JP5543014B2

JP5543014B2 - 通信システムおよび蓄電池システム

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Publication number: JP5543014B2
Application number: JP2013504526A
Authority: JP
Inventors: 孝義阿部; 浩二松村; 貴功原田; 圭介淺利; 昌男山口
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2011-03-14
Filing date: 2011-12-20
Publication date: 2014-07-09
Anticipated expiration: 2031-12-20
Also published as: WO2012124233A1; EP2688178A4; JPWO2012124233A1; EP2688178A1; US20130193925A1; CN203205954U

Description

本発明は、通信システムおよび蓄電池システムに関する。

従来、蓄電池セルを有した電池パックを複数備えた通信システムが存在する。このような通信システムは、例えば特許文献１に開示されている。

特許文献１の通信システムでは、複数の蓄電池セルから成るモジュール電池とセルコントローラを有する電池パックが直列接続される。そして、セルコントローラは、検出された電池状態情報を絶縁通信回路を介してバッテリコントローラに送信する。

特開２００８−２３５０３２号公報（第３図等）

上記特許文献１では、絶縁通信回路にフォトカプラを使用している。フォトカプラによる絶縁については、国内外の様々な安全規格にて、危険な高電圧からユーザの安全を保護するために、絶縁距離、沿面距離並びに空間距離の最小値が規定されている。絶縁距離とは、樹脂で絶縁された発光側と受光側との間の最短距離である（図９のＬ０）。沿面距離とは、パッケージ表面に沿った発光側端子と受光側端子との間の最短距離である（図９のＬ１）。空間距離とは、樹脂外部の空間で発光側端子と受光側端子との間が最短となる距離である（図９のＬ２）。

電池パックの直列接続による２００Ｖ〜６００Ｖの高圧の蓄電池システムでは、絶縁通信回路にフォトカプラを使用することは可能である。しかしながら、電池パックの直列接続数を増やして６００Ｖ以上のさらに高圧な蓄電池システムを構築しようとすると、グローバルの安全規格に準拠させるためにはフォトカプラによる絶縁は限界となってしまう。

上記問題点に鑑み、本発明は、電池パックの直列接続により高圧なシステムを構築する場合でも、構成機器間の通信路の絶縁対策を効果的に行える通信システムおよびこれを備えた蓄電池システムを提供することを目的とする。

本発明の或る態様に係る通信システムは、少なくとも一つの蓄電池セルを有する複数の電池パックが直列接続されてなる組電池と、前記電池パックを管理するバッテリ管理部と、前記バッテリ管理部から前記各電池パックへの電池データ要求通信用に前記バッテリ管理部と前記各電池パック間をデイジーチェーン接続する光回線と、前記各電池パックから前記バッテリ管理部への電池データ通信用に前記バッテリ管理部と前記各電池パック間を１対１に接続する光回線と、を備える構成とする。

また、本発明の他の態様に係る通信システムは、バッテリ管理部から各電池パックへの電池データ要求コマンドをブロードキャストで送信することを特徴とする。

また、本発明の蓄電池システムは、上記いずれかの構成の通信システムと、前記通信システムが有する組電池に接続される電力変換部と、を備える構成とする。

本発明によると、電池パックの直列接続により高圧なシステムを構築する場合でも、通信に光回線を用いるので構成機器間の通信路の絶縁対策を効果的に行える。

本発明に係る蓄電池システムの全体構成例を示す図である。本発明に係る電池パックの構成例を示す図である。本発明に係るＢＭＵ（Battery Management Unit）の構成例を示す図である。本発明に係る通信システムの第１実施形態の構成を示す図である。本発明に係る通信システムの第２実施形態の構成を示す図である。本発明に係る通信システムの第２実施形態における配線ミスの一例を示す図である。本発明に係る通信システムの第３実施形態の構成を示す図である。本発明に係る通信システムの第３実施形態におけるアドレス割り当て処理の一例を示す図である。フォトカプラの一例の概略断面を示す図である。

以下に本発明の一実施形態を図面を参照して説明する。本発明に係る蓄電池システムの全体構成例を図１に示す。但し、図１において、細い実線は信号線を示し、太い実線は電力線を示す。図１に示す蓄電池システムは、マスタコントローラ１と、ＨＵＢ２と、電力変換器管理部３と、電力変換器（Power Conversion System（ＰＣＳ））４と、蓄電池ユニット５と、を備えている。

