JP7285968B2 - コモンモード電圧モニタリング装置及びモニタリング方法 - Google Patents

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本出願は、２０２０年１月３０日に出願された韓国特許出願第１０－２０２０－００１１２３９号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示された全ての内容は本明細書の一部として含まれる。

本発明は、コモンモード電圧モニタリング装置及びモニタリング方法に関する。

最近、スマートホンなどの電子機器、無停電電源装置（ＵＰＳ）及び電気自動車の普及、そしてエネルギー貯蔵装置（ＥＳＳ、Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｓｙｓｔｅｍ）のインフラ拡散に伴い、電力供給源としての二次電池に対する研究が活発に行われている。

エネルギー貯蔵装置の場合、大容量の電気エネルギーを貯蔵しなければならないだけでなく、高い出力が求められる。このために、エネルギー貯蔵装置は、直列及び／又は並列に連結されている複数のバッテリーモジュールと、複数のバッテリーモジュールを充放電するための充放電装置とを含むバッテリーラックの形態で使用される。バッテリーモジュールには、二次電池であるバッテリーセルが直列及び／又は並列に連結されて含まれている。そして、バッテリーラックには、充放電装置を制御するためのラック制御器（ＲＢＭＳ、Ｒａｃｋ Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）と、複数のバッテリーモジュールのそれぞれを制御する複数のモジュール制御器（ＭＢＭＳ、Ｍｏｄｕｌｅ Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）が含まれる。

そして、エネルギー貯蔵装置の充電及び放電のために、その外部に電力変換装置（ＰＣＳ、Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）が設けられる。電力変換装置は、系統の交流電力を直流電力に変換してエネルギー貯蔵装置に供給するか、エネルギー貯蔵装置の直流電力を交流電力に変換して系統に供給する。このような電力変換の際に行われるスイッチングに伴ってスイッチングノイズが発生するようになる。スイッチングノイズは、電力変換装置とエネルギー貯蔵装置との間の電力ラインで伝達されるコモンモード電圧上に引き起こされ、これは、エネルギー貯蔵装置などのバッテリーシステムの動作及び安全に影響を与える。したがって、安定的なバッテリーシステムの運用のために、コモンモード電圧の正確なモニタリングが必要である。

本発明は、前記のような問題を解決するために行われたものであって、電力変換装置とエネルギー貯蔵装置との間の電力ラインで伝達されるコモンモード電圧を正確に検出することを目的とする。

前記のような技術的課題を解決するために、本発明の実施形態の一側面によれば、エネルギー貯蔵装置と電力変換装置との間のノードに連結される入力端；入力端に印加された電圧を分割する電圧分配器；電圧分配器の出力と基準電圧とを比べる比較器；及び比較器の出力に基づいて電力変換装置からエネルギー貯蔵装置に印加される電圧の異常を検出する制御器；を含むコモンモード電圧モニタリング装置を提供する。

このような本実施形態の他の特徴によれば、比較器は、複数の比較器を含み、複数の比較器の少なくとも一部は、互いに異なる基準電圧と電圧分配器の出力を比べるように構成されてよい。

このような本実施形態のさらに他の特徴によれば、比較器は、制御器に含まれ、電圧分配器の出力をデジタル値に変換した値を基準電圧に対応するデジタル値と比べてよい。

このような本実施形態のさらに他の特徴によれば、外部と通信するための端子部；及び端子部からの入力に基づいて電源を生成する電源部；をさらに含んでよい。

このような本実施形態のさらに他の特徴によれば、入力端、電圧分配器、比較器、及び制御器を含む高電圧回路部と、端子部及び電源部を含む低電圧回路部との間に形成されたアイソレータであって、高電圧回路部と低電圧回路部とを絶縁させるアイソレータをさらに含んでよい。

このような本実施形態のさらに他の特徴によれば、アイソレータは、低電圧回路部から高電圧回路部に電力を供給するための電源用アイソレータと、端子部からの入力を制御器に伝送するための通信用アイソレータを含んでよい。

このような本実施形態のさらに他の特徴によれば、制御器は、エネルギー貯蔵装置に印加される電圧に異常が検出されれば、外部にエラー信号を伝送してよい。

このような本実施形態のさらに他の特徴によれば、制御器は、エラー信号をエネルギー貯蔵装置のバッテリー管理システムに伝送してよい。

このような本実施形態のさらに他の特徴によれば、制御器は、エラー信号をエネルギー貯蔵装置を管理する上位制御器に伝送してよい。

このような本実施形態のさらに他の特徴によれば、入力端に印加される電圧は、ノードと、エネルギー貯蔵装置のグラウンドであるシャーシとの間の電圧であってよい。

前記のような技術的課題を解決するために、本発明の実施形態の一側面によれば、エネルギー貯蔵装置と電力変換装置との間のノードに連結されるコモンモード電圧モニタリング装置の制御方法であって、ノードとエネルギー貯蔵装置のシャーシとの間の電圧を分割する段階；分割された電圧と基準電圧とを比べる段階；及び比較結果に基づいて電力変換装置からエネルギー貯蔵装置に印加される電圧の異常を検出する段階；を含むコモンモード電圧モニタリング装置の制御方法を提供する。

以上のようなコモンモード電圧モニタリング装置及び方法によれば、電力変換装置とエネルギー貯蔵装置との間の電力ラインで伝達されるコモンモード電圧を正確に検出することができるので、バッテリーシステムの安定的な運用が可能になる。

