＣＶと、検出された電流の積算値をもとにＳＯＣを推定する方法である。

ＳＯＨは、初期の満充電容量に対する現在の満充電容量の比率で規定され、数値が低いほど（０％に近いほど）劣化が進行していることを示す。二次電池の劣化は、保存劣化とサイクル劣化の和で近似できる。

保存劣化は、充放電中であるか否かに関わらず、二次電池の各時点における温度、各時点におけるＳＯＣに応じて経時的に進行する劣化である。各時点におけるＳＯＣが高いほど（１００％に近いほど）、又は各時点における温度が高いほど、保存劣化速度が増加する。

サイクル劣化は、充放電の回数が増えるにつれ進行する劣化である。サイクル劣化は、使用ＳＯＣ範囲、温度、電流レートに依存する。使用ＳＯＣ範囲が広いほど、温度が高いほど、又は電流レートが高いほど、サイクル劣化速度が増加する。このように二次電池の劣化は使用環境に大きく依存し、使用期間が長くなるにつれ、複数のセルＥ１−Ｅ１５の容量のばらつきが大きくなっていく。

メイン管理部５０の制御部５１は、複数のサブ管理部１０−３０から受信した複数のセルＥ１−Ｅ１５の電圧値をもとに、複数のセルＥ１−Ｅ１５間の均等化処理を実行する。アクティブセルバランス方式では、複数のセルＥ１−Ｅ１５の内、最も容量が多いセルの容量（以下、目標値という）まで、他のセルを充電する。なお目標値は、実容量、ＳＯＣ、ＯＣＶのいずれで規定されてもよい。ＯＣＶで規定される場合、最もＯＣＶが高いセルのＯＣＶが目標値となる。なお目標値は放電可能量または充電可能量で規定されてもよい。

制御部５１は、複数のセルＥ１−Ｅ１５の内、最も容量が多いセルの目標値と、他の複数のセルの検出値との差分をそれぞれ算出する。制御部５１は、算出したそれぞれの差分をもとに当該他の複数のセルの充電量をそれぞれを算出し、算出したそれぞれの充電量をもとに当該他の複数のセルの充電時間をそれぞれ算出する。制御部５１は送信先のサブ管理部ごとに、当該サブ管理部が管理する複数のセルの充電時間を含む均等化処理の制御信号を生成し、通信部５２に出力する。

なお、複数のサブ管理部１０−３０にはそれぞれ一意のＩＤが予め割り当てられており、制御部５１は、特定のサブ管理部に送信する制御信号を含むパケットのヘッダ領域に当該サブ管理部のＩＤを含める。通信部５２は制御部５１から入力された制御信号を、通信線４０ｃを介して複数のサブ管理部１０−３０に送信する。

複数のサブ管理部１０−３０の各通信部１２−３２は、通信線４０ｃを介して制御信号を含むパケットを受信すると、当該パケット内のＩＤが自己のサブ管理部のＩＤであるか否かを判定する。当該パケット内のＩＤが自己のサブ管理部のＩＤである場合、受信したパケットに含まれる制御信号を当該サブ管理部内のＡＳＩＣに出力する。当該パケット内のＩＤが自己のサブ管理部のＩＤでない場合、当該パケットを次のサブ管理部に転送する。

上述のようにアクティブセルバランス方式の充電用の電源として、均等化対象のセルを含む蓄電モジュール自体を使用してもよいし、電源システム１の外部に設けられた電源を使用してもよい。本比較例では、前者より短時間で均等化を完了できる後者を採用する。具体的には、車両内において補機電池として使用されている鉛電池２を、均等化充電用の電源として使用する。なお鉛電池２に、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、電気二重層コンデンサなどが並列接続されることにより、容量が増強されていてもよい。

