WO2015181866A1 - 電池システム - Google Patents

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WO2015181866A1
WO2015181866A1 PCT/JP2014/063768 JP2014063768W WO2015181866A1 WO 2015181866 A1 WO2015181866 A1 WO 2015181866A1 JP 2014063768 W JP2014063768 W JP 2014063768W WO 2015181866 A1 WO2015181866 A1 WO 2015181866A1
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battery
controller
unit
cell
battery system
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啓 坂部
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株式会社日立製作所
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Priority to PCT/JP2014/063768 priority patent/WO2015181866A1/ja
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    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery system, in particular, a battery information and abnormality information communication method.
  • the power line communication described in Patent Document 1 (“the voltage detection signal detected by the voltage detection circuit is modulated into the power line communication signal, and the modulated power line communication signal is superimposed between the positive and negative output terminals”. If the power line communication circuit that outputs the output is used, it becomes possible to communicate between the cell controller and the battery controller without separately preparing a communication line.
  • Patent Document 1 it is not necessary to prepare a separate communication line by using power line communication instead of connecting the cell controller and the battery controller with the communication line, but the communication speed is increased because the internal impedance of the battery is small. There is a problem that it is difficult. Therefore, if it is going to send the detailed information regarding many batteries, a control cycle will become long.
  • the battery system of the present invention includes a battery module including a single battery, a cell controller for controlling the single battery, and a battery module.
  • a battery controller that controls the cell the cell controller is an abnormality diagnosis unit for diagnosing the presence or absence of abnormality of the unit cell, and any one or more of the voltage, current, temperature, SOC, SOH or allowable charge / discharge current of the unit cell
  • a state detection unit that calculates the power, a power line communication unit that performs wired communication, and a wireless communication unit that performs wireless communication, and the information diagnosed by the abnormality diagnosis unit is output to the battery controller via the power line communication unit, The information calculated by the detection unit is output to the battery controller via the wireless communication unit.
  • FIG. 1 shows an example of a battery system that supplies battery power to a load. Since the output voltage of the battery system 100 is a DC voltage that varies depending on the remaining capacity of the battery, the output current, and the like, it may not be suitable for supplying power directly to the load 111. Therefore, the inverter 110 controlled by the host controller 112 converts the output voltage of the battery system 100 into a three-phase alternating current and supplies it to the load 111. The same configuration is used when a DC voltage, other multiphase AC, or single phase AC is supplied to the load.
  • the inverter 110 can be a bidirectional inverter, so that the power output by the load 111 can be stored in the battery system 100.
  • the battery system 100 can be charged as necessary.
  • the battery system 100 has a battery charge rate (SOC) and deterioration rate (SOH) useful for controlling the inverter 110 and the load 111, a maximum charge current / discharge current (allowable charge / discharge current), battery temperature, battery abnormality Information on the battery status such as presence / absence of data is transmitted to the host controller 112.
  • SOC battery charge rate
  • SOH deterioration rate
  • the host controller 112 performs energy management, abnormality detection, and the like based on this information.
  • the host controller 112 determines that the battery system 100 should be disconnected from the inverter 110 or the load 111, the host controller 112 transmits a disconnection instruction to the battery system 100.
  • the battery system 100 includes two or more battery modules 105 including one or more unit cells, a battery controller 103 that monitors, estimates, and controls the state of the battery system 100 and each battery module 105, and intermittently outputs the battery system 100.
  • the circuit breaker 107 is provided accordingly.
  • the battery module 105 has one or more single cells, measures the temperature inside the module and the voltage of each battery, and performs charge / discharge in units of single cells as necessary. As a result, voltage monitoring and voltage adjustment can be performed in units of single cells, and temperature information necessary for estimating the state of the battery whose characteristics change according to temperature can be measured. Details will be described later.
  • a current sensor 108 and a relay 106 are connected to the battery module 105 in series with the battery module 105.
  • the current value necessary for monitoring and estimating the state of the battery module 105 can be measured, and the output of the battery system 100 can be interrupted based on a command from the host controller.
  • a circuit breaker 107 may be added to shut off power input / output to the battery system 100 manually. By forcibly shutting off using the circuit breaker 107, it is possible to prevent an electric shock accident or a short-circuit accident when assembling or disassembling the battery system 100 or when dealing with an accident of a device equipped with the battery system 100. .
  • a relay 106, a circuit breaker 107, and a current sensor 108 may be provided in each row, or the relay 106 and the circuit breaker 107 are provided only at the output portion of the battery system 100.
  • a current sensor 108 may be provided.
  • the relay 106, the circuit breaker 107, and the current sensor 108 may be provided in both of each column and the output unit of the battery system 100.
  • the relay 106 may be configured by one relay, or may be configured by a set of a main relay, a precharge relay, and a resistor. In the latter configuration, a resistor is arranged in series with the precharge relay, and these are connected in parallel with the main relay.
  • a precharge relay When connecting the relay 106, first a precharge relay is connected. Since the current flowing through the precharge relay is limited by the resistance connected in series, the inrush current that can occur in the former configuration can be limited. Then, after the current flowing through the precharge relay becomes sufficiently small, the main relay is connected.
  • the timing of main relay connection may be based on the current flowing through the precharge relay, or may be based on the voltage applied to the resistor or the voltage across the terminals of the main relay, or the time elapsed since the precharge relay was connected. May be used as a reference.
  • the voltage sensor 602 is connected in parallel to one or a plurality of battery modules 105 or one series of the battery modules 105, and measures a voltage value necessary for monitoring and estimating the state of the battery module 105.
  • a leakage sensor 603 is connected to the battery module 105 to detect a state where a leakage can occur before the leakage occurs, that is, a state where the insulation resistance is reduced, thereby preventing an accident from occurring.
  • the values measured by the battery module 105, the current sensor 108, the voltage sensor 602, and the leakage sensor 603 are transmitted to the battery controller 103, and the battery controller 103 performs battery state monitoring, estimation, and control based on the values.
  • the control refers to, for example, charge / discharge of each cell for equalizing the voltage of each cell, power control of each sensor, sensor addressing, control of the relay 106 connected to the battery controller 103, and the like.
  • the CPU 601 performs calculations necessary for battery state monitoring, estimation, and control.