本発明の一実施形態によるコモンモード電圧モニタリング装置が適用されたエネルギー貯蔵システムの構成を概略的に示す図である。 本発明の一実施形態によるバッテリーシステムの構成を示す図である。 本発明の他の実施形態によるバッテリーシステムの構成を示す図である。 本発明の一実施形態によるコモンモード電圧モニタリング装置の構成を示す図である。 本発明の他の実施形態によるコモンモード電圧モニタリング装置の構成を示す図である。 本発明のさらに他の実施形態によるコモンモード電圧モニタリング装置の構成を示す図である。 本発明の一実施形態によるコモンモード電圧モニタリング装置の連結構成の一例を示す図である。 本発明の一実施形態によるコモンモード電圧モニタリング装置の連結構成の他の例を示す図である。 本発明の一実施形態によるコモンモード電圧モニタリング装置を用いて測定した電圧の波形図である。

以下、図を参照しつつ、本発明の多様な実施形態に対して詳細に説明する。本文書で図面上の同一の構成要素に対しては同一の参照符号を使用し、同一の構成要素に対して重複した説明は省略する。

本文書に開示されている本発明の多様な実施形態に対して、特定の構造的乃至機能的説明は、単に本発明の実施形態を説明するための目的として例示されたものであって、本発明の多様な実施形態は、多様な形態で実施可能であり、本文書に説明された実施形態に限定されるものと解釈されてはいけない。

多様な実施形態で使用された「第１」、「第２」、「第一」、又は「第二」などの表現は、多様な構成要素を順序及び／又は重要度に関係なく修飾することができ、当該構成要素を限定しない。例えば、本発明の権利範囲を外れることなく、第１の構成要素は第２の構成要素と命名されてよく、同様に、第２の構成要素も第１の構成要素に変えて命名されてよい。

本文書で使用された用語は、単に特定の実施形態を説明するために使用されたものであって、他の実施形態の範囲の限定を意図するものではない。単数の表現は、文脈上明らかに異なる意味ではない限り、複数の表現を含んでよい。

図１は、本発明の一実施形態によるコモンモード電圧モニタリングデバイスが適用されたエネルギー貯蔵システムの構成を概略的に示す図である。

図１を参照すれば、電力システム１は、系統２と連結されて電力供給を受けるか、系統２及び負荷に電力を供給し得るシステムである。電力システム１は、バッテリーシステム１０、電力変換装置２０、バッテリーシステムコントローラー３０、コモンモード電圧モニタリング装置４０（以下、単に「モニタリング装置」という）を含む。

バッテリーシステム１０は、電力を貯蔵するエネルギー貯蔵装置を指称する。バッテリーシステム１０は、バッテリーラック、又は複数のバッテリーラックを含むバッテリーバンクなどの形態で提供されてよい。バッテリーシステム１０は、電力変換装置２０から供給される直流電力を用いて充電されてよい。バッテリーシステム１０は、直流電力を出力して電力変換装置２０に供給することにより放電動作を行ってよい。

バッテリーシステム１０は、バッテリーシステムコントローラー３０（ＢＳＣ、Ｂａｔｔｅｒｙ Ｓｙｓｔｅｍ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）により動作が制御されてよい。バッテリーシステム１０は、バッテリーシステムコントローラー３０と通信を行ってバッテリーシステム１０に関するデータを伝送する。例えば、バッテリーシステム１０は、バッテリーシステム１０の温度、電圧などを測定した値や、これにより導出されたＳＯＣ、ＳＯＨなどのパラメーターをバッテリーシステムコントローラー３０に伝送してよい。バッテリーシステム１０は、図示されていないが、バッテリーシステム１０の状態をモニタリングするための各種装置とバッテリーシステムコントローラー３０との通信のための制御器が内部に備えられてよい。

電力変換装置２０は、系統２から供給される交流電力を直流電力に変換する。電力変換装置２０は、変換した直流電力をバッテリーシステム１０に供給する。電力変換装置２０は、バッテリーシステム１０から供給される直流電力を交流電力に変換する。電力変換装置２０は、変換した交流電力を系統２に供給する。また、図示されていないが、電力変換装置２０は、変換した交流電力を負荷に供給してもよい。

電力変換装置２０は、直流電力と交流電力との間の変換のために、インバータ及びコンバータが含まれてよい。電力変換装置２０は、バッテリーシステムコントローラー３０の制御により電力変換動作を行ってよい。

バッテリーシステムコントローラー３０は、電力システム１に含まれた各構成を管理し、全般的な動作を制御する。バッテリーシステムコントローラー３０は、バッテリーシステム１に備えられた制御器と通信することができる。バッテリーシステムコントローラー３０は、バッテリーシステム１に制御信号を送信してバッテリーシステム１の動作を制御することができる。また、バッテリーシステムコントローラー３０は、バッテリーシステム１からデータを受信してバッテリーシステム１の状態を管理することができる。バッテリーシステムコントローラー３０は、電力変換装置２０に制御信号を送信して電力変換装置２０の電力変換動作を制御することができる。

バッテリーシステムコントローラー３０はまた、モニタリング装置４０から電力変換装置２０とエネルギー貯蔵装置であるバッテリーシステム１０との間のコモンモード電圧のモニタリング結果を受信する。バッテリーシステムコントローラー３０は、モニタリング装置４０からコモンモード電圧に異常があるという通知を受信した場合、これを外部に伝達することができる。例えば、バッテリーシステムコントローラー３０は、電力システム１を運用する主体であってよい。

