WO2019208163A1 - 管理装置、電源システム - Google Patents

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WO2019208163A1
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communication
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公彦 古川
智徳 國光
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三洋電機株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a management device that manages the state of a power storage unit, and a power supply system.
  • HV hybrid vehicles
  • PSV plug-in hybrid vehicles
  • EV electric vehicles
  • a high-voltage power supply system is configured by connecting a plurality of power storage modules including a plurality of cells connected in series in series.
  • a voltage detection circuit for detecting each voltage of a plurality of cells included in the power storage module, and an equalization circuit for performing an equalization process between the plurality of cells Is installed.
  • the voltage detection circuit transmits the detected voltage value to a management device that manages the entire plurality of power storage stacks via a communication line.
  • the equalization circuit executes an equalization process based on a control signal received from the management apparatus via a communication line.
  • Passive method is the mainstream for equalization processing.
  • a discharge resistor is connected to each of a plurality of cells connected in series, and other cells are discharged so that the voltage of the other cell is matched with the voltage of the cell having the lowest voltage.
  • an active method as another method of equalization processing.
  • a charging circuit is provided, and other cells are charged so that the voltage of the cell of the highest voltage among the plurality of cells connected in series is matched with the voltage of the other cell.
  • the power storage module itself including the cell to be charged may be used, or an external auxiliary battery (for example, a 12V output lead battery) may be used.
  • the circuit board of the storage stack and the circuit board of the management device are basically connected by two systems of wire harnesses, a communication line and a power line. Further, even when the power supply voltage of the IC or active element in the power storage stack is acquired from the power storage module in the power storage stack, when the active cell balance method for acquiring the power supply for charging from the outside is used, both of them are similarly 2 Connected with system wiring harness.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a technique for simplifying wiring of a power supply system including a plurality of power storage modules and a management device.
  • a management device includes a plurality of sub-management units that respectively manage a plurality of power storage modules each including a plurality of cells connected in series, and the plurality of sub-management units. And a main management unit for managing the plurality of power storage modules.
  • the main management unit and the plurality of sub management units are daisy chain connected by a power line, and the main management unit is connected to the plurality of sub management units from the power storage unit other than the plurality of power storage modules via the power line.
  • the main management unit and the plurality of sub management units each include a communication unit. Each communication unit superimposes a communication signal on the power line.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a power supply system 1 according to a comparative example.
  • the power supply system 1 includes a plurality of power storage modules (first power storage module M1 to third power storage module M3 in FIG. 1), a plurality of sub management units (first sub management unit 10 to third sub management unit 30 in FIG. 1). ), And a main management unit 50.
  • the first power storage module M1 is formed by connecting a plurality of cells (first cell E1 to fifth cell E5 in FIG. 1) in series, and the second power storage module M2 is formed of a plurality of cells (sixth cell E6 in FIG. 1).
  • the tenth cell E10) is formed in series, and the third power storage module M3 is formed by connecting a plurality of cells (in FIG. 1, eleventh cell E11 to fifteenth cell E15).
  • the configuration of the power storage modules M1-M3 shown in FIG. 1 is simplified for the sake of simplicity of description, and the actual configuration has more cells depending on the voltage required for the power supply system 1. In many cases, the configuration is connected in series.
  • Each cell can be a lithium ion battery cell, a nickel metal hydride battery cell, a lead battery cell, an electric double layer capacitor cell, a lithium ion capacitor cell, or the like.
  • a lithium ion battery cell nominal voltage: 3.6-3.7 V
  • the first power storage module M1 and the first sub management unit 10 constitute one power storage stack.
  • the first sub management unit 10 includes an ASIC (Application Specific Integrated Circuit) 11, a communication unit 12, and an insulation type DC / DC converter 13, which are mounted on one circuit board.
  • the communication unit 12 may be incorporated in the ASIC 11.
  • the second power storage module M2 and the second sub management unit 20 also constitute one power storage stack, and the second sub management unit 20 includes an ASIC 21, a communication unit 22, and an insulation type DC / DC converter 23.
