JP5954381B2 - 蓄電システム、電力消費装置および電動車両 - Google Patents
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Description
電池部の電池セルまたは電池ブロックのそれぞれの電圧を取得するモニタ部と、
モニタ部からの電圧の情報を電池部を管理する管理部に対して送信する通信部と、
無線伝送部を有し、通信部とモニタ部との間で、無線伝送部を通じて電圧の情報の通信を行うと共に、通信部からモニタ部に対して送信される信号を平滑化してモニタ部の電源を形成する絶縁伝送部とを備え、
無線伝送部が少なくとも2個のアンテナを有し、2個のアンテナが絶縁基板の異なる面にそれぞれ設けられ、絶縁基板によって絶縁された2個のアンテナ間で通信および電力伝送を行う蓄電装置に対して、集中型電力系統から電力網を介して電力が供給される蓄電システムである。
また、本開示は、それぞれが1の電池セル、複数の電池セルまたは複数の電池ブロックからなる複数の電池部と、
電池部の電池セルまたは電池ブロックのそれぞれの電圧を取得するモニタ部と、
モニタ部からの電圧の情報を電池部を管理する管理部に対して送信する通信部と、
無線伝送部を有し、管理部と通信部との間で、無線伝送部を通じて電圧の情報の通信を行うと共に、管理部から通信部に対して送信される信号を平滑化して通信部およびモニタ部の電源を形成する絶縁伝送部とを備え、
無線伝送部が少なくとも2個のアンテナを有し、2個のアンテナが絶縁基板の異なる面にそれぞれ設けられ、絶縁基板によって絶縁された2個のアンテナ間で通信および電力伝送を行う蓄電装置に対して、集中型電力系統から電力網を介して電力が供給される蓄電システムである。
また、本開示は、上述した蓄電システムから電力の供給を受ける電力消費装置である。
蓄電装置は、
それぞれが1の電池セル、複数の電池セルまたは複数の電池ブロックからなる複数の電池部と、
電池部の電池セルまたは電池ブロックのそれぞれの電圧を取得するモニタ部と、
モニタ部からの電圧の情報を電池部を管理する管理部に対して送信する通信部と、
無線伝送部を有し、通信部とモニタ部との間で、無線伝送部を通じて電圧の情報の通信を行うと共に、通信部からモニタ部に対して送信される信号を平滑化してモニタ部の電源を形成する絶縁伝送部とを備え、
無線伝送部が少なくとも2個のアンテナを有し、2個のアンテナが絶縁基板の異なる面にそれぞれ設けられ、絶縁基板によって絶縁された2個のアンテナ間で通信および電力伝送を行う電動車両である。
また、本開示は、蓄電装置から電力の供給を受けて車両の駆動力に変換する変換装置と、蓄電装置に関する情報に基いて車両制御に関する情報処理を行なう制御装置とを有し、
蓄電装置は、
それぞれが1の電池セル、複数の電池セルまたは複数の電池ブロックからなる複数の電池部と、
電池部の電池セルまたは電池ブロックのそれぞれの電圧を取得するモニタ部と、
モニタ部からの電圧の情報を電池部を管理する管理部に対して送信する通信部と、
無線伝送部を有し、管理部と通信部との間で、無線伝送部を通じて電圧の情報の通信を行うと共に、管理部から通信部に対して送信される信号を平滑化して通信部およびモニタ部の電源を形成する絶縁伝送部とを備え、
無線伝送部が少なくとも2個のアンテナを有し、2個のアンテナが絶縁基板の異なる面にそれぞれ設けられ、絶縁基板によって絶縁された2個のアンテナ間で通信および電力伝送を行う電動車両である。
また、本開示に係る蓄電装置等は、通信部と管理部の間に絶縁状態で配置され、電池の電圧の情報の通信と共に、管理部から通信部に対して電源を供給する絶縁伝送部を備えることにより、通信部COM1〜COMnの電源の基準電位と、管理部(コントロールボックスICNT)の電源の基準電位とが分離・独立したものとされ、ノイズ耐性のある安定した動作が可能となるととともに、例えば、モジュールコントローラCNTに対する電源を管理部(コントロールボックスICNT)から供給することができる。すなわち、電池ブロックB1〜Bnから電源を供給すると、モジュールコントローラCNTの消費電力の相違によってモジュール間のバランスが崩れるおそれがあるのに対し、本発明ではかかる問題が生じることを防ぐことができる。
また、本開示に係る蓄電装置等のモジュール間バランス回路は、各モジュールのフライバックトランスを別々の構成としているので、磁芯を共通とする構成と異なり、スター状配線を行う必要がなく、配線を簡単とすることができる。本開示では、フライバックトランスの1次側スイッチおよび2次側スイッチを独立のコントロールパルス信号によって制御することができる。したがって、所望の複数のフライバックトランスを介して電力の伝送を行うことが可能となる。さらに、スイッチング動作のオン期間の長さを設定することによって、フライバックトランスを介して移動させる電力量を個別に制御することができる。すなわち、移動させる電力量に対応してスイッチをオンさせる期間を長くすれば、移動させる電力量を可変とすることができる。