メイン管理部５０は鉛電池２から供給された電源電圧（例えば、１２Ｖの直流電圧）を、電力線４０ｖを介して第１サブ管理部１０−第３サブ管理部３０に供給することができる。メイン管理部５０の電源スイッチ５３は、鉛電池２から供給される電力を、第１サブ管理部１０−第３サブ管理部３０に供給するか遮断するかを切り替えるためのスイッチである。第１サブ管理部１０−第３サブ管理部３０と、メイン管理部５０は電力線４０ｖにより接続されている。図１に示す例ではメイン管理部５０と第３サブ管理部３０間、第３サブ管理部３０と第２サブ管理部２０間、及び第２サブ管理部２０と第１サブ管理部１０間がそれぞれ電力線４０ｖで接続される。電力線４０ｖはプラス線とマイナス線の２線で構成される。

第１サブ管理部１０、第２サブ管理部２０、第３サブ管理部３０、メイン管理部５０間を繋ぐ電力線４０ｖの電位は基本的に同電位である。図１に示す例では各サブ管理部１０−３０内で電力線４０ｖがそれぞれ分岐される構成となっているが、各サブ管理部１０−３０の外で電力線４０ｖがそれぞれ分岐される構成でもよい。

第１サブ管理部１０の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１３は、電力線４０ｖを介して入力される直流電圧を、充電用の直流電圧に変換して均等化回路３１ｂに出力する。なおＡＳＩＣ１１の電源を鉛電池２の電源で賄う場合は、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１３は、電力線４０ｖを介して入力される直流電圧から、充電用の直流電圧と、ＡＳＩＣ１１の電源電圧を生成する。第２サブ管理部２０の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２３及び第３サブ管理部３０の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ３３も同様である。

以上に示す比較例では、第１サブ管理部１０、第２サブ管理部２０、第３サブ管理部３０、メイン管理部５０間を通信線４０ｃと電力線４０ｖの２系統のワイヤーハーネスで接続しており、配線が複雑になり、配線コストが上昇する。

図２は、本発明の実施の形態に係る電源システム１の構成を示す図である。以下、図１に示した比較例に係る構成との相違点を説明する。実施の形態では通信線４０ｃが省略され、複数のサブ管理部１０−３０とメイン管理部５０間の通信信号は、電力線４０ｖに重畳されて送信される。複数のサブ管理部１０−３０の各通信部１２−３２、及びメイン管理部５０の通信部５２は、ＰＬＣ（Power Line Communication）モデムを含む。ＰＬＣモデムは例えば、１０−４５０ｋＨｚ帯を使用した低速ＰＬＣ通信、または２−３０ＭＨｚ帯を使用した高速ＰＬＣ通信を実行する。

電力線４０ｖが接続されるメイン管理部５０のコネクタＣＮ５と、メイン管理部５０内の電源スイッチ５３間が内部電力線で接続される。当該内部電力線上の接続点Ｎａから差動信号線が分岐され、当該差動信号線は通信部５２の通信端子に接続される。当該内部電力線にローパスフィルタ５４が挿入される。ローパスフィルタ５４は当該内部電力線上において、接続点Ｎａと電源スイッチ５３との間に挿入される。ローパスフィルタ５４は、電源スイッチ５３から入力される電力の高周波成分を除去する。ローパスフィルタ５４には例えば、ＬＣフィルタやＲＣフィルタを使用することができる。上記差動信号線にコンデンサＣ５１及びコンデンサＣ５２が挿入される。コンデンサＣ５１及びコンデンサＣ５２は、通信部５２と当該内部電力線間を直流的に絶縁する直流カット用のコンデンサである。

メイン管理部５０のコネクタＣＮ５と、第３サブ管理部３０の第１コネクタＣＮ３１間が電力線４０ｖで接続される。第３サブ管理部３０内において第１コネクタＣＮ３１と第２コネクタＣＮ３２間が内部電力線Ｌ１で接続される。内部電力線Ｌ１の接続点Ｎａから電力分岐線が分岐され、当該電力分岐線は絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ３３に接続される。当該電力分岐線にローパスフィルタ３４が挿入される。ローパスフィルタ３４は、内部電力線Ｌ１の接続点ａから入力される電力の高周波成分を除去して絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ３３に出力する。ローパスフィルタ３４にも例えば、ＬＣフィルタやＲＣフィルタを使用することができる。