モニタリング装置４０は、電力変換装置２０とエネルギー貯蔵装置であるバッテリーシステム１０との間のコモンモード電圧をモニタリングする。すなわち、モニタリング装置４０は、電力変換装置２０とバッテリーシステム１０との間の正極ラインと基準電位（例えば、グラウンド）との間の電圧をモニタリングする。また、モニタリング装置４０は、電力変換装置２０とバッテリーシステム１０との間の負極ラインと基準電位（例えば、グラウンド）との間の電圧をモニタリングする。この際の基準電位は、バッテリーシステム１０のグラウンド、例えば、バッテリーラックのシャーシなどであってよい。

モニタリング装置４０は、測定した電圧に異常が発見されれば、異常が発見された事実をバッテリーシステムコントローラー３０に伝送する。モニタリング装置４０は、コモンモード電圧の異常を示す通知や警報をバッテリーシステムコントローラー３０に伝送する。

以下では、バッテリーシステム１０の構成についてさらに詳しく説明する。

図２は、本発明の一実施形態によるバッテリーシステム１０ａの構成を示す図である。

本実施形態によるバッテリーシステム１０ａは、バッテリーラック１００であってよい。バッテリーラック１００は、バッテリーパック（あるいは、バッテリーセルアセンブリー）１２０とモジュール制御器（ＭＢＭＳ）１３０を含む複数のバッテリーモジュール１１０－１～１１０－ｎを含む。バッテリーラック１００は、バッテリーモジュール１１０を充放電するための充放電装置１５０と、ラック制御器（ＲＢＭＳ）１４０とをさらに含む。（本実施形態におけるバッテリーモジュール、モジュール制御器及びバッテリーパックは、別途区別する必要がない限り、図面符号をそれぞれ１１０、１２０及び１３０と表記する。）

バッテリーモジュール１１０は、バッテリーラック１００に取り付けられて電力を貯蔵する構成である。バッテリーモジュール１１０は、バッテリーラック１００に求められる仕様に応じて複数個設けられてよい。複数のバッテリーモジュール１１０は、バッテリーラック１１０内で直列及び／又は並列に連結されて求められる出力を提供することができる。バッテリーモジュール１１０は、電力を貯蔵するバッテリーパック１２０と、バッテリーパック１２０の動作を制御するモジュール制御器１３０とを含む。

バッテリーパック１２０は、電力を貯蔵する構成であって、複数のバッテリーセルを含む。バッテリーパック１２０は、直列及び／又は並列に連結された複数のバッテリーセルを含んでよい。バッテリーセルの個数及び連結形態は、求められるバッテリーパック１２０の出力に応じて決定され得る。バッテリーパック１２０に含まれるバッテリーセルは、リチウムイオン（Ｌｉ－ｉｏｎ）電池、リチウムイオンポリマー（Ｌｉ－ｉｏｎ ｐｏｌｙｍｅｒ）電池、ニッケルカドミウム（Ｎｉ－Ｃｄ）電池、ニッケル水素（Ｎｉ－ＭＨ）電池などの二次電池であってよく、これに限定されない。

モジュール制御器１３０は、バッテリーパック１２０の充放電を制御し、その状態を管理する。モジュール制御器１３０は、バッテリーパック１２０の電圧、電流、温度などをモニタリングすることができる。そして、モジュール制御器１３０は、モニタリングのために図示していないセンサーや各種測定モジュールを追加で備えてよい。モジュール制御器１３０は、モニタリングした電圧、電流、温度などの測定値に基づいてバッテリーパック１２０の状態を示すパラメーター、例えば、ＳＯＣやＳＯＨなどを算出することができる。

モジュール制御器１３０は、ラック制御器１４０と通信するように構成されてよい。モジュール制御器１３０は、バッテリーパック１２０を制御するための命令などの制御信号をラック制御器１４０から受信することができる。モジュール制御器１３０は、前述したモニタリングによる測定値や、それから算出したパラメーターなどをラック制御器１４０に伝送することができる。

ラック制御器１４０と複数のモジュール制御器１３０－１～１３０－ｎなどを統合してバッテリー管理システム（ＢＭＳ）と指称する。バッテリー管理システム（ＢＭＳ）のラック制御器２０と複数のモジュール制御器４０－１～４０－ｎとは、有線及び／又は無線で通信を行うことができる。例えば、バッテリー管理システム内で有線通信が適用される場合、差動入力方式の通信プロトコルで互いに通信を行うことができる。差動入力方式の通信プロトコルとしては、ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、ＲＳ－４８５（Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ Ｓｔａｎｄａｒｄ ４８５）、ＲＳ－４２２（Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ Ｓｔａｎｄａｒｄ ４２２）などが例示として挙げられる。また、バッテリー管理システム内で無線通信が適用される場合、ｗｉ－ｆｉ（登録商標）、ブルートゥース（登録商標）などの無線通信プロトコルが使用されてよい。しかし、前述した有無線通信プロトコルは例示であるだけで、これに限定されるものではない。

