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JP6681599B2 - 電池管理システム - Google Patents

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Description

本開示は、電池を監視する電池管理システムに関する。
電源装置に関する安全のために、電源装置の一次側と二次側との間の絶縁としては、機械的、電気的に二重絶縁と同等に感電に対する保護を行える単一の絶縁である強化絶縁が要求される。ここで、二重絶縁とは、感電に対する基礎的な保護をする絶縁である基礎絶縁と、基礎絶縁が破壊した場合に感電に対する保護をするため基礎絶縁に追加して施した独立の絶縁である付加絶縁との両方からなる絶縁である。なお、機器が正しく動作するための絶縁である機能絶縁は、着火及び発火の防止に役立つ絶縁であるが、感電に対する保護を行っていない。
国際的な安全規格では、回路実効電圧に応じて、これらの絶縁に必要な絶縁距離が定められる。絶縁距離としては、空間を通して測定した２つの導電部間、または導電部と機器の導電性外面との最短距離である空間距離と、絶縁物表面に沿って測定した２つの導電部間、または導電部と機器の導電性外面との最短距離である沿面距離とが規定される。
例えば、特許文献１には、回路実効電圧が４００Ｖの溶接電源の絶縁距離は、国際規格等で、基礎絶縁として空間距離が５．５ｍｍ以上、沿面距離が６．３ｍｍ以上と定められると述べている。さらに、入力回路と出力回路の絶縁は、強化絶縁あるいは二重絶縁が要求され、基礎絶縁の２倍の絶縁距離である空間距離１１ｍｍ以上、沿面距離１２．６ｍｍ以上が要求されると述べている。
特許文献２には、複数の電池セルを含む電池モジュールの複数を直列に接続して構成される電池システムの拡張性を確保する方法が述べられている。各電池モジュールは、電池モジュール毎の電圧等の情報について電池システムの上位管理装置と交信するフォトカプラ等の絶縁デバイスを備え、各電池モジュールの筐体は、内部に収容する複数の電池セルとの間に、絶縁シートと空間的距離とを設けて絶縁を確保している。
特許第３３６８７５２号公報 国際公開第２０１３／０９８９２３号パンフレット
複数の電池モジュールを互いに直列に接続して構成される電池ブロックと、電池ブロックに関する制御を行う制御装置との間は、通信回線で接続される。電池モジュールの電圧自体が高い場合、または、電力系統に非絶縁で接続され過渡的な高電圧印加が想定される場合の少なくとも１つのときの電池管理システムでは、電池モジュールから制御装置のユーザ側インタフェイスとの間で、強化絶縁が要求される。例えば、電池管理システムが過電圧区分ＩＩＩのＡＣ４００Ｖの電路と非絶縁で接続される場合には、強化絶縁で空間距離は１１ｍｍ以上が必要とされる。市販されている絶縁デバイスは、現在では、端子間隔は約９ｍｍ弱程度までが一般的で、これよりも端子間隔が長い絶縁デバイスは、かなり価格が高く、強化絶縁を１つの絶縁デバイスで行う構成では、システムのコスト増につながる。
電池モジュールの内部で強化絶縁を設ける場合、電池ブロックは複数の電池モジュールで構成されるので、強化絶縁のための絶縁デバイスは、少なくとも電池モジュールと同じ数が必要である。電池ブロックの仕様は、ユーザの要望によって千差万別であり、場合によっては、後に増設要求が出ることもある。増設すると、電池ブロックの端子間電圧自体が高くなり、各電池モジュールのＧＮＤ電位が高めになる。これによって、強化絶縁のための絶縁距離を各電池モジュールで長くする必要が生じ、絶縁距離と絶縁デバイスの再設定が必要となり、多大の時間とコスト増を要する。そこで、電池ブロックの仕様に左右されずに、市販されている一般的な絶縁デバイスを用いて、より効果的な絶縁保護が行える電池管理システムが要望される。