第３サブ管理部３０の内部電力線Ｌ１の第１接続点Ｎ１から第１差動信号配線が分岐され、当該第１差動信号配線は通信部３２の上りポートの通信端子に接続される。当該第１差動信号配線にコンデンサＣ３１及びコンデンサＣ３２がそれぞれ挿入される。第３サブ管理部３０の内部電力線Ｌ１の第２接続点Ｎ２から第２差動信号配線が分岐され、当該第２差動信号配線は通信部３２の下りポートの通信端子に接続される。当該第２差動信号配線にコンデンサＣ３３及びコンデンサＣ３４がそれぞれ挿入される。

コンデンサＣ３１−Ｃ３４は、通信部３２と内部電力線Ｌ１間を直流的に絶縁する直流カット用のコンデンサである。第３サブ管理部３０の内部電力線Ｌ１上において、第１接続点Ｎ１と第２接続点Ｎ２との間にローパスフィルタ３５が挿入される。ローパスフィルタ３５は、第１接続点Ｎ１と第２接続点Ｎ２間において直流電力を通過させ、高周波成分を遮断するフィルタである。

第３サブ管理部３０の第２コネクタＣＮ３２と、第２サブ管理部２０の第１コネクタＣＮ２１間が電力線４０ｖで接続される。第２サブ管理部２０内において第１コネクタＣＮ２１と第２コネクタＣＮ２２間が内部電力線Ｌ１で接続される。内部電力線Ｌ１の接続点Ｎａから電力分岐線が分岐され、当該電力分岐線は絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２３に接続される。当該電力分岐線にローパスフィルタ２４が挿入される。ローパスフィルタ２４は、内部電力線Ｌ１の接続点ａから入力される電力の高周波成分を除去して絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２３に出力する。

第２サブ管理部２０の内部電力線Ｌ１の第１接続点Ｎ１から第１差動信号配線が分岐され、当該第１差動信号配線は通信部２２の上りポートの通信端子に接続される。当該第１差動信号配線にコンデンサＣ２１及びコンデンサＣ２２がそれぞれ挿入される。第２サブ管理部２０の内部電力線Ｌ１の第２接続点Ｎ２から第２差動信号配線が分岐され、当該第２差動信号配線は通信部２２の下りポートの通信端子に接続される。当該第２差動信号配線にコンデンサＣ２３及びコンデンサＣ２４がそれぞれ挿入される。

コンデンサＣ２１−Ｃ２４は、通信部２２と内部電力線Ｌ１間を直流的に絶縁する直流カット用のコンデンサである。第２サブ管理部２０の内部電力線Ｌ１上において、第１接続点Ｎ１と第２接続点Ｎ２との間にローパスフィルタ２５が挿入される。ローパスフィルタ２５は、第１接続点Ｎ１と第２接続点Ｎ２間において直流電力を通過させ、高周波成分を遮断するフィルタである。

第２サブ管理部２０の第２コネクタＣＮ２２と、第１サブ管理部１０のコネクタＣＮ１間が電力線４０ｖで接続される。第１サブ管理部１０内においてコネクタＣＮ１と絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１３間が内部電力線Ｌ１で接続される。内部電力線Ｌ１にローパスフィルタ１４が挿入される。ローパスフィルタ１４は、入力される電力の高周波成分を除去して絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１３に出力する。

第１サブ管理部１０の内部電力線Ｌ１の接続点Ｎａから差動信号配線が分岐され、当該差動信号配線は通信部１２の通信端子に接続される。当該差動信号配線にコンデンサＣ１１及びコンデンサＣ１２がそれぞれ挿入される。コンデンサＣ１１及びコンデンサＣ１２は、通信部１２と接続点Ｎａ間を直流的に絶縁する直流カット用のコンデンサである。