充放電装置１５０は、バッテリーモジュール１１０を充放電する。充放電装置１５０は、バッテリーモジュール１１０に電力を供給するか、バッテリーモジュール１１０からの電力を系統や負荷に供給する。充放電装置１５０は、系統に連結されて系統から電力供給を受け、供給を受けた電力をバッテリーモジュール１１０に供給してよい。また、充放電装置１５０は、バッテリーモジュール１１０で放電した電力を系統、又は負荷（例えば、工場、家庭など）に供給してよい。充放電装置１５０は、バッテリーモジュール１１０を充放電するためのスイッチング装置、例えば、リレーなどを含んでよい。
バッテリーシステム１０ａは、このようにバッテリーラック１００の形態で提供され、電力変換装置２０と連結され得る。

図３は、本発明の他の実施形態によるバッテリーシステム１０ｂの構成を示す図である。

本実施形態によるバッテリーシステム１０ｂは、バッテリーバンク２００であってよい。バッテリーバンク２００は、複数のバッテリーラック１００－１～１００－ｍとバンク制御器２１０（ＢＢＭＳ、Ｂａｎｋ Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）を含む。

複数のバッテリーラック１００－１～１００－ｎのそれぞれは、図２で説明したバッテリーラック１００に対応する。これらバッテリーラック１００は、バッテリーラック１００を管理し、その動作を制御するラック制御器（ＲＢＭＳ）を含んでいる。

バンク制御器２１０は、複数のバッテリーラック１００に含まれたラック制御器（ＲＢＭＳ）などと通信を行って、各種データを受信することができる。また、バンク制御器２１０は、ラック制御器（ＲＢＭＳ）に制御信号を伝送して、バッテリーラック１００の動作を制御することができる。このために、バンク制御器２１０は、ラック制御器（ＲＢＭＳ）と有線又は無線で通信を行ってよい。有線又は無線通信のためのプロトコルは特に限定されず、バッテリーバンク２００を運用するに適切なプロトコルが選択されてよい。また、本実施形態では、複数のバッテリーラック１００がバッテリーバンク２００に含まれるものと図示されたが、これに限定されるのではなく、単一のバッテリーラック１００のみが含まれてもよい。

バッテリーシステム１０ａは、このようにバッテリーバンク２００の形態で提供され、電力変換装置２０と連結されてよい。

以下では、前述したバッテリーシステム１０と電力変換装置２０との間に設けられ得るモニタリング装置４０に対して具体的に説明する。

図４は、本発明の一実施形態によるコモンモード電圧モニタリング装置４０ａの構成を示す図である。

モニタリング装置４０ａは、入力端４１１、電圧分配器４１２ａ、４１２ｂ、比較器４１３ａ、４１３ｂ及び制御器４１４を含む。

入力端４１１は、エネルギー貯蔵装置であるバッテリーシステム１０と電力変換装置２０との間のノードに連結される。入力端４１１には、バッテリーシステム１０と電力変換装置２０との間で伝達される電力による電圧が印加される。入力端４１１には高電圧が印加されるので、入力端４１１は、高耐圧性のコネクタで構成されてよい。入力端４１１には、正極ラインの電圧（Ｖｐ）を測定するための端子と、負極ラインの電圧（Ｖｎ）を測定するための端子とがそれぞれ設けられている。

電圧分配器４１２ａ、４１２ｂは、入力端４１１に印加される電圧を分割する。すなわち、電圧分配器４１２ａ、４１２ｂは、印加されるコモンモード電圧を所定の大きさに低下させる役目を果たす。電圧分配器４１２ａ、４１２ｂは、正極ラインの電圧（Ｖｐ）を分割するための電圧分配器４１２ａと、負極ラインの電圧（Ｖｎ）を分割するための電圧分配器４１２ｂとを含む。

電圧分配器４１２ａは、正極ラインとグラウンドとの間の電圧（Ｖｐ）を所望の電圧に分割するための複数の抵抗Ｒ１、Ｒ２を含んでよい。抵抗Ｒ１及びＲ２の大きさは、比較器４１３ａで使用する基準電圧の大きさに応じて適宜決定され得る。電圧分配器４１２ａにより分割された電圧は、比較器４１３ａに印加される。電圧分配器４１２ａにおいて、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との間のノードが比較器４１３ａと連結される。

同様に、電圧分配器４１２ｂは、負極ラインとグラウンドとの間の電圧（Ｖｎ）を所望の電圧に分割するための複数の抵抗Ｒ４、Ｒ５を含んでよい。抵抗Ｒ４及びＲ５の大きさは、比較器４１３ｂで使用する基準電圧の大きさに応じて適宜決定され得る。電圧分配器４１２ｂにより分割された電圧は、比較器４１３ｂに印加される。電圧分配器４１２ｂにおいて、抵抗Ｒ４と抵抗Ｒ５との間のノードが比較器４１３ｂと連結される。

比較器４１３ａ、４１３ｂは、電圧分配器４１２ａ、４１２ｂの出力と基準電圧Ｖｒｅｆ１とを比べる。比較器４１３ａ、４１３ｂは、正極ライン及び負極ラインの電圧（Ｖｐ、Ｖｎ）を電圧分配器４１２ａ、４１２ｂに分割した電圧を基準電圧Ｖｒｅｆ１と比べる。このために、比較器４１３ａの非反転端子は、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との間のノードに連結されてよい。比較器４１３ａの反転端子は、基準電圧Ｖｒｅｆ１と抵抗Ｒ３との間のノードに連結されてよい。基準電圧Ｖｒｅｆ１は、後述するレギュレータにより生成されてよい。同様に、比較器４１３ｂの非反転端子は、抵抗Ｒ４と抵抗Ｒ５との間のノードに連結されてよい。比較器４１３ｂの反転端子は、基準電圧Ｖｒｅｆ１と抵抗Ｒ６との間のノードに連結されてよい。