  • the third power storage module M3 and the third sub management unit 30 also constitute one power storage stack, and the third sub management unit 30 includes an ASIC 31, a communication unit 32, and an insulation type DC / DC converter 33.
  • the main management unit 50 includes a control unit 51, a communication unit 52, and a power switch 53, which are mounted on one circuit board.
  • the control unit 51 is configured by a microcomputer, for example.
  • the communication unit 52 may be incorporated in the microcomputer.
  • the ASIC 11 of the first sub management unit 10 includes a voltage detection circuit 11a and an equalization circuit 11b.
  • the voltage detection circuit 11a is connected to each node of a plurality of cells E1-E5 connected in series by a plurality of voltage lines, and detects each voltage between two adjacent voltage lines, thereby each cell E1-E5. The voltage of is detected.
  • the voltage detection circuit 11a includes a multiplexer and an A / D converter (not shown).
  • the multiplexer outputs each voltage value of the plurality of cells E1-E5 to the AD converter in a predetermined order, and the AD converter converts an analog signal input from the multiplexer into a digital value.
  • the voltage values of the plurality of cells E1 to E5 converted into digital values by the AD converter are output to the communication unit 12.
  • the equalization circuit 11b equalizes the plurality of cells E1-E5 included in the first power storage module M1. In this comparative example, the equalization circuit 11b equalizes the voltage / capacity between the plurality of cells E1-E5 using the active cell balancing method. A configuration example of the equalization circuit 11b will be described later.
  • the communication unit 12 transmits the voltage values of the plurality of cells E1-E5 included in the first power storage module M1 input from the voltage detection circuit 11a to the main management unit 50 via the communication line 40c.
  • the first sub-management unit 10 to the third sub-management unit 30 and the main management unit 50 are daisy chain connected by a communication line 40c.
  • the daisy chain connection means a connection method in which a plurality of devices are connected in a line, and is a connection method in which a signal is propagated between adjacent devices.
  • the main management unit 50 and the first sub management unit 10 are terminated, and the main management unit 50 and the third sub management unit 30 are adjacent to each other, and the third sub management unit 30 and the second sub management unit are adjacent to each other.
  • the communication line 40c is configured by differential wiring (two lines) having high noise resistance, but may be configured by a single line or four lines.
  • the communication unit 12 of the first sub-management unit 10 uses the voltage values of the plurality of cells E1-E5 included in the first power storage module M1 as communication of the communication unit 22 of the second sub-management unit 20 and the communication of the third sub-management unit 30.
  • the communication unit 22 of the second sub management unit 20 uses the voltage values of the plurality of cells E6-E10 included in the second power storage module M2 as the communication unit 32 of the third sub management unit 30 and the communication unit 52 of the main management unit 50.
  • the communication unit 32 of the third sub management unit 30 sends the voltage values of the plurality of cells E11 to E15 included in the third power storage module M3 to the control unit 51 of the main management unit 50 via the communication unit 52 of the main management unit 50. Send to.
  • the first sub management unit 10-the third sub Each communication unit 12-32 of the management unit 30 transmits the temperature values of a plurality of cells detected by at least one temperature sensor to the control unit 51 in addition to the voltage values of the plurality of cells.
  • a predetermined serial number is used for communication between the communication unit 12 of the first sub management unit 10, the communication unit 22 of the second sub management unit 20, the communication unit 32 of the third sub management unit 30, and the communication unit 52 of the main management unit 50.
  • a communication method can be used. For example, SPI (Serial Peripheral Interface), I2C (Inter-Integrated Circuit), UART (Universal Asynchronous Receiver / Transmitter) can be used.
  • SPI Serial Peripheral Interface
  • I2C Inter-Integrated Circuit
  • UART Universal Asynchronous Receiver / Transmitter
  • a manufacturer-specific communication method based on these communication methods may be used.
  • the communication unit 12 of the first sub-management unit 10 includes one communication terminal.
  • a single port communication terminal of the communication unit 12 is connected to a communication connector via a differential wiring.
