WO2012053426A1 - 電源装置及びこれを用いた車両並びに蓄電装置 - Google Patents

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power supply
battery
functional module
supply device
main controller
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公彦 古川
矢野　準也
邦穂 田中
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三洋電機株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a power supply device including a plurality of battery cells, a vehicle using the same, and a power storage device, and more particularly to a power supply that is mounted on an electric vehicle such as a hybrid vehicle or an electric vehicle and supplies electric power to a motor that runs the vehicle.
  • the present invention relates to an optimal power supply device, a vehicle using the power supply device, and a power storage device.
  • a vehicle power supply device has a large number of battery cells connected in series to increase output voltage and output power. Further, in order to increase the charging capacity with respect to the volume, a power supply device including a battery stack in which a large number of rectangular battery cells are arranged in a stacked state has been developed. By constructing such a battery stack in the form of a module and connecting a plurality of battery modules in series and / or in parallel, an output power supply apparatus corresponding to voltages and currents having different specifications is configured.
  • a circuit board is provided for each battery module, and a configuration called a so-called functional module or intelligent module that individually manages the battery capacity and voltage of the battery module, the temperature of the battery cell included in the battery module, etc. is also proposed. (See Patent Document 1).
  • the present invention has been made in view of such conventional problems, and a main object thereof is to simplify a configuration of functional modules so that they can be centrally managed, and a vehicle using the same.
  • An object of the present invention is to provide a power storage device.
  • the plurality of functional modules 10 each include a battery block 12 in which a plurality of battery cells 11 connected in series and / or in parallel are stacked, and a battery state detection unit 14 for detecting the state of the battery cells 11.
  • a communication interface 16 for data communication with another function module 10 or the main controller 2 is connected to the communication interface 16 of each function module 10 via a communication line CB.
  • the plurality of functional modules 10 are connected in series and / or in parallel on the output line OL. It is possible to continue.
  • the arithmetic function is omitted from the functional module, and the operation itself is performed by the main controller, thereby simplifying the overall configuration. Also, the manufacturing cost can be reduced by sharing the hardware configuration of the functional modules. Furthermore, even if a malfunction occurs in some of the function modules, only the corresponding function module can be replaced, which is advantageous in terms of maintenance.
  • the functional module 10 can further include a memory unit 18 capable of recording data communicated via the communication interface 16. Thereby, data communication using the memory unit becomes possible.
  • the functional module 10 can be configured so that the memory unit 18 of the functional module 10 can be rewritten based on a signal from the main controller 2.
  • necessary information can be transmitted from the main controller to each functional module and recorded on the functional module side. For this reason, it is possible to centrally manage the function modules on the main controller side, simplify the processing on the function module side, and reduce the load.
  • the functional module 10 is connected in series on the output line OL, and the power supply device further detects an output current flowing through the output line OL.
  • a current detection unit 4 can be provided.
  • the main controller 2 and the plurality of functional modules 10 are either bus type, daisy chain type, loop type, or star type via the communication line CB. It can be connected according to the form. Thereby, the connection form of a functional module can be selected appropriately according to various uses.
  • the functional module 10 includes a plurality of the communication interfaces 16, with one communication interface 16 as the upstream function module 10A and the other communication interface 16B. Can be connected to the functional module 10 on the downstream side.
  • the functional module 10 it is possible to easily connect adjacent functional modules and to simplify the layout. In particular, shortening the connection line between adjacent functional modules is effective for noise countermeasures.
  • the functional module 10 further equalizes the remaining capacity among the plurality of battery cells 11 constituting the battery block included in the functional module 10.
  • a circuit 13 is provided, and each functional module 10 can equalize the remaining capacity between the battery cells 11 using the equalization circuit 13 in response to a command from the main controller 2.
  • an equalization circuit is provided for each functional module, while the cell balance of each functional module is centrally managed by the main controller, thereby reducing the processing on the functional module side and simplifying the configuration while maintaining the same structure as in the past. The cell balance can be maintained.
  • the battery state detection unit 14 may include a voltage detection unit 21 for detecting the voltage of the battery cell 11. Thereby, the voltage of a battery cell can be monitored by each functional module.
  • the battery state detection unit 14 can include a temperature detection unit 22 for detecting the temperature of the battery cell 11. Thereby, the temperature of a battery cell can be monitored by each functional module.
  • the functional module 10 transmits information on the cell voltage of the battery cell 11 included in the functional module 10 via the communication interface 16 to the main controller 2. Can be configured to transmit to. Thereby, the cell voltage of the battery cell of each functional module can be monitored collectively on the main controller side.
  • the main controller 2 can detect that each functional module 10 is connected to the communication line CB and can give unique address information.
  • the functional module 10 can record the assigned unique address information in the memory unit 18, and each functional module 10 can be controlled by the main controller based on the unique address information recorded in the memory unit 18. 2 and data communication can be configured.
  • each functional module can have unique address information, and data communication can be performed with the main controller via the communication line based on the unique address information.
  • the unique address information can be automatically set, there is an advantage that this work can be saved.
  • the unique address information is not fixed in advance when the functional module is manufactured, it is possible to share the functional module and to obtain an advantage that the manufacturing cost can be reduced.
  • any one of the power supply devices described above can be provided.
  • the power storage device is equipped with any of the power supply devices described above.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a power supply device according to a first embodiment.
  • FIG. 6 is a block diagram illustrating a power supply device according to a second embodiment.
  • FIG. 10 is a block diagram illustrating a power supply device according to a third embodiment.
  • FIG. 10 is a block diagram illustrating a power supply device according to a fourth embodiment.
  • FIG. 10 is a block diagram illustrating a power supply device according to a fifth embodiment. It is a block diagram which shows the detailed structure of a power supply device. It is a perspective view which shows the external appearance of a functional module. It is a disassembled perspective view of a functional module. It is a block diagram which shows the example which mounts a battery system in the hybrid vehicle which drive
  • the embodiment described below exemplifies a power supply device for embodying the technical idea of the present invention, a vehicle using the power supply device, and a power storage device, and the present invention uses the power supply device and the power supply device.
  • the vehicle and the power storage device are not specified as follows.
  • the member shown by the claim is not what specifies the member of embodiment.
  • the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, and the like of the constituent members described in the embodiments are not intended to limit the scope of the present invention only to the description unless otherwise specified. It's just an example. Note that the size, positional relationship, and the like of the members shown in each drawing may be exaggerated for clarity of explanation.
  • each element constituting the present invention may be configured such that a plurality of elements are constituted by the same member and the plurality of elements are shared by one member, and conversely, the function of one member is constituted by a plurality of members. It can also be realized by sharing.
  • the contents described in some examples and embodiments may be used in other examples and embodiments.
  • upstream and downstream are functions at the other end of the upstream function module when the function module at one end of the node is upstream in the communication line to which the function module is connected.
  • the functional module connected to the upstream functional module side is defined as “upstream” and the downstream functional module side based on the specific functional module.
  • the functional module connected to is called “downstream”.
  • the side closer to the master controller can be defined as upstream, and the side far from the master controller can be defined as downstream.
  • FIG. 1 shows a power supply apparatus 100 according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the power supply device 100 is mounted on a hybrid vehicle or an electric vehicle as an assembled battery system using a plurality of battery cells, and is used as a power source that supplies power to a motor that runs the vehicle.
  • the power supply device of the present invention is not specified as a vehicle power supply device, and can be used as appropriate for other power supply devices that require high output.
  • the power supply device shown in this figure includes a plurality of functional modules 10, a main controller 2, a connection unit 3, and a current detection unit 4. (Function module 10)
  • Each functional module 10 performs data communication with the battery block 12 in which the battery cells 11 are stacked, the battery state detection unit 14 for detecting the state of the battery cells 11, and the other functional modules 10 and the main controller 2.
  • the communication interface 16 and the memory unit 18 are provided.
  • Each functional module 10 and the main controller 2 perform data communication with the communication interface 16 via the communication line CB.
  • the communication line CB is a line capable of bidirectional communication.
  • the communication interface 16 has a data communication function, and adjacent functional modules 10 are connected to each other via a communication line CB. Further, the functional module 10 shown in FIG. 1 includes two communication interfaces 16. One communication interface 16 ⁇ / b> A is connected to the upstream functional module 10, and the other communication interface 16 ⁇ / b> B is connected to the downstream functional module 10. Yes. By doing in this way, the communication line CB which connects the adjacent functional modules 10 can be shortened, and possibility that noise will ride on the communication line CB can be reduced. In this example, the communication interface 16B is connected to the main controller 2 at one edge where a plurality of functional modules 10 are connected, and the communication interface 16A is not connected to the other edge as a daisy chain connection configuration. Yes. (Connection form of communication interface 16)
  • the communication interface 16A on the other side edge is also connected to the main controller 2 as in the power supply device 200 according to the second embodiment shown in FIG.