比較器４１３ａ、４１３ｂには、所定の電圧が電源として印加されてよい。比較器４１３ａ、４１３ｂに印加される電圧は、後述する低電圧回路部４１０から供給される電圧であってよい。しかし、これは例示的なものであり、比較器４１３ａ、４１３ｂの動作に必要な電圧に応じて使用される電源を異なって設定してよい。例えば、後述する第１レギュレータ４１５ａ及び第２レギュレータ４１５ｂの一つが生成する電圧を電源として使用してもよい。

制御器４１４（ＭＣＵ）は、比較器４１３ａ、４１３ｂの出力に基づいて電力変換装置２０からエネルギー貯蔵装置に印加される電圧の異常を検出する。すなわち、制御器４１４は、比較器４１３ａ、４１３ｂの出力に基づいて非反転端子に印加される電圧である電圧分配器４１２ａ、４１２ｂの出力電圧が、基準電圧を超えるか否かを判断する。制御器４１４は、電圧分配器４１２ａ、４１２ｂの出力電圧が基準電圧を超えると判断すれば、電力変換装置２０とバッテリーシステム１０との間のコモンモード電圧に異常があると判断する。一方、制御器４１４は、電圧分配器４１２ａ、４１２ｂの出力電圧が基準電圧を超えないと判断すれば、電力変換装置２０とバッテリーシステム１０との間のコモンモード電圧に異常がないと判断する。

制御器４１４は、コモンモード電圧に異常があると判断すれば、外部装置にエラー信号を伝送する。制御器４１４は、例えば、エラー信号をエネルギー貯蔵装置であるバッテリーシステム１０のバッテリー管理システムに伝送する。バッテリーシステム１０のバッテリー管理システムは、例えば、図２のラック制御器１４０、図３のバンク制御器２１０などであってよい。又は、制御器４１４は、エラー信号を上位制御器であるバッテリーシステムコントローラー３０に伝送してよい。

入力端４１１、電圧分配器４１２ａ、４１２ｂ、比較器４１３ａ、４１３ｂ及び制御器４１４を含めて、高電圧回路部４００ａが構成されてよい。高電圧回路部４００ａは、相対的に高電圧を扱う領域であり、内部に電力を供給するためのレギュレータを含んでよい。第１レギュレータ４１５ａ及び第２レギュレータ４１５ｂは、低電圧回路部４１０から供給された電力を用いて、第１基準電圧Ｖｒｅｆ１及び第２基準電圧Ｖｒｅｆ２をそれぞれ生成することができる。第１レギュレータ４１５ａが生成した第１基準電圧Ｖｒｅｆ１、及び第２レギュレータ４１５ｂが生成した第２基準電圧Ｖｒｅｆ２は、比較器４１３ａ、４１３ｂや制御器４１４などに提供されてよい。本実施形態では、第１レギュレータ４１５ａ及び第２レギュレータ４１５ｂを含んでいるが、これに限定されるものではなく、１つ又は３つ以上のレギュレータが含まれてもよい。

一方、高電圧回路部４００ａは、アイソレータを介して低電圧回路部４１０と絶縁されて連結されてよい。高電圧回路部４００ａと低電圧回路部４１０とを連結するアイソレータとしては、電力用の第１アイソレータ４２０と通信用の第２アイソレータ４２１とが含まれてよい。

低電圧回路部４１０は、端子部４１１ａ、４１１ｂと電源部４１２とを含んでよい。
端子部４１１ａ、４１１ｂは、外部と通信するための構成である。端子部４１１ａ、４１１ｂのそれぞれには、電源端子、通信端子などが含まれてよい。端子部４１１ａ、４１１ｂは、電源端子を用いて外部から電力供給を受けることができる。端子部４１１ａ、４１１ｂは、通信端子を介して外部装置と通信を行うことができる。本実施形態では、２つの端子部が備えられることを図示したが、これに限定されるものではない。端子部の個数は、モニタリング装置４０の仕様や設置形態に応じて適宜決定され得る。

端子部４１１ａ、４１１ｂを介して供給された電力は、電源部４１２に提供される。例えば、端子部４１１ａ、４１１ｂは、外部から２４Ｖの電力供給を受けて電源部４１２に提供することができる。電源部４１２は、例えば、レギュレータであってよい。すなわち、電源部４１２は、端子部４１１ａ、４１１ｂからの入力に基づいて電源を生成する。電源部４１２は、生成した電圧を駆動電圧として第２アイソレータ４２１に印加することができる。

第１アイソレータ４２０は、高電圧回路部４００ａと低電圧回路部４１０とを絶縁させながら、低電圧回路部４１０から高電圧回路部４００ａに電力を供給する。第１アイソレータ４２０を介して伝達される電力を用いて、高電圧回路部４００ａの第１レギュレータ４１５ａ及び第２レギュレータ４１５ｂが第１基準電圧Ｖｒｅｆ１及び第２基準電圧Ｖｒｅｆ２をそれぞれ生成する。