  • the battery system 100 may include a system cooling fan, and the battery controller 103 may control the fan. As described above, the battery system 100 performs the cooling until the amount of communication with the host controller can be reduced.
  • the battery controller 103 may incorporate a voltage sensor 602 or a leakage sensor 603. By doing in this way, the number of harnesses can be reduced as compared with the case where individual sensors are prepared, and the labor for sensor installation can also be reduced. However, since the scale (maximum output voltage, current, etc.) of the battery system 100 that can be handled by the battery controller 103 is limited by incorporating the sensor, the voltage sensor 602 and the leakage sensor 603 are intentionally separated from the battery controller 103. You may give a degree of freedom.
  • the battery module 105 includes one or more unit cells 101 connected in series and parallel, and a cell controller 102 that is connected to the unit cell 101 via the voltage detection line 113 and monitors and controls the unit cell 101.
  • the unit cell 101 is, for example, a primary or secondary battery such as a lithium ion battery, a nickel metal hydride battery, an electric double layer capacitor, an air battery, a fuel battery, or a lead battery, a capacitor, and a power generation element.
  • the unit cell 101 is a power supply source required by the load 111. Further, when a secondary battery or a capacitor is used for the unit cell 101, it is possible to absorb and store the power output from the load 111. In this case, it is possible to construct a highly efficient system without waste by using the stored power again for power output.
  • the cell controller 102 includes a measurement unit 201, an abnormality diagnosis unit 202, a state detection unit 203, a power line communication unit 204, and a wireless communication unit 205, and is connected to one or a plurality of single cells 101.
  • the measuring unit 201 measures the voltage, temperature, etc. of the unit cell 101. Moreover, the cell 101 is charged / discharged separately as needed. Measurement of voltage and temperature may be performed for each unit cell 101 or for each of the plurality of unit cells 101. Moreover, you may measure the temperature inside the battery module 105 instead of the temperature of a cell. Whether or not it is necessary to measure the voltage of each unit cell 101 depends on the type of the unit cell 101. For example, in the case of a lithium ion battery, it is desirable to measure the voltage of each unit cell 101. In the case of a nickel metal hydride battery or a primary battery, voltage measurement for each of the plurality of single cells 101 is sufficient.
  • Information on the voltage and temperature of the unit cell 101 measured by the measurement unit 201 is sent to the abnormality diagnosis unit 202 and the state detection unit 203.
  • the abnormality diagnosis unit 202 diagnoses whether the voltage or temperature of the unit cell 101 measured by the measurement unit 201 is a value indicating a battery abnormality such as overcharge, overdischarge, or overcurrent, and is a value indicating an abnormality. Sends an abnormal state to the power line communication unit 204.
  • the diagnosis result may simply indicate an abnormality. In this case, the circuit or program becomes simple and the system becomes highly reliable. Information indicating what kind of abnormality has occurred may be given. In this case, it is possible to take measures according to the type of abnormality, and it is possible to prevent unnecessary system stoppage and minimize the function of stopping. Furthermore, the degree of abnormality such as minor, serious, and fatal may be given.
  • the state detection unit 203 calculates the voltage, current, temperature, SOC, SOH, and allowable charge / discharge current of the unit cell 101 based on the voltage and temperature of the unit cell 101 measured by the measurement unit 201, and the result is obtained as a wireless communication unit 205. Send to. If necessary, battery characteristics necessary for state detection are stored in the cell controller 102 in advance, whereby the calculation of voltage, current, temperature, SOC, SOH, and allowable charge / discharge current can be made highly accurate. By storing the characteristics of the single battery 101 in the cell controller in this way, the battery controller 103 does not need to grasp the characteristics of the single battery 101 and the degree of freedom is improved.
  • the state detection unit 203 may perform an implementation in which nothing is calculated and the measurement result received from the measurement unit 201 is sent to the wireless communication unit 205 as it is. By doing so, it is not necessary to provide a CPU in each cell controller 102, and the component cost and failure rate can be reduced.
  • Information sent from the state detection unit 203 to the wireless communication unit 205 includes, for example, the voltage and temperature of each unit cell 101, the temperature inside the battery module 105, the temperature of the intake air, the exhaust temperature, the SOC estimation result, the SOH estimation result, the unit cell 101 model number, date of manufacture of unit cell 101, unit number of unit cell 101, number of overvoltage arrivals, number of overdischarge arrivals, average voltage of unit cell 101, number of times of charge / discharge of unit cell 101, inside of unit cell 101 Resistance, full charge capacity of the cell 101, model number of the cell controller 102, date of manufacture of the cell controller 102, serial number of the cell controller 102, identification number of the cell controller 102, internal temperature of the cell controller 102, cell controller 102 The number of times the power is turned on, the activation time of the cell controller 102, etc. This is an example of information that the state detection unit 203 sends to the battery controller 103 via the wireless communication unit 205, and may actually be a part of this information, or other information may
  • the power line communication unit 204 converts the abnormality information received from the abnormality diagnosis unit 202 into an AC signal, outputs it to the voltage detection line 113, and outputs it from the power line 104 to each part of the battery system, for example, the battery controller 103.
  • Information on the type and degree of abnormality can be added by modulating the AC signal.
  • frequency modulation is applied according to the type of abnormality
  • amplitude modulation is applied according to the degree. For example, if a critical voltage is a high voltage and a severe abnormality is a low frequency, the noise resistance and crosstalk resistance of power line communication can be improved. Since leakage sensor 603 may output an AC signal when detecting insulation resistance, it is desirable that this frequency and the frequency for power line communication do not overlap.
  • Anomaly information is information that has a small amount of information but needs to be surely delivered to the receiving side. Since the power line communication unit 204 realizes reliable communication at a low speed, the power line communication unit 204 specializes the transmission of abnormality information to realize reliable communication.
  • the wireless communication unit 205 converts the information received from the state detection unit 203 into a wireless signal and outputs it to each part of the battery system, for example, the battery controller 103.
  • a radio signal is received from the battery controller 103 and an instruction addressed to the cell controller 102 is included, the individual charging / discharging of the unit cell 101, the measurement setting change of the measurement unit 201, and the reset of the cell controller 102 are performed according to the contents.
