JP2022107977A - 電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】複数の監視基板を共通化しつつ、必要な絶縁性能を安価に確保する。【解決手段】電池システム１は、複数の電池ユニット１０と、複数の電池ユニット１０にそれぞれ対応して設けられる複数の監視基板２０とを備える。複数の監視基板２０は、外部の電池管理ユニット２００に対して直列に接続される複数の通信インターフェイス２１をそれぞれ有する。各監視基板２０は、通信インターフェイス２１の上流および下流にそれぞれ配置される２つの低耐圧絶縁部品Ｌをさらに有する。複数の通信インターフェイス２１および電池管理ユニット２００によって形成される通信ラインにおける、サービスプラグ４０に対応する箇所、および電池管理ユニット２００に隣接する通信インターフェイス２１と電池管理ユニット２００との間には、高耐圧絶縁部品Ｈを有する絶縁基板３０が設けられる。【選択図】図１

Description

本開示は、電池システムに関する。

国際公開第２０１２／０５３４２６号（特許文献１）には、複数の電池セルを有する複数の電池ユニットと、複数の電池ユニットにそれぞれ対応して設けられた複数の分散型の監視基板とを備えた電池システムが開示されている。各監視基板は、電池セルの状態を検出するための監視回路と、監視回路による検出結果を出力するための通信インターフェイスとを有する。複数の監視基板にそれぞれ設けられる複数の通信インターフェイスは、外部のメインコントローラに対してカスケード接続（直列接続）されている。

また、特開２０１９－２４３０７号公報（特許文献２）には、複数の分散型の監視基板間において絶縁通信を行なう電池システムが開示されている。

国際公開第２０１２／０５３４２６号 特開２０１９－２４３０７号公報

国際公開第２０１２／０５３４２６号（特許文献１）に開示されたように、メインコントローラに対して複数の分散型の監視基板を直列に接続することによって通信ラインが形成される場合、通信ラインにおいて高耐圧の絶縁性能が必要な箇所（たとえばメインコントローラに隣接する監視基板とメインコントローラとの境界など）が存在する。その一方で、分散型の監視基板においては、管理を容易にしたり組立自由度を向上させたりするために、共通化する（同一設計とする）ことが望まれる。この要求から、仮に各監視基板に設けられる全ての絶縁部品を、高い耐電圧性能を有する絶縁部品にすると、高価な高耐圧の絶縁部品の数が必要以上に多くなり、全体のシステムコストが増加してしまうことが懸念される。

しかしながら、国際公開第２０１２／０５３４２６号（特許文献１）および特開２０１９－２４３０７号公報（特許文献２）においては、上述の課題およびその対策について何ら言及されていない。

本開示は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、直列接続される複数の監視基板を共通化しつつ、必要な絶縁性能を安価に確保することである。

本開示による電池システムは、各々が少なくとも１つの電池セルを有する複数の電池ユニットと、複数の電池ユニットにそれぞれ対応して設けられ、外部装置に対して直列に接続される複数の通信装置をそれぞれ有する複数の分散基板と、複数の通信装置および外部装置によって形成される通信ラインに設けられる第１種の絶縁部品と、通信ラインに設けられる、第１種の絶縁部品よりも高い耐電圧性を有する第２種の絶縁部品とを備える。複数の分散基板の各々は、通信装置の上流および下流の一方に配置される第１絶縁部品と、通信装置の上流および下流の他方に配置される第２絶縁部品とをさらに有する。第１絶縁部品は第１種の絶縁部品であり、第２絶縁部品は第１種の絶縁部品および第２種の絶縁部品のどちらかである。

本開示によれば、直列接続される複数の監視基板を共通化しつつ、必要な絶縁性能を安価に確保することができる。

電池システムの構成の一例を模式的に示す図（その１）である。 比較例による電池システムの構成の一例を模式的に示す図である。 電池システムの構成の一例を模式的に示す図（その２）である。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

図１は、本実施の形態による電池システム１の構成の一例を模式的に示す図である。電池システム１は、たとえば車両に搭載され、車両負荷１００（たとえば電池システム１から供給される電力で車両の駆動力を発生するパワーユニット）との間で電力をやり取りする。

電池システム１は、車両負荷１００に対して直列に接続される複数（図１に示す例では４つ）の電池ユニット１０と、複数の電池ユニット１０に対応してそれぞれ設けられる複数の監視基板（分散基板）２０とを備える。