  • a capacitor C11 and a capacitor C12 are inserted into the differential wiring.
  • the communication unit 22 of the second sub management unit 20 includes two communication terminals, an upstream port and a downstream port.
  • the communication terminal of the upstream port of the communication unit 22 is connected to the upstream connector via the differential wiring.
  • a capacitor C21 and a capacitor C22 are inserted into the differential wiring.
  • the communication port of the downstream port of the communication unit 22 is connected to a downstream connector via a differential wiring.
  • a capacitor C23 and a capacitor C24 are inserted into the differential wiring.
  • the communication unit 32 of the third sub-management unit 30 also includes two communication terminals, an upstream port and a downstream port.
  • the communication terminal of the upstream port of the communication unit 32 is connected to the upstream connector via the differential wiring.
  • a capacitor C31 and a capacitor C32 are inserted into the differential wiring.
  • the communication port of the downstream port of the communication unit 32 is connected to a downstream connector via a differential wiring.
  • a capacitor C33 and a capacitor C34 are inserted into the differential wiring.
  • the communication unit 52 of the main management unit 50 includes one communication terminal.
  • the single-port communication terminal of the communication unit 52 is connected to a communication connector via a differential wiring.
  • a capacitor C51 and a capacitor C52 are respectively inserted into the differential wiring.
  • the upstream connector of the third sub management unit 30 and the communication connector of the main management unit 50 are connected by a communication line 40c (differential wiring).
  • Capacitors C11-C12, C21-C24, C31-C34, and C51-C52 are DC cut capacitors that galvanically insulate between two adjacent communication units connected by the communication line 40c.
  • the capacitors C11-C12, C21-C24, C31-C34, and C51-C52 are provided as insulating circuits for enabling communication between circuits having different ground potentials. These insulating circuits may be configured using other elements such as a transformer.
  • the control unit 51 of the main management unit 50 acquires the voltage values and temperature values of the plurality of cells E1-E15 from the first sub management unit 10 to the third sub management unit 30 via the communication line 40c. Further, the control unit 51 acquires the value of current flowing through the plurality of power storage modules M1-M3 detected by a current detection unit (not shown).
  • the control unit 51 estimates the SOC (State Of Of Charge) and SOH (State Of Of Health) of the plurality of cells E1-E15 based on the voltage value, temperature value, and current value of the plurality of cells E1-E15.
  • the SOC can be estimated by, for example, the OCV (Open Circuit Voltage) method or the current integration method.
  • the OCV method is a method of estimating the SOC based on the OCV of the detected cell and the characteristic data of the SOC-OCV curve held in advance.
  • the current integration method is a method for estimating the SOC based on the OCV at the start of charging / discharging of the detected cell and the integrated value of the detected current.
  • SOH is defined by the ratio of the current full charge capacity to the initial full charge capacity, and indicates that the lower the value (closer to 0%), the more the deterioration progresses.
  • the deterioration of the secondary battery can be approximated by the sum of storage deterioration and cycle deterioration.
  • Storage deterioration is deterioration that progresses over time according to the temperature at each time point of the secondary battery and the SOC at each time point, regardless of whether the battery is being charged or discharged. The higher the SOC at each time point (closer to 100%) or the higher the temperature at each time point, the higher the storage deterioration rate.
  • Cycle deterioration is deterioration that progresses as the number of charge / discharge cycles increases. Cycle degradation depends on the SOC range used, temperature, and current rate. The wider the SOC range used, the higher the temperature, or the higher the current rate, the greater the cycle degradation rate. As described above, the deterioration of the secondary battery greatly depends on the use environment, and the variation in capacity of the plurality of cells E1 to E15 becomes larger as the use period becomes longer.
  • the control unit 51 of the main management unit 50 executes equalization processing between the plurality of cells E1 to E15 based on the voltage values of the plurality of cells E1 to E15 received from the plurality of sub management units 10-30.
  • other cells are charged up to the capacity of the cell having the largest capacity (hereinafter referred to as a target value) among the plurality of cells E1-E15.