  • Information transmitted and received by wireless communication is used for calculation of battery voltage, current, temperature, SOC, SOH, allowable charge / discharge current, etc., but since these do not fluctuate rapidly, there is temporary data loss. Even if it happens, it can be handled by using the previous calculation result. For this reason, the amount of data is enormous, but these data that do not require certainty are transmitted and received by wireless communication, thereby realizing a high control cycle.
  • the battery controller 103 includes a wireless communication unit 402 that wirelessly transmits and receives information to and from the cell controller 102, a power line communication unit 403 that receives abnormality information from the cell controller 102, and information from the wireless communication unit 402 and the power line communication unit 403.
  • the battery control unit 401 is configured to perform battery state estimation and calculation based on the output and output a command to the cell controller 102 via the wireless communication unit 402 as necessary.
  • the battery control unit 401 Based on the battery status received from the cell controller 102 via the wireless communication unit 402, the battery control unit 401 calculates voltage, current, temperature, SOC, SOH, and allowable charge / discharge current as necessary, and calculates the upper controller 112. Output the result. Further, based on the calculation result and the abnormality information received from the cell controller 102 via the power line communication unit 403, the presence / absence or degree of abnormality is determined. If a fatal abnormality is detected, the relay 106 is released. Thus, when a fatal abnormality is detected, the relay 106 is released independently of the host controller 112, so that the system can be kept safe even when communication with the host controller 112 is interrupted or when the host controller 112 is abnormal. it can.
  • the feature of the present invention is that the battery system 100 performs the state detection result of the battery module 105 by wireless communication and the abnormality diagnosis result of the battery module 105 by power line communication. While wireless communication is excellent in communication speed, communication errors are more likely to occur than wire communication, and reliability is difficult. Since power line communication is wired communication, communication errors are unlikely to occur, but communication speed is slow.
  • transmission of status detection results that require high-speed communication is performed by wireless communication, and abnormal information that does not have a problem even at low speed but needs to be transmitted reliably is transmitted by power line communication.
  • communication speed and reliability can be improved.
  • a signal line dedicated for communication is unnecessary, and the number of harnesses necessary for the battery system 100 can be reduced.
  • the relay module 206 includes a power line communication unit 503 and a control unit 502 added to the relay 106.
  • the power line communication unit 503 is configured to receive abnormality information from the battery module 105 and send it to the control unit 502.
  • the control unit 502 interrupts the relay 106 based on this information and the interrupt command received from the battery controller 103.
  • the control unit 502 operates so as to give priority to the relay disconnection determination based on the abnormality information from the battery module 105 over the relay connection command from the battery controller 103.
  • the relay module 206 displays the abnormality information from the battery module 105. Based on this, it is possible to disconnect the relay by its own judgment and maintain the safety of the battery system 100.
  • the first embodiment it is possible to transmit detailed information regarding a large number of batteries that require high-speed communication by using wireless communication, and it is possible to reliably transmit abnormality information by simultaneously using power line communication that is wired communication. By realizing communication that requires safety, it is possible to provide a battery system with improved safety and reliability.
  • Example 2 Next, Example 2 will be described.
  • the difference between the present embodiment and the first embodiment is that the result of abnormality diagnosis is transmitted not only by power line communication but also by wireless communication.
  • the drawing number similar to the drawing number used in Example 1 is used.
  • FIG. 3 is a configuration example of the battery module 105 in the second embodiment.
  • the description of the components having the same functions as those already described with reference to FIG. 2 is omitted.
  • the abnormality diagnosis unit 302 is configured to send a diagnosis result to both the power line communication unit 204 and the wireless communication unit 205.
  • the wireless communication unit 205 does not perform power line communication even if an abnormality such as disconnection occurs in the power line communication unit 204, the voltage detection line 113, the single battery 101, or the power line 104.
  • the abnormality information can be transmitted directly to the battery controller 103, and the reliability is improved.
  • Example 3 Example 3 will be described.
  • the difference between the present embodiment and the first embodiment is that the battery system 300 is small enough to use only one battery module 105 in which the number of single cells 101 is about 1 to 14.
  • the drawing number similar to the drawing number used in Example 1 is used.
  • FIG. 4 is a configuration example of the battery system, the load, and the charging circuit in the third embodiment.
  • the description of the components having the same functions as those already described with reference to FIG. 2 is omitted.
  • the battery system 300 of this embodiment includes a battery controller 103 and a battery module 105.
  • the battery module 105 has about 1 to 14 unit cells 101.
  • the battery controller 103 includes a current sensor 108, a MOSFET 114, and a CPU 601, and is connected to a power line 104 that connects the battery module 105 and the load 111.
  • the current sensor 108 is a shunt resistance method in which a current value is obtained by measuring a voltage generated when a current flows through a shunt resistor whose resistance value is accurately adjusted.
  • the relay 106 according to the first embodiment and the battery controller are integrated.
  • a MOSFET 114 or a similar semiconductor switch is used as an intermittent element in place of the relay 106.
  • the analog / digital converter, semiconductor switch, and CPU 601 necessary for the current sensor 108 can be housed in a single battery controller 103 (semiconductor package). As a result, the mounting area and the number of components can be reduced as compared with the first embodiment.
  • the battery system 100 is connected to the load 111 via the power supply circuit 115, thereby supplying a stable voltage to the load 111.
  • the battery system 100 can be connected to a commercial power supply via the charging circuit 116 and the plug 117, whereby the battery module 105 can be charged as necessary.
  • the battery system 100 of the present invention includes a single battery 101, a battery module 105 including a cell controller 102 that controls the single battery 101, and a battery controller 103 that controls the battery module 105.
  • the cell controller 102 is a single battery.
  • An abnormality diagnosis unit 202 for diagnosing the presence or absence of abnormality of the 101, a state detection unit 203 for calculating any one or more of the voltage, current, temperature, SOC, SOH or allowable charge / discharge current of the unit cell 101, and wired communication
  • Information diagnosed by the abnormality diagnosis unit 202 is output to the battery controller 103 via the power line communication unit 204 and calculated by the state detection unit 203.
  • the information is output to the battery controller 103 via the wireless communication unit 205.