図３は、図２の第３サブ管理部３０の構成例を示す図である。図３に示す構成例では、均等化回路３１ｂは、スイッチ制御回路３１ｂａとセル選択回路３１ｂｂにより構成される。セル選択回路３１ｂｂは、複数のスイッチＳ３０−Ｓ３９を備える。

図３では、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ３３は絶縁型フライバックＤＣ／ＤＣコンバータで構成される。絶縁型フライバックＤＣ／ＤＣコンバータは、トランスＴ３、スイッチＳ３、ダイオードＤ３を備える。図３に示す絶縁型フライバックＤＣ／ＤＣコンバータでは、トランスＴ３の一次巻線と二次巻線とが逆極性に接続される。なお、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ３３は、絶縁型フライバックＤＣ／ＤＣコンバータに限らず、絶縁型の電源回路であればどのような構成であってもよい。この種の電源回路としては、上述の絶縁型フライバックＤＣ／ＤＣコンバータ以外にも、絶縁型フォワードＤＣ／ＤＣコンバータなどが知られている。

トランスＴ３の一次巻線の両端は、ローパスフィルタ３４を介して電力線４０ｖに接続される。一次巻線の一端と電力線４０ｖのマイナス線との間にスイッチＳ３が挿入される。トランスＴ３の二次巻線の一端に整流用のダイオードＤ３が接続される。

トランスＴ３の二次巻線と、複数のセルＥ１１−Ｅ１５のいずれか１つの両端間が、複数のスイッチＳ３０−Ｓ３９を介して接続される。複数のセルＥ１１−Ｅ１５の各ノードには電圧線が接続される。第１電圧線、第３電圧線、及び第５電圧線は正極用配線Ｌｐ３で結合され、第２電圧線、第４電圧線、及び第６電圧線は負極用配線Ｌｍ３で結合される。第１電圧線−第６電圧線には、スイッチＳ３０−Ｓ３５がそれぞれ挿入される。

トランスＴ３の二次巻線の電流出力側の端子と正極用配線Ｌｐ３間がスイッチＳ３６を介して接続され、二次巻線の電流出力側の端子と負極用配線Ｌｍ３間がスイッチＳ３７を介して接続される。トランスＴ３の二次巻線の電流入力側の端子と正極用配線Ｌｐ３間がスイッチＳ３９を介して接続され、二次巻線の電流入力側の端子と負極用配線Ｌｍ３間がスイッチＳ３８を介して接続される。

スイッチ制御回路３１ｂａは、通信部３２から入力される均等化処理の制御信号をもとに、絶縁型フライバックＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチＳ３、及びセル選択回路３１ｂｂの複数のスイッチＳ３０−Ｓ３９のオン／オフを制御する。

スイッチ制御回路３１ｂａは、充電対象のセルの両端のノードに接続された２本の電圧線に挿入された２つのスイッチ、スイッチＳ３６／Ｓ３７、及びスイッチＳ３８／Ｓ３９をオン状態に制御する。例えば、セルＥ１１を充電する場合、スイッチＳ３０、スイッチＳ３１、スイッチＳ３６、及びスイッチＳ３８をオン状態に制御する。またセルＥ１２を充電する場合、スイッチＳ３１、スイッチＳ３２、スイッチＳ３７、及びスイッチＳ３９をオン状態に制御する。各セルのオン時間は、メイン管理部５０の制御部５１から受信した制御信号に含まれる各セルの充電時間に従う。なお、複数のセルＥ１１−Ｅ１５を充電する順番は、充電時間が長い順であってもよいし、上から順番でもよい。