  • the functional module 10 can be connected to the main controller 2 in a loop type.
  • the communication line CB does not need to be a line capable of bidirectional communication, and communication in one direction is sufficient. Therefore, there is an advantage that the communication line CB and the communication interface 16 can be simplified.
  • each functional module 10 may be connected to the main controller 2 individually through the communication line CB.
  • each functional module 10 since each functional module 10 is individually connected to the main controller 2, there is no interference of communication data, and it is possible to eliminate the need to add individual identification information to the communication data packet.
  • any one of the communication lines CB is disconnected, there is an advantage that communication with other functional modules 10 can be maintained.
  • a plurality of communication interfaces 16 are not necessarily required, and one communication interface 16 is sufficient.
  • the communication line CB is connected only to the communication interface 16B, and is not connected to the communication interface 16A. Therefore, there is an advantage that the number of communication interfaces can be reduced.
  • the main controller 2 is directly connected to each functional module 10 via the communication line CB.
  • the configuration may be such that they are connected via a hub.
  • FIG. In the power supply device 400 shown in this figure, the hub controller 5 is disposed between the main controller 2 and the module assembly 1.
  • the hub controller 5 connects the plurality of communication lines CB to each functional module 10 by star connection. By connecting the hub controller 5 to the main controller 2, communication in which a plurality of communication lines CB are collected can be performed.
  • each function module 10 may be individually connected to a common communication line CCB as in the power supply device 500 according to the fifth embodiment illustrated in FIG.
  • the bus is branched in the middle of the common communication line CCB and connected to the functional module 10.
  • the functional modules 10 can be added sequentially using the common communication line CCB.
  • You may comprise so that another member may be connected to the common communication line CCB, and simplification of a communication line can be achieved.
  • the common communication line CCB is a line capable of bidirectional communication.
  • an existing communication protocol such as CAN (Controller Area Network), LIN, FlexRay, MOST, UART, SOI, I2C, or the like can be used as appropriate.
  • CAN Controller Area Network
  • FlexRay FlexRay
  • MOST Universal Mobile Tx
  • UART Universal Mobile Tx
  • SOI SOI
  • I2C I2C
  • each functional module 10 has the positive side and the negative side of the battery block 12 connected to the output line OL.
  • Each of the functional modules 10 is connected in series on the output line OL and constitutes a module assembly 1.
  • the module assembly 1 can output the output power in which the battery blocks 12 are connected in series to the outside via the connection unit 3. For this reason, the connection part 3 is provided with the external output terminal.
  • a current detection unit 4 is provided on the output line OL, and the current detection unit 4 detects an output current flowing from the module assembly 1 to the output line OL.
  • the current detection unit 4 is also connected to the main controller 2 and the communication line CB via an individual current signal line CL, and information regarding the output current detected by the current detection unit 4 is transmitted via the current signal line CL.
  • the current detection unit 4 does not communicate with the main controller 2, and is simply an I / O connection in which the main controller 2 only acquires a current signal detected by the current detection unit 4.
  • it is also possible to acquire a current signal by communication and in this case, it may be connected to a communication line such as a communication line.
  • the main controller 2 can monitor the state of the battery cell 11 in each functional module 10 via the communication line CB and the output current via the current signal line CL, and send these information to an external device.
  • the function module 10 is instructed to detach the battery cell 11 and the like.
  • one current detection unit 4 is provided on the output line OL, and further connected to the main controller 2, so that the current detection unit 4 is shared. can do. In other words, it is not necessary to provide a current sensor for each functional module, which can contribute to simplification of the functional module. (Battery state detection unit 14)
  • the functional module 10 shown in FIG. 1 and the like described above is not a simple battery stack in which a plurality of battery cells are stacked, as in a conventional battery module, but a protection circuit that protects a battery block 12 that is a stack of battery cells 11. Etc. are provided (FIG. 8).
  • the circuit board 20 has a battery state detection unit 14 mounted thereon, and the battery state detection unit 14 detects the temperature, voltage, current, and the like of the battery block 12.
  • the circuit board 20 can also be provided with a protection circuit that shuts off the circuit when an abnormal voltage occurs. (Voltage detector 21)
  • the battery state detection unit 14 includes a voltage detection unit 21 for detecting the voltage of the battery cell 11 included in the functional module 10.
  • the voltage detector 21 is preferably provided for each battery cell 11. In particular, in a lithium ion secondary battery, it is possible to accurately grasp the abnormality by monitoring the voltage for each battery cell and to ensure safety. However, it is also possible to detect only the voltage of a battery cell at a specific position in the battery block, for example, both end portions and intermediate portions of the battery block.
  • the voltage detector 21 and the communication interface 16 are arranged in the vicinity of the battery cell 11. In particular, it is possible to prevent a short circuit between the detection lines by arranging the voltage detection unit 21 in the vicinity of the battery block 12 using a short wire harness or FPC (Flexible printed circuit).
  • the voltage detection unit 21 and the two communication interfaces 16 can be configured by one chip. Thereby, the circuit board 20 of each functional module 10 can be reduced in size. Furthermore, in addition to the voltage detection unit 21 and the communication interface 16, the memory unit 18 may be included in one chip. The circuit board 20 can be directly attached to the end face of the battery block 12.
  • the functional module 10 can transmit information related to the cell voltage of the battery cell 11 to the main controller 2 via the communication interface 16. Thereby, the cell voltage of the battery cell 11 of each functional module 10 can be collectively monitored on the main controller 2 side. (Temperature detector 22)
  • the battery state detection part 14 can also be provided with the temperature detection part 22 for detecting the temperature of the battery cell 11 contained in the functional module 10 (FIG. 6).
  • the temperature detection unit 22 specifies a part where the temperature of the battery cell 11 is the highest (for example, the center of the battery block 12 or the leeward side of the cooling air) or the lowest part (for example, the end face of the battery block 12 or the leeward side of the cooling air).
  • the battery cell 11 is provided only. However, it goes without saying that all battery cells may be provided. (Memory unit 18)
  • the memory unit 18 records data communicated via the communication interface 16.
  • a non-volatile memory such as E 2 PROM can be used.
  • the non-volatile memory stores unique address information, which is identification information for identifying each functional module 10, battery capacity (SOC) of a battery cell included in the functional module, battery life information (SOH), and the like. be able to. By assigning the unique address information to each functional module 10, it is possible to distinguish between a plurality of functional modules 10 connected.
  • Data recorded in the memory unit 18 can be rewritten based on a signal from the main controller 2.
  • necessary information can be transmitted from the main controller 2 to each functional module 10 and recorded on the functional module 10 side.
  • the function module 10 can be centrally managed on the main controller 2 side, the processing on the function module 10 side can be simplified, and the load can be reduced.
  • unique address information which is identification information for identifying each functional module 10 by the main controller 2
  • the functional module 10 stores its own unique address information in the memory unit 18. Write. (Unique address information)
  • the main controller 2 can detect that each functional module 10 is connected to the communication line CB, and can assign unique address information.
  • each functional module 10 can have unique address information, and data communication can be performed with the main controller 2 via the communication line CB based on the unique address information.
  • the unique address information can be automatically set, there is an advantage that this work can be saved.
  • the unique address information is not fixed in advance when the functional module 10 is manufactured, it is possible to share the functional module 10 and to obtain an advantage that the manufacturing cost can be reduced.
  • the main controller 2 detects this connection, automatically defines unique address information, and transmits it to the functional module 10.
  • the functional module 10 recognizes the transmitted unique address information, writes it in the memory unit 18 and records it, and can start data communication based on this unique address information. In this way, the functional module 10 can acquire the unique address information and perform data communication with the main controller 2 based on the acquired unique address information.
  • the hardware configuration of the function module 10 can be made common, and the component cost can be greatly suppressed.
  • the function modules 10 even if some of the function modules 10 are defective, only the corresponding function modules 10 can be replaced, which is advantageous in terms of maintenance. (Battery cell 11)
  • the battery block 12 is configured by connecting a plurality of battery cells 11 in series and / or in parallel. In the example of FIG. 1, the battery cells 11 are connected in series.
  • a lithium ion battery can be suitably used for the battery cell 11. Lithium ion batteries have a high voltage, and a small number can be connected in series to increase the output voltage.
  • the battery cell can also use other battery cells which can be charged, such as a nickel metal hydride battery or a nickel cadmium battery.
  • the battery block 12 adjusts the output voltage by the number of battery cells 11 connected in series. Further, the power supply apparatus 100 adjusts the output voltage by the number of functional modules 10 connected in series.