電力変換器管理部３は、マスタコントローラ１から充放電制御指令を受け、複数設けられた電力変換器４の動作を管理する機能を有する。電力変換器４ごとに組電池５０が電力線により複数接続される。電力変換器４は、外部の電力源（不図示）と組電池５０との間の電力変換、あるいは組電池５０と外部の負荷（不図示）との間の電力変換を行う機能を有し、双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ等のコンバータである。例えば、外部の電力源が外部商用電源の場合は、電力変換器４として双方向ＡＣ／ＤＣコンバータが用いられ、外部の電力源が太陽電池の場合は、電力変換器４として双方向ＤＣ／ＤＣコンバータが用いられる。

電力変換器管理部３は、充放電制御指令に基づき、電力変換器４の動作を制御し、外部の電力源の電力を組電池５０に一旦蓄電させたり、蓄電した電力を外部の負荷に放電させる電力管理を行う機能を有する。

一つの電力変換器４に対応して複数の蓄電池ユニット５が設けられ、一つの蓄電池ユニット５は、組電池５０と、ＢＭＵ（Battery Management Unit）５１と、ＢＳＵ（Battery Switching Unit）５２とを有する。組電池５０は、電池パックが複数直列接続されて構成され、直列接続により６００Ｖ以上の高圧システムとなっている。ＢＳＵ５２は、電力変換器４と組電池５０との間に配され、ＢＭＵ５１の制御の下で接続状態または開放状態とされる。

ＢＭＵ５１は、組電池５０との間で光回線による通信を行い、組電池５０への電池データ要求を行って組電池５０から電池データを取得する。そして、ＢＭＵ５１は、取得した電池データに基づき電池パックに不具合が生じたと判断した場合、組電池５０を電力変換器４から切り離すようＢＳＵ５２を開放状態とさせる。また、ＢＭＵ５１は、その不具合が生じた旨を電池データと共にまとめてマスタコントローラ１に送信もする。

なお、図１の構成では、複数の電力変換器４を一つの電力変換器管理部３により制御するようにしているが、一つの電力変換器管理部３に不具合があった場合に全ての電力変換器４を制御不能となる可能性がある。そこで、電力変換器４ごとに電力変換器管理部３を設ける構成としてもよい。

組電池５０を構成する電池パック５００の構成例を図２に示す。電池パック５００は、複数の蓄電池セル５０１と、電池状態検出部５０２と、制御部５０３と、光通信部５０４とを備えている。リチウムイオン電池等の複数の蓄電池セル５０１は、並列および直列に接続される。例えば、蓄電池セル５０１を２４個並列に接続し、並列接続された各段を１３個直列に接続する。なお、電池パック５００は、蓄電池セル５０１が並列接続された一つの単位のみを有してもよいし、単一の蓄電池セル５０１のみを有するようにしてもよい。

電池状態検出部５０２は、蓄電池５０１が並列接続されている各段の電圧値を検出すると共に、電池パック５００の＋−電極間の電流値および電圧値、電池パック５００のＳＯＣ（State Of Charge）、電池パック５００の温度を検出し、それらの検出データを制御部５０３に出力する。ここで、ＳＯＣとは、満充電容量に対する放電可能容量（残存容量）の比を百分率で表したパラメータである。ＳＯＣは、電池パック５００に流れる充放電電流の積算値から求められる他、予め決定された電池パック５００の開路電圧（Open Circuit Voltage（ＯＣＶ））とＳＯＣとの関係を示す計算式或いはテーブルを参照することにより求めることができる。制御部５０３は、電池状態検出部５０２から取得した検出データを電池データとして光通信部５０４を介して送信する。光通信部５０４は、光送信モジュールと光受信モジュールとから成る。

また、絶縁のため光通信部５０４を用いる場合は、メタルによる通信の場合のように通信部の駆動電力をＢＭＵ５１側から与えることができないため、光通信部５０４の駆動電力は蓄電池セル５０１から供給するようにしている。