図１に示す例では、任意の１つの電池ユニット１０と、その電池ユニット１０に対応する監視基板２０とが、１つの電池モジュールＭとして構成される。なお、車両負荷１００および複数の電池モジュールＭは、通常の使用時において、たとえば車両を駆動するための大きな動力を発生させるための比較的高い電圧（たとえば数百ボルト程度）が印加される「高電圧系」に属する。これに対し、電池管理ユニット２００は、通常の使用時において、高電圧系に用いられるような高い電圧は印加されず、車両の補機等を作動させるための比較的低い電圧（たとえば１２ボルト程度）によって作動する「低電圧系」に属する。

各電池ユニット１０は、直列に接続された複数の電池セル１１を有する。なお、各電池ユニット１０に含まれる電池セル１１の数は、必ずしも複数である必要はなく、１つであてもよい。

複数の電池ユニット１０のうちの互いに隣り合う特定の２つの電池ユニット１０の間（図１に示す例では、上から２つ目の電池ユニット１０（第１の電池ユニット）と上から３つ目の電池ユニット１０（第２の電池ユニット）との間）には、車両負荷１００あるいは電池システム１の点検作業をする際に、車両負荷１００と複数の電池ユニット１０とを含む電気回路を遮断するためのサービスプラグ４０が設けられる。

各監視基板２０は、対応する電池ユニット１０内の各電池セル１１の状態（電圧および温度）を監視する機能を有する。すなわち、本実施の形態による電池システム１においては、複数の電池セル１１の監視を１つの監視基板で行なうのではなく、複数の監視基板２０で分散して行なう。

複数の監視基板２０は、複数の通信インターフェイス２１をそれぞれ有する。複数の通信インターフェイス２１は、外部の電池管理ユニット２００に対して、カスケード接続（直列接続）される。各通信インターフェイス２１は、隣り合う機器（監視基板２０あるいは電池管理ユニット２００）との間で、パルス信号による絶縁通信を行なう機能を有する。

本明細書では、複数の通信インターフェイス２１をカスケード接続することによって形成される通信ラインにおいて、電池管理ユニット２００に遠い側を「上流」と定義し、電池管理ユニット２００に近い側を「下流」と定義する。なお、通信ラインの「上流」および「下流」の定義は上記の定義に限定されるものではない。たとえば、電池管理ユニット２００に近い側を「上流」と定義し、電池管理ユニット２００に遠い側を「下流」と定義するようにしてもよい。

各監視基板２０は、通信ラインの上流に配置される機器（監視基板２０）と、通信ラインの下流に配置される機器（監視基板２０あるいは電池管理ユニット２００）とに接続可能に構成される。各監視基板２０の監視結果は、各通信インターフェイス２１から、下流の通信インターフェイス２１を経由して電池管理ユニット２００に送られる。本実施の形態においては、通信ラインの最上流に配置される監視基板２０を他の監視基板２０には接続しない接続形態としている。

電池管理ユニット２００は、最下流の通信インターフェイス２１との通信を行なう通信インターフェイス２０１を有する。電池管理ユニット２００は、複数の分散型の監視基板２０の監視結果を統合的に管理するマスターコントローラとして機能する。

各監視基板２０は、管理を容易にしたり組立自由度を向上させたりする目的から、共通化されており、同一の設計構成を有する。各監視基板２０は、通信インターフェイス２１に加えて、隣り合う他の機器との間で絶縁性を確保するための絶縁通信部品を有する。絶縁通信部品は、通信インターフェイス２１の上流および下流にそれぞれ配置される。以下では、各監視基板２０において、通信インターフェイス２１の上流に配置される絶縁通信部品を「上流側絶縁部品」（第１絶縁部品）とも称し、通信インターフェイス２１の下流に配置される絶縁通信部品を「下流側絶縁部品」（第２絶縁部品）とも称する。

本実施の形態においては、各監視基板２０の上流側絶縁部品および下流側絶縁部品の双方が、低耐圧絶縁部品Ｌ（第１種の絶縁部品）である。本実施の形態において、低耐圧絶縁部品Ｌはコンデンサによって構成される。