  • the output voltage is set to 100 V to 400 V, preferably 200 V to 300 V, for example.
  • Each functional module 10 includes an equalization circuit 13 for balancing the remaining capacity between the plurality of battery cells 11 constituting the battery block 12.
  • Each functional module 10 receives an equalization command from the main controller 2 and operates the equalization circuit 13 to equalize the remaining capacity between the battery cells 11.
  • the equalization circuit 13 consumes electric power to match that of other battery cells by short-circuiting a battery cell having a high voltage or a large remaining amount via a resistor. For this reason, the closed circuit containing each battery cell is comprised, and equalization is performed by controlling opening and closing of a closed circuit with a switch. Thereby, it can manage intensively so that the main controller 2 may maintain the cell balance in each function module 10 appropriately.
  • an equalization circuit between the blocks may be provided so as to maintain the balance of the voltage of the battery block between the functional modules.
  • the power supply apparatus 300 is configured by connecting two functional modules 10.
  • the current detection unit 4 is connected to the main controller 2 through a dedicated bus different from the communication line CB.
  • the main controller 2 serves as an ECU (Electronic Control Unit) on the power supply device side to detect output current, control each function module 10, and control the communication line CB, and further externally connected vehicle-side controller 97. Data communication with the. For this reason, the main controller 2 is connected to the vehicle-side controller 97 with a low-voltage connector.
  • the connection unit 3 connects the output line OL of the module assembly 1 to the contactor unit 98 on the vehicle side via a high voltage connector. Further, a service plug 99 for opening the output line OL is provided on the path of the output line OL in order to ensure safety during inspection or the like.
  • the functional module 10 shown in FIG. 6 does not have a high-performance arithmetic element such as an MPU on the circuit board 20. Therefore, the circuit configuration can be simplified and miniaturized by providing only a simple IC or ASIC, the memory unit 18 and the equalization circuit 13 on the circuit board 20, and the cost can be reduced. It is done. On the other hand, when calculation processing such as calculation of SOC or SOH is necessary, it is performed on the side of the main controller 2 connected via the communication line CB. With this configuration, the hardware specifications required for each functional module 10 can be simplified, so that it can be manufactured at low cost. On the other hand, since necessary processes can be collectively processed by the main controller 2, the functions are not inferior to conventional functions, and necessary functions are maintained.
  • FIG. 7 An external perspective view of an example of the functional module 10 is shown in FIG. 7, and an exploded perspective view of FIG. 7 is shown in FIG.
  • the functional module 10 shown in these drawings includes a battery block 12 and a circuit board 20.
  • a battery block 12 in which a plurality of rectangular battery cells 11 are stacked is fastened by a bind bar 30.
  • Various circuits such as a protection circuit for protecting the battery cell 11 from an abnormal situation are mounted on the circuit board 20. (Battery block 12)
  • the battery block 12 has a substantially box-shaped appearance, a large number of rectangular battery cells 11 are stacked, and are sandwiched by end plates 24 via bind bars 30 from both end faces.
  • the battery block 12 is formed by stacking a plurality of rectangular battery cells 11 with separators 40 interposed therebetween. In the example of the battery block 12 in FIG. 8, 18 battery cells 11 are stacked.
  • the bind bar 30 functions as a fastening means for fastening the battery cell 11.
  • both ends of the frame-shaped metal plate are bent into a U-shape when viewed from the top to form a bent piece 31, and a slit 32 is formed in the bent piece 31 for fitting with a protrusion 26 provided on the end plate 24. is doing.
  • the battery block 12 is sandwiched between the battery cells 11 in a stacked state with the separators 40 interposed therebetween by inserting the protrusions 26 of the end plate 24 into the slits 32 opened in the bent pieces 31 of the bind bar 30. And fix. (Battery cell 11)
  • the battery cell 11 is constituted by an outer can whose outer shape is a rectangular shape whose thickness is thinner than the width, and positive and negative electrode terminals are provided on the top surface of the outer can, that is, a sealing plate for closing the outer can.
  • the electrode terminals are electrically connected via a bus bar.
  • the outer can of the battery cell can be made of an insulating material such as plastic. In this case, since it is not necessary to insulate the outer can when the battery cells are stacked, the separator can be made of metal.
  • the surfaces of the battery cells 11 other than the top surface are insulated. Specifically, the surface excluding the top and bottom surfaces of the battery cell 11 is covered with a coating film.
  • Such a battery cell 11 is a prismatic battery of a lithium ion secondary battery.
  • the battery cell may be a secondary battery such as a nickel metal hydride battery or a nickel cadmium battery.
  • the battery cell 11 is a quadrangle having a predetermined thickness, positive and negative electrode terminals projecting from both ends of the top surface, and an opening for a safety valve is provided at the center of the top surface.
  • the stacked battery cells 11 are connected in series by connecting adjacent positive and negative electrode terminals with a bus bar.
  • a battery system in which adjacent battery cells 11 are connected in series can increase the output voltage and increase the output.
  • the battery system can also connect adjacent battery cells in parallel. (Separator 40)
  • the battery block 12 has a separator 40 sandwiched between stacked battery cells 11.
  • the battery block 12 can be laminated by insulating the outer can 12 of the battery cell 11 from a metal, using a plastic separator 40.
  • the separator 40 has a shape that allows both surfaces to be fitted to the battery cell 11, and can be stacked while preventing positional deviation of the adjacent battery cells 11.
  • the separator 40 is provided with a cooling gap for allowing a cooling gas such as air to pass therethrough in order to cool the battery cell 11.
  • the battery block 12 has laminated
  • a forced air blowing mechanism (not shown) is provided as a cooling mechanism for cooling the battery cells 11 of the battery block 12 by forcibly blowing cooling gas.
  • FIG. 9 shows an example of a hybrid vehicle HV that is equipped with a battery system for a vehicle and that runs on both the engine and the motor.
  • the hybrid vehicle in this figure includes an engine 96 and a traveling motor 93 for traveling the vehicle, battery systems 91 and 92 for supplying electric power to the motor 93, and a generator 94 for charging the batteries of the battery systems 91 and 92.
  • the battery systems 91 and 92 are connected to a motor 93 and a generator 94 via a DC / AC inverter 95.
  • the hybrid vehicle runs on both the motor 93 and the engine 96 while charging and discharging the batteries of the battery systems 91 and 92.
  • the motor 93 is driven to drive the vehicle when the engine efficiency is low, for example, during acceleration or low-speed driving.
  • the motor 93 is driven by power supplied from the battery systems 91 and 92.
  • the generator 94 is driven by the engine 96 or is driven by regenerative braking when the vehicle is braked, and charges the batteries of the battery systems 91 and 92.
  • FIG. 10 shows an example of an electric vehicle EV which is a vehicle equipped with a battery system for a vehicle and runs only by a motor.
  • the electric vehicle shown in this figure includes a traveling motor 93 for traveling the vehicle, battery systems 91 and 92 for supplying electric power to the motor 93, and a generator 94 for charging the batteries of the battery systems 91 and 92.
  • the battery systems 91 and 92 are connected to a motor 93 and a generator 94 via a DC / AC inverter 95.
  • the motor 93 is driven by power supplied from the battery systems 91 and 92.
  • the generator 94 is driven by energy used when regenerative braking of the vehicle, and charges the batteries of the battery systems 91 and 92.
  • Some vehicle-side loads include a step-up / down converter connected to the input side of the DC / AC inverter to boost the output voltage of the power supply device and supply it to the motor.
  • This vehicle-side load boosts the output voltage of the power supply device with a buck-boost converter, supplies it to the motor via a DC / AC inverter, further converts the output of the generator into direct current with the DC / AC inverter, and further lifts and lowers it.
  • the battery is driven down by the pressure converter.
  • this power supply device can be used not only as a power source for a moving body such as a vehicle but also as a stationary power storage facility.
  • This power supply device is a power source for solar power generation or midnight power, for example, as a household or factory power source, and discharges when necessary, or solar power during the day to charge at night It can also be used as a power source for street lamps that discharge, or as a backup power source for traffic lights that are driven during power outages.
  • the power supply apparatus 100 shown in this figure forms a battery unit 82 by connecting a plurality of battery packs 81 in a unit shape. Each battery pack 81 has a plurality of battery cells connected in series and / or in parallel.
  • Each battery pack 81 is controlled by a power controller 84.
  • the power supply apparatus 100 drives the load LD after charging the battery unit 82 with the charging power supply CP. For this reason, the power supply apparatus 100 includes a charging mode and a discharging mode.
  • the load LD and the charging power source CP are connected to the power supply device 100 via the discharging switch DS and the charging switch CS, respectively.
  • ON / OFF of the discharge switch DS and the charge switch CS is switched by the power supply controller 84 of the power supply apparatus 100.