また、ＢＭＵ５１の構成例を図３に示す。ＢＭＵ５１は、制御部５１０と、光通信部５１１と、通信インタフェース５１２とを備えている。光通信部５１１は、光送信モジュールと光受信モジュールとから成る。制御部５１０は、光通信部５１１を介して電池データ要求コマンドを組電池５０に送信し、電池データを組電池５０から取得する。また、制御部５１０は、ＢＳＵ５２を接続状態または開放状態に制御すると共に、通信インタフェース５１２およびＨＵＢ２を介してマスタコントローラ１（図１）と通信を行う。

＜通信システムの第１実施形態＞
次に、各電池パック５００とＢＭＵ５１から構成される通信システムについて説明する。通信システムの第１実施形態の構成を図４に示す。図４では、Ｎ個（Ｎ：２以上の自然数）の電池パック５００が直列接続されて組電池５０を構成する（図４においてｎ（ｎ＝１〜Ｎ）個目の電池パック５００は「Ｂ−ｎ」と表記）。１個目の電池パック５００がＢＳＵ５２のプラス側に、Ｎ個目の電池パック５００がＢＳＵ５２のマイナス側に接続され、組電池５０は、ＢＳＵ５２を介して電力変換器４（図１）に接続される。

各電池パック５００は、光送信モジュールＴｘと光受信モジュールＲｘを有している。光送信モジュールＴｘは、ＬＥＤの点灯によりデータ送信を行う。直列接続における隣り合う電池パックの光送信モジュールＴｘと光受信モジュールＲｘとが光ファイバにより接続される。また、ＢＭＵ５１が有する光送信モジュールＴｘとＮ個目の電池パック５００が有する光受信モジュールＲｘとが光ファイバにより接続され、１個目の電池パック５００が有する光送信モジュールＴｘとＢＭＵ５１が有する光受信モジュールＲｘとが光ファイバにより接続される。これにより、各電池パック５００とＢＭＵ５１とが光ファイバによりデイジーチェーン接続されることになる。

電池データ通信においては、まず、ＢＭＵ５１が自身の光送信モジュールＴｘから送信対象の或る電池パック５００宛てに電池データ要求コマンドを送信する（電池データ要求は各電池パック５００に対して行う）。このとき、後述するアドレス割り当て処理により各電池パック５００に割り当てられるＩＤ番号を指定して電池データ要求コマンドを送信する。電池パック５００は、電池データ要求コマンドを受信すると、隣り合う次の電池パック５００に向けて電池データ要求コマンドを転送する。転送は、光通信部５０４（図２）にて制御部５０３（図２）の介在なしで遅延なく次々と行われ、１個目の電池パック５００の転送によりＢＭＵ５１は送信した電池データ要求コマンドを受信する。また、光通信部５０４（図２）は、電池データ要求コマンドの転送と共に、自身宛の電池データ要求コマンドか否かを判定するために、受信した電池データ要求コマンドを制御部５０３（図２）に出力する。

制御部５０３（図２）にて自身宛の電池データ要求コマンドと判定した電池パック５００は、ＢＭＵ５１に対して自身のＩＤ番号を含めた電池データを応答する。応答は、電池データ要求コマンドの受信完了から間隔（例えば、数十ミリ秒）をあけて、隣り合う次の電池パック５００に向けて電池データを送信することで行われる（１個目の電池パック５００はＢＭＵ５１に送信する）。電池データは、光通信部５０４（図２）にて制御部５０３（図２）の介在なしで遅延なく次々転送され、１個目の電池パック５００の転送により、ＢＭＵ５１は、各電池パック５００から電池データを取得することが可能となる。

このように、ＢＭＵ５１と各電池パック５００の間を光回線で接続することにより、電池パック５００の直列接続により６００Ｖ以上の高圧システムが構築されている場合でも、構成機器間の通信路の絶縁対策および耐ノイズ対策を効果的に行える。さらに、デイジーチェーン接続によりＢＭＵ５１側の通信ポートが一つで済むため、電池パック５００の直列接続数が変化しても柔軟に対応することができる。

また、本実施形態の構成の場合は、どの電池パック５００からの電池データなのかを識別するために、電池パック５００を識別するためのアドレス割り当て処理が必要となる。アドレス割り当て処理は、通信開始時に下記のように実施される。