大出力を発生するために多数の蓄電素子例えば電池セルを使用する場合、複数の蓄電ユニット(以下、蓄電モジュールと称する)を接続し、複数の蓄電モジュールに対して共通に制御装置を設ける構成が採用される。かかる構成を蓄電システムと称する。
N(Controller Area Network)、SPI(Serial Peripheral Interface)等が使用される。例えばI2Cバスを使用することができる。I2Cバスは、SCL(シリアルクロック)と双方向のSDA(シリアル・データ)の2本の信号線で通信を行う同期式のシリアル通信である。
図2は、蓄電モジュールMODの機械的構成を示す斜視図である。蓄電モジュールMODの外装ケースは、板金加工された金属製の外装下ケース2aおよび外装上ケース2bからなる。外装下ケース2aおよび外装上ケース2bの材料としては、高い熱伝導率および輻射率を有する材料を用いることが好ましい。優れた筐体放熱性を得ることができ、ケース内の温度上昇を抑制することができる。例えば、外装下ケース2aおよび外装上ケース2bの材料は、アルミニウムまたはアルミニウム合金または銅または銅合金である。ケースの背面には、蓄電モジュールMODに対して充放電のための外部正極端子3および外部負極端子4が設けられている。
図5を参照してモジュールコントローラの構成の一例について説明する。モジュールコントローラCNTは、直列に接続されたn個の電池ブロックB1〜Bnの両端の電圧と、各電池ブロックの電圧を検出するようになされる。電池ブロックB1〜Bnの両端の電圧と各電池ブロックの電圧を順次出力するマルチプレクサ15が設けられている。
によって、強制的に放電するようになされる
。なお、セルバランス制御の方式は、上述したパッシブ方式に限らず、いわゆるアクティブ方式や他の様々な方式を適用できる。本開示におけるモジュール間バランス制御に関しては、後で詳細に説明する。
n個の蓄電モジュールMOD1〜MODnを有する蓄電システムに対して本開示を適用した構成の第1の例を図6に示す。各蓄電モジュールが通信部COM1〜COMnと、絶縁部ISC1〜ISCnと、モジュールコントローラCNT1〜CNTnと、電池ブロックグループBB1〜BBnとから構成されている。n個の蓄電モジュールと、コントロールボックスICNTとが接続される。接続のために、通信用ラインL1およびL2と、電源用ラインLpとが使用される。通信用ラインL1およびL2を通じてコントロールボックスICNTと蓄電モジュールMOD1〜MODnとの間で双方向通信がなされる。通信方式として、例えばCANが使用される。最近では、CANは、車載LANとして使用されている。
絶縁部ISC1〜ISCnを通じてなされる双方向通信方式としては、CANの規格を使用できる。絶縁部ISC1〜ISCnを通じてなされる電力伝送方式としては、電磁誘導方式、磁界共鳴方式、電波受信方式等を使用することができる。
本開示では、上述した複数の蓄電モジュールMOD1〜MODn間の電圧バランス(以下、単にモジュールバランスと称する)を制御するものである。すなわち、モジュール間バランスの制御によって、各蓄電モジュールの出力電圧が均一化される。通常、各蓄電モジュールには、多数の電池セルが含まれているので、蓄電モジュール内の電池セル間の電圧バランス(以下、単にセルバランスと称する)に比較して蓄電モジュール間のバラツキが大きくなる。したがって、蓄電モジュール内のセルバランスの制御を行うにしても、モジュールバランス制御を行うことが有意義である。
図15および図16を参照してフライバックトランスを使用する従来のアクティブボトムセルバランス回路の一例について説明する。各電池セルの正極および負極と1次側コイルW1〜W6の両端が接続される。6個の電池セルBT1〜BT6の直列接続の正極および負極と2次側コイルW0の両端が接続される。さらに、共通の磁芯Mが設けられている。さらに、2次側コイルW0と直列に2次側スイッチS0が接続され、1次側コイルW1〜W6のそれぞれと直列に1次側スイッチS1〜S6が接続される。スイッチS0〜S6は、例えばMOS(Metal Oxide Semiconductor)FETによって構成される。