  • the power supply controller 84 switches the charging switch CS to ON and the discharging switch DS to OFF to permit charging from the charging power supply CP to the power supply apparatus 100.
  • the power controller 84 turns off the charging switch CS and turns on the discharging switch DS to discharge.
  • the mode is switched to permit discharge from the power supply apparatus 100 to the load LD.
  • the charge switch CS can be turned on and the discharge switch DS can be turned on to supply power to the load LD and charge the power supply device 100 at the same time.
  • the load LD driven by the power supply device 100 is connected to the power supply device 100 via the discharge switch DS.
  • the power supply controller 84 switches the discharge switch DS to ON, connects to the load LD, and drives the load LD with the power from the power supply apparatus 100.
  • the discharge switch DS a switching element such as an FET can be used. ON / OFF of the discharge switch DS is controlled by the power supply controller 84 of the power supply apparatus 100.
  • the power controller 84 also includes a communication interface for communicating with external devices. In the example of FIG. 11, the host device HT is connected according to an existing communication protocol such as UART or RS-232C.
  • Each battery pack 81 includes a signal terminal and a power supply terminal.
  • the signal terminals include a pack input / output terminal DI, a pack abnormality output terminal DA, and a pack connection terminal DO.
  • the pack input / output terminal DI is a terminal for inputting / outputting signals from other battery packs and the power supply controller 84
  • the pack connection terminal DO is for inputting / outputting signals to / from other battery packs as child packs.
  • the pack abnormality output terminal DA is a terminal for outputting a battery pack abnormality to the outside.
  • the power supply terminal is a terminal for connecting the battery packs 81 in series and in parallel.
  • the battery units 82 are connected to the output line OL via the parallel connection switch 85 and are connected in parallel to each other.
  • the power supply device according to the present invention, the vehicle using the power supply device, and the power storage device are suitably used as a power supply device for a plug-in hybrid electric vehicle, a hybrid electric vehicle, an electric vehicle or the like that can switch between the EV traveling mode and the HEV traveling mode. Available.
  • Battery system 93 Motor 94 ... Generator 95 ... Inverter 96 ... Engine 97 ... Vehicle side controller 98 ... Contactor unit 99 ... Ser Sprag CB ... Communication line CCB ... Common communication line OL ... Output line CL ... Current signal line HV, EV ... Vehicle LD ... Load; CP ... Charging power supply; DS ... Discharge switch; CS ... Charge switch HT ... Host device DI ... Pack Input / output terminal; DA ... Pack abnormal output terminal; DO ... Child side pack connection terminal

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Abstract

【課題】機能モジュールの構成を簡素化して集中的に管理できるようにする。 【解決手段】直列及び／又は並列に接続された複数の電池セル１１を積層した電池ブロックと、電池セル１１の状態を検出するための電池状態検出部１４と、他の機能モジュール１０又はメインコントローラ２とデータ通信するための通信インターフェース１６と、通信インターフェース１６を介して通信されるデータを記録可能なメモリ部１８と、を備える、複数の機能モジュール１０と、各機能モジュール１０の通信インターフェース１６と、通信ラインＣＢを介して接続されるメインコントローラ２とを備え、複数の機能モジュール１０が、出力ラインＯＬ上で直列及び／又は並列に接続する。

Description

電源装置及びこれを用いた車両並びに蓄電装置
　本発明は、複数の電池セルを備える電源装置及びこれを用いた車両並びに蓄電装置に関し、特にハイブリッド車や電気自動車等の電動車両に搭載されて、車両を走行させるモータに電力を供給する電源に最適な電源装置及びこれを用いた車両並びに蓄電装置に関する。
　車両用の電源装置は、多数の電池セルを直列に接続して出力電圧を高く、出力電力を大きくしている。また、体積に対する充電容量を大きくすることから、多数の角形電池セルを積層状態に配置する電池積層体を備える電源装置が開発されている。このような電池積層体を、モジュール状に構成し、複数の電池モジュールを直列及び／又は並列に連結することで、異なる仕様の電圧、電流に対応した出力の電源装置が構成される。
　また各電池モジュール毎に、回路基板を設けて、該電池モジュールの電池容量や電圧、該電池モジュールに含まれる電池セルの温度等を個別に管理する、いわゆる機能モジュールやインテリジェントモジュールと呼ばれる構成も提案されている（特許文献１参照）。
特開２００３－４７１１１号公報
　しかしながら各電池モジュールに、マイコン等の制御回路を設けることは、高度な制御管理が可能となる半面、各電池モジュール毎に複雑な電子回路を配置することとなり、極めて回路構成が複雑化し、処理も大変となる上、製造及び管理維持コストも高騰するという問題があった。特に大量生産される車載用の電源装置においては、コストダウンの要求が強く、より簡易で安価な構成が求められていた。
　本発明は、従来のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、機能モジュールの構成を簡素化して集中的に管理できるようにした電源装置及びこれを用いた車両並びに蓄電装置を提供することにある。
課題を解決するための手段及び発明の効果