（ステップ１）まず、ＢＭＵ５１は、アドレス設定用コマンドを各電池パック５００に対してブロードキャストする。

（ステップ２）各電池パック５００は、デイジーチェーン接続している自身の光送信モジュールＴｘをdisable（無効）とする。

（ステップ３）ＢＭＵ５１は、初期値のＩＤ番号（例えば「＃１」）を発行する。

（ステップ４）電池パック５００は、自身の光送信モジュールＴｘがdisableの場合、受信したＩＤ番号を自身のＩＤ番号に設定し、光送信モジュールＴｘをenable（有効）とし、隣り合う次の電池パック５００に対して自己のＩＤ番号に１を足したＩＤ番号を発行する。

（ステップ５）１個目の電池パック５００は、自身の光送信モジュールＴｘがdisableの場合、受信したＩＤ番号を自身のＩＤ番号に設定し、光送信モジュールＴｘをenable（有効）とし、ＢＭＵ５１に対して自己のＩＤ番号に１を足したＩＤ番号（＝初期値＋Ｎ）を発行する。ＢＭＵ５１が１個目の電池パック５００により発行されたＩＤ番号を受信すると、アドレス割り当て処理が終了する。

なお、本実施形態は、上述したような効果を有しているが、次のような課題も有している。第１に、電池データ要求コマンド送信時のデータよりも電池データ送信時のデータのほうがデータ量が多く、電池データ送信時に電池パック５００は自身のデータに加えて自身より後段の全ての電池パック５００からのデータを送信する必要がある。従って、送信のためのＬＥＤ点灯時間が電池パック５００間でばらつくこととなり、電池パック５００間の容量バランスが崩れる。電池パック間の容量バランスの崩れについて極端な例を挙げると、直列接続された電池パック列の中に、満充電の電池パックと空の電池パックが混在した状態では、満充電の電池パックがあるため充電すると過充電になるので充電できず、空の電池パックがあるため放電すると過放電になるので放電できない。よって、放電も充電もできない状態となる。

第２として、電池パック５００は、自身宛でないデータを転送するためにＬＥＤの点灯が必要であり、電力消費が大きくなるという課題である。

＜通信システムの第２実施形態＞
次に、通信システムの第２実施形態の構成を図５に示す。図５に示す構成では、ＢＭＵ５１が有するＮ個の各光送信モジュールＴｘと、Ｎ個の電池パック５００の各光受信モジュールＲｘとが１対１に光ファイバにより接続される。また、Ｎ個の電池パック５００の各光送信モジュールＴｘと、ＢＭＵ５１が有するＮ個の各光受信モジュールＲｘとが１対１に光ファイバにより接続される。

このような構成における通信方法としては、ＢＭＵ５１の光送信モジュールＴｘから各電池パック５００に対して電池データ要求コマンドを順次送信し、電池データ要求コマンドを受信した時点で電池パック５００が光送信モジュールＴｘからＢＭＵ５１に対して電池データを送信する（即ち、ＢＭＵ５１は各電池パック５００から電池データを順次受信する）。

或いは別の通信方法として、全ての電池パック５００に対してＢＭＵ５１から一斉に電池データ要求コマンドを送信し、ＢＭＵ５１が全ての電池パック５００から並列して電池データを受信するようにしてもよい。

このような本実施形態であれば、各電池パック５００は直接ＢＭＵ５１と通信を行えるため、電池パック５００間のＬＥＤ点灯時間のばらつきを抑え、電池パック５００間の容量バランスの崩れを抑制できる。また、第１実施形態のように電池パック５００は自身宛でないデータを転送する必要がないので、電力消費を抑えることもできる。但し、本構成では、電池パック５００の直列接続数に応じたＢＭＵ５１側の送受信ポートと配線の増加といった課題がある。