上述した従来のバランス回路は、電池セルに関するものであり、図1〜図6を参照して説明したモジュール間バランスに適用した場合、問題が生じる。なお、モジュール間バランスは、各蓄電モジュール内の複数の電池セルまたは複数の電池ブロックからなる電池部の電圧のバランスのことである。通常、モジュール間アンバランスの方がモジュール内のアンバランスに比して大きな値となる。蓄電モジュール毎のバランス制御を行った結果として、モジュール間のアンバランスを解消することも可能であるが、処理に要する時間が長くなる。但し、モジュール間バランス制御と上述した従来のセルバランス制御を併用しても良い。この場合では、一例として、モジュール間バランス制御が先になされ、その後、モジュール内のバランス制御がなされる。
図19の構成では、2次側コイルW0およびスイッチS0の直列回路に対して、直列接続された14個の電池ブロックグループによって716.8Vの電圧が印加される。実際に使用する場合に必要な耐圧は、印加電圧の3倍程度とされるので、スイッチS0を構成するFET等の半導体スイッチ素子の耐圧が2000V以上となる。このような耐圧の半導体スイッチ素子を必要とする図19の構成は、実現が困難なものである。
図21に示すように、本開示では、1次側コイルW1と、2次側コイルW01と、磁芯M1とによって、フライバックトランスT1が構成される。1次側コイルW1とスイッチS1が直列接続され、2次側コイルW01とスイッチS01が直列接続される。同様に、1次側コイルW2〜W14と、2次側コイルW02〜W014と、磁芯M2〜M14と、によって、フライバックトランスT2〜T14が構成される。1次側コイルW2〜W14とスイッチS2〜S14が直列に接続される。2次側コイルW02〜W014とスイッチS02〜S014とが直列に接続される。
上述した本開示によるモジュール間バランス回路においては、一つのフライバックトランスを介して取り出した電力を一つのフライバックトランスを通じて移動させるようにしている。しかしながら、複数のフライバックトランスを通じて電力を取り出しても良い。例えば電圧が最大の蓄電モジュールと電圧が2番目に大きい蓄電モジュールとのふたつから電力を取り出すようにしても良い。さらに、取り出した電力を複数のフライバックトランスを介して移動させるようにしても良い。例えば電圧が最低の蓄電モジュールと電圧が2番目に小さい蓄電モジュールとのふたつに対して電力を供給するようにしても良い。例えば、上述した図21の構成において、フライバックトランスT14を通じて小電流で電力を取り出し、同時に、フライバックトランスT3を通じて大電流で電力を取り出す。さらに、電力の取り出しと同時に、フライバックトランスT1およびT2をそれぞれ通じて中電流で電力を供給するようにできる。
本開示のモジュール間バランス回路は、各モジュールのフライバックトランスを別々の構成としているので、磁芯を共通とする構成と異なり、スター状配線を行う必要がなく、配線を簡単とすることができる。
上述した蓄電システムの第1の例は、図6に示すように、通信部COM1〜COMnとモジュールコントローラCNT1〜CNTnとの間に、絶縁部ISC1〜ISCnが配されている。一方、蓄電システムの第2の例は、図29に示すように、通信部COM1〜COMnとコントロールボックスICNTとの間に絶縁部ISC1〜ISCnを配するようにしたものである。絶縁部ISC1〜ISCnとコントロールボックスICNTとの間には、通信用ラインL1およびL2と、電源用ラインLpとによって接続されている。通信方式として、SPI、CAN等が使用される。図29では、絶縁部ISC1〜ISCnが蓄電モジュールMOD1〜MODn内に配置されているが、モジュールの外に配置されても良い。
。近距離無線技術以外の無線技術を使用しても良い。
周波数帯域として2.4GHzを使用する。UWB(Ultra Wide Band)は、超広帯域(3.1GHz〜10.6G)を使用して10メートル程度の距離で、最大480Mbpsの通信を行う
ことができる。ZigBeeは、ZigBee Allianceが規格化を進めている近距離無線技術である
。周波数帯域として、2.4GHz、902〜928MHz、868〜870MHzを使用する。最大通信距離が9〜69メートルとされている。NFC(Near Field Communication)は、
13.56MHz帯の近距離無線技術である。複数の規格に分かれている非接触ICカード技術の無線インターフェース部分を標準化したもので、非接触ICカードに互換性を生じさせる。NFCの標準化は、2段階で行われ、タイプA
とタイプBとの二つの規格がある。
さらに、複数の通信方式に対応する構成を有していても良い。
(1)