  • the target value may be defined by any of actual capacity, SOC, and OCV. When defined by the OCV, the OCV of the cell with the highest OCV is the target value.
  • the target value may be defined by a dischargeable amount or a chargeable amount.
  • the control unit 51 calculates the difference between the target value of the cell having the largest capacity among the plurality of cells E1 to E15 and the detection value of the other plurality of cells.
  • the control unit 51 calculates the charge amounts of the other cells based on the calculated differences, and sets the charge times of the other cells based on the calculated charge amounts, respectively. calculate.
  • the control unit 51 generates a control signal for equalization processing including charging times of a plurality of cells managed by the sub management unit for each sub management unit of the transmission destination, and outputs the control signal to the communication unit 52.
  • Each of the plurality of sub-management units 10-30 is assigned a unique ID in advance, and the control unit 51 adds a control signal to be transmitted to a specific sub-management unit in the header area of the packet. Include ID.
  • the communication unit 52 transmits the control signal input from the control unit 51 to the plurality of sub-management units 10-30 via the communication line 40c.
  • each communication unit 12-32 of the plurality of sub-management units 10-30 receives a packet including a control signal via the communication line 40c, whether or not the ID in the packet is the ID of its own sub-management unit Determine.
  • the ID in the packet is the ID of its own sub management unit
  • the control signal included in the received packet is output to the ASIC in the sub management unit. If the ID in the packet is not the ID of its own sub management unit, the packet is transferred to the next sub management unit.
  • the power storage module itself including the cells to be equalized may be used as the power source for charging in the active cell balance method, or a power source provided outside the power source system 1 may be used.
  • the latter which can complete equalization in a shorter time than the former, is employed.
  • a lead battery 2 used as an auxiliary battery in the vehicle is used as a power source for equalization charging.
  • capacitance may be reinforced by connecting the nickel hydride battery, a lithium ion battery, an electric double layer capacitor, etc. to the lead battery 2 in parallel.
  • the main management unit 50 can supply the power supply voltage (for example, 12V DC voltage) supplied from the lead battery 2 to the first sub-management unit 10 to the third sub-management unit 30 through the power line 40v.
  • the power switch 53 of the main management unit 50 is a switch for switching whether the power supplied from the lead battery 2 is supplied to the first sub management unit 10 to the third sub management unit 30 or cut off.
  • the first sub-management unit 10-third sub-management unit 30 and the main management unit 50 are connected by a power line 40v.
  • the main management unit 50 and the third sub management unit 30, the third sub management unit 30 and the second sub management unit 20, and the second sub management unit 20 and the first sub management unit 10 are connected. Each is connected by a power line 40v.
  • the power line 40v is composed of two lines, a plus line and a minus line.
  • the potential of the power line 40v connecting the first sub management unit 10, the second sub management unit 20, the third sub management unit 30, and the main management unit 50 is basically the same potential.
  • the power line 40v is branched in each sub management unit 10-30, but the power line 40v may be branched outside each sub management unit 10-30.
  • the insulation type DC / DC converter 13 of the first sub-management unit 10 converts the DC voltage input via the power line 40v into a DC voltage for charging and outputs it to the equalization circuit 31b.
  • the isolated DC / DC converter 13 generates a DC voltage for charging and a power source voltage for the ASIC 11 from the DC voltage input via the power line 40v.
  • the first sub management unit 10, the second sub management unit 20, the third sub management unit 30, and the main management unit 50 are connected by two wire harnesses of the communication line 40c and the power line 40v. Therefore, the wiring becomes complicated and the wiring cost increases.
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration of the power supply system 1 according to the embodiment of the present invention.
  • the communication line 40c is omitted, and communication signals between the plurality of sub-management units 10-30 and the main management unit 50 are transmitted superimposed on the power line 40v.
  • Each of the communication units 12-32 of the plurality of sub management units 10-30 and the communication unit 52 of the main management unit 50 includes a PLC (Power Line Communication) modem.
  • the PLC modem performs low-speed PLC communication using a 10-450 kHz band or high-speed PLC communication using a 2-30 MHz band.