また、本構成の場合は、どの電池パック５００からの電池データなのかは接続ポートによって一意に識別可能である。しかしながら、例えば図６に示すように１個目の電池パック５００の光送信モジュールＴｘを、本来２個目の電池パック５００が接続されるべきＢＭＵ５１の光受信モジュールＲｘに接続し、２個目の電池パック５００の光送信モジュールＴｘを、本来１個目の電池パック５００が接続されるべきＢＭＵ５１の光受信モジュールＲｘに接続するといった配線ミスが生じる可能性がある。このような場合、１個目の電池パック５００からの電池データであると識別したが、実際は２個目の電池パック５００の電池データであり、２個目の電池パック５００からの電池データであると識別したが、実際は１個目の電池パック５００の電池データであったという識別ミスが生じてしまう。

そこで、正しく電池パック５００を識別できるように下記のようなアドレス割り当て処理を行ってもよい。アドレス割り当て処理は、通信開始時に下記のように実施される。

（ステップ１）まず、ＢＭＵ５１は、最初の送信ポート（光送信モジュールＴｘ）から電池パック５００に対してＩＤ番号（例えば「＃１」）を発行する（例えば、Ｎ個目の電池パック５００に対してＩＤ番号を発行）。

（ステップ２）ＩＤ番号を受信した電池パック５００は、そのＩＤ番号を自身のＩＤ番号に設定し、ＢＭＵ５１に対して応答する。

（ステップ３）ＢＭＵ５１は、次の送信ポートから電池パック５００に対して次のＩＤ番号を発行する。

最後の送信ポートまで上記ステップ３とステップ２を繰り返すと、処理は終了する。このようにアドレス割り当て処理を行えば、電池データ送信時に電池パック５００が自身のＩＤ番号をＢＭＵ５１に対して送信するようにすることで、ＢＭＵ５１はどの電池パック５００からの電池データかを、Ｎ個の各光送信モジュールＴｘと、ＢＭＵ５１が有するＮ個の各光受信モジュールＲｘとの１対１の配線に依らず正しく識別できるようになる。しかしながら、ＢＭＵ５１が有するＮ個の各光送信モジュールＴｘと、Ｎ個の電池パック５００の各光受信モジュールＲｘとの１対１の配線ミスがあった場合は、アドレス割り当て処理を行ったとしても、識別ミスは生じてしまう。

＜通信システムの第３実施形態＞
次に、通信システムの第３実施形態の構成を図７に示す。図７に示す構成では、電池データ要求の通信用にＢＭＵ５１と各電池パック５００を光ファイバによりデイジーチェーン接続し、電池データの通信用に各電池パック５００の光送信モジュールＴｘとＢＭＵ５１が有するＮ個の光受信モジュールＲｘとを１対１に光ファイバにより接続する。

通信方法については、まず、ＢＭＵ５１は自身の光送信モジュールＴｘからブロードキャスト用のアドレスを指定して電池データ要求コマンドを送信する。電池データ要求コマンドを受信した電池パック５００は、ブロードキャスト用のアドレスから自身宛と判断し、電池データを自身の光送信モジュールＴｘからＢＭＵ５１に対して送信すると共に、隣り合う次の電池パック５００へ電池データ要求コマンドを転送する。これにより、Ｎ個目から２個目までの電池パック５００が電池データを順次ＢＭＵ５１に送信し、電池データ要求コマンドを転送された１個目の電池パック５００は、電池データを自身の光送信モジュールＴｘからＢＭＵ５１に対して送信すると共に、ＢＭＵ５１へ電池データ要求コマンドを転送する。

電池データ要求コマンドを受信したＢＭＵ５１は、電池データ要求コマンドを確認することでデータ化けがないか、光回線の断線がないか等を判断できる。なお、１個目の電池パック５００からＢＭＵ５１への電池データ要求コマンドを転送するための光回線は必須ではない（このような光回線がない接続形態もデイジーチェーン接続に含まれる）。

本実施形態によれば、デイジーチェーン接続と１対１接続とを組み合わせることで、ＢＭＵ５１における通信ポートの増加をなるべく抑えることができる。さらに、電池データ要求コマンドをブロードキャストすること、および１対１接続による電池データ送信により、電池パック５００間のＬＥＤ点灯時間のばらつきを抑えて電池パック５００間の容量バランスの崩れを抑制できると共に、ＬＥＤ点灯による電力消費を抑えることもできる。