それぞれが1の電池セル、複数の電池セルまたは複数の電池ブロックからなる複数の電池部と、
前記電池部の前記電池セルまたは前記電池ブロックのそれぞれの電圧を取得するモニタ部と、
前記モニタ部からの前記電圧の情報を前記電池部を管理する管理部に対して送信する通信部と、
無線伝送部を有し、前記通信部と前記モニタ部との間で、前記無線伝送部を通じて前記電圧の情報の通信を行うと共に、前記通信部から前記モニタ部に対して送信される信号を平滑化して前記モニタ部の電源を形成する絶縁伝送部とを備え、
前記無線伝送部が少なくとも2個のアンテナを有し、前記2個のアンテナが絶縁基板の異なる面にそれぞれ設けられる蓄電装置に対して、集中型電力系統から電力網を介して電力が供給される蓄電システム。
(2)
前記集中型電力系統は、火力発電、原子力発電および水力発電の少なくとも一つである1に記載の蓄電システム。
(3)
1に記載の蓄電装置に、発電装置から電力が供給される蓄電システム。
(4)
前記発電装置は、太陽光発電および風力発電の少なくとも一つである3に記載の蓄電システム。
(5)
1に記載の蓄電装置から電力の供給を受ける電力消費装置。
(6)
1乃至4のいずれか一に記載の蓄電システムから電力の供給を受ける電力消費装置。
(7)
蓄電装置から電力の供給を受けて車両の駆動力に変換する変換装置と、前記蓄電装置に関する情報に基いて車両制御に関する情報処理を行なう制御装置とを有し、
前記蓄電装置は、
それぞれが1の電池セル、複数の電池セルまたは複数の電池ブロックからなる複数の電池部と、
前記電池部の前記電池セルまたは前記電池ブロックのそれぞれの電圧を取得するモニタ部と、
前記モニタ部からの前記電圧の情報を前記電池部を管理する管理部に対して送信する通信部と、
無線伝送部を有し、前記管理部と前記通信部との間で、前記無線伝送部を通じて前記電圧の情報の通信を行うと共に、前記管理部から前記通信部に対して送信される信号を平滑化して前記通信部および前記モニタ部の電源を形成する絶縁伝送部とを備え、
前記無線伝送部が少なくとも2個のアンテナを有し、前記2個のアンテナが絶縁基板の異なる面にそれぞれ設けられる電動車両。
本開示を住宅用の蓄電システムに適用した例について、図33を参照して説明する。例えば住宅101用の蓄電システム100においては、火力発電102a、原子力発電102b、水力発電102c等の集中型電力系統102から電力網109、情報網112、スマートメータ107、パワーハブ108等を介し、電力が蓄電装置103に供給される。これと共に、家庭内発電装置104等の独立電源から電力が蓄電装置103に供給される。蓄電装置103に供給された電力が蓄電される。蓄電装置103を使用して、住宅101で使用する電力が給電される。住宅101に限らずビルに関しても同様の蓄電システムを使用できる。
受信回路)等の通信インターフェー
スを使う方法、Bluetooth(登録商標)、ZigBee、Wi−Fi等の無線通信規格によるセンサーネットワークを利用する方法がある。Bluetooth方式は、マルチメディア通信に適用され、一対多接続の通信を行うことができる。ZigBeeは、IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers) 802.15.4の物理層を使用するものである。IEEE802.15.4は、PAN(Personal Area Network) またはW(W
示されても良い。
本開示を車両用の蓄電システムに適用した例について、図34を参照して説明する。図34に、本開示が適用されるシリーズハイブリッドシステムを採用するハイブリッド車両の構成の一例を概略的に示す。シリーズハイブリッドシステムはエンジンで動かす発電機で発電された電力、あるいはそれを電池に一旦貯めておいた電力を用いて、電力駆動力変換装置で走行する車である。
以上、本開示の実施形態について具体的に説明したが、上述の各実施形態に限定されるものではなく、本開示の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、上述の実施形態において挙げた構成、方法、工程、形状、材料および数値などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる構成、方法、工程、形状、材料および数値などを用いてもよい。
ICNT・・・コントロールボックス
CNT・・・各蓄電モジュールのコントローラ
ICNT・・・コントロールボックス
B1〜Bn・・・電池ブロック
BB1〜BBn・・・電池ブロックグループ
ISC1〜ISCn・・・絶縁部
COM1〜COMn・・・通信部
21・・・多層配線基板