スイッチ制御回路３１ｂａは、スイッチＳ３をＰＷＭ(Pulse Width Modulation)制御する構成としてもよい。なお、回路構成によっては、スイッチ制御回路３１ｂａのグランドは、スイッチＳ３が含まれる回路のグランドと、電位が異なる場合がある。このような構成の場合には、スイッチ制御回路３１ｂａからの制御信号は、絶縁回路を介して絶縁される。絶縁型フライバックＤＣ／ＤＣコンバータは、鉛電池２の電圧を降圧して充電電圧を出力する。絶縁型フライバックＤＣ／ＤＣコンバータの出力側にセルを接続すると、セルの電圧に応じて充電電流が流れるが、スイッチＳ３をＰＷＭ制御することで、この充電電流の電流量を調整することができる。このように、絶縁型フライバックＤＣ／ＤＣコンバータの出力は、トランスＴ３の一次巻線と二次巻線の巻数比と、スイッチＳ３のデューティ比により調整することができる。なお、充電制御は、様々な方式を採用することができる。充電制御としては、典型的には、定電流定電圧方式（ＣＣ−ＣＶ）などが知られているが、鉛電池２から供給される直流電圧を利用して対象のセルを充電できる方式であればどのような構成であってもよい。

図３に示す構成例では、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ３３の前段に挿入されるローパスフィルタ３４として、インダクタＬ３１、インダクタＬ３２、コンデンサＣ３０により構成されるＬＣフィルタが使用されている。当該ＬＣフィルタは、電力線４０ｖに重畳された通信信号（高周波パルス信号）とコモンモードノイズを除去する。

図３に示す構成例では、第３サブ管理部３０の内部電力線Ｌ１の第１接続点Ｎ１と第２接続点間に挿入されるローパスフィルタ３５として、インダクタＬ３３及びインダクタＬ３４が使用されている。インダクタＬ３３及びインダクタＬ３４は、電力線４０ｖに重畳された通信信号（高周波パルス信号）とコモンモードノイズを除去する。従って、鉛電池２から供給される直流電圧は、第１コネクタＣＮ３１からローパスフィルタ３５を介して第２コネクタＣＮ３２に伝達され、通信信号は、第１コネクタＣＮ３１から通信部３２を介して第２コネクタＣＮ３２に伝達される。

図４は、電力線４０ｖを介して第３サブ管理部３０に入力される入力電圧を模式的に示した図である。電力線４０ｖを介して第３サブ管理部３０に入力される入力電圧には、鉛電池２により生成される１２Ｖの直流電圧と、メイン管理部５０の通信部５２により生成された高周波パルス信号が重畳されている。絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ３３には、ローパスフィルタ３４により高周波パルス信号が除去された１２Ｖの直流電圧が入力される。第３サブ管理部３０の通信部３２には、コンデンサＣ３１及びコンデンサＣ３２により１２Ｖの直流電圧がカットされた高周波パルス信号が入力される。

なお第２接続点Ｎ２で、通信部３２から送信される高周波パルス信号と、ローパスフィルタ３５を介して入力される１２Ｖの直流電圧が重畳され、両者が重畳された電圧が、第２コネクタＣＮ３２から電力線４０ｖを介して第２サブ管理部２０に出力される。

以上に説明した第３サブ管理部３０の構成は、第２サブ管理部２０及び第１サブ管理部１０にも同様に適用される。なお、第１サブ管理部１０に適用する場合は、インダクタＬ３３、インダクタＬ３４、コンデンサＣ３３、コンデンサＣ３４、第２コネクタＣＮ３２は不要である。

以上説明したように本実施の形態によれば、複数のサブ管理部１０−３０とメイン管理部５０間を電力線４０ｖと通信線４０ｃの２系統ではなく、電力線４０ｖの１系統で接続し、電力線４０ｖに通信信号を重畳する。これにより、複数のサブ管理部１０−３０とメイン管理部５０間のワイヤーハーネスを１系統にすることができ、配線を簡素化することができる。また配線コストの増加を抑えることができる。

また複数のセルＥ１−Ｅ１５を、外部電源（鉛電池２）を用いたアクティブセルバランス方式を用いて均等化することにより、複数のセルＥ１−１５のエネルギーを無駄にすることなく、かつ早期に均等化を完了することができる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