  • the connector CN5 of the main management unit 50 to which the power line 40v is connected and the power switch 53 in the main management unit 50 are connected by an internal power line.
  • a differential signal line is branched from a connection point Na on the internal power line, and the differential signal line is connected to a communication terminal of the communication unit 52.
  • a low pass filter 54 is inserted into the internal power line.
  • the low-pass filter 54 is inserted between the connection point Na and the power switch 53 on the internal power line.
  • the low pass filter 54 removes a high frequency component of the power input from the power switch 53.
  • an LC filter or an RC filter can be used for the low-pass filter 54.
  • a capacitor C51 and a capacitor C52 are inserted into the differential signal line. Capacitor C51 and capacitor C52 are DC cut capacitors that galvanically insulate between communication unit 52 and the internal power line.
  • the connector CN5 of the main management unit 50 and the first connector CN31 of the third sub management unit 30 are connected by a power line 40v.
  • the first connector CN31 and the second connector CN32 are connected by the internal power line L1.
  • a power branch line is branched from the connection point Na of the internal power line L 1, and the power branch line is connected to the insulation type DC / DC converter 33.
  • a low pass filter 34 is inserted into the power branch line.
  • the low-pass filter 34 removes a high-frequency component of power input from the connection point a of the internal power line L1 and outputs it to the isolated DC / DC converter 33.
  • an LC filter or an RC filter can be used for the low-pass filter 34.
  • the first differential signal wiring is branched from the first connection point N1 of the internal power line L1 of the third sub management unit 30, and the first differential signal wiring is connected to the communication terminal of the upstream port of the communication unit 32.
  • Capacitor C31 and capacitor C32 are inserted into the first differential signal wiring.
  • the second differential signal wiring is branched from the second connection point N2 of the internal power line L1 of the third sub-management unit 30, and the second differential signal wiring is connected to the communication terminal of the downstream port of the communication unit 32.
  • a capacitor C33 and a capacitor C34 are inserted into the second differential signal wiring.
  • Capacitors C31 to C34 are DC cut capacitors that galvanically insulate between the communication unit 32 and the internal power line L1.
  • a low pass filter 35 is inserted between the first connection point N1 and the second connection point N2.
  • the low-pass filter 35 is a filter that passes DC power between the first connection point N1 and the second connection point N2 and blocks high-frequency components.
  • the second connector CN32 of the third sub management unit 30 and the first connector CN21 of the second sub management unit 20 are connected by a power line 40v.
  • the first connector CN21 and the second connector CN22 are connected by an internal power line L1.
  • a power branch line is branched from the connection point Na of the internal power line L 1, and the power branch line is connected to the insulated DC / DC converter 23.
  • a low pass filter 24 is inserted into the power branch line. The low-pass filter 24 removes the high frequency component of the power input from the connection point a of the internal power line L1 and outputs it to the insulation type DC / DC converter 23.
  • the first differential signal wiring is branched from the first connection point N1 of the internal power line L1 of the second sub management unit 20, and the first differential signal wiring is connected to the communication terminal of the upstream port of the communication unit 22.
  • a capacitor C21 and a capacitor C22 are inserted into the first differential signal wiring.
  • the second differential signal wiring is branched from the second connection point N2 of the internal power line L1 of the second sub-management unit 20, and the second differential signal wiring is connected to the communication terminal of the downstream port of the communication unit 22.
  • Capacitor C23 and capacitor C24 are inserted into the second differential signal wiring.
  • Capacitors C21 to C24 are DC cut capacitors that galvanically insulate between the communication unit 22 and the internal power line L1.
  • a low pass filter 25 is inserted between the first connection point N1 and the second connection point N2.
  • the low-pass filter 25 is a filter that allows direct-current power to pass between the first connection point N1 and the second connection point N2 and blocks high-frequency components.
  • the second connector CN22 of the second sub management unit 20 and the connector CN1 of the first sub management unit 10 are connected by a power line 40v.
  • the connector CN1 and the insulated DC / DC converter 13 are connected by an internal power line L1.