23,24・・・プリント基板アンテナ
LY1〜LY4・・・配線層
W1〜W14・・・1次側コイル
S1〜S14・・・1次側スイッチ
W01〜W014・・・2次側コイル
S01〜S014・・・2次側スイッチ
T1〜T14・・・フライバックトランス
CL+,CL−・・・共通電源ライン
CV・・・共通電源電圧
51・・・蓄電素子
Claims (8)
- それぞれが1の電池セル、複数の電池セルまたは複数の電池ブロックからなる複数の電池部と、
前記電池部の前記電池セルまたは前記電池ブロックのそれぞれの電圧を取得するモニタ部と、
前記モニタ部からの前記電圧の情報を前記電池部を管理する管理部に対して送信する通信部と、
無線伝送部を有し、前記通信部と前記モニタ部との間で、前記無線伝送部を通じて前記電圧の情報の通信を行うと共に、前記通信部から前記モニタ部に対して送信される信号を平滑化して前記モニタ部の電源を形成する絶縁伝送部とを備え、
前記無線伝送部が少なくとも2個のアンテナを有し、前記2個のアンテナが絶縁基板の異なる面にそれぞれ設けられ、前記絶縁基板によって絶縁された前記2個のアンテナ間で通信および電力伝送を行う蓄電装置に対して、集中型電力系統から電力網を介して電力が供給される蓄電システム。 - それぞれが1の電池セル、複数の電池セルまたは複数の電池ブロックからなる複数の電池部と、
前記電池部の前記電池セルまたは前記電池ブロックのそれぞれの電圧を取得するモニタ部と、
前記モニタ部からの前記電圧の情報を前記電池部を管理する管理部に対して送信する通信部と、
無線伝送部を有し、前記管理部と前記通信部との間で、前記無線伝送部を通じて前記電圧の情報の通信を行うと共に、前記管理部から前記通信部に対して送信される信号を平滑化して前記通信部および前記モニタ部の電源を形成する絶縁伝送部とを備え、
前記無線伝送部が少なくとも2個のアンテナを有し、前記2個のアンテナが絶縁基板の異なる面にそれぞれ設けられ、前記絶縁基板によって絶縁された前記2個のアンテナ間で通信および電力伝送を行う蓄電装置に対して、集中型電力系統から電力網を介して電力が供給される蓄電システム。 - 前記集中型電力系統は、火力発電、原子力発電および水力発電の少なくとも一つである請求項1または2に記載の蓄電システム。
- 前記蓄電装置に、発電装置から電力が供給される請求項1または2に記載の蓄電システム。
- 前記発電装置は、太陽光発電および風力発電の少なくとも一つである請求項4に記載の蓄電システム。
- 請求項1乃至5のいずれか一に記載の蓄電システムから電力の供給を受ける電力消費装置。
- 蓄電装置から電力の供給を受けて車両の駆動力に変換する変換装置と、前記蓄電装置に関する情報に基いて車両制御に関する情報処理を行なう制御装置とを有し、
前記蓄電装置は、
それぞれが1の電池セル、複数の電池セルまたは複数の電池ブロックからなる複数の電池部と、
前記電池部の前記電池セルまたは前記電池ブロックのそれぞれの電圧を取得するモニタ部と、
前記モニタ部からの前記電圧の情報を前記電池部を管理する管理部に対して送信する通信部と、
無線伝送部を有し、前記通信部と前記モニタ部との間で、前記無線伝送部を通じて前記電圧の情報の通信を行うと共に、前記通信部から前記モニタ部に対して送信される信号を平滑化して前記モニタ部の電源を形成する絶縁伝送部とを備え、
前記無線伝送部が少なくとも2個のアンテナを有し、前記2個のアンテナが絶縁基板の異なる面にそれぞれ設けられ、前記絶縁基板によって絶縁された前記2個のアンテナ間で通信および電力伝送を行う電動車両。 - 蓄電装置から電力の供給を受けて車両の駆動力に変換する変換装置と、前記蓄電装置に関する情報に基いて車両制御に関する情報処理を行なう制御装置とを有し、
前記蓄電装置は、
それぞれが1の電池セル、複数の電池セルまたは複数の電池ブロックからなる複数の電池部と、
前記電池部の前記電池セルまたは前記電池ブロックのそれぞれの電圧を取得するモニタ部と、
前記モニタ部からの前記電圧の情報を前記電池部を管理する管理部に対して送信する通信部と、
無線伝送部を有し、前記管理部と前記通信部との間で、前記無線伝送部を通じて前記電圧の情報の通信を行うと共に、前記管理部から前記通信部に対して送信される信号を平滑化して前記通信部および前記モニタ部の電源を形成する絶縁伝送部とを備え、
前記無線伝送部が少なくとも2個のアンテナを有し、前記2個のアンテナが絶縁基板の異なる面にそれぞれ設けられ、前記絶縁基板によって絶縁された前記2個のアンテナ間で通信および電力伝送を行う電動車両。
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