JP5872354B2

JP5872354B2 - 電池システム

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Publication number: JP5872354B2
Application number: JP2012075393A
Authority: JP
Inventors: 浩一横浦
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2012-03-29
Filing date: 2012-03-29
Publication date: 2016-03-01
Anticipated expiration: 2032-03-29
Also published as: CN103367819B; JP2013207945A; EP2645734A3; CN103367819A; US20130260198A1; EP2645734B1; EP2645734A2

Description

本発明は、飛び越し通信機能を有する電池システムに関する。

電池は充放電を行った場合、物理的、化学的に急激な変化が少ないため、ミリ秒以上の制御単位で制御が可能である。そのため、大規模な電池システムが構築可能であり、使用の最小単位となる電池モジュール、これらの電池モジュールが複数直並列接続されて構成される電池パック、さらにこれらの電池パックが複数並列に接続されて構成される電池システム、というように規模の異なる電池ユニットが複数の階層を成して構成することができる。

例えば、特許文献１には、規模の異なる電池ユニットが複数の階層をして構成される電池システムが開示されている。

特表２００９−５３８１１２号公報

一方で、このように階層化された大規模電池システムにおいては、直接の制御単位は親となる電池ユニットと、当該電池ユニットよりも小規模な子となる電池ユニットの関係で確定する。従って、図１に示すような規模の異なる３つの電池ユニット、例えば最小単位の電池モジュール９００、当該電池モジュール９００を複数有する電池パック９０１、当該電池パック９０１を複数有する電池ブロック９０２で構成されるような３つ以上の階層を有する電池システム９９０においては、階層間で制御単位が異なるため、通信や処理の遅延が発生してしまう。特に、電池システムに異常が発生した場合には、この通信遅れによって、異常への対策が遅れる可能性がある。

本発明は、上記課題に鑑み、複数の階層構造を有する電池システムを構築したとしても、通信や処理の遅延を抑制した電池システムを提供することを課題とする。

本発明に係る電池システムは、複数の電池セル、及び前記複数の電池セルの電池情報を収集する電池モジュール制御装置を有する電池モジュールと、複数の電池モジュール、及び前記複数の電池モジュールの情報を収集する電池パック制御装置を有する電池パックと、複数の電池パック、及び前記複数の電池パックの情報を収集する電池ブロック制御装置を有する電池ブロックとを有し、前記電池モジュール制御装置と前記電池パック制御装置とは第一の通信回線を介して通信され、前記電池パック制御装置と前記電池ブロック制御装置とは第二の通信回線を介して通信され、前記電池モジュール制御装置と前記電池ブロック制御装置とは、前記電池パック制御装置を中継せずに直接通信を行う通信回線を有していることを特徴とする。

本発明を実施することによって、複数の階層構造を有する電池システムを構築したとしても、通信や処理の遅延を抑制した電池システムを提供することが可能となる。

従来の電池システムを示すブロック図である。本発明に係る発電システムを示すブロック図である。本発明に係る電池システムの階層構造を表す図である。本発明に係る電池システムの通信経路を示す図である。本発明に係る電池モジュール制御装置の詳細を示す図である。本発明に係る通信方法を示す図である。本発明に係る異常検知部の（ａ）電圧情報を用いた制御フロー、（ｂ）電流情報を用いた制御フロー、（ｃ）温度情報を用いた制御フローを示す図である。

以下、本発明の実施形態に係る電池システムについて、図面を参照して説明する。

はじめに、本発明の実施形態に係る電池システムの概要について説明する。

風力発電や太陽光発電などの自然エネルギーに由来する電力系統では、自然環境に及ぼす負荷が少ないという利点がある反面、その発電能力が自然環境に左右される。具体的には、風力や太陽光の強さは時々刻々と変化するため、電力系統に周波数変動や電圧変動などの悪影響を及ぼすことが懸念される。

こうした懸念を除くアプローチのひとつとして、自然エネルギー発電装置に電池システムを併設し、電力系統の周波数変動や電圧変動の抑制を図る電力システムが提案されている。図２は、本発明に係る電池システム２０１が適用される電力システム１０１の概要を表すブロック図である。