　上記の目的を達成するために、本発明の第１の側面に係る電源装置によれば、複数の機能モジュール１０と、前記複数の機能モジュール１０と接続され、これらを制御するメインコントローラ２と、を備え、前記複数の機能モジュール１０はそれぞれ、直列及び／又は並列に接続された複数の電池セル１１を積層した電池ブロック１２と、前記電池セル１１の状態を検出するための電池状態検出部１４と、他の機能モジュール１０又はメインコントローラ２とデータ通信するための通信インターフェース１６と、を備えており、前記メインコントローラ２は、各機能モジュール１０の前記通信インターフェース１６と、通信ラインＣＢを介して接続されており、前記複数の機能モジュール１０が、出力ラインＯＬ上で直列及び／又は並列に接続することができる。これにより、演算機能を機能モジュールから省略し、演算自体はメインコントローラで纏めて行うことによって、全体の構成を簡素化できる。また機能モジュールのハードウェア構成を共通化することで製造コストを低減できる。さらに一部の機能モジュールに不具合が生じても該当する機能モジュールのみを交換でき、メンテナンスの面でも有利となる。
　また、第２の側面に係る電源装置によれば、前記機能モジュール１０はさらに、前記通信インターフェース１６を介して通信されるデータを記録可能なメモリ部１８を備えることができる。これにより、メモリ部を利用したデータ通信が可能となる。
　さらに、第３の側面に係る電源装置によれば、前記機能モジュール１０は、前記メインコントローラ２からの信号に基づき、該機能モジュール１０のメモリ部１８を書き換え可能に構成できる。これにより、必要な情報をメインコントローラから各機能モジュールに送信して、機能モジュール側で記録することができる。このためメインコントローラ側で一元的に機能モジュールを管理させ、機能モジュール側の処理を簡素化して負荷を軽減することも可能となる。
　さらにまた、第４の側面に係る電源装置によれば、前記機能モジュール１０が、前記出力ラインＯＬ上に直列に接続されており、前記電源装置はさらに、前記出力ラインＯＬを流れる出力電流を検出するための電流検出部４を備えることができる。これにより、直列接続された機能モジュールを流れる出力電流を、共通の電流検出部で検出できるため、各機能モジュールに電流センサを設ける必要を無くし、機能モジュールをより簡素化できる利点が得られる。
　さらにまた、第５の側面に係る電源装置によれば、前記メインコントローラ２と複数の機能モジュール１０とが、通信ラインＣＢを介してバス型、デイジーチェーン型、ループ型、又はスター型のいずれかの形態により接続することができる。これにより、様々な用途に応じて機能モジュールの接続形態を適切に選択できる。
　さらにまた、第６の側面に係る電源装置によれば、前記機能モジュール１０は、前記通信インターフェース１６を複数備えており、一方の通信インターフェース１６を上流側の機能モジュール１０Ａに、他方の通信インターフェース１６Ｂを下流側の機能モジュール１０に接続可能とできる。これにより、隣接する機能モジュール同士の接続を容易に行え、レイアウトを簡素化できる利点が得られる。特に隣接する機能モジュール同士の接続ラインを短くすることで、ノイズ対策に有効となる。
　さらにまた、第７の側面に係る電源装置によれば、前記機能モジュール１０がさらに、該機能モジュール１０に含まれる電池ブロックを構成する複数の電池セル１１間の残容量を均衡させるための均等化回路１３を備えており、前記メインコントローラ２からの指令を受けて各機能モジュール１０が、前記均等化回路１３を用いて電池セル１１間の残容量の均等化を行うことができる。これにより、機能モジュール毎に均等化回路を設ける一方、各機能モジュールのセルバランスをメインコントローラで集中的に管理することで、機能モジュール側の処理を低減し構成を簡素化しつつ、従来と同様のセルバランスの維持を図ることができる。
　さらにまた、第８の側面に係る電源装置によれば、前記電池状態検出部１４が、前記電池セル１１の電圧を検出するための電圧検出部２１を備えることができる。これにより、各機能モジュールで電池セルの電圧を監視することができる。
　さらにまた、第９の側面に係る電源装置によれば、前記電池状態検出部１４が、前記電池セル１１の温度を検出するための温度検出部２２を備えることができる。これにより、各機能モジュールで電池セルの温度を監視することができる。
　さらにまた、第１０の側面に係る電源装置によれば、前記機能モジュール１０は、前記通信インターフェース１６を介して、該機能モジュール１０に含まれる電池セル１１のセル電圧に関する情報を、前記メインコントローラ２に送信可能に構成できる。これにより、各機能モジュールの電池セルのセル電圧を、メインコントローラ側でまとめてモニタすることができる。
　さらにまた、第１１の側面に係る電源装置によれば、前記メインコントローラ２は、各機能モジュール１０に対して、通信ラインＣＢに接続されたことを検出して、固有のアドレス情報を付与可能であり、前記機能モジュール１０は、該付与された固有アドレス情報を、前記メモリ部１８に記録可能であり、前記メモリ部１８に記録された固有アドレス情報に基づいて、各機能モジュール１０は各々メインコントローラ２とデータ通信可能に構成できる。これにより、各機能モジュールは固有のアドレス情報を有することができ、該固有アドレス情報に基づいてメインコントローラと通信ラインを介してデータ通信することができる。特に固有アドレス情報の設定を自動的に行えるため、この作業を省力化できる利点が得られる。また、機能モジュールの製造時には予め固有アドレス情報を固定しないため、機能モジュールを共通化でき、製造コストを低減できる利点も得られる。
　さらにまた第１２の側面に係る電源装置を備える車両によれば、上記いずれかの電源装置を備えることができる。
　さらにまた、第１０の側面に係る蓄電装置は、上記いずれかの電源装置を搭載したものである。
実施例１に係る電源装置を示すブロック図である。 実施例２に係る電源装置を示すブロック図である。 実施例３に係る電源装置を示すブロック図である。 実施例４に係る電源装置を示すブロック図である。 実施例５に係る電源装置を示すブロック図である。 電源装置の詳細な構成を示すブロック図である。 機能モジュールの外観を示す斜視図である。 機能モジュールの分解斜視図である。 エンジンとモータで走行するハイブリッド車にバッテリシステムを搭載する例を示すブロック図である。 モータのみで走行する電気自動車にバッテリシステムを搭載する例を示すブロック図である。 電源装置を蓄電装置に適用した例を示すブロック図である。
　以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための電源装置及びこれを用いた車両並びに蓄電装置を例示するものであって、本発明は電源装置及びこれを用いた車両並びに蓄電装置を以下のものに特定しない。なお、特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部材の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。また、一部の実施例、実施形態において説明された内容は、他の実施例、実施形態等に利用可能なものもある。なお本明細書において「上流」、「下流」とは、機能モジュールが接続される通信ラインにおいて、ノードの一方端にある機能モジュールを上流とした場合、上流機能モジュールに対して他方端にある機能モジュールを下流機能モジュールとし、また複数が直列に接続されている機能モジュールにおいては、特定の機能モジュールを基準にして、上流機能モジュール側に接続されている機能モジュールを「上流」、下流機能モジュール側に接続されている機能モジュールを「下流」と呼ぶ。または、マスターコントローラに近い側を上流、遠い側を下流と定義することもできる。
（実施例１）
　図１に、本発明の実施例１に係る電源装置１００を示す。この電源装置１００は、複数の電池セルを用いた組電池システムとして、ハイブリッド車や電気自動車などに搭載されて、車両を走行させるモータに電力を供給する電源に使用される。ただし、本発明の電源装置は、車両用の電源装置には特定せず、大出力が要求される他の電源装置にも適宜使用できる。この図に示す電源装置は、複数の機能モジュール１０と、メインコントローラ２と、接続部３と、電流検出部４を備えている。
（機能モジュール１０）
　各機能モジュール１０は、それぞれ電池セル１１を積層した電池ブロック１２と、電池セル１１の状態を検出するための電池状態検出部１４と、他の機能モジュール１０やメインコントローラ２とデータ通信を行うための通信インターフェース１６と、メモリ部１８とを備える。各機能モジュール１０同士やメインコントローラ２とは、通信ラインＣＢを介して通信インターフェース１６でデータ通信を行う。通信ラインＣＢは、双方向通信可能なラインとしている。
（通信インターフェース１６）
　通信インターフェース１６はデータ通信機能を備えており、通信ラインＣＢを介して隣接する機能モジュール１０同士が接続される。また図１に示す機能モジュール１０は、通信インターフェース１６を２つ備えており、一方の通信インターフェース１６Ａを上流側の機能モジュール１０に、他方の通信インターフェース１６Ｂを下流側の機能モジュール１０に接続している。このようにすることで、隣接する機能モジュール１０同士を接続する通信ラインＣＢを短くすることができ、ノイズが通信ラインＣＢに乗る可能性を低減できる。またこの例では、複数の機能モジュール１０を連結した一方の端縁において、通信インターフェース１６Ｂをメインコントローラ２と接続する一方、他方の端縁では通信インターフェース１６Ａを接続しない、デイジーチェーン式の接続形態としている。
（通信インターフェース１６の接続形態）