  • the power line communication unit 204 outputs information to the battery controller 103 using the power line 104 connected to the single battery 101.
  • a new communication line is not provided for communication of abnormality information. Therefore, the structure of the battery system can be simplified, leading to cost reduction.
  • the information diagnosed by the abnormality diagnosis unit 202 is further output to the wireless communication unit 205, and the wireless communication unit 205 outputs the diagnosed information to the battery controller 103.
  • the wireless communication unit 205 outputs the diagnosed information to the battery controller 103.
  • the battery system 100 of the present invention includes a switch (such as a relay 106) connected in series to the battery module 105, and the battery controller 103 controls the opening and closing of the switch based on information diagnosed by the abnormality diagnosis unit 202. To do.
  • a switch such as a relay 106
  • the battery controller 103 controls the opening and closing of the switch based on information diagnosed by the abnormality diagnosis unit 202.
  • the switch (MOSFET 114 or semiconductor switch) is configured in the battery controller 103. With this configuration, it is possible to reduce the mounting area and the number of components.
  • the control method of the battery system 100 includes the battery module 105 including the single battery 101, the cell controller 102 that controls the single battery 101, and the battery controller 103 that controls the battery module 105.
  • the cell controller 102 performs abnormality diagnosis of the unit cell 101 in the battery module 105 and calculates one or more information of voltage, current, temperature, SOC, SOH, or allowable charge / discharge current.
  • One or more pieces of information on voltage, current, temperature, SOC, SOH, or allowable charge / discharge current are output to the battery controller 103 by wireless communication.
  • abnormal information that needs to be delivered reliably is wired communication, and information on battery voltage, current, temperature, SOC, SOH, and allowable charge / discharge current that requires a large amount of data and requires high-speed communication Can be performed by wireless communication, and it is possible to improve safety while speeding up the control.
  • the abnormality information of the battery module 105 is further output to the battery controller 103 by wireless communication.
  • the wireless communication unit 205 it is possible to transmit abnormality information via the wireless communication unit 205 even if an abnormality such as a disconnection occurs in the power line 104 and power line communication becomes impossible. Therefore, safety and reliability are improved.
  • the switch gives priority to the opening / closing instruction based on the abnormality information from the cell controller 102 over the opening / closing instruction from the battery controller 103. Yes.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various designs can be made without departing from the spirit of the present invention described in the claims. It can be changed.
  • the above-described embodiment has been described in detail for easy understanding of the present invention, and is not necessarily limited to one having all the configurations described. A part of the configuration of a certain example can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of a certain example. Furthermore, it is possible to add, delete, and replace other configurations for a part of the configuration of each embodiment.