電力システム１０１は、図２に示すように、電力系統１０２と、発電装置１０３と、インバータ１０４と、本発明に係る電池システム２０１とを備えて構成される。

発電装置１０３は、例えば、自然エネルギーに由来して発電した電力を電力系統１０２に供給する機能を有する。発電装置１０３と電力系統１０２との間を接続する電線１０５の連結点Ａには、インバータ１０４を介して、本発明に係る電池システム２０１が接続されている。

インバータ１０４は、発電装置１０３で発電された電力を直流電力に変換し、変換した直流電力を電池システム２０１へ送る機能と、電池システム２０１に蓄えられた直流電力を交流電力に変換し、変換した交流電力を電力系統１０２へ送る機能とを有する。負荷への給電は、交流の電力系統１０２を介して行われる。

発電装置１０３として自然エネルギー発電装置を採用した場合、その出力は、天候や季節などの自然環境の変化に係る影響を受けて変動する。この出力変動は、電力系統１０２の周波数変動や電圧変動を招き、電力系統１０２の電力品質を低下させる要因となる。

この点、本発明に係る電池システム２０１は、電力系統１０２の周波数や電圧の変動が所定の範囲に収まるように機能する。すなわち、電池システム２０１は、電力系統１０２に過剰な電力が供給された場合はその過剰電力を電池システム２０１に充電する一方、電力が不足する場合は電池システム２０１に蓄えられた電力を放電する、いわゆるバッファ機能を有する。これにより、本発明に係る電池システム２０１は、電力系統１０２の周波数変動や電圧変動を抑制することができる。

次に、本発明に係る電池システム２０１の具体的構成について、図２を用いて説明する。図３は、本発明に係る電池システム２０１の階層構造を概念的に表すブロック図である。本発明に係る電池システム２０１は、最小の単位を電池モジュール３０として、複数の電池モジュール３０を有する電池パック４０、複数の電池パック４０を有する電池ブロック５０を有している。

電池モジュール３０の構成から、具体的に説明する。電池モジュール３０は電池セル群２０と、電池セル群２０の電池情報（例えば、電池セルの電流情報・電圧情報・温度情報・充電状態など）を収集するセル制御装置（ＣＣＵ）２１０、及び電池モジュール制御装置（ＢＭＣＵ）３１を有する。なお、このセル制御装置２１０は、後述する電池セル間のバランシング制御も行う。セル制御装置２１０で収集された電池情報は、電池モジュール制御装置（ＢＭＣＵ）３１に送られる。そして、電池モジュール制御装置（ＢＭＣＵ）３１では、電池モジュール３０内の電池セル群２０の平均充電状態が算出され、先ほどの電池情報にさらに電池セル群２０の平均充電状態の電池情報を付加して、上位の電池パック制御装置（ＢＰＣＵ）２３０に電池情報を送信する。

電池パック４０は、複数の電池モジュール３０、及び電池パック制御装置２３０を有している。電池パック制御装置２３０は、各電池モジュール制御装置３１から出力された電池情報を収集し、電池パック４０内にある電池モジュール３０の充電状態を平均した電池モジュール３０の平均充電状態の情報を算出する。そして、電池モジュール制御装置３１から得られた電池情報に、複数の電池モジュール３０の平均充電状態の情報を付加して、さらに上位の電池ブロック制御装置２４０に電池情報を出力する。

電池ブロック５０は、複数の電池パック４０、及び電池ブロック制御装置２４０を有している。電池ブロック制御装置２４０は、各電池パック制御装置２３０から出力された電池情報を収集し、電池ブロック５０内にある電池パック４０の充電状態を平均した電池パック４０の平均充電状態の情報を算出する。そして、電池パック制御装置２３０から得られた電池情報に、複数の電池パック４０の平均充電状態の情報を付加して、さらに上位のシステム制御装置２５０に電池情報を出力する。なお、説明では電池ブロック５０には複数の電池パック４０があるとしたが、電池ブロック５０を構成する電池パック４０は、１つでもよい。その場合には、電池ブロック制御装置２４０は、電池パック制御装置２３０から出力された電池情報をそのままシステム制御装置２５０に出力する。