第２アイソレータ４２１は、高電圧回路部４００ａと低電圧回路部４１０とを絶縁させながら、低電圧回路部４１０の端子部４１１ａ、４１１ｂからの入力を高電圧回路部４００ａの制御器４１４に伝送する。すなわち、第２アイソレータ４２１は、制御器４１４が低電圧回路部４１０の端子部４１１ａ、４１１ｂを介して通信を行うための経路を提供する。

一方、図４に示されたように、端子部４１１ａ及び端子部４１１ｂの間には、ウェイクアップ信号などの通信信号が端子部の間に直接伝達され得るラインが設けられてもよい。
以上のようなモニタリング装置４０ａにより電力変換装置２０とバッテリーシステム１０との間のコモンモード電圧を正確にモニタリングすることができるようになる。その結果、バッテリーシステム１０、さらには電力システム１の安定的な運用ができるようにする。

また、コモンモード電圧の異常を検出する場合、電力変換装置２０のスイッチングによるノイズが大きいことを意味するので、電力変換装置２０を点検することにより、より大きな故障の発生を事前に防止することができるようになる。

図５は、本発明の他の実施形態によるコモンモード電圧モニタリング装置４０ｂの構成を示す図である。図５によるモニタリング装置４０ｂは、図４によるモニタリング装置４０ａと高電圧回路部４００ａの比較器４１３ｃ、４１３ｄの構成が異なるだけで、他の構成は同一である。以下では、前記相違点に対して重点的に説明する。

図５を参照すれば、本実施形態によるモニタリング装置４０ｂは、複数の基準電圧を用いて正極ラインの電圧（Ｖｐ）と負極ラインの電圧（Ｖｎ）とをモニタリングする。このために、正極ラインの電圧（Ｖｐ）をモニタリングするための比較器４１３ｃは、第１比較器４１３ｃ１及び第２比較器４１３ｃ２を含む。そして、負極ラインの電圧（Ｖｎ）をモニタリングするための比較器４１３ｄは、第３比較器４１３ｄ１及び第４比較器４１３ｄ２を含む。

第１比較器４１３ｃ１は、図４の比較器４１３ａと同様に、電圧分配器４１２ａにより分配された電圧を基準電圧Ｖｒｅｆ１と比べる。そして、第２比較器４１３ｃ２は、電圧分配器４１２ａにより分配された電圧を基準電圧Ｖｒｅｆ２と比べる。基準電圧Ｖｒｅｆ２は、基準電圧Ｖｒｅｆ１と異なる電圧である。

第３比較器４１３ｄ１も、図４の比較器４１３ｂと同様に、電圧分配器４１２ｂにより分配された電圧を基準電圧Ｖｒｅｆ１と比べる。そして、第４比較器４１３ｄ２は、電圧分配器４１２ｂにより分配された電圧を基準電圧Ｖｒｅｆ２と比べる。

このように、モニタリング装置４０ｂは、複数の比較器４１３ｃ１、４１３ｃ２、４１３ｄ１、４１３ｄ２を含んでよく、このような複数の比較器の少なくとも一部は、互いに異なる基準電圧と電圧分配器４１２ａ、４１２ｂの出力を比べるように構成されてよい。

制御器４１４は、複数の比較器４１３ｃ１、４１３ｃ２、４１３ｄ１、４１３ｄ２からの出力に基づいてコモンモード電圧の異常を検出する。この際、制御器４１４は、第１比較器４１３ｃ１及び第２比較器４１３ｃ２の出力に基づいて、正極ラインでのコモンモード電圧の異常の発生有無及び異常の程度を検出することができる。例えば、基準電圧Ｖｒｅｆ１が基準電圧Ｖｒｅｆ２よりも大きい場合を仮定する。この場合、第２比較器４１３ｃ２からの出力が、電圧分配器４１２ａの出力電圧が基準電圧Ｖｒｅｆ２を超えないことを示すと、制御器４１４は、コモンモード電圧が正常であると判断する。第２比較器４１３ｃ２からの出力が、電圧分配器４１２ａの出力電圧が基準電圧Ｖｒｅｆ２を超えることを示すのに対し、第１比較器４１３ｃ１からの出力が、電圧分配器４１２ａの出力電圧が基準電圧Ｖｒｅｆ１を超えないことを示すと、制御器４１４は、コモンモード電圧の異常レベルが１であると判断する。最後に、第１比較器４１３ｃ１からの出力が、電圧分配器４１２ａの出力電圧が基準電圧Ｖｒｅｆ１を超えることを示すと、制御器４１４は、コモンモード電圧の異常レベルが２であると判断する。このような動作は、第３比較器４１３ｄ１及び第４比較器４１３ｄ２に対しても同様に適用してよい。

制御器４１４は、前述した複数の基準電圧に基づいて、コモンモード電圧の異常レベルを複数段階に判断し、判断した異常レベルに応じて対応する動作を変わってよい。例えば、異常レベルが低い場合には、バッテリーシステム１０にのみエラーを通知し、異常レベルが高い場合には、バッテリーシステムコントローラー３０のような上位制御器にエラーを通知してもよい。

以上のようなモニタリング装置４０ｂを用いる場合にも、図４によるモニタリング装置４０ａと同様に、コモンモード電圧を正確にモニタリングすることができるようになる。その結果、バッテリーシステム１０、さらには電力システム１の安定的な運用ができるようにする。

また、本実施形態によるモニタリング装置４０ｂは、コモンモード電圧を複数の基準電圧と比べることにより、コモンモード電圧に発生した異常の程度を区分して把握することができる。そして、異常レベルに応じて異なる方式で対応してよい。