  • a low pass filter 14 is inserted into the internal power line L1. The low-pass filter 14 removes the high frequency component of the input power and outputs it to the isolated DC / DC converter 13.
  • the differential signal wiring is branched from the connection point Na of the internal power line L1 of the first sub management unit 10, and the differential signal wiring is connected to the communication terminal of the communication unit 12.
  • a capacitor C11 and a capacitor C12 are inserted into the differential signal wiring.
  • Capacitor C11 and capacitor C12 are DC cut capacitors that galvanically insulate between communication unit 12 and connection point Na.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration example of the third sub-management unit 30 in FIG.
  • the equalization circuit 31b includes a switch control circuit 31ba and a cell selection circuit 31bb.
  • the cell selection circuit 31bb includes a plurality of switches S30 to S39.
  • the insulation type DC / DC converter 33 is constituted by an insulation type flyback DC / DC converter.
  • the isolated flyback DC / DC converter includes a transformer T3, a switch S3, and a diode D3.
  • the primary winding and the secondary winding of the transformer T3 are connected in reverse polarity.
  • the insulation type DC / DC converter 33 is not limited to the insulation type flyback DC / DC converter, and may have any configuration as long as it is an insulation type power supply circuit.
  • an insulated forward DC / DC converter is known in addition to the above-described insulated flyback DC / DC converter.
  • Both ends of the primary winding of the transformer T3 are connected to the power line 40v via the low-pass filter 34.
  • a switch S3 is inserted between one end of the primary winding and the minus line of the power line 40v.
  • a rectifying diode D3 is connected to one end of the secondary winding of the transformer T3.
  • the secondary winding of the transformer T3 and both ends of any one of the plurality of cells E11 to E15 are connected via the plurality of switches S30 to S39.
  • a voltage line is connected to each node of the plurality of cells E11-E15.
  • the first voltage line, the third voltage line, and the fifth voltage line are coupled by a positive electrode wiring Lp3, and the second voltage line, the fourth voltage line, and the sixth voltage line are coupled by a negative electrode wiring Lm3.
  • Switches S30 to S35 are inserted into the first voltage line to the sixth voltage line, respectively.
  • the terminal on the current output side of the secondary winding of the transformer T3 and the positive line Lp3 are connected via a switch S36, and the terminal on the current output side of the secondary winding and the negative line Lm3 are connected via a switch S37.
  • the terminal on the current input side of the secondary winding of the transformer T3 and the positive electrode wiring Lp3 are connected via a switch S39, and the terminal on the current input side of the secondary winding and the negative electrode wiring Lm3 are connected via a switch S38. Connected.
  • the switch control circuit 31ba turns on the switch S3 of the isolated flyback DC / DC converter and the plurality of switches S30 to S39 of the cell selection circuit 31bb based on the equalization control signal input from the communication unit 32. Control off / off.
  • the switch control circuit 31ba controls the two switches, switches S36 / S37 and switches S38 / S39 inserted in the two voltage lines connected to the nodes at both ends of the cell to be charged, to turn on. For example, when charging the cell E11, the switch S30, the switch S31, the switch S36, and the switch S38 are controlled to be in an on state. When charging the cell E12, the switch S31, the switch S32, the switch S37, and the switch S39 are controlled to be in an on state.
  • the on-time of each cell follows the charging time of each cell included in the control signal received from the control unit 51 of the main management unit 50. Note that the order of charging the plurality of cells E11 to E15 may be the order in which the charging time is long, or the order from the top.
  • the switch control circuit 31ba may be configured to control the switch S3 by PWM (Pulse Width Modulation).
  • PWM Pulse Width Modulation
  • the ground of the switch control circuit 31ba may have a different potential from the ground of the circuit including the switch S3.
  • the control signal from the switch control circuit 31ba is insulated through the insulation circuit.
  • the insulated flyback DC / DC converter steps down the voltage of the lead battery 2 and outputs a charging voltage.
  • a charging current flows in accordance with the voltage of the cell. However, the amount of this charging current can be adjusted by PWM control of the switch S3. .