図５は、変形例に係る電源システム１の構成を示す図である。図５に示す回路構成は、図２に示した回路構成のコンデンサＣ１１−Ｃ１２、Ｃ２１−Ｃ２２、Ｃ２３−Ｃ２４、Ｃ３１−Ｃ３２、Ｃ３３−Ｃ３４、Ｃ５１−Ｃ５２をそれぞれトランスＴ１１、トランスＴ２１、トランスＴ２２、トランスＴ３１、トランスＴ３２、トランスＴ５１にそれぞれ置き換えた構成である。トランスを用いることにより、通信部と電力線間をより確実に絶縁することができる。

また上述の実施の形態では、アクティブセルバランス方式の均等化回路を使用する例を説明した。この点、パッシブセルバランス方式の均等化回路を使用してもよい。その場合、鉛電池２から供給され、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１３−３３により降圧された直流電圧は、ＡＳＩＣ１１−３１の電源電圧またはアクティブ素子の電源電圧として使用される。上述の実施の形態では、ローパスフィルタや直流カットフィルタを、インダクタやコンデンサなどのパッシブ素子で構成する例を説明したが、ローパスフィルタや直流カットフィルタに、オペアンプやフォトカプラなどのアクティブ素子が使用される場合、電源電圧が必要となる。

また上述の実施の形態において、第１サブ管理部１０の通信部１２とメイン管理部５０の通信部５２を、第２サブ管理部２０の通信部２２及び第３サブ管理部３０の通信部３２と同様に２ポート構成とし、第１サブ管理部１０とメイン管理部５０を別の電力線４０ｖで接続することにより、リング型のデイジーチェーン接続としてもよい。この場合、通信及び電力供給の重畳度・堅牢性が向上する。また、第１サブ管理部１０の通信部１２、第２サブ管理部２０の通信部２２、及び第３サブ管理部３０の通信部３２間の消費電力が、より平準化される。