　ただし、このようなデイジーチェーン式の接続形態に限られるものでなく、例えば図２に示す実施例２に係る電源装置２００のように、他方側の端縁の通信インターフェース１６Ａも、メインコントローラ２と接続することで、ループ型に機能モジュール１０をメインコントローラ２に接続することもできる。この場合は、通信ラインＣＢを双方向通信可能なラインとする必要はなく、一方向の通信で足りるため、通信ラインＣＢや通信インターフェース１６を簡素化できる利点が得られる。
　あるいは、図３に示す実施例３に係る電源装置３００のように、各機能モジュール１０をメインコントローラ２と個別に通信ラインＣＢで接続するスター型の接続形態とすることもできる。この構成では、各機能モジュール１０はメインコントローラ２と個別接続されているため、通信データの干渉が無く、また通信データパケットに個別の識別情報を付与する必要も無くすことができる。さらにいずれかの通信ラインＣＢが断線しても、他の機能モジュール１０との通信は維持できるという利点も得られる。なお図３の構成例では、通信インターフェース１６は必ずしも複数必要でなく、１つで足りる。ここでは、通信インターフェース１６Ｂのみに通信ラインＣＢを接続しており、通信インターフェース１６Ａには接続していない。よって通信インターフェース数を削減できる利点も得られる。
　また図３の例では、メインコントローラ２を各機能モジュール１０と直接、通信ラインＣＢを介して接続している。ただ、機能モジュール数が多い場合や、機能モジュールを直列接続したモジュール集合体１を複数並列に接続する場合などは、ハブを介して接続する構成としてもよい。このような例を、実施例４として図４に示す。この図に示す電源装置４００は、メインコントローラ２とモジュール集合体１との間に、ハブコントローラ５を配置している。ハブコントローラ５は、複数本の通信ラインＣＢをスター型接続で各機能モジュール１０と接続する。このハブコントローラ５をメインコントローラ２と接続することで、複数本の通信ラインＣＢを纏めた通信を行うことができる。
　あるいは、図５に示す実施例５に係る電源装置５００のように、共通の通信ラインＣＣＢに対して、各機能モジュール１０が個別に接続する形態としてもよい。この例では、共通通信ラインＣＣＢの途中でバスを分岐させて、機能モジュール１０と接続している。このようなぶら下がり型の接続形態によれば、共通通信ラインＣＣＢを利用して機能モジュール１０を逐次追加できる。また、機能モジュール１０に限られず、他の部材も共通通信ラインＣＣＢに接続するように構成してもよく、通信線の簡素化を図ることができる。この共通通信ラインＣＣＢは双方向通信可能なラインとする。
　なお通信ラインを用いた通信形態としては、ＣＡＮ（Controller Area Network）やＬＩＮ、FlexRay、ＭＯＳＴ、ＵＡＲＴ、ＳＯＩ、Ｉ２Ｃ等、既存の通信プロトコルが適宜利用できる。
（モジュール集合体１）
　また各機能モジュール１０は、電池ブロック１２のプラス側とマイナス側をそれぞれ出力ラインＯＬ上に接続している。この機能モジュール１０は、各々出力ラインＯＬ上に直列に接続され、モジュール集合体１を構成している。モジュール集合体１は、各電池ブロック１２を直列に接続した出力電力を、接続部３を介して外部に出力可能としている。このため接続部３は、外部出力端子を備えている。
　なお、図１～図３の例では、機能モジュール１０を直列に４台接続しているが、接続台数は３台以下、あるいは５台以上とできることはいうまでもない。また、並列接続を混在させることも可能である。機能モジュールの接続数や接続形態に応じて、出力電圧や電流値を調整できることは上述の通りである。
（電流検出部４）
　さらに出力ラインＯＬ上には電流検出部４が設けられており、モジュール集合体１から出力ラインＯＬに流れる出力電流を電流検出部４で検出している。電流検出部４もメインコントローラ２と、通信ラインＣＢとは個別の電流信号線ＣＬを介して接続されており、電流検出部４で検出された出力電流に関する情報は、この電流信号線ＣＬを介してメインコントローラ２に送出される。この例では電流検出部４はメインコントローラ２と通信を行っておらず、単にメインコントローラ２が電流検出部４で検出された電流信号を取得するのみのＩ／Ｏ接続である。ただ、通信によって電流信号を取得することも可能であり、この場合は通信ライン等の通信線と接続してもよい。メインコントローラ２は、通信ラインＣＢを介して各機能モジュール１０における電池セル１１の状態を、また電流信号線ＣＬを介して出力電流を、それぞれモニタでき、これらの情報を外部機器に送信したり、機能モジュール１０に対して電池セル１１の切り離しなどを指示する。
　このように電流検出部４を各機能モジュール１０に設けることなく、一の電流検出部４を出力ラインＯＬ上に設け、さらにこれをメインコントローラ２と接続することで、電流検出部４を共通化することができる。換言すると機能モジュール毎に電流センサを設ける必要を無くし、機能モジュールの簡素化に貢献できる。
（電池状態検出部１４）
　上述した図１等に示す機能モジュール１０は、従来の電池モジュールのように、複数の電池セルを積層した単なる電池積層体でなく、電池セル１１の積層体である電池ブロック１２を保護する保護回路等を実装した回路基板２０を備えている（図８）。回路基板２０は、電池状態検出部１４を実装しており、電池ブロック１２の温度や電圧、電流等を電池状態検出部１４で検出する。また回路基板２０は、異常電圧発生時に回路を遮断する保護回路を設けることもできる。
（電圧検出部２１）
　この電池状態検出部１４は、機能モジュール１０に含まれる電池セル１１の電圧を検出するための電圧検出部２１を備えている。電圧検出部２１は、電池セル１１毎に設けることが好ましい。特にリチウムイオン二次電池においては、電池セル毎に電圧を監視することで異常を正確に把握し、安全性を確実に担保できる。ただ、電池ブロック中の特定の位置、例えば電池ブロックの両端部や中間部等の電池セルのみの電圧を検出するようにしてもよい。この電圧検出部２１および通信インターフェース１６は電池セル１１近傍に配置している。特に、短いワイヤーハーネスやＦＰＣ（Flexible printed circuits）などを用いて、電圧検出部２１を電池ブロック１２の近傍に配置することで、検出線間のショートを防止できる。
　さらに、これらの電圧検出部２１と２つの通信インターフェース１６は、１チップで構成することもできる。これによって各機能モジュール１０の回路基板２０を小型化できる。さらに電圧検出部２１と通信インターフェース１６に加え、メモリ部１８も含めて１チップで構成してもよい。なお回路基板２０は、電池ブロック１２の端面に直付けとすることもできる。
　機能モジュール１０は、通信インターフェース１６を介して、電池セル１１のセル電圧に関する情報を、メインコントローラ２に送信することができる。これにより、各機能モジュール１０の電池セル１１のセル電圧を、メインコントローラ２側でまとめてモニタすることができる。
（温度検出部２２）
　また電池状態検出部１４は、機能モジュール１０に含まれる電池セル１１の温度を検出するための温度検出部２２を備えることもできる（図６）。温度検出部２２は、電池セル１１の温度が最も高い部位（例えば電池ブロック１２の中央や冷却風の風下側）や最も低い部位（例えば電池ブロック１２の端面や冷却風の風上側）など、特定の電池セル１１のみに設ける。ただ、すべての電池セルに設けてもよいことはいうまでもない。
（メモリ部１８）
　メモリ部１８は、通信インターフェース１６を介して通信されるデータを記録する。このようなメモリ部１８には、Ｅ2ＰＲＯＭなどの不揮発性メモリが利用できる。不揮発性メモリには、各機能モジュール１０を識別するための識別情報である固有アドレス情報や、この機能モジュールに含まれる電池セルの電池容量（ＳＯＣ）、電池の寿命情報（ＳＯＨ）などを保存することができる。固有アドレス情報を各機能モジュール１０に付与することによって、複数接続された機能モジュール１０を区別することが可能となる。
　メモリ部１８に記録されるデータは、メインコントローラ２からの信号に基づき、書き換え可能としている。これにより、必要な情報をメインコントローラ２から各機能モジュール１０に送信して、機能モジュール１０側で記録することができる。このためメインコントローラ２側で一元的に機能モジュール１０を管理させ、機能モジュール１０側の処理を簡素化して負荷を軽減することも可能となる。例えば、各機能モジュール１０をメインコントローラ２で識別するための識別情報である固有アドレス情報が、メインコントローラ２から機能モジュール１０に割り当てられる際、機能モジュール１０は自身の固有アドレス情報をメモリ部１８に書き込む。
（固有アドレス情報）
　メインコントローラ２は、各機能モジュール１０に対して、通信ラインＣＢに接続されたことを検出して、固有のアドレス情報を付与可能としている。これにより、各機能モジュール１０は固有のアドレス情報を有することができ、該固有アドレス情報に基づいてメインコントローラ２と通信ラインＣＢを介してデータ通信することができる。特に固有アドレス情報の設定を自動的に行えるため、この作業を省力化できる利点が得られる。また、機能モジュール１０の製造時には予め固有アドレス情報を固定しないため、機能モジュール１０を共通化でき、製造コストを低減できる利点も得られる。
　例えば、機能モジュール１０は電源装置１００に接続した時点で、メインコントローラ２がこの接続を検知して自動的に固有アドレス情報を定義し、機能モジュール１０に送信する。機能モジュール１０は、送信された固有アドレス情報を認識し、メモリ部１８に書き込んで記録すると共に、この固有アドレス情報に基づいてデータ通信を開始できる。このようにして機能モジュール１０は、固有アドレス情報を取得して、取得した固有アドレス情報に基づいて、各々メインコントローラ２とデータ通信を行うことができる。