  • the output of the isolated flyback DC / DC converter can be adjusted by the turn ratio of the primary winding and the secondary winding of the transformer T3 and the duty ratio of the switch S3.
  • various methods can be used for the charge control.
  • a constant current constant voltage method (CC-CV) is typically known, but any method that can charge a target cell using a DC voltage supplied from the lead battery 2 is known. Any configuration may be used.
  • an LC filter composed of an inductor L31, an inductor L32, and a capacitor C30 is used as the low-pass filter 34 inserted in the preceding stage of the insulated DC / DC converter 33.
  • the LC filter removes a communication signal (high frequency pulse signal) and common mode noise superimposed on the power line 40v.
  • an inductor L33 and an inductor L34 are used as the low-pass filter 35 inserted between the first connection point N1 and the second connection point of the internal power line L1 of the third sub-management unit 30.
  • the inductor L33 and the inductor L34 remove the communication signal (high frequency pulse signal) and the common mode noise superimposed on the power line 40v. Accordingly, the DC voltage supplied from the lead battery 2 is transmitted from the first connector CN31 to the second connector CN32 via the low-pass filter 35, and the communication signal is transmitted from the first connector CN31 to the second connector via the communication unit 32. It is transmitted to CN32.
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing an input voltage input to the third sub management unit 30 via the power line 40v.
  • a 12V DC voltage generated by the lead battery 2 and a high-frequency pulse signal generated by the communication unit 52 of the main management unit 50 are superimposed on the input voltage input to the third sub-management unit 30 via the power line 40v.
  • the isolated DC / DC converter 33 is supplied with a 12V DC voltage from which the high-frequency pulse signal has been removed by the low-pass filter 34.
  • the communication unit 32 of the third sub-management unit 30 receives a high-frequency pulse signal in which a DC voltage of 12 V is cut by the capacitor C31 and the capacitor C32.
  • the high-frequency pulse signal transmitted from the communication unit 32 and the DC voltage of 12V input via the low-pass filter 35 are superimposed, and the voltage obtained by superimposing both is transmitted from the second connector CN32.
  • the data is output to the second sub management unit 20 through the power line 40v.
  • the configuration of the third sub management unit 30 described above is similarly applied to the second sub management unit 20 and the first sub management unit 10.
  • the inductor L33, the inductor L34, the capacitor C33, the capacitor C34, and the second connector CN32 are unnecessary.
  • the plurality of sub management units 10-30 and the main management unit 50 are connected not by two systems of the power line 40v and the communication line 40c but by one system of the power line 40v.
  • a communication signal is superimposed on 40v.
  • the wiring harness between the plurality of sub management units 10-30 and the main management unit 50 can be made into one system, and wiring can be simplified. Further, an increase in wiring cost can be suppressed.
  • FIG. 5 is a diagram showing a configuration of the power supply system 1 according to the modification.
  • the circuit configuration shown in FIG. 5 includes capacitors C11-C12, C21-C22, C23-C24, C31-C32, C33-C34, and C51-C52 of the circuit configuration shown in FIG. 2 as transformers T11, T21, and T22, respectively. , Transformer T31, transformer T32, and transformer T51, respectively. By using a transformer, it is possible to more reliably insulate between the communication unit and the power line.
  • an example in which an active cell balance type equalization circuit is used has been described.
  • a passive cell balance type equalization circuit may be used.
  • the DC voltage supplied from the lead battery 2 and stepped down by the isolated DC / DC converter 13-33 is used as the power supply voltage of the ASIC 11-31 or the power supply voltage of the active element.
  • the example in which the low-pass filter and the DC cut filter are configured by passive elements such as an inductor and a capacitor has been described.
  • active elements such as an operational amplifier and a photocoupler are used for the low-pass filter and the DC cut filter. Power supply voltage is required.
  • the communication unit 12 of the first sub management unit 10 and the communication unit 52 of the main management unit 50 are replaced with the communication unit 22 of the second sub management unit 20 and the communication unit 32 of the third sub management unit 30.