なお、実施の形態は、以下の項目によって特定されてもよい。

［項目１］
直列に接続される複数のセル（Ｅ１−Ｅ５、Ｅ６−Ｅ１０、Ｅ１−Ｅ１５）をそれぞれ含む複数の蓄電モジュール（Ｍ１−Ｍ３）をそれぞれ管理する複数のサブ管理部（１０−３０）と、
前記複数のサブ管理部（１０−３０）を介して、前記複数の蓄電モジュール（Ｍ１−Ｍ３）を管理するメイン管理部（５０）と、を備え、
前記メイン管理部（５０）と前記複数のサブ管理部（１０−３０）は、電力線（４０ｖ）によりデイジーチェーン接続されており、
前記メイン管理部（５０）は、前記複数の蓄電モジュール（Ｍ１−Ｍ３）以外の蓄電部（２）から、前記電力線（４０ｖ）を介して前記複数のサブ管理部（１０−３０）に電源を供給可能であり、
前記メイン管理部（５０）および前記複数のサブ管理部（１０−３０）はそれぞれ、通信部（１２−３２）を含み、
各通信部（１２−３２）は、前記電力線（４０ｖ）に通信信号を重畳することを特徴とする管理装置（１０−５０）。
これによれば、複数のサブ管理部（１０−３０）とメイン管理部（５０）間の配線を簡素化することができる。
［項目２］
前記サブ管理部（３０）は、
前記蓄電モジュール（Ｍ３）に含まれる複数のセル（Ｅ１１−Ｅ１５）の各電圧を検出する電圧検出回路（３１ａ）と、
前記蓄電モジュール（Ｍ３）に含まれる複数のセル（Ｅ１１−Ｅ１５）の容量／電圧を均等化する均等化回路（３１ｂ）と、をさらに含み、
前記通信部（３２）は、前記電圧検出回路（３１ａ）により検出された複数のセル（Ｅ１１−Ｅ１５）の電圧を、前記電力線（４０ｖ）を介して前記メイン管理部（５０）に送信し、前記メイン管理部（５０）から前記電力線（４０ｖ）を介して前記均等化回路（３１ｂ）を制御するための制御信号を受信することを特徴とする項目１に記載の管理装置（１０−５０）。
これによれば、複数のサブ管理部（１０−３０）とメイン管理部（５０）間の通信を利用して、複数の蓄電モジュール（Ｍ１−Ｍ３）に含まれる複数のセル（Ｅ１−Ｅ５、Ｅ６−Ｅ１０、Ｅ１−Ｅ１５）を均等化することができる。
［項目３］
前記サブ管理部（３０）は、
前記複数の蓄電モジュール（Ｍ１−Ｍ３）以外の蓄電部（２）から、前記電力線（４０ｖ）を介して供給される直流電圧を所定の直流電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ（３３）をさらに含み、
前記均等化回路（３１ｂ）は、前記蓄電モジュール（Ｍ３）に含まれる複数のセル（Ｅ１１−Ｅ１５）のうち、前記制御信号により指示されたセルを、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ（３３）により変換された直流電圧により充電することを特徴とする項目２に記載の管理装置（１０−５０）。
これによれば、外部電源を用いたアクティブセルバランスを、簡素な配線で実用することができる。
［項目４］
前記サブ管理部（３０）は、
前記電力線（Ｌ１）の第１接続点（Ｎ１）と前記通信部（３２）の第１通信端子間を接続する第１信号配線と、
前記電力線（Ｌ１）の第２接続点（Ｎ２）と前記通信部（３２）の第２通信端子間を接続する第２信号配線と、
前記第１信号配線に挿入される、前記第１接続点（Ｎ１）と前記第１通信端子間を直流的に絶縁する第１絶縁回路（Ｃ３１、Ｃ３２）と、
前記第２信号配線に挿入される、前記第２接続点（Ｎ２）と前記第２通信端子間を直流的に絶縁する第２絶縁回路（Ｃ３３、Ｃ３４）と、
前記電力線（Ｌ１）の第１接続点（Ｎ１）と前記第２接続点（Ｎ２）間に挿入されるローパスフィルタ（２５）と、
をさらに含むことを特徴とする項目１から３のいずれか１項に記載の管理装置（１０−５０）。
これによれば、通信信号と直流電圧の分離・重畳を行うことができる。
［項目５］
前記第１絶縁回路（Ｃ３１、Ｃ３２）はコンデンサ（Ｃ３１、Ｃ３２）であり、
前記第２絶縁回路（Ｃ３３、Ｃ３４）はコンデンサ（Ｃ３３、Ｃ３４）であり、
前記ローパスフィルタ（３５）はインダクタ（Ｌ３３、Ｌ３４）である、
ことを特徴とする項目４に記載の管理装置（１０−５０）。
これによれば、低コストで回路を生成することができる。
［項目６］
前記第１絶縁回路（Ｔ３１）はトランス（Ｔ３１）であり、
前記第２絶縁回路（Ｔ３２）はトランス（Ｔ３２）であり、
前記ローパスフィルタ（３５）はインダクタ（Ｌ３３、Ｌ３４）である、
ことを特徴とする項目４に記載の管理装置（１０−５０）。
これによれば、低コストで、より確実に絶縁することができる。
［項目７］
直列に接続される複数のセル（Ｅ１−Ｅ５、Ｅ６−Ｅ１０、Ｅ１−Ｅ１５）をそれぞれ含む複数の蓄電モジュール（Ｍ１−Ｍ３）と、
項目１から６のいずれか１項に記載の管理装置（１０−５０）と、
を備えることを特徴とする電源システム（１）。
これによれば、複数のサブ管理部（１０−３０）とメイン管理部（５０）間の配線を簡素化することができる。