ただし、サービスプラグ４０が設けられる箇所においては、点検作業時に高電圧系の高い電圧が外部に印加されるのをより確実に防止するために、高い耐電圧性が求められる。この点に鑑み、本実施の形態による通信ラインにおいては、サービスプラグ４０に対応する箇所、具体的には、図１において、上から２つ目の電池ユニット１０（第１の電池ユニット）に対応する通信インターフェイス２１（第１の通信装置）と、上から３つ目の電池ユニット１０（第２の電池ユニット）に対応する通信インターフェイス２１（第２の通信装置）との間に、絶縁基板３０が設けられる。絶縁基板３０には、低耐圧絶縁部品Ｌ（第１種の絶縁部品）よりも高い耐電圧性を有する高耐圧絶縁部品Ｈ（第２種の絶縁部品）が備えられる。本実施の形態において、高耐圧絶縁部品Ｈはトランスによって構成される。なお、高耐圧絶縁部品Ｈ（第２種の絶縁部品）は、一般的に、低耐圧絶縁部品Ｌ（第１種の絶縁部品）よりも高価である。

絶縁基板３０は、各監視基板２０の内部ではなく外部に設けられる。すなわち、絶縁基板３０は、同一の設計構成を有する複数の監視基板２０とは別に設けられる。

さらに、高電圧系と低電圧系との境界となる箇所においても、高電圧系の高い電圧が低電圧系に印加されるのをより確実に防止するために、高い耐電圧性が求められる。この点に鑑み、本実施の形態による通信ラインにおいては、高耐圧絶縁部品Ｈを有する上述の絶縁基板３０が、高電圧系と低電圧系との境界となる箇所、具体的には、電池管理ユニット２００に隣接する通信インターフェイス２１（すなわち最下流の通信インターフェイス２１）と低電圧系の電池管理ユニット２００との間にも設けられる。

なお、本実施の形態による電池管理ユニット２００は、通信インターフェイス２０１に加えて、通信インターフェイス２０１の上流に配置される低耐圧絶縁部品Ｌを有している。

本実施の形態による電池システム１は、上述のような構成を有することによって、直列接続される複数の分散型の監視基板２０を共通化しつつ（同一の設計構成としつつ）、必要な絶縁性能を安価に確保することができる。以下、この点について詳しく説明する。

上述のように、複数の監視基板２０をカスケード接続することによって形成される通信ラインにおいては、高耐圧の絶縁性能が必要な箇所が存在する。その一方で、複数の分散型の監視基板２０においては、管理を容易にしたり組立自由度を向上させたりするために、共通化する（同一設計とする）ことが望まれる。この要求から、仮に各監視基板２０の上流側絶縁部品および下流側絶縁部品を高耐圧絶縁部品Ｈとすると、高価な高耐圧絶縁部品Ｈの数が必要以上に多くなり、高額になってしまうことが懸念される。

図２は、比較例による電池システムの構成の一例を模式的に示す図である。図２に示す比較例による電池システムは、本実施の形態による電池システム１の各監視基板２０の上流側絶縁部品および下流側絶縁部品を高耐圧絶縁部品Ｈに変更したものである。この比較例では、複数の分散型の監視基板を共通化でき、かつ高耐圧の絶縁性能を確保できる。

しかしながら、高耐圧の絶縁性能が実際に必要な箇所は、サービスプラグ４０が設けられる箇所、および高電圧系と低電圧系との境界となる箇所に限られる。それにも関わらず、この比較例においては、高耐圧の絶縁性能が不要な箇所にも高価な高耐圧絶縁部品Ｈが配置されることになり、不必要に高額化してしまう。

これに対し、本実施の形態による電池システム１においては、上述の図１に示すように、各監視基板２０の上流側絶縁部品および下流側絶縁部品を高耐圧絶縁部品Ｈよりも安価な低耐圧絶縁部品Ｌとしつつ、高耐圧の絶縁性能が実際に必要な箇所（サービスプラグ４０が設けられる箇所、および高電圧系と低電圧系との境界となる箇所）に、高耐圧絶縁部品Ｈを有する絶縁基板３０を、監視基板２０の外部に個別に配置している。このように、高耐圧が必要な箇所のみ別部品として高耐圧絶縁部品Ｈを挿入することで、必要最低限の絶縁通信構成を達成しつつ、全体のシステムコストを低減できる。その結果、直列接続される複数の分散型の監視基板２０を共通化しつつ、必要な絶縁性能を安価に確保することができる。