本発明では、このように複数階層で電池の状態を監視しているため、安全性が高い電池システム２０１となっている。また、本発明に係る電池モジュール３０、電池パック４０、及び電池ブロック５０はそれぞれの単位で交換可能であるため、メンテナンス性が良い電池システムとなっている。

続いて、図４を用いて互いの階層間の接続について説明する。電池モジュール制御装置３１は、電池セル群２０の電池情報（例えば電流情報・電圧情報・温度情報）を取得する情報処理部３３、及び当該情報処理部３３によって取得された電池情報を電池パック制御装置２３０に送信及び電池パック制御装置２３０からの制御信号を受信する通信装置３２を有している。なお電池セル群２０は、図４に示すように複数の電池セル（『ｃ１』〜『ｃｋ』（ｋは電池セルの個数））から構成されていても良いし、単一の電池セルから構成されていてもよい。また、この通信装置３２については、後述するが、親機となる電池パック制御装置２３０に対応した通信周波数に変調した周波数ｆ（１）〜ｆ（ｎ）で通信可能とする装置である。

電池パック制御装置２３０は、通信装置３２によって送信された複数の電池モジュール３０（『１』〜『ｍ』（ｍは電池モジュール３０の個数））の電池情報を受信したり、電池モジュール制御装置３１と電池ブロック制御装置２４０に電池情報・制御信号を送信する通信装置４２と、当該通信装置４２によって受信された各電池モジュール３０の電池情報に基づいて電池モジュール間のバランシングの要否を判断したり、電池モジュール３０の充電状態（ＳＯＣ）を演算したりする演算部４１を有している。

なお、この通信装置４２は、子機となる電池モジュールから出力され、変調された周波数ｆ（１）〜ｆ（ｎ）のいずれかの信号を受信し、親機となる電池ブロック制御装置２４０に対応した通信周波数ｆ（０）に変調した制御信号を通信可能とする装置である。また、電池パック制御装置２３０の通信装置４２は、自機の通信周波数（例えば電池パック制御装置（１）ならば対応した通信周波数ｆ（１））と親機である電池ブロック制御装置２４０との通信で使用する通信周波数ｆ（０）以外を取り込まない構成とする。

さらに、電池ブロック制御装置２４０は、通信装置３２によって送信された複数の電池パック制御装置２３０（『１』〜『ｎ』（ｎは電池パック４０の個数））から出力された電池情報を受信したり、図示しないさらに上位の制御装置や電池パック制御装置２３０に電池情報・制御信号を送信する通信装置５２と、当該通信装置５２によって受信された各電池パック４０の電池情報に基づいて電池パック間のバランシングの要否を判断したり、電池パック４０の充電状態（ＳＯＣ）を演算したりする演算部４１を有している。

また、この通信装置５２は、子機と成る電池パック制御装置２３０から出力され、変調された通信周波数ｆ（０）の制御信号を受信・送信できる構成となっている。

この通信周波数ｆ（０）、及びｆ（１）〜ｆ（ｎ）を、例えば１００MHz〜１０GHzの領域とすると、有線通信のみならず無線通信でも使用可能となる。

各電池モジュール３０の通信装置３２は、通信回線３４を介して上位にある電池パック制御装置２３０と接続され、各電池パック制御装置２３０は通信回線４４を介して各電池ブロック制御装置２４０に接続されて上位の制御装置を親機とした逐次通信が行われる。通信方法については後に詳細に説明する。なお、この通信回線は有線であっても無線であっても良い。有線の場合には信号の誤送信率が低いというメリットがあり、無線の場合には配線の煩雑さが無くなるというメリットがある。