　このように機能モジュール１０側の機能を限定して、機能モジュール１０のハードウェア構成を共通化して、部品コストを大幅に抑制できる。加えて、機能モジュール１０を共通化することで、一部の機能モジュール１０に不具合が生じても該当する機能モジュール１０のみを交換でき、メンテナンスの面でも有利となる。
（電池セル１１）
　電池ブロック１２は、複数の電池セル１１を直列及び／又は並列に接続して構成される。図１の例では、電池セル１１を直列に接続している。電池セル１１には、リチウムイオン電池が好適に利用できる。リチウムイオン電池は、電圧が高く、少ない個数を直列に接続して出力電圧を高くできる。ただ、電池セルはニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池等、充電できる他の電池セルを用いることもできる。電池ブロック１２は、直列に接続する電池セル１１の個数で出力電圧を調整している。さらに、電源装置１００は、直列に接続する機能モジュール１０の個数で出力電圧を調整している。電源装置１００は、複数の電池ブロック１２を直列に接続して、例えば車両の走行モータに電力を供給する装置にあっては、出力電圧を、例えば１００Ｖ～４００Ｖ、好ましくは２００Ｖ～３００Ｖとする。
（均等化回路１３）
　また各機能モジュール１０は、電池ブロック１２を構成する複数の電池セル１１間の残容量を均衡させるための均等化回路１３を備えている。各機能モジュール１０は、メインコントローラ２から均等化の指令を受けて、均等化回路１３を動作させ、電池セル１１間の残容量の均等化を行うことができる。均等化回路１３は、電圧の高い、あるいは残量量の大きい電池セルを、抵抗を介して短絡させることで、電力を消費させて他の電池セルのそれと一致させる。このため、各電池セルを含む閉回路を構成しており、閉回路の開閉をスイッチで制御して均等化を実行する。これにより、メインコントローラ２で各機能モジュール１０内でのセルバランスを適切に維持するよう集中的に管理できる。換言すると機能モジュール１０側の処理を低減し、機能モジュール１０の構成の簡素化に資する。また必要に応じて、機能モジュール間の電池ブロックの電圧のバランスを維持するよう、ブロック間の均等化回路を設けてもよい。あるいは、機能モジュール間の均等化を図るため、ブロック電圧の高い機能モジュールから、他の機能モジュールに対して駆動電源を供給するよう構成することもできる。
（電気自動車）
　このような電源装置を、電動自動車に搭載した例を、図６のブロック図に示す。図６の例では、２つの機能モジュール１０を接続して電源装置３００を構成している。また、電流検出部４は、通信ラインＣＢと異なる専用バスでメインコントローラ２と接続している。メインコントローラ２は、電源装置側のＥＣＵ（Electronic Control Unit：電子制御ユニット）として、出力電流の検出、各機能モジュール１０の制御、通信ラインＣＢの制御を行い、さらに外部接続された車両側コントローラ９７との間でデータ通信を行う。このためメインコントローラ２は、低電圧のコネクタでもって車両側コントローラ９７と接続されている。一方、接続部３はモジュール集合体１の出力ラインＯＬを、高電圧のコネクタを介して車両側のコンタクタユニット９８と接続する。さらに出力ラインＯＬの経路上には、点検時等に安全性を確保するために出力ラインＯＬを開放するためのサービスプラグ９９が設けられる。
　図６に示す機能モジュール１０はＭＰＵなどの高機能な演算素子を回路基板２０に有しない。このため、回路基板２０上にはごく簡単なＩＣやＡＳＩＣなどと、メモリ部１８と、均等化回路１３を備えるのみとして回路構成を簡素化、小型化できる上、コストも安価にできる利点が得られる。一方、ＳＯＣやＳＯＨの演算など、演算処理が必要な場合は、通信ラインＣＢを介して接続されたメインコントローラ２側で行う。このように構成することで、各機能モジュール１０に求められるハードウェア的な仕様が簡素化できるため、安価に製造できる。その一方で、必要な処理はメインコントローラ２で纏めて処理できるため、機能的に従来よりも劣ることは無く、必要な機能は維持される。
　このように、各機能モジュール１０からのデータをメインコントローラ２に集約し、集中的にデータ処理を行う。またメインコントローラ２は、機能モジュール１０が接続される毎に、接続された新たな機能モジュール１０を認識し、この機能モジュール１０に対して固有アドレス情報を自動的に定義、配布する。これにより、追加された機能モジュール１０は、付与された固有アドレス情報に基づいて、電源装置内でのデータ通信を行うことができるようになる。
（機能モジュール１０の詳細構成）
　機能モジュール１０の一例の外観斜視図を図７に、図７の分解斜視図を図８に、それぞれ示す。これらの図に示す機能モジュール１０は、電池ブロック１２と、回路基板２０とを備えている。この例では、複数枚の角形電池セル１１を積層した電池ブロック１２をバインドバー３０で締結している。また回路基板２０には、異常事態から電池セル１１の保護を図る保護回路など、種々の回路を実装している。
（電池ブロック１２）
　電池ブロック１２は図７に示すように、外観を略箱形とし、角形の電池セル１１を多数積層し、両端面からエンドプレート２４で、バインドバー３０を介して狭持している。電池ブロック１２は、図８の分解斜視図に示すように、角形の電池セル１１を複数、セパレータ４０を介して積層して構成される。図８の電池ブロック１２の例では、１８個の電池セル１１を積層している。バインドバー３０は電池セル１１を締結する締結手段として機能する。この例では枠状の金属板の両端を上面視コ字状に折曲して折曲片３１として、エンドプレート２４に設けた突起２６と嵌合するためのスリット３２を折曲片３１に開口している。この電池ブロック１２は、バインドバー３０の折曲片３１に開口したスリット３２に、エンドプレート２４の突起２６を嵌入させることで、電池セル１１をセパレータ４０を介在させて積層した状態に狭持して固定する。
（電池セル１１）
　電池セル１１は、外形を、幅よりも厚さを薄くした角形とする外装缶で構成され、外装缶の天面、すなわち外装缶を閉塞する封口板に正負の電極端子を設けている。電極端子同士は、バスバーを介して電気的に接続している。なお電池セルの外装缶は、プラスチック等の絶縁材で製作することもできる。この場合は電池セル同士を積層する際に、外装缶を絶縁する必要がないので、セパレータを金属製とすることもできる。また電池セル１１の天面を除く面は、絶縁処理される。具体的には、電池セル１１の天面及び底面を除く面を、被覆フィルムで表面を被覆する。
　このような電池セル１１は、リチウムイオン二次電池の角形電池である。ただ、電池セルは、ニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池等の二次電池とすることもできる。電池セル１１は、所定の厚さを有する四角形で、天面の両端部には正負の電極端子を突出して設けており、天面の中央部には安全弁の開口部を設けている。積層される電池セル１１は、隣接する正負の電極端子をバスバーで連結して互いに直列に接続している。隣接する電池セル１１を互いに直列に接続するバッテリシステムは、出力電圧を高くして出力を大きくできる。ただ、バッテリシステムは、隣接する電池セルを並列に接続することもできる。
（セパレータ４０）
　電池ブロック１２は、積層している電池セル１１の間にセパレータ４０を挟着している。この電池ブロック１２は、電池セル１１の外装缶１２を金属製として、プラスチック製のセパレータ４０で絶縁して積層できる。セパレータ４０は、両面を電池セル１１に嵌着できる形状として、隣接する電池セル１１の位置ずれを阻止して積層できる。
　またセパレータ４０は、図８に示すように、電池セル１１を冷却するために、電池セル１１との間に、空気等の冷却気体を通過させる冷却隙間を設けている。これにより電池ブロック１２は、複数の電池セル１１を冷却隙間ができる状態で積層している。また、電池ブロック１２の電池セル１１に冷却気体を強制送風して冷却する冷却機構として、強制送風機構を備えている（図示せず）。
（電源装置を用いた車両）
　次に、以上の電池セルを用いた電源装置を搭載した車両を、図９及び図１０に基づいて説明する。図９は、車両用のバッテリシステムを搭載する車両であって、エンジンとモータの両方で走行するハイブリッド車ＨＶの一例を示している。この図のハイブリッド車は、車両を走行させるエンジン９６及び走行用のモータ９３と、モータ９３に電力を供給するバッテリシステム９１、９２と、バッテリシステム９１、９２の電池を充電する発電機９４とを備えている。バッテリシステム９１、９２は、ＤＣ／ＡＣインバータ９５を介してモータ９３と発電機９４に接続している。ハイブリッド車は、バッテリシステム９１、９２の電池を充放電しながらモータ９３とエンジン９６の両方で走行する。モータ９３は、エンジン効率の悪い領域、たとえば加速時や低速走行時に駆動されて車両を走行させる。モータ９３は、バッテリシステム９１、９２から電力が供給されて駆動する。発電機９４は、エンジン９６で駆動され、あるいは車両にブレーキをかけるときの回生制動で駆動されて、バッテリシステム９１、９２の電池を充電する。
　さらに図１０は、車両用のバッテリシステムを搭載する車両であって、モータのみで走行する電気自動車ＥＶの一例を示している。この図に示す電気自動車は、車両を走行させる走行用のモータ９３と、このモータ９３に電力を供給するバッテリシステム９１、９２と、このバッテリシステム９１、９２の電池を充電する発電機９４とを備えている。バッテリシステム９１、９２は、ＤＣ／ＡＣインバータ９５を介してモータ９３と発電機９４に接続している。モータ９３は、バッテリシステム９１、９２から電力が供給されて駆動する。発電機９４は、車両を回生制動する時のエネルギーで駆動されて、バッテリシステム９１、９２の電池を充電する。