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Abstract

 安全性及び信頼性を向上させた電池システムを提供することを課題とする。 本発明の電池システムは、単電池と、単電池の制御を行うセルコントローラからなる電池モジュールと、電池モジュールの制御を行うバッテリコントローラを有し、セルコントローラは単電池の異常の有無を診断する異常診断部と、単電池の電圧、電流、温度、SOC、SOHまたは許容充放電電流のいずれか1つ以上を算出する状態検知部と、有線通信を行う電力線通信部と、無線通信を行う無線通信部を有し、異常診断部で診断された情報は電力線通信部を介してバッテリコントローラに出力され、状態検知部で算出された情報は無線通信部を介してバッテリコントローラに出力されることを特徴とする。

Description

電池システム
 本発明は、電池システムの、特に電池情報及び異常情報の通信方法に関する。
 近年、移動体向け蓄電装置や系統連系安定化用蓄電装置、非常用蓄電装置といった多数の電池を内蔵する電池システムが注目を浴びている。これらシステムの性能を引き出すには電池の充電率(SOC)や劣化度(SOH)、充放電可能な最大電流(許容充放電電流)といったパラメータを算出し、また各電池の充電率を適切に揃える必要がある。これらを実現するため各電池には電池電圧計測用の回路(セルコントローラ)が取り付けられ、これらセルコントローラから送られてくる情報に基づき中央演算処理装置(CPU)を搭載したバッテリコントローラが前記演算や動作を実行する。しかし電池システムに内蔵する電池の個数が増加すると、セルコントローラとバッテリコントローラとの間を結ぶ通信線の本数が増大し、また結線に必要な製造コストも増大するという問題があった。
 これを解決するには、例えば特許文献1に記載の電力線通信(「電圧検出回路によって検出された電圧検出信号を電力線通信信号に変調し、変調した電力線通信信号を正負の出力端子間に重畳して出力する電力線通信回路」)を用いれば、通信線を別途用意せずともセルコントローラとバッテリコントローラとの間で通信することが可能となる。
特開2011-250683号公報
 特許文献1に記載の発明では、セルコントローラとバッテリコントローラを通信線で結ぶかわりに電力線通信を用いることで通信線を別途用意する必要はなくなるが、電池の内部インピーダンスが小さいため通信速度を早くすることは困難であるという問題がある。そのため、多数の電池に関する詳細な情報を送ろうとすると制御周期が長くなってしまう。
 一方、通信線を不要とする技術として有望な無線通信は高速通信が可能であるが、通信途絶する率が有線通信に比べ一般的に高く、通信が不確実となってしまう。そのため、電池の過電圧異常などのシステムが即座に停止すべきであることを示す情報を送受信するには困難があった。
 本発明は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、本発明の電池システムは、単電池と、単電池の制御を行うセルコントローラからなる電池モジュールと、電池モジュールの制御を行うバッテリコントローラを有し、セルコントローラは単電池の異常の有無を診断する異常診断部と、単電池の電圧、電流、温度、SOC、SOHまたは許容充放電電流のいずれか1つ以上を算出する状態検知部と、有線通信を行う電力線通信部と、無線通信を行う無線通信部を有し、異常診断部で診断された情報は電力線通信部を介してバッテリコントローラに出力され、状態検知部で算出された情報は無線通信部を介してバッテリコントローラに出力されることを特徴とする。
 本願に示した手段によれば、安全性及び信頼性を向上させた電池システムを提供することが可能となる。
本発明の電池システムと負荷との接続を示す構成例 実施例1の電池システムの構成例 実施例2の電池システムの電池モジュールの構成例 実施例3の電池システムと負荷との接続を示す構成例
 以下、図面1、2を用いて実施例1を説明する。
《実施例1》
 まず、電池システム100の例を説明する。図1は電池電力を負荷に供給する電池システムの例である。電池システム100の出力電圧は、電池の残容量や出力電流等により変動する直流電圧のため、負荷111に直接電力を供給するには適さない場合がある。そのため、上位コントローラ112により制御されるインバータ110により電池システム100の出力電圧を三相交流に変換し負荷111に供給している。負荷に直流電圧や他の多相交流、単相交流を供給する場合も同様の構成となる。
 また、負荷111が電力を出力する場合はインバータ110を双方向インバータとすることにより、負荷111が出力した電力を電池システム100に蓄えることができる。
 また、インバータ110と並列に充電システムを電池システム100に接続することで、必要に応じ電池システム100を充電することも可能である。
 電池システム100はインバータ110や負荷111の制御に有用な電池の充電率(SOC)や劣化率(SOH)、流すことのできる最大充電電流・放電電流(許容充放電電流)、電池温度、電池異常の有無等の電池状態に関する情報を上位コントローラ112に送信する。
 上位コントローラ112はこれらの情報に基づき、エネルギーマネージメントや異常検知等を行う。また上位コントローラ112は電池システム100をインバータ110または負荷111から切り離すべきと判断した場合は切断指示を電池システム100に対し送信する。
 電池システム100は1個以上の単電池からなる2台以上の電池モジュール105と、電池システム100や各電池モジュール105の状態を監視・推定・制御するバッテリコントローラ103、電池システム100の出力を断続するリレー106、電池に流れた電流を計測する電流センサ108、電池電圧を計測する電圧センサ602、電池システム100と例えばアースとの間の絶縁抵抗を計測する漏電センサ603、そして電池システムの出力電圧に応じ設けられる遮断器107から構成される。
 電池モジュール105は1個以上の単電池を有し、モジュール内部の温度や各電池の電圧を計測し、また必要に応じ単電池単位での充放電を行う。これにより単電池単位での電圧監視や電圧調整が可能となり、また温度に応じて特性が変化する電池の状態推定に必要な温度情報を計測可能となる。詳細は後述する。
 電池モジュール105には電流センサ108とリレー106を電池モジュール105に直列に接続する。これにより電池モジュール105の状態を監視・推定するために必要な電流値が計測可能となり、また電池システム100の出力を上位コントローラの指令に基づき断続可能となる。電池モジュールがたとえば100V以上の高電圧となる場合は人力で電池システム100への電力入出力を遮断するための遮断器107を追加することがある。遮断器107を用いて強制的に遮断を行うことで、電池システム100の組み立て時や解体時、電池システム100を搭載した装置の事故対応時に感電事故や短絡事故の発生を防ぐことが可能となる。
 なお、電池モジュール105が複数台並列に接続されている場合は各列にリレー106、遮断器107、電流センサ108を設けてもよいし、電池システム100の出力部分にのみリレー106、遮断器107、電流センサ108を設けてもよい。また、各列および電池システム100の出力部の両方にリレー106、遮断器107、電流センサ108を設けてもよい。