＜変形例＞
図３は、本変形例による電池システム１Ａの構成の一例を模式的に示す図である。電池システム１Ａは、上述の電池システム１の電池モジュールＭおよび電池管理ユニット２００をそれぞれ電池モジュールＭＡおよび電池管理ユニット２００Ａに変更し、さらに絶縁基板３０を削除したものである。電池システム１Ａのその他の構成は、上述の電池システム１と同じであるため、ここでの詳細な説明は繰返さない。

電池モジュールＭＡは、上述の電池モジュールＭの監視基板２０を監視基板２０Ａに変更したものである。監視基板２０Ａは、上述の監視基板２０の上流側絶縁部品（第１絶縁部品）を、低耐圧絶縁部品Ｌから高耐圧絶縁部品Ｈに変更したものである。すなわち、監視基板２０Ａにおいては、上流側絶縁部品が高耐圧絶縁部品Ｈであり、下流側絶縁部品が低耐圧絶縁部品Ｌである。なお、本変形例による電池管理ユニット２００Ａは、通信インターフェイス２０１と、通信インターフェイス２０１の上流に配置される高耐圧絶縁部品Ｈとを有する。

本変形例による電池システム１Ａは、上述のように監視基板２０Ａの上流側絶縁部品を高耐圧絶縁部品Ｈとし、下流側絶縁部品を低耐圧絶縁部品Ｌとすることによって、監視基板の上流側絶縁部品および下流側絶縁部品の双方を高耐圧絶縁部品Ｈとする場合（上述の図２参照）に比べて高耐圧絶縁部品Ｈの数を半減しつつ、かつ高耐圧絶縁部品Ｈを有する絶縁基板３０を別途設けることなく、高耐圧の絶縁性能を確保することができる。その結果、直列接続される複数の分散型の監視基板２０Ａを共通化しつつ、必要な絶縁性能を安価に確保することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１，１Ａ 電池システム、１０ 電池ユニット、１１ 電池セル、２０，２０Ａ 監視基板、２１，２０１ 通信インターフェイス、３０ 絶縁基板、４０ サービスプラグ、１００ 車両負荷、２００，２００Ａ 電池管理ユニット、Ｈ 高耐圧絶縁部品、Ｌ 低耐圧絶縁部品、Ｍ，ＭＡ 電池モジュール。

Claims (6)

1. 各々が少なくとも１つの電池セルを有する複数の電池ユニットと、
   前記複数の電池ユニットにそれぞれ対応して設けられ、外部装置に対して直列に接続される複数の通信装置をそれぞれ有する複数の分散基板と、
   前記複数の通信装置および前記外部装置によって形成される通信ラインに設けられる第１種の絶縁部品と、
   前記通信ラインに設けられる、前記第１種の絶縁部品よりも高い耐電圧性を有する第２種の絶縁部品とを備え、
   前記複数の分散基板の各々は、
   前記通信装置の上流および下流の一方に配置される第１絶縁部品と、
   前記通信装置の上流および下流の他方に配置される第２絶縁部品とをさらに有し、
   前記第１絶縁部品は前記第１種の絶縁部品であり、
   前記第２絶縁部品は前記第１種の絶縁部品および前記第２種の絶縁部品のどちらかである、電池システム。
2. 前記第１種の絶縁部品はコンデンサであり、
   前記第２種の絶縁部品はトランスである、請求項１に記載の電池システム。
3. 前記第２絶縁部品は前記第１種の絶縁部品であり、
   前記第２種の絶縁部品は、前記複数の分散基板の外部に配置される、請求項１または２に記載の電池システム。
4. 前記複数の電池ユニットは直列に接続され、
   前記電池システムは、前記複数の電池ユニットのうちの互いに隣り合う第１の電池ユニットと第２の電池ユニットとの間に設けられるサービスプラグをさらに備え、
   前記第２種の絶縁部品は、前記複数の通信装置のうちの前記第１の電池ユニットに対応する第１の通信装置と前記第２の電池ユニットに対応する第２の通信装置との間に設けられる、請求項３に記載の電池システム。
5. 前記複数の電池ユニットの出力電圧は前記外部装置の作動電圧よりも高く、
   前記第２種の絶縁部品は、前記複数の通信装置のうちの前記外部装置に隣接する通信装置と前記外部装置との間に設けられる、請求項３または４に記載の電池システム。
6. 前記第２絶縁部品は、前記第２種の絶縁部品である、請求項１または２に記載の電池システム。

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