　なお、車両側負荷には、ＤＣ／ＡＣインバータの入力側に昇降圧コンバータを接続して、電源装置の出力電圧を昇圧してモータに供給するものもある。この車両側負荷は、昇降圧コンバータで電源装置の出力電圧を昇圧して、ＤＣ／ＡＣインバータを介してモータに供給し、さらに発電機の出力をＤＣ／ＡＣインバータで直流に変換し、さらに昇降圧コンバータで降圧して走行用バッテリを充電する。
（蓄電用電源装置）
　さらに、この電源装置は、車両などの移動体用の動力源としてのみならず、載置型の蓄電用設備としても利用できる。この電源装置は、例えば家庭用、工場用の電源として、太陽光発電の電力や深夜電力等で充電し、必要時に放電する電源システム、あるいは日中の太陽光発電の電力を充電して夜間に放電する街路灯用の電源や、停電時に駆動する信号機用のバックアップ電源等にも利用できる。このような例を図１１に示す。この図に示す電源装置１００は、複数の電池パック８１をユニット状に接続して電池ユニット８２を構成している。各電池パック８１は、複数の電池セルが直列及び／又は並列に接続されている。各電池パック８１は、電源コントローラ８４により制御される。この電源装置１００は、電池ユニット８２を充電用電源ＣＰで充電した後、負荷ＬＤを駆動する。このため電源装置１００は、充電モードと放電モードを備える。負荷ＬＤと充電用電源ＣＰはそれぞれ、放電スイッチＤＳ及び充電スイッチＣＳを介して電源装置１００と接続されている。放電スイッチＤＳ及び充電スイッチＣＳのＯＮ／ＯＦＦは、電源装置１００の電源コントローラ８４によって切り替えられる。充電モードにおいては、電源コントローラ８４は充電スイッチＣＳをＯＮに、放電スイッチＤＳをＯＦＦに切り替えて、充電用電源ＣＰから電源装置１００への充電を許可する。また充電が完了し満充電になると、あるいは所定値以上の容量が充電された状態で負荷ＬＤからの要求に応じて、電源コントローラ８４は充電スイッチＣＳをＯＦＦに、放電スイッチＤＳをＯＮにして放電モードに切り替え、電源装置１００から負荷ＬＤへの放電を許可する。また、必要に応じて、充電スイッチＣＳをＯＮに、放電スイッチＤＳをＯＮにして、負荷ＬＤの電力供給と、電源装置１００への充電を同時に行うこともできる。
　電源装置１００で駆動される負荷ＬＤは、放電スイッチＤＳを介して電源装置１００と接続されている。電源装置１００の放電モードにおいては、電源コントローラ８４が放電スイッチＤＳをＯＮに切り替えて、負荷ＬＤに接続し、電源装置１００からの電力で負荷ＬＤを駆動する。放電スイッチＤＳはＦＥＴ等のスイッチング素子が利用できる。放電スイッチＤＳのＯＮ／ＯＦＦは、電源装置１００の電源コントローラ８４によって制御される。また電源コントローラ８４は、外部機器と通信するための通信インターフェースを備えている。図１１の例では、ＵＡＲＴやＲＳ－２３２Ｃ等の既存の通信プロトコルに従い、ホスト機器ＨＴと接続されている。また必要に応じて、電源システムに対してユーザが操作を行うためのユーザインターフェースを設けることもできる。各電池パック８１は、信号端子と電源端子を備える。信号端子は、パック入出力端子ＤＩと、パック異常出力端子ＤＡと、パック接続端子ＤＯとを含む。パック入出力端子ＤＩは、他の電池パックや電源コントローラ８４からの信号を入出力するための端子であり、パック接続端子ＤＯは子パックである他の電池パックに対して信号を入出力するための端子である。またパック異常出力端子ＤＡは、電池パックの異常を外部に出力するための端子である。さらに電源端子は、電池パック８１同士を直列、並列に接続するための端子である。また電池ユニット８２は並列接続スイッチ８５を介して出力ラインＯＬに接続されて互いに並列に接続されている。
　本発明に係る電源装置及びこれを用いた車両並びに蓄電装置は、ＥＶ走行モードとＨＥＶ走行モードとを切り替え可能なプラグイン式ハイブリッド電気自動車やハイブリッド式電気自動車、電気自動車等の電源装置として好適に利用できる。
１００、２００、３００、４００、５００…電源装置
１…モジュール集合体
２…メインコントローラ
３…接続部
４…電流検出部
５…ハブコントローラ
１０…機能モジュール
１１…電池セル
１２…電池ブロック
１３…均等化回路
１４…電池状態検出部
１６、１６Ａ、１６Ｂ…通信インターフェース
１８…メモリ部
２０…回路基板
２１…電圧検出部
２２…温度検出部
２３…温度センサ
２４…エンドプレート
２５…載置プレート
２６…突起
３０…バインドバー
３１…折曲片
３２…スリット
４０…セパレータ
８１…電池パック
８２…電池ユニット
８４…電源コントローラ
８５…並列接続スイッチ
９１、９２…バッテリシステム
９３…モータ
９４…発電機
９５…インバータ
９６…エンジン
９７…車両側コントローラ
９８…コンタクタユニット
９９…サービスプラグ
ＣＢ…通信ライン
ＣＣＢ…共通通信ライン
ＯＬ…出力ライン
ＣＬ…電流信号線
ＨＶ、ＥＶ…車両
ＬＤ…負荷；ＣＰ…充電用電源；ＤＳ…放電スイッチ；ＣＳ…充電スイッチ
ＨＴ…ホスト機器
ＤＩ…パック入出力端子；ＤＡ…パック異常出力端子；ＤＯ…子側パック接続端子

Claims (13)

  1. 　複数の機能モジュール(10)と、
    　前記複数の機能モジュール(10)と接続され、これらを制御するメインコントローラ(2)と、
    を備え、
    　前記複数の機能モジュール(10)はそれぞれ、
    　　直列及び／又は並列に接続された複数の電池セル(11)を積層した電池ブロック(12)と、
    　　前記電池セル(11)の状態を検出するための電池状態検出部(14)と、
    　　他の機能モジュール(10)又はメインコントローラ(2)とデータ通信するための通信インターフェース(16)と、
    を備えており、
    　前記メインコントローラ(2)は、各機能モジュール(10)の前記通信インターフェース(16)と、通信ライン(CB)を介して接続されており、
    　前記複数の機能モジュール(10)が、出力ライン(OL)上で直列及び／又は並列に接続されてなることを特徴とする電源装置。
  2. 　請求項１に記載の電源装置において、前記機能モジュール(10)はさらに、
    　　前記通信インターフェース(16)を介して通信されるデータを記録可能なメモリ部(18)を備えてなることを特徴とする電源装置。
  3. 　請求項２に記載の電源装置において、
    　前記機能モジュール(10)は、前記メインコントローラ(2)からの信号に基づき、該機能モジュール(10)のメモリ部(18)を書き換え可能に構成してなることを特徴とする電源装置。
  4. 　請求項１から３のいずれか一に記載の電源装置において、
    　前記機能モジュール(10)が、前記出力ライン(OL)上に直列に接続されており、
    　前記電源装置はさらに、前記出力ライン(OL)を流れる出力電流を検出するための電流検出部(4)を備えていることを特徴とする電源装置。
  5. 　請求項１から４のいずれか一に記載の電源装置において、
    　前記メインコントローラ(2)と複数の機能モジュール(10)とが、通信ライン(CB)を介してバス型、デイジーチェーン型、ループ型、又はスター型のいずれかの形態により接続されてなることを特徴とする電源装置。
  6. 　請求項１から５のいずれか一に記載の電源装置において、
    　前記機能モジュール(10)は、前記通信インターフェース(16)を複数備えており、一方の通信インターフェース(16A)を上流側の機能モジュール(10)に、他方の通信インターフェース(16B)を下流側の機能モジュール(10)に接続可能としてなることを特徴とする電源装置。
  7. 　請求項１から６のいずれか一に記載の電源装置において、
    　前記機能モジュール(10)がさらに、該機能モジュール(10)に含まれる電池ブロック(12)を構成する複数の電池セル(11)間の残容量を均衡させるための均等化回路(13)を備えており、
    　前記メインコントローラ(2)からの指令を受けて各機能モジュール(10)が、前記均等化回路(13)を用いて電池セル(11)間の残容量の均等化を行うことを特徴とする電源装置。
  8. 　請求項１から７のいずれか一に記載の電源装置において、
    前記電池状態検出部(14)は、
    　前記電池セル(11)の電圧を検出するための電圧検出部(21)を備えることを特徴とする電源装置。
  9. 　請求項１から８のいずれか一に記載の電源装置において、
    前記電池状態検出部(14)は、
    　前記電池セル(11)の温度を検出するための温度検出部(22)を備えることを特徴とする電源装置。
  10. 　請求項８に記載の電源装置において、
    　前記機能モジュール(10)は、前記通信インターフェース(16)を介して、該機能モジュール(10)に含まれる電池セル(11)のセル電圧に関する情報を、前記メインコントローラ(2)に送信可能に構成してなることを特徴とする電源装置。
  11. 　請求項１から１０のいずれか一に記載の電源装置において、
    　前記メインコントローラ(2)は、各機能モジュール(10)に対して、通信ライン(CB)に接続されたことを検出して、固有のアドレス情報を付与可能であり、
    　前記機能モジュール(10)は、該付与された固有アドレス情報を、前記メモリ部(18)に記録可能であり、
    　前記メモリ部(18)に記録された固有アドレス情報に基づいて、各機能モジュール(10)は各々メインコントローラ(2)とデータ通信可能に構成してなることを特徴とする電源装置。
  12. 　請求項１から１１のいずれか一に記載の電源装置を備える車両。
  13. 　請求項１から１１のいずれか一に記載の電源装置を搭載した蓄電装置。
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