１電源システム、２鉛電池、Ｍ１−Ｍ３蓄電モジュール、Ｅ１−Ｅ１５５セル、１０第１サブ管理部、２０第２サブ管理部、３０第３サブ管理部、５０メイン管理部、１１ＡＳＩＣ、１１ａ電圧検出回路、１１ｂ均等化回路、１２通信部、１３絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ、２１ａ電圧検出回路、２１ｂ均等化回路、２２通信部、２３絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ、３１ａ電圧検出回路、３１ｂ均等化回路、３１ｂａスイッチ制御回路、３１ｂｂセル選択回路、３２通信部、３３絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ、４０ｃ通信線、４０ｖ電力線、５１制御部、５２通信部、５３電源スイッチ、ＣＮ１，ＣＮ２１，ＣＮ２２，ＣＮ３１，ＣＮ３２，ＣＮ５コネクタ、Ｃ１３，Ｃ１４，Ｃ２１，Ｃ２２，Ｃ２３，Ｃ２４，Ｃ２１，Ｃ２２，Ｃ２３，Ｃ２４，Ｃ３１，Ｃ３２，Ｃ３３，Ｃ３４，Ｃ５１，Ｃ５２，Ｃ３０コンデンサ、１４，２４，２５，３４，３５，５４ローパスフィルタ、Ｌ１内部電力線、Ｌ３１，Ｌ３２，Ｌ３３，Ｌ３４インダクタ、Ｔ３トランス、Ｓ３，Ｓ３０，Ｓ３１，Ｓ３２，Ｓ３３，Ｓ３４，Ｓ３５，Ｓ３６，Ｓ３７，Ｓ３８，Ｓ３９スイッチ。

Claims

直列に接続される複数のセルをそれぞれ含む複数の蓄電モジュールをそれぞれ管理する複数のサブ管理部と、
前記複数のサブ管理部を介して、前記複数の蓄電モジュールを管理するメイン管理部と、を備え、
前記メイン管理部と前記複数のサブ管理部は、電力線によりデイジーチェーン接続されており、
前記メイン管理部は、前記複数の蓄電モジュール以外の蓄電部から、前記電力線を介して前記複数のサブ管理部に電源を供給可能であり、
前記メイン管理部および前記複数のサブ管理部はそれぞれ、通信部を含み、
各通信部は、前記電力線に通信信号を重畳することを特徴とする管理装置。
前記サブ管理部は、
前記蓄電モジュールに含まれる複数のセルの各電圧を検出する電圧検出回路と、
前記蓄電モジュールに含まれる複数のセルの容量／電圧を均等化する均等化回路と、をさらに含み、
前記通信部は、前記電圧検出回路により検出された複数のセルの電圧を、前記電力線を介して前記メイン管理部に送信し、前記メイン管理部から前記電力線を介して前記均等化回路を制御するための制御信号を受信することを特徴とする請求項１に記載の管理装置。
前記サブ管理部は、
前記複数の蓄電モジュール以外の蓄電部から、前記電力線を介して供給される直流電圧を所定の直流電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータをさらに含み、
前記均等化回路は、前記蓄電モジュールに含まれる複数のセルのうち、前記制御信号により指示されたセルを、前記ＤＣ／ＤＣコンバータにより変換された直流電圧により充電することを特徴とする請求項２に記載の管理装置。
前記サブ管理部は、
前記電力線の第１接続点と前記通信部の第１通信端子間を接続する第１信号配線と、
前記電力線の第２接続点と前記通信部の第２通信端子間を接続する第２信号配線と、
前記第１信号配線に挿入される、前記第１接続点と前記第１通信端子間を直流的に絶縁する第１絶縁回路と、
前記第２信号配線に挿入される、前記第２接続点と前記第２通信端子間を直流的に絶縁する第２絶縁回路と、
前記電力線の第１接続点と前記第２接続点間に挿入されるローパスフィルタと、
をさらに含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の管理装置。
前記第１絶縁回路はコンデンサであり、
前記第２絶縁回路はコンデンサであり、
前記ローパスフィルタはインダクタである、
ことを特徴とする請求項４に記載の管理装置。
前記第１絶縁回路はトランスであり、
前記第２絶縁回路はトランスであり、
前記ローパスフィルタはインダクタである、
ことを特徴とする請求項４に記載の管理装置。
直列に接続される複数のセルをそれぞれ含む複数の蓄電モジュールと、
請求項１から６のいずれか１項に記載の管理装置と、
を備えることを特徴とする電源システム。