 リレー106は1台のリレーで構成してもよいし、メインリレーとプリチャージリレー、抵抗の組で構成してもよい。後者の構成ではプリチャージリレーと直列に抵抗を配置し、これらをメインリレーと並列接続する。そしてリレー106を接続する場合、まずプリチャージリレーを接続する。プリチャージリレーを流れる電流は直列接続した抵抗により制限されるため、前者の構成で生じうる突入電流を制限することができる。そしてプリチャージリレーを流れる電流が十分小さくなったのちにメインリレーを接続する。メインリレー接続のタイミングはプリチャージリレーを流れる電流を基準にしてもよいし、抵抗にかかる電圧やメインリレーの端子間電圧を基準にしてもよく、またプリチャージリレーを接続してから経過した時間を基準にしてもよい。
 電圧センサ602は1台または複数台の電池モジュール105、または電池モジュール105の各1直列に対し並列に接続され、電池モジュール105の状態監視・推定に必要な電圧値を計測する。また、電池モジュール105には漏電センサ603が接続され、漏電が生じる前に漏電が生じうる状態、すなわち絶縁抵抗が低下した状態を検知し事故の発生を予防可能とする。
 電池モジュール105、電流センサ108、電圧センサ602、漏電センサ603が計測した値はバッテリコントローラ103に送信され、バッテリコントローラ103はこれを元に電池の状態監視や推定、制御を行う。ここで制御とは、例えば各単電池の電圧を均等化するための単電池毎の充放電や、各センサの電源制御、センサのアドレッシング、バッテリコントローラ103に接続されたリレー106の制御等を指す。電池の状態監視や推定、制御に必要な演算はCPU601が行う。また電池システム100にはシステム冷却用のファンが含まれてもよく、その制御をバッテリコントローラ103が行うこともある。このように冷却まで電池システム100が行うことで、上位コントローラとの通信量を削減することが可能となる。
 バッテリコントローラ103は電圧センサ602や漏電センサ603を内蔵してもよい。このようにすることで個別のセンサを用意する場合にくらべハーネス本数を減らし、センサ取り付けの手間も削減できる。ただしセンサを内蔵することでバッテリコントローラ103が対応可能な電池システム100の規模(最大出力電圧、電流等)が限定されてしまうため、あえて電圧センサ602や漏電センサ603をバッテリコントローラ103とは別部品とすることで自由度を持たせてもよい。
 次に、図2を用いて電池モジュール105およびバッテリコントローラ103、リレー106について詳しく説明する。
 電池モジュール105は、1個以上の直並列接続された単電池101と、電圧検出線113を介して単電池101に接続され単電池101の監視・制御を行うセルコントローラ102より成る。
 単電池101は例えばリチウムイオン電池やニッケル水素電池、電気二重層キャパシタ、空気電池、燃料電池、鉛電池といった一次電池もしくは二次電池、キャパシタ、発電素子である。単電池101は負荷111が必要とする電力の供給源である。また単電池101に二次電池やキャパシタを用いた場合は負荷111から出力された電力を吸収し、貯蔵することも可能となる。この場合、貯蔵した電力を再び電力出力用に用いることで無駄のない高効率なシステムを構築することが可能となる。
 セルコントローラ102は計測部201、異常診断部202、状態検知部203、電力線通信部204、無線通信部205より成り、1個または複数個の単電池101に接続される。
 計測部201は単電池101の電圧や温度等を計測する。また必要に応じ単電池101を個別に充放電する。電圧や温度の計測は各単電池101に行ってもよいし、複数の単電池101毎に行ってもよい。また、単電池の温度ではなく電池モジュール105内部の温度を計測してもよい。各単電池101の電圧を計測する必要があるかどうかは単電池101の種類に依り、例えばリチウムイオン電池の場合は各単電池101の電圧を計測することが望ましい。またニッケル水素電池や一次電池の場合は複数個の単電池101毎の電圧計測で充分である。
 計測部201が計測した単電池101の電圧や温度の情報は異常診断部202および状態検知部203に送られる。
 異常診断部202は計測部201が計測した単電池101の電圧や温度が過充電や過放電、過電流等の電池異常を示唆する値になっていないか診断し、異常を示す値だった場合は電力線通信部204に異常状態を送る。診断結果は単に異常を示すものでもよい。この場合回路もしくはプログラムが単純になり信頼性の高いシステムとなる。また、どのような異常が起きたのかを示す情報を付与してもよい。この場合異常の種別に応じた対応をとることができ、無用なシステムの停止の防止や停止する機能の最小化を行うことができる。さらに、軽微・深刻・致命的といった異常の程度を付与してもよい。この場合も無用なシステムの停止の防止や停止する機能の最小化を行うことができる。更に、システムを止めるまでもない軽微な異常情報を付与することでシステムの停止を伴うような深刻な異常が起きる前に修理が可能な高信頼システムを構築することが可能となる。
 状態検知部203は計測部201が計測した単電池101の電圧や温度を元に単電池101の電圧、電流、温度、SOCやSOH、許容充放電電流を算出し、その結果を無線通信部205に送る。必要に応じ状態検知に必要な電池特性をセルコントローラ102にあらかじめ保存しておくことで電圧、電流、温度、SOCやSOH、許容充放電電流の算出を高精度化できる。このようにセルコントローラに単電池101の特性を保存しておくことで、バッテリコントローラ103は単電池101の特性を把握する必要がなくなり、自由度が向上する。また逆に状態検知部203は何も演算せず、計測部201より受け取った計測結果を無線通信部205にそのまま送る実装でもよい。このようにすることで各セルコントローラ102にCPUを設ける必要がなくなり、部品コストや故障率を低減することができる。
 状態検知部203が無線通信部205に送る情報としては、例えば各単電池101の電圧や温度、電池モジュール105内部の温度、吸入空気の温度、排気温度、SOC推定結果、SOH推定結果、単電池101の型式番号、単電池101の製造年月日、単電池101の製造番号、過電圧到達回数、過放電到達回数、単電池101の平均電圧、単電池101の充放電回数、単電池101の内部抵抗、単電池101の満充電容量、セルコントローラ102の型式番号、セルコントローラ102の製造年月日、セルコントローラ102の製造番号、セルコントローラ102の識別番号、セルコントローラ102の内部温度、セルコントローラ102の電源投入回数、セルコントローラ102の起動時間等が挙げられる。なおこれは状態検知部203が無線通信部205経由でバッテリコントローラ103に送る情報の一例であり、実際にはこの一部であってもよく、またこれに他の情報を加えてもよい。
 電力線通信部204は異常診断部202から受け取った異常情報を交流信号に変換し、電圧検出線113に出力し、電力線104より電池システム各部、例えばバッテリコントローラ103に出力する。交流信号には変調をかけることで異常の種類や程度の情報を追加可能である。かける変調の例としては、異常の種類に応じて周波数変調を、程度に応じて振幅変調をかける。たとえば致命的なものは大電圧、また重度な異常ほど低周波とすれば電力線通信のノイズ耐性やクロストーク耐性を向上することが可能となる。なお漏電センサ603は絶縁抵抗検出時に交流信号を出力することがあるため、この周波数と電力線通信用の周波数が重複しないようにすることが望ましい。
 異常情報は、情報量は少ないが受信側に確実に届く必要のある情報である。電力線通信部204は低速だが確実な通信を実現するため、電力線通信部204を異常情報の送信に特化させることで確実な通信を実現する。