また、本構成の場合も、どの電池パック５００からの電池データなのかは接続ポートによって一意に識別可能であるが、第２実施形態で述べたような配線ミスがあった場合でも正しく電池パック５００を識別できるように下記のようなアドレス割り当て処理を行ってもよい。アドレス割り当て処理は、通信開始時に下記のように実施される（図８を参照、図８中の×はdisableを示す）。

（ステップ４）電池パック５００は、自身の光送信モジュールＴｘがdisableの場合、受信したＩＤ番号を自身のＩＤ番号に設定し、ＢＭＵ５１に対して電池データ送信用の光回線を介して応答し、光送信モジュールＴｘをenable（有効）とする。そして、電池パック５００は、隣り合う次の電池パック５００に対して自己のＩＤ番号に１を足したＩＤ番号を発行する。

（ステップ５）１個目の電池パック５００は、自身の光送信モジュールＴｘがdisableの場合、受信したＩＤ番号を自身のＩＤ番号に設定し、ＢＭＵ５１に対して電池データ送信用の光回線を介して応答し、光送信モジュールＴｘをenableとする。そして、１個目の電池パック５００は、ＢＭＵ５１に対して自己のＩＤ番号に１を足したＩＤ番号（＝初期値＋Ｎ）をデイジーチェーン接続の光回線を介して発行する。ＢＭＵ５１が１個目の電池パック５００により発行されたＩＤ番号を受信すると、アドレス割り当て処理が終了する。

このようにアドレス割り当て処理を行えば、電池データ送信時に電池パック５００が自身のＩＤ番号をＢＭＵ５１に対して送信するようにすることで、ＢＭＵ５１はどの電池パック５００からの電池データかを、Ｎ個の各光送信モジュールＴｘと、ＢＭＵ５１が有するＮ個の各光受信モジュールＲｘとの１対１の配線に依らず正しく識別できるようになる。また、第２実施形態とは異なり、電池データ要求通信用の配線は、直列接続における隣り合う電池パック５００をデイジーチェーン接続することで行われるので、配線ミスの可能性は低く、アドレス割り当て処理は有効に作用する。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の趣旨の範囲内であれば、実施形態は種々変更可能である。

例えば、第１実施形態および第３実施形態においてデイジーチェーン接続する場合、ＢＭＵ５１の光送信モジュールＴｘを１個目の電池パック５００の光受信モジュールＲｘに接続し、１個目の電池パック５００からＮ個目の電池パック５００に向かってデータ転送できるよう各電池パック５００間を接続し、Ｎ個目の電池パック５００の光送信モジュールＴｘをＢＭＵ５１の光受信モジュールＲｘに接続する構成としてもよい。なお、この場合、Ｎ個目の電池パック５００からＢＭＵ５１への接続は必須ではない（この接続をしない接続形態もデイジーチェーン接続に含まれる）。

１マスタコントローラ
２ＨＵＢ
３電力変換器管理部
４電力変換器（Power Conversion System（ＰＣＳ））
５蓄電池ユニット
５０組電池
５１ＢＭＵ（Battery Management Unit）
５２ＢＳＵ（Battery Switching Unit）
６０外部樹脂
６１内部樹脂
６２半田ランド
５００電池パック
５０１蓄電池セル
５０２電池状態検出部
５０３制御部
５０４光通信部
５１０制御部
５１１光通信部
５１２通信インタフェース
Ｔｘ光送信モジュール
Ｒｘ光受信モジュール

Claims

少なくとも一つの蓄電池セルを有する複数の電池パックが直列接続されてなる組電池と、
前記電池パックを管理するバッテリ管理部と、
前記バッテリ管理部から前記各電池パックへの電池データ要求通信用に前記バッテリ管理部と前記各電池パック間をデイジーチェーン接続する光回線と、
前記各電池パックから前記バッテリ管理部への電池データ通信用に前記バッテリ管理部と前記各電池パック間を１対１に接続する光回線と、
を備えることを特徴とする通信システム。
前記バッテリ管理部から前記各電池パックへの電池データ要求コマンドをブロードキャストで送信することを特徴とする請求項１に記載の通信システム。
請求項１又は請求項２に記載の通信システムと、前記通信システムが有する組電池に接続される電力変換部と、を備えたことを特徴とする蓄電池システム。