図６は、本発明のさらに他の実施形態によるコモンモード電圧モニタリング装置４０ｃの構成を示す図である。図６によるモニタリング装置４０ｃは、図４によるモニタリング装置４０ａ及び図５によるモニタリング装置４０ｂと異なり、比較器の代りにアナログ－デジタルコンバータ４１６ａ、４１６ｂを含む。以下では、前記相違点に対して重点的に説明する。

図６を参照すれば、本実施形態によるモニタリング装置４０ｃは、電圧分配器４１２ａ、４１２ｂの出力を、それぞれアナログ－デジタルコンバータ４１６ａ、４１６ｂからデジタル値に変換する。そして、アナログ－デジタルコンバータ４１６ａ、４１６ｂの出力であるデジタル値は、制御器４１４に印加される。

制御器４１４は、基準電圧Ｖｒｅｆ１及び基準電圧Ｖｒｅｆ２など、複数の基準電圧に対応するデジタル値を貯蔵している。そして、制御器４１４は、アナログ－デジタルコンバータ４１６ａ、４１６ｂから印加されたデジタル値を基準電圧に対応するデジタル値と比べる。すなわち、図４及び図５のモニタリング装置４０ａ、４０ｂでのアナログ的比較とは異なり、本実施形態では、デジタル値同士を比べるものである。したがって、制御器４１４が比較器としての機能を含む。

以上のようなモニタリング装置４０ｃを用いる場合にも、コモンモード電圧を正確にモニタリングすることができるようになる。その結果、バッテリーシステム１０、さらには電力システム１の安定的な運用ができるようにする。

さらに要約すると、モニタリング装置４０は、エネルギー貯蔵装置であるバッテリーシステム１０と電力変換装置２０との間のノードに連結される装置である。モニタリング装置４０の電圧分配器は、先ずバッテリーシステム１０と電力変換装置２０との間のノードと、バッテリーシステム１０のグラウンドとして使用されるシャーシとの間の電圧とを分割する。そして、モニタリング装置４０の比較器は、分割された電圧と基準電圧とを比べる。その後、モニタリング装置４０の制御器は、比較結果に基づいて電力変換装置からエネルギー貯蔵装置に印加される電圧の異常を検出する。このようなモニタリング装置４０の制御方法によりコモンモード電圧の異常を検出することができるようになる。

図７は、本発明の一実施形態によるコモンモード電圧モニタリング装置４０の連結構成の一例を示す図である。

図７を参照すれば、モニタリング装置４０は、低電圧回路部の端子部を介してラック制御器１４０と連結される。モニタリング装置４０は、ラック制御器１４０とＣＡＮ Ｈ／Ｌチャンネルとを介して連結されて通信を行うことができる。また、モニタリング装置４０とラック制御器１４０との間の連結は、電源供給のためのライン及びウェイクアップ（ｗａｋｅ－ｕｐ）信号を送信するためのラインをさらに備える。

また、モニタリング装置４０は、低電圧回路部の他の端子部を介してバッテリーシステムコントローラー３０と連結される。モニタリング装置４０とバッテリーシステムコントローラー３０とは、通信のためのＣＡＮ Ｈ／Ｌチャンネルのみ備えてよい。

その他に、モニタリング装置４０は、パワーサプライ５０に連結されて電力が提供されてよい。

図７による連結構成の場合、モニタリング装置４０は、コモンモード電圧に異常が発生したことを検出すると、これをラック制御器１４０とバッテリーシステムコントローラー３０とに選択的にエラー通知を伝送することができる。モニタリング装置４０は、コモンモード電圧に発生した異常レベルに応じてエラー通知を伝送する目的地を選択してもよい。

図８は、本発明の一実施形態によるコモンモード電圧モニタリング装置４０の連結構成の他の例を示す図である。

図８を参照すれば、モニタリング装置４０が終端に位置し、バンク制御器２１０ａ及びバンク制御器２１０ｂに順次に連結されるように構成してよい。そして、バンク制御器２１０ｂにバッテリーシステムコントローラー３０及びパワーサプライ５０が連結される。

図８による連結構成の場合、モニタリング装置４０は、コモンモード電圧に異常が発生したことを検出すると、これをバンク制御器２１０ａにのみ伝送する。そして、コモンモード電圧に発生した異常レベルに応じて、バンク制御器２１０ａがエラー通知をバッテリーシステムコントローラー３０まで伝達するか否かを決定することができる。

図９は、本発明の一実施形態によるコモンモード電圧モニタリング装置を用いて測定した電圧の波形図である。

図９を参照すれば、上段の波形が、コモンモード電圧が正常である場合を示す。コモンモード電圧が正常である場合、グラウンドである０Ｖに対する正極ラインの電圧が約８００Ｖ、負極ラインの電圧が約－７２０Ｖに検出された（ピーク値を示した時の周波数は、約５０ｋＨｚ）。そして、この場合、モニタリング装置４０では、エラー通知が発生しなかった。

一方、下段の波形は、コモンモード電圧に異常が発生した場合を示す。波形で確認できるように、電力変換装置のスイッチングによるノイズにより、コモンモード電圧が－側にバイアスされた。正極ラインの電圧が約５００Ｖ、負極ラインの電圧が約－１０５０Ｖに検出された（ピーク値を示した時の周波数は、約５０ｋＨｚ）。そして、この場合、モニタリング装置４０でコモンモード電圧を分割した値が基準値を超え、コモンモード電圧の異常を検出した。