 無線通信部205は状態検知部203から受け取った情報を無線信号に変換し、電池システム各部、例えばバッテリコントローラ103に出力する。また、バッテリコントローラ103からの無線信号を受信し、セルコントローラ102宛の命令が含まれていた場合はその内容に従い単電池101の個別充放電や計測部201の計測設定変更、セルコントローラ102のリセット等を行う。無線通信にて送受信される情報は電池の電圧、電流、温度、SOCやSOH、許容充放電電流等の演算に用いられるが、それらは急激に変動するものではないため一時的なデータの欠損が起きても前回演算結果を利用することで対応可能である。そのため、データ量は膨大だが確実性が不要なこれらのデータは無線通信により送受信され、制御周期の高速化等を実現する。
 バッテリコントローラ103はセルコントローラ102と情報を無線にて送受信する無線通信部402と、セルコントローラ102からの異常情報を受信する電力線通信部403と、無線通信部402および電力線通信部403からの情報に基づき電池の状態推定や演算を行い必要に応じて無線通信部402経由でセルコントローラ102に命令を出力する電池制御部401から成る。
 電池制御部401は無線通信部402を介してセルコントローラ102より受け取った電池状態に基づき、必要に応じて電圧、電流、温度、SOCやSOH、許容充放電電流の演算を行い上位コントローラ112に演算結果を出力する。またこの演算結果や電力線通信部403を介してセルコントローラ102から受け取った異常情報に基づき異常の有無や程度を判断し、致命的な異常が検出された場合はリレー106を解放する。このように致命的な異常検知時には上位コントローラ112とは独立してリレー106を解放することにより、上位コントローラ112との通信途絶時や上位コントローラ112の異常時でもシステムを安全な状態に保つことができる。
 各単電池101の電圧もしくはSOCにばらつきが検出された場合は無線通信部402を介してセルコントローラ102にばらつきを解消するための充放電命令を送る。これにより、ばらつきに起因する単電池101の過充電・過放電防止や、充放電可能な範囲の縮小防止が可能となる。
 以上のように本発明の特徴は、電池システム100が電池モジュール105の状態検知結果を無線通信で、電池モジュール105の異常診断結果を電力線通信で行うようにした点である。無線通信は通信速度に優れる一方、通信エラーが有線通信に比べ起きやすく、信頼性に難がある。電力線通信は有線通信なため通信エラーが起きにくい一方、通信速度が遅いという特徴がある。
 しかし、本実施例では高速な通信が必要となる状態検知結果の送信を無線通信で、低速でも問題ないが確実に伝える必要のある異常情報の送信を電力線通信で行うことにより、どちらか一方のみを伝送手段として用いる場合に比べ通信の高速化および高信頼化を実現できる。
 また、無線通信、電力線通信のいずれも通信専用の信号線は不要であり、電池システム100に必要なハーネスの本数を削減できる。
 なお図2に示すように、リレー106にも電力線通信部503と制御部502を追加したリレーモジュール206とする場合もある。
 この電力線通信部503は電池モジュール105からの異常情報を受信して制御部502に送る構成となっている。
 一方、制御部502はこの情報およびバッテリコントローラ103から受信した断続命令に基づきリレー106の断続を行う。制御部502はバッテリコントローラ103からのリレー接続命令よりも電池モジュール105からの異常情報に基づくリレー切断判断を優先するように動作する。これにより、電池モジュール105およびバッテリコントローラ103に同時に致命的な異常が発生し、バッテリコントローラ103からリレーモジュール206にリレー切断命令が送られなかった場合でもリレーモジュール206は電池モジュール105からの異常情報に基づきリレーを独自判断で切断し、電池システム100の安全性を維持することが可能となる。
 以上、実施例1では、無線通信を用いることで高速通信が必要な多数の電池に関する詳細な情報の送信を可能にし、また有線通信である電力線通信を同時に用いて異常情報を送信することで確実性が必要な通信も実現することによって、安全性及び信頼性が向上した電池システムを提供することが可能となる。
 また、セルコントローラとバッテリコントローラをつなぐ通信線を別途設ける必要がないため、シンプルな電池システムを構築することが可能となり、コストが低下する。
《実施例2》
 続いて実施例2について説明する。本実施例が実施例1と異なる点は、異常診断の結果を電力線通信だけでなく無線通信でも送信するようにした点である。なお、実施例1で説明した構成と同様の構成については、実施例1で用いた図面番号と同様の図面番号を用いている。
 図3は、実施例2における電池モジュール105の構成例である。図2の電池モジュール105のうち、既に説明した図2に示された同一の符号を付した構成と、同一の機能を有する部分については説明を省略する。
 異常診断部302は電力線通信部204と無線通信部205の両方に診断結果を送る構成となっている。これにより無線通信時の伝送量が増加してしまうが、電力線通信部204や電圧検出線113、単電池101、電力線104に断線等の異常が生じ電力線通信が不能となっても無線通信部205により直接バッテリコントローラ103に異常情報を送信可能となり、信頼性が向上する。
《実施例3》
 続いて実施例3について説明する。本実施例が実施例1と異なる点は、単電池101の個数が1個ないし14個程度である電池モジュール105を1つだけ用いるような小型の電池システム300とした点である。なお、実施例1で説明した構成と同様の構成については、実施例1で用いた図面番号と同様の図面番号を用いている。
 図4は、実施例3における電池システムおよび負荷、充電回路の構成例である。図1の電池システム100のうち、既に説明した図2に示された同一の符号を付した構成と、同一の機能を有する部分については説明を省略する。
 本実施例の電池システム300内には、バッテリコントローラ103と電池モジュール105を有する。電池モジュール105は単電池101を1個ないし14個程度有する。一方、バッテリコントローラ103は電流センサ108、MOSFET114、CPU601より成り、電池モジュール105と負荷111とが繋がる電力線104に接続される。電流センサ108は抵抗値が精度よく調整されたシャント抵抗に電流が流れたときに生じる電圧を計測することで電流値を求めるシャント抵抗方式である。また、本発明では実施例1のリレー106とバッテリコントローラが一体になった構造となっている。リレー106に替わる断続素子としてMOSFET114またはそれに類する半導体スイッチを用いる。電流センサ108に必要なアナログ・デジタル変換器や半導体スイッチ、CPU601は単一のバッテリコントローラ103(半導体パッケージ)に収めることが可能である。これにより実施例1と比較して実装面積の削減や部品点数の削減ができる。
 さらに電池システム100は電源回路115を介して負荷111に接続され、これにより負荷111に安定した電圧を供給する。また電池システム100は充電回路116およびプラグ117を介して商用電源に接続可能であり、これにより必要に応じて電池モジュール105を充電することができる。
 以上、本発明についてまとめる。本発明の電池システム100では、単電池101と、単電池101の制御を行うセルコントローラ102からなる電池モジュール105と、電池モジュール105の制御を行うバッテリコントローラ103を有し、セルコントローラ102は単電池101の異常の有無を診断する異常診断部202と、単電池101の電圧、電流、温度、SOC、SOHまたは許容充放電電流のいずれか1つ以上を算出する状態検知部203と、有線通信を行う電力線通信部204と、無線通信を行う無線通信部205を有し、異常診断部202で診断された情報は電力線通信部204を介してバッテリコントローラ103に出力され、状態検知部203で算出された情報は無線通信部205を介してバッテリコントローラ103に出力される。このような構成にすることにより、確実に届く必要がある異常情報は有線通信で、データ量が膨大で高速通信が必要な電池の電圧、電流、温度、SOC、SOHや許容充放電電流の情報は無線通信で行うことができ、制御の高速化を図りつつも安全性の向上を図ることが可能となる。