なお、ここでは変調方式は他の信号の影響を受けにくい周波数変調としたが、他の変調方式を用いても良いことは言うまでもない。

続いて図５を用いて電池モジュール３０内にある電池モジュール制御装置３１の詳細な構成について説明する。上述したように、電池モジュール制御装置３１は通信装置３２と情報処理部３３を有している。この情報処理部３３は、電池情報取得部３５と、当該電池情報取得部３５が取得した電池情報に基づいて当該電池モジュールに異常が発生しているかを検出する異常検出部３６を有している。この異常検出部３６は、取得した電池情報が所定の電流範囲に入っているか、所定の電圧範囲に入っているか、所定の温度範囲に入っているか、を判定し、当該所定の範囲に入っている場合には、通信装置３２にある平常時通信部３７から電池パック制御装置２３０へ変調された信号ｆ（１）〜ｆ（ｎ）が出力される。具体的な判定フローについては図７を用いて後に説明する。

一方、当該異常検出部３６で上記所定の範囲に入っていないと判断されると、異常時通信部３８からは、親機である電池パック制御装置２３０の通信周波数である周波数ｆ（１）〜ｆ（ｎ）の制御信号と、当該電池モジュールの親機のさらに親機に当たる電池ブロック制御装置２４０の通信周波数である周波数ｆ（０）の制御信号が出力される。上述したように、電池パック制御装置２３０の通信装置４２が自機の通信周波数（例えば電池パック制御装置（１）ならば対応した通信周波数ｆ（１））及び親機の通信周波数である周波数ｆ（０）の制御信号以外の信号を取り込まない構成となっているため、電池モジュール３０の異常情報が直接電池ブロック制御装置２４０の通信装置５２に入力される。

このような構成にすることによって、異常時に電池パック制御装置２３０を介さず直接上位の親機に信号を入力することが可能となるため、中継機を介すことによる通信遅れを抑制することができる。

また、異常時通信部から出力された信号は、周波数ｆ（０）の信号だけでなく、電池モジュール制御装置３１の親機に当たる電池パック制御装置２３０に対応した通信周波数ｆ（１）〜（ｎ）を出力することによって、電池パック制御装置２３０での演算が可能となり、本当に異常が発生しているのか再度演算することが可能となる。従って、電池ブロック制御装置２４０は、電池モジュール制御装置３１から出力された周波数ｆ（０）の信号と当該電池パック制御装置２３０で演算されて周波数ｆ（０）に変調された信号を用いて、２重で異常のチェックが可能となり、信頼性が向上する。また、電池パック制御装置２３０を飛び越えて電池ブロック制御装置２４０にのみ信号を出力するのではなく、電池パック制御装置２３０にも当該電池パック制御装置２３０に対応した周波数ｆ（１）〜ｆ（０）の信号を出力することにより、電池モジュール３０での異常が電池モジュール３０間のバランシングで解決可能かどうかも異常通信時に判断可能になる。

なお、親機と子機との関係にあるもの同士の通信方式については図４に示してある。実線で示した通信ＣＡ及び通信ＣＢが、異常が発生していない平常時の制御信号の周波数を示すものである。一方、点線で示した通信ＣＣ及び通信ＣＤが異常発生時の制御信号の周波数を示すものである。上述した電池モジュール３０に異常が発生した場合は、通信方式が通信ＣＡから通信ＣＣに切り替わることによって、周波数ｆ（０）の制御信号が、電池パック制御装置２３０でデータ処理されること無く電池ブロック制御装置２４０の通信装置５２に入力されることになる。なお、この電池ブロック制御装置２４０の通信装置５２は、当該電池ブロックの子機となる各電池パック制御装置の通信周波数ｆ（１）〜ｆ（ｎ）の制御信号が受信可能となっている。このような構成にすることによって、いずれかの子機のさらに子機となる電池モジュール３０で異常が発生した場合に、通信遅れを抑制した通信が可能となり信頼性が向上する。

一方で、電池パック制御装置２３０で異常が発生した場合には、電池パック制御装置２３０と電池ブロック制御装置２４０の間に中継機が無いため、通信ＣＤでそのまま異常を知らせる通信周波数ｆ（０）の制御信号が電池ブロック制御装置２４０の通信装置５２に出力される構成となっている。