以上のように、モニタリング装置４０を介したコモンモード電圧の異常を正確にモニタリングできることを確認した。

以上に記載された「含む」、「構成する」又は「有する」などの用語は、特に反対の記載がない限り、当該構成要素が内在し得ることを意味するので、他の構成要素を除くものではなく、他の構成要素をさらに含んでよいと解釈されなければならない。技術的や科学的な用語を含む全ての用語は、特に定義されない限り、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者により一般的に理解されるものと同一の意味を有すると解釈され得る。辞書に定義された用語のように一般的に使用される用語は、関連技術の文脈上の意味と一致すると解釈されなければならず、本発明で明らかに定義しない限り、理想的や過度に形式的な意味として解釈されない。

以上の説明は、本発明の技術思想を例示的に説明したものに過ぎないものであって、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の本質的な特性から外れない範囲で多様な修正及び変形が可能である。したがって、本発明に開示された実施形態は、本発明の技術思想を限定するためではなく、説明するためのものであり、このような実施形態により本発明の技術思想の範囲が限定されるものではない。本発明の保護範囲は、以下の特許請求の範囲により解釈されなければならず、それと同等の範囲内の全ての技術思想は、本発明の権利範囲に含まれるものと解釈されなければならない。

１０ バッテリーシステム
２０ 電力変換装置、ラック制御器
３０ バッテリーシステムコントローラー
４０ モニタリング装置、コモンモード電圧モニタリング装置
４０－１～４０－ｎ モジュール制御器
５０ パワーサプライ
１００ バッテリーラック
１００－１～１００－ｍ バッテリーラック
１１０ バッテリーラック
１１０－１～１１０－ｎ バッテリーモジュール
１２０ バッテリーパック（あるいは、バッテリーセルアセンブリー）
１３０ モジュール制御器（ＭＢＭＳ）
１３０－１～１３０－ｎ モジュール制御器
１４０ ラック制御器（ＲＢＭＳ）
１５０ 充放電装置
２００ バッテリーバンク
２１０ バンク制御器
４００ 高電圧回路部
４１０ 低電圧回路部
４１１ 入力端
４１２ 電源部
４１３ 比較器
４１４ 制御器
４１６ アナログ－デジタルコンバータ
４２０ 第１アイソレータ
４２１ 第２アイソレータ

Claims (8)

1. エネルギー貯蔵装置と電力変換装置との間のノードに連結される入力端と、
   前記入力端に印加された電圧を分割する電圧分配器と、
   前記電圧分配器の出力と基準電圧とを比べる比較器と、
   前記比較器の出力に基づいて、前記電力変換装置から前記エネルギー貯蔵装置に印加される電圧の異常を検出する制御器と、
   を含み、
   外部と通信するための端子部と、
   前記端子部からの入力に基づいて電源を生成する電源部と、
   をさらに含み、
   前記入力端、前記電圧分配器、前記比較器及び前記制御器を含む高電圧回路部と、前記端子部及び前記電源部を含む低電圧回路部との間に形成されたアイソレータであって、前記高電圧回路部と前記低電圧回路部とを絶縁させるアイソレータをさらに含み、
   前記アイソレータは、前記低電圧回路部から前記高電圧回路部に電力を供給するための電源用アイソレータと、前記端子部からの入力を前記制御器に伝送するための通信用アイソレータと、を含む、コモンモード電圧モニタリング装置。
2. 前記比較器は、複数の比較器を含み、
   前記複数の比較器の少なくとも一部は、互いに異なる基準電圧と前記電圧分配器の出力を比べるように構成されたことを特徴とする、請求項１に記載のコモンモード電圧モニタリング装置。
3. 前記比較器は、前記制御器に含まれ、前記電圧分配器の出力をデジタル値に変換した値を、基準電圧に対応するデジタル値と比べることを特徴とする、請求項１に記載のコモンモード電圧モニタリング装置。
4. 前記制御器は、前記エネルギー貯蔵装置に印加される電圧に異常が検出されれば、外部にエラー信号を伝送する、請求項１～３のいずれか一項に記載のコモンモード電圧モニタリング装置。
5. 前記制御器は、前記エラー信号を、前記エネルギー貯蔵装置のバッテリー管理システムに伝送することを特徴とする、請求項４に記載のコモンモード電圧モニタリング装置。
6. 前記制御器は、前記エラー信号を、前記エネルギー貯蔵装置を管理する上位制御器に伝送することを特徴とする、請求項４に記載のコモンモード電圧モニタリング装置。
7. 前記入力端に印加される電圧は、前記ノードと、前記エネルギー貯蔵装置のグラウンドであるシャーシとの間の電圧である、請求項１～６のいずれか一項に記載のコモンモード電圧モニタリング装置。
8. エネルギー貯蔵装置と電力変換装置との間のノードに連結される請求項１～７のいずれか一項に記載のコモンモード電圧モニタリング装置の制御方法であって、
   前記ノードと前記エネルギー貯蔵装置のシャーシとの間の電圧を分割する段階と、
   前記分割された電圧と基準電圧とを比べる段階と、
   比較結果に基づいて、前記電力変換装置から前記エネルギー貯蔵装置に印加される電圧の異常を検出する段階と、
   を含む、コモンモード電圧モニタリング装置の制御方法。

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