  • a two-port configuration may be used, and the first sub management unit 10 and the main management unit 50 may be connected by a separate power line 40v to form a ring-type daisy chain connection.
  • the degree of superimposition / robustness of communication and power supply is improved.
  • the power consumption among the communication unit 12 of the first sub management unit 10, the communication unit 22 of the second sub management unit 20, and the communication unit 32 of the third sub management unit 30 is further leveled.
  • the main management unit (50) and the plurality of sub management units (10-30) are daisy chain connected by a power line (40v),
  • the main management unit (50) supplies power to the plurality of sub management units (10-30) from the power storage unit (2) other than the plurality of power storage modules (M1-M3) via the power line (40v).
  • the main management unit (50) and the plurality of sub management units (10-30) each include a communication unit (12-32), Each communication unit (12-32) superimposes a communication signal on the power line (40v), the management device (10-50). According to this, the wiring between the plurality of sub-management units (10-30) and the main management unit (50) can be simplified.
  • the sub-management unit (30) A voltage detection circuit (31a) for detecting voltages of a plurality of cells (E11-E15) included in the power storage module (M3); An equalization circuit (31b) for equalizing the capacity / voltage of the plurality of cells (E11-E15) included in the power storage module (M3),
  • the communication unit (32) transmits the voltages of the plurality of cells (E11-E15) detected by the voltage detection circuit (31a) to the main management unit (50) via the power line (40v),
  • the management apparatus (10-50) according to item 1, wherein a control signal for controlling the equalization circuit (31b) is received from the main management section (50) via the power line (40v).
  • a plurality of cells (E1-E5, E6-E10, E1-E15) can be equalized.
  • the sub-management unit (30) A DC / DC converter (33) for converting a DC voltage supplied from the power storage unit (2) other than the plurality of power storage modules (M1-M3) through the power line (40v) into a predetermined DC voltage; ,
  • the equalization circuit (31b) converts a cell indicated by the control signal among a plurality of cells (E11-E15) included in the power storage module (M3) by the DC / DC converter (33).
  • the management apparatus (10-50) characterized in that charging is performed with a direct current voltage. According to this, active cell balance using an external power supply can be put into practical use with simple wiring.
  • the sub-management unit (30) A first signal line connecting the first connection point (N1) of the power line (L1) and the first communication terminal of the communication unit (32); A second signal line connecting the second connection point (N2) of the power line (L1) and the second communication terminal of the communication unit (32); A first insulation circuit (C31, C32) that is inserted into the first signal wiring and that galvanically insulates between the first connection point (N1) and the first communication terminal; A second insulation circuit (C33, C34) that is inserted into the second signal wiring and galvanically insulates between the second connection point (N2) and the second communication terminal; A low-pass filter (25) inserted between the first connection point (N1) and the second connection point (N2) of the power line (L1);
  • the management device (10-50) according to any one of items 1 to 3, further comprising
  • the first insulation circuit (C31, C32) is a capacitor (C31, C32),
  • the second insulation circuit (C33, C34) is a capacitor (C33, C34),
  • the low-pass filter (35) is an inductor (L33, L34).
  • the management device (10-50) according to item 4. According to this, a circuit can be generated at low cost.
  • the first insulation circuit (T31) is a transformer (T31),
  • the second insulation circuit (T32) is a transformer (T32),
  • the low-pass filter (35) is an inductor (L33, L34).
  • the management device (10-50) according to item 4. According to this, it can insulate more reliably at low cost.
  • a plurality of power storage modules (M1-M3) each including a plurality of cells (E1-E5, E6-E10, E1-E15) connected in series; Management device (10-50) according to any one of items 1 to 6,
  • a power supply system (1) comprising: According to this, the wiring between the plurality of sub management units (10-30) and the main management unit (50) can be simplified.

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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

管理装置、電源システム
 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-E15 5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、 11 ASIC、 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 (7)

  1.  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。
  2.  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。
  3.  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。
  4.  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。
  5.  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。
  6.  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。
  7.  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。
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