続いて図６を用いて制御の通信周期について説明する。本実施形態では、仮に電池モジュール３０で異常が発生して、飛び越し通信が行われたとしても、通信遅れが抑制された電池システムになっている。

まず本実施形態の制御は、図６に示すように電池ブロック制御装置２４０と電池パック制御装置２３０間の通信の周期は、通常の制御情報である通信ＣＢの時間Ｒ１と、電池パック４０に異常が発生した場合の通信ＣＤの時間Ｒ２の和になっており、その制御周期の長さはＴ１となっている。なお、電池パック４０に異常が無く、平常状態で通信が行われているときは、通信ＣＤの部分の時間Ｒ２が空白の時間となる。

一方で、電池パック制御装置２３０と電池モジュール制御装置３１間の通信の周期は、通常の制御情報である通信ＣＡの時間Ｒ４と、電池モジュール３０に異常が発生した場合の通信ＣＣの時間Ｒ５の和になっており、その時間Ｒ４とＲ５の和が制御周期の長さＴ１と同じ長さになっている。電池モジュール３０に異常が発生していない平常状態では、上述した電池パック制御装置２３０と電池ブロック制御装置２４０との通信と同様、通信ＣＣの部分の時間Ｒ５が空白となっている。

また、通信ＣＢの時間Ｒ１と通信ＣＡの時間Ｒ４が同じ長さであり、通信ＣＤの時間Ｒ２と通信ＣＣの時間Ｒ５が同じ長さになっており、さらに、通信ＣＢと通信ＣＡの通信開始時間は揃っている。言い換えると、電池パック制御装置２３０を自機として中心にしたとき、自機と親機との通信周期及び自機と子機との制御周期が同一周期であり、かつ同期した状態となっている。

このように構成することによって、電池モジュール制御装置３１の異常検知部３６で異常が検知された場合に、電池ブロック制御装置２４０に入力される周波数ｆ（０）の信号は、通信ＣＤの部分に割り込むことができ、通信周期のズレによる信号の割り込みで発生する通信遅れを抑制することが可能となる。

なお、平常状態での運転では、電池パック制御装置２３０に通信ＣＡ（つまり電池パック４０に対応した周波数ｆ（１）〜ｆ（ｎ）の制御情報）が入力されると、電池パック制御装置２３０の演算部４１で電池情報の計測／演算処理が開始される。その後、計測／演算処理が終了すると、その処理が終了した次の周期で、電池パック制御装置２３０で計測／演算処理された情報が、周波数ｆ（０）に変調されて電池ブロック制御装置２４０に出力される。図６では計測／演算処理が制御周期１Ｓ内で終わっているので、次の周期Ｔ２で制御信号が周期Ｔ２の通信ＣＢとして出力される。

電池ブロック制御装置２４０に通信ＣＢ（つまり、周波数ｆ（０）の制御信号）が入力された場合も同様に制御されるが、電池ブロック制御装置２４０の親機に当たるものがない場合には、演算が終了するとともに、電池ブロック制御装置２４０に設けられた図示しないメモリに演算された情報が格納される。

次に、図５に示した異常検知部３６での処理について図７（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。まず、はじめに図７（ａ）を用いて説明する。ステップＳ１で異常検出部３６に、電池情報取得部３５で取得された電池情報（ここでは電圧情報）が入力される。続いて、ステップＳ２にて取得された電池セルの電圧が、所定の電圧範囲内にあるか（例えば、ここでは２.７Ｖ〜４.２Ｖの範囲）を判定する。ここで電圧が所定範囲内にあると判断されると、ステップＳ３に進み、当該異常検知部３６は平常時通信部３７での通信を選択して、電池モジュール制御装置３１から当該電池モジュール制御装置３１の親機の電池パック制御装置２３０に対応した周波数ｆ（１）〜ｆ（ｎ）の制御信号が出力される。一方、ステップＳ２で電圧が所定の電圧範囲内に無いと判断されると、ステップＳ４に進み、異常時通信部３８での通信が選択され、上述した周波数ｆ（１）〜ｆ（ｎ）のいずれかの制御信号及び電池ブロック制御装置２４０の通信に対応した周波数ｆ（０）の信号が出力される。このようにして電池モジュール制御装置３１で処理が行われる。