 また、本発明の電池システム100では、電力線通信部204が単電池101に接続される電力線104を用いてバッテリコントローラ103に情報を出力している。このような構成にすることによって、異常情報の通信のために新たな通信線を設けることが無くなる。従って、電池システムの構造を簡素化出来るため、コスト低減につながる。
 また、本発明の電池システム100では、異常診断部202で診断された情報は、さらに無線通信部205に出力され、無線通信部205はバッテリコントローラ103に診断された情報を出力している。このような構成にすることによって、電力線104に断線等の異常が生じ電力線通信が不能となっても無線通信部205を介して異常情報を送信することが可能となる。そのため、安全性や信頼性が向上する。
 また、本発明の電池システム100では、電池モジュール105に直列に接続されるスイッチ(リレー106等)、を有し、バッテリコントローラ103は異常診断部202で診断された情報に基づきスイッチの開閉を制御する。このような構成にすることによって、電池モジュール105に異常が発生した際に電池システム100と負荷111との接続を確実に断つことが可能となり、安全性が向上する。
 また、本発明の電池システム100では、スイッチ(MOSFET114や半導体スイッチ)はバッテリコントローラ103内に構成される。このように構成することによって、実装面積の削減や部品点数の削減が可能となる。
 また、本発明に記載の電池システム100の制御方法では、単電池101と、単電池101の制御を行うセルコントローラ102からなる電池モジュール105と、電池モジュール105の制御を行うバッテリコントローラ103を有し、セルコントローラ102は電池モジュール105内の単電池101の異常診断及び電圧、電流、温度、SOC、SOHまたは許容充放電電流のいずれか1つ以上の情報の算出を行い、異常情報は有線通信によりバッテリコントローラ103に出力され、電圧、電流、温度、SOC、SOHまたは許容充放電電流のいずれか1つ以上の情報は無線通信によりバッテリコントローラ103に出力される。このような構成にすることにより、確実に届く必要がある異常情報は有線通信で、データ量が膨大で高速通信が必要な電池の電圧、電流、温度、SOC、SOHや許容充放電電流の情報は無線通信で行うことができ、制御の高速化を図りつつも安全性の向上を図ることが可能となる。
 また、本発明に記載の電池システム100の制御方法では、電池モジュール105の異常情報は、さらに無線通信によりバッテリコントローラ103に出力される。このような構成にすることによって、電力線104に断線等の異常が生じ電力線通信が不能となっても無線通信部205を介して異常情報を送信することが可能となる。そのため、安全性や信頼性が向上する。
 また、本発明に記載の電池システム100の制御方法では、スイッチ(リレー106等)は、バッテリコントローラ103からの開閉指示よりもセルコントローラ102からの異常情報に基づく開閉指示を優先するようになっている。このように構成することによって、電池モジュール105内の単電池101に異常が発生した場合であったとしても、即座に電池システム100と負荷111を切り離すことが可能となる。そのため、安全性や信頼性が向上する。
 以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は、前記の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
100 電池システム
101 単電池
102 セルコントローラ
103 バッテリコントローラ
104 電力線
105 電池モジュール
106 リレー
107 遮断器
108 電流センサ
110 インバータ
111 負荷
112 上位コントローラ
113 電圧検出線
114 半導体スイッチ
115 電源回路
116 充電回路
117 プラグ
201 計測部
202 異常診断部
203 状態検知部
204 電力線通信
205 無線通信
206 リレーモジュール
401 電池制御部
402 無線通信
403 電力線通信
502 制御部
503 電力線通信
601 CPU
602 電圧センサ
603 漏電センサ

Claims (9)

  1.  単電池と、当該単電池の制御を行うセルコントローラからなる電池モジュールと、
     前記電池モジュールの制御を行うバッテリコントローラを有する電池システムにおいて、
     前記セルコントローラは前記単電池の異常の有無を診断する異常診断部と、前記単電池の電圧、電流、温度、SOC、SOHまたは許容充放電電流のいずれか1つ以上を算出する状態検知部と、有線通信を行う電力線通信部と、無線通信を行う無線通信部を有し、
     前記異常診断部で診断された情報は電力線通信部を介して前記バッテリコントローラに出力され、前記状態検知部で算出された情報は無線通信部を介して前記バッテリコントローラに出力されることを特徴とする電池システム。
  2.  請求項1に記載の電池システムにおいて、
     前記電力線通信部は、前記単電池に接続される電力線を用いて前記バッテリコントローラに情報を出力することを特徴とする電池システム。
  3.  請求項2に記載の電池システムにおいて、
     前記異常診断部で診断された情報は、さらに前記無線通信部に出力され、前記無線通信部は前記バッテリコントローラに前記診断された情報を出力することを特徴とする電池システム。
  4.  請求項1乃至3のいずれかに記載の電池システムにおいて、
     前記電池モジュールに直列に接続されるスイッチを有し、前記バッテリコントローラは前記異常診断部で診断された情報に基づき前記スイッチの開閉を制御することを特徴とする電池システム。
  5.  請求項4に記載の電池システムにおいて、
     前記スイッチは前記バッテリコントローラ内に構成されることを特徴とする電池システム。
  6.  単電池と、当該単電池の制御を行うセルコントローラからなる電池モジュールと、
     前記電池モジュールの制御を行うバッテリコントローラを有する電池システムの制御方法において、
     前記セルコントローラは前記電池モジュール内の単電池の異常診断及び電圧、電流、温度、SOC、SOHまたは許容充放電電流のいずれか1つ以上の情報の算出を行い、
     前記異常情報は有線通信により前記バッテリコントローラに出力され、
     前記電圧、電流、温度、SOC、SOHまたは許容充放電電流のいずれか1つ以上の情報は無線通信により前記バッテリコントローラに出力することを特徴とする電池システムの制御方法。
  7.  請求項6に記載の電池システムの制御方法において、
     前記電池モジュールの異常情報は、さらに無線通信により前記バッテリコントローラに出力されることを特徴とする電池システムの制御方法。
  8.  請求項6または7に記載の電池システムの制御方法において、
     前記電池システムは前記電池モジュールに直列に接続されるスイッチを有し、
     前記スイッチの開閉は前記バッテリコントローラによって制御されることを特徴とする電池システムの制御方法。
  9.  請求項8に記載の電池システムの制御方法において、
     前記スイッチは、前記バッテリコントローラからの開閉指示よりも前記セルコントローラからの異常情報に基づく開閉指示を優先することを特徴とする電池システムの制御方法。
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