本開示に係る電池管理システムは、複数の電池モジュールを互いに直列に接続して構成される電池ブロック、及び、電池ブロックと通信回線で接続される制御装置を含む電池管理システムであって、電池ブロックにおいて、各電池モジュールは、電池、電池側コントローラ、制御装置側との間の交信のための第１通信部、電池側コントローラが実装される第１領域、及び、第１通信部が実装され第１領域のＧＮＤ電位とは異なるＧＮＤ電位を有する第２領域を有する電池回路基板、第１絶縁距離を隔てて第１領域と第２領域との間を接続するとともに、電池側コントローラの出力データを第２領域に伝送する第１絶縁デバイス、を備え、制御装置は、電池ブロック側との間の交信のための第２通信部、制御コントローラ部、第２通信部が実装される第３領域、制御コントローラ部が実装される第４領域、を有するとともに、第３領域のＧＮＤ電位と第４領域のＧＮＤ電位とがそれぞれ独立の電位であり、第３領域に対して所定の第２絶縁距離を隔てて配置され、かつ第４領域に対して所定の第３絶縁距離を隔てて配置される中継領域を有する制御回路基板と、第２絶縁距離を隔てて第３領域と中継領域との間を接続するとともに、第２通信部が受信したデータを中継領域に伝送する第２絶縁デバイスと、第３絶縁距離を隔てて中継領域と第４領域との間を接続するとともに、第２絶縁デバイスにより中継領域に伝送されたデータを第４領域に伝送する第３絶縁デバイスと、を備え、第１絶縁距離は、第２絶縁距離及び第３絶縁距離よりも短く、第１領域から第４領域までに必要な所定の絶縁距離を第２絶縁デバイス及び第３絶縁デバイスにより設定する。
本開示に係る電池管理システムによれば、電池ブロックの仕様に左右されずに、市販されている一般的な絶縁デバイスを用いて、より効果的な絶縁保護が行える。
本開示に係る電池管理システムを含む電源装置のブロック図である。 図１の電池管理システムに用いられる電池回路基板と制御回路基板とを示す図である。 図２における第２絶縁デバイスを示す図である。 図２における第１絶縁デバイスを示す図である。 本開示に係る電池管理システムの作用効果を示す図である。 図５に対し、比較例を示す図である。
以下に図面を用いて本開示に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、高電圧電池の動作状態を管理する電池管理システムを述べるが、これは説明のための例示である。
以下で述べる形状、寸法、電圧、電池モジュールの数、配置関係等は、説明のための例示であって、電池管理システムの仕様等に合わせ、適宜変更が可能である。以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
充放電可能な電池ブロックは、電力系統とパワーコンディショナーにより接続され、電力系統の需要供給の変動に合わせ、ピークカットや周波数調整（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ）等が行なえる。図１は、そのような電池ブロック１００と、通信回線を介して電池ブロック１００のデータを吸い上げて外部へそのデータを送信する制御装置２００とを含む電池管理システム１０のブロック図である。図１において、電源系の配線は太い実線で示す。これに対し、信号系の配線を矢印付きの細い実線で示す。信号系の配線は、電池ブロック１００と制御装置２００との間で双方向の信号伝送を行うが、図１の信号系の配線の矢印は、電池ブロック１００から制御装置２００へ向かう信号の流れを示す。
本開示の電池管理システム１０において、電池ブロック１００の両端子は、図示しないパワーコンディショナーにより電力系統に非絶縁で接続される。そのため、印加され得る過渡電圧や各種条件を考慮すると、一次回路となる電池ブロック１００に含まれる電池１４０と、二次回路となる制御装置２００における可触部との間で満たすべき絶縁距離は空間距離で１４ｍｍ以上である。
電池ブロック１００は、予め定められた個数の電池モジュール１２０を直列接続して構成される。図１では予め定めた数をＮ＝２０とし、Ｎ個の電池モジュール１２０を区別するため、積層体の下側の低電圧側から上側の高電圧側に向かって、Ｎ＝１，２・・・、１９，２０と示す。
一例を上げると、１つの電池モジュール１２０の端子間電圧であるモジュール電圧を４０Ｖとして、Ｎ＝２０の場合、電池ブロック１００の端子間電圧は、２０×４０Ｖ＝８００Ｖである。以下では、この例について述べる。これは一例であって、モジュール電圧は４０Ｖ以外であってもよく、Ｎも２０以外であってもよい。