続いて、図７（ｂ）を用いて電流情報を用いた場合の異常検出の判定方法を説明する。なお、基本的には図７（ａ）の判定方法と同じであるが、使用している電池情報と判定基準が異なる。まずステップＳ１１で電池セルに流れている電流情報が入力される。その後にステップＳ２１にて、この電流値が所定範囲以上、つまり過電流であるか（例えば、ここでは電流が１０Ａ以上流れているか）どうかを判定する。電流が所定電流値以下である場合には、ステップＳ３に進み、電流が所定電流以上である場合にはステップＳ４に進んで、図７（ａ）のステップＳ３及びステップＳ４と同様の処理がされる。

最後に、図７（ｃ）を用いて温度情報を用いた場合の異常検出の判定方法を説明する。まずステップＳ１２で電池セルの温度情報が入力される。その後にステップＳ２２にて、この温度情報が所定範囲内にあるかどうかを判定する。なお、この温度の範囲は使用する温度条件を設定することによって決まり、例えば本実施形態の場合であると０℃〜３０℃の範囲で設定されている。電池温度が所定範囲内である場合には、ステップＳ３に進み、電池温度が所定範囲外である場合にはステップＳ４に進んで、図７（ａ）のステップＳ３及びステップＳ４と同様の処理がされる。

異常検知部３６内でこのように制御することによって、電池モジュール３０に異常が発生した場合に、確実に異常を検知し、通信遅れを抑制して電池システムを制御することが可能となる。

以上、本発明を用いることによって、複数の階層構造を有する電池システムを構築したとしても、通信や処理の遅延を抑制した電池システムを提供することが可能となる。

２０電池セル群
３０電池モジュール
３１電池モジュール制御装置
３２、４２、５２通信装置
３３情報処理部
３４、４４通信回線
４０電池パック
４１、５１演算部
５０電池ブロック
２３０電池パック制御装置
２４０電池ブロック制御装置

Claims

複数の電池セル、及び前記複数の電池セルの電池情報を収集する電池モジュール制御装置を有する電池モジュールと、
複数の電池モジュール、及び前記複数の電池モジュールの情報を収集する電池パック制御装置を有する電池パックと、
複数の電池パック、及び前記複数の電池パックの情報を収集する電池ブロック制御装置を有する電池ブロックと、を有する電池システムにおいて、
前記電池モジュール制御装置と前記電池パック制御装置とは第一の通信回線を介して通信され、
前記電池パック制御装置と前記電池ブロック制御装置とは第二の通信回線を介して通信され、
前記電池モジュール制御装置と前記電池ブロック制御装置とは、前記電池パック制御装置を中継せずに直接通信を行う通信回線を有し、
前記第一の通信回線では、第一の通信方式を用いて通信され、
前記第二の通信回線では、第二の通信方式を用いて通信され、
前記電池モジュール制御装置と前記電池ブロック制御装置との通信回線では、前記第二の通信方式を用いて通信され、
前記電池パック制御装置を中継せずに直接通信を行う通信回線には、第二の通信方式と併せて、第一の通信方式でも制御信号が出力されて通信されることを特徴とする電池システム。
請求項１に記載の電池システムにおいて、
前記電池モジュールは、電池セルの異常を検知する異常検知部と、上位の制御装置と通信する通信装置を有し、
前記電池パック制御装置を中継せずに直接通信を行う通信回線は、前記異常検知部で異常と判断された場合に使用されることを特徴とする電池システム。
請求項２に記載の電池システムにおいて、
前記異常検知部は、前記電池セルの電圧情報・電流情報・温度情報を用いて異常を検知することを特徴とする電池システム。