２０個の電池モジュール１２０の内部構成はすべて同じであるので、Ｎ＝２０の電池モジュール１２０についてその構成を述べる。電池モジュール１２０は、低電圧側に隣接する電池モジュール１２０（Ｎ＝１９）の電源電圧が印加される負極端子１２２と、上記負極端子１２２に印加される電源電圧に自身のモジュール電圧を加えた電源電圧が印加される正極端子１２４とを有する。正極端子１２４と負極端子１２２との間の端子間電圧が電池モジュール１２０の端子間電圧＝４０Ｖである。Ｎ＝２０の電池モジュール１２０の場合、負極端子１２２には、１つ下の低電圧側となるＮ＝１９の電池モジュール１２０の正極端子１２４からの出力電力が供給される。なお、Ｎ＝１の電池モジュール１２０の負極端子１２２の電圧は、電池ブロック１００の基準電位で、後述する他の基準電位と区別して、ＧＮＤ１と示す。Ｎ＝２０の正極端子１２４の出力電圧は、電池ブロック１００の出力電圧ＶOUTで、８００Ｖである。
電池モジュール１２０は、制御装置２００との間のデータ通信のために、電源端子１２６と、グランド端子１２８と、信号端子１３０とを有する。データ通信のための信号を、負極端子１２２、正極端子１２４の電位から分離するために、電池モジュール１２０は、互いに基準電位の異なる第１領域１３２と第２領域１３４とに分離される。第１領域１３２の基準電位は、負極端子１２２の電位であり、第２領域１３４の基準電位は、グランド端子１２８の電位である。各電池モジュール１２０のそれぞれのグランド端子１２８は互いに接続され、１つの基準電位となる。図１では、各電池モジュール１２０のグランド端子１２８の電位を、ＧＮＤ２と示す。図１ではＧＮＤ２は電池ラインに対しフローティングとしているが、直列電池電圧の中点に電位固定する設計であってもよい。
電池モジュール１２０は、モジュール電圧を出力する電池１４０を含む。電池１４０は、充放電可能な二次電池で、複数の電池セルを所定の並列数で並列接続したものをさらに所定の直列数で直列接続した組電池である。電池セルの端子間電圧は、電池セルの種類によって異なるが、約１Ｖから約４Ｖ程度である。電池セルの種類としては、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池等が用いられる。所定の並列数と直列数の一例を挙げると、２７並列１３直列である。２７並列の１直列分の端子間電圧を約３Ｖとすると、電池１４０の端子間電圧は、モジュール電圧の約４０Ｖとなる。
ＤＤＣ１と示す第１電圧変換器１４２は、第１領域１３２に配置される回路に動作電力を供給する。電池１４０の端子間電圧は約４０Ｖであるので、これを例えば、約５Ｖに降圧した動作電力に変換する。第１電圧変換器１４２としては、シリーズレギュレータ方式等の非絶縁型のＤＣＤＣコンバータが用いられる。
第１領域１３２には、監視回路１４４と、電池側コントローラ１４６が配置される。監視回路１４４は、電池１４０の一直列毎のセル電圧を監視用に検出し、デジタルデータに変換して出力するアナログデジタル変換機能付き電圧検出手段である。電池側コントローラ１４６は、電池モジュール１２０内部の信号制御等を行う制御回路である。信号制御としては、監視回路１４４から送信されるセル電圧等について、後述する制御装置２００の制御コントローラ部２３８の処理に適するデータ等に変換する処理、電池１４０の充電状態を示すＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）等を求める処理等が含まれる。かかる電池側コントローラ１４６としては、適当なマイクロプロセッサが用いられる。
第１領域１３２と第２領域１３４との間に設けられ、ＩＳＬ１と示される第１絶縁デバイス１４８は、基準電位が互いに異なる第１領域１３２と第２領域１３４の間において、電気的に絶縁された信号を伝送する素子である。一般的に知られている絶縁デバイスの例としては、一次側と二次側が磁気結合して信号を伝送するデジタルアイソレータや、一次側にフォトダイオード、二次側にフォトトランジスタを用いた光絶縁型のフォトカプラが用いられる。ここでは、電池モジュール１２０側から送信する往路送信と、電池モジュール１２０側が受信する復路受信の双方が可能な双方向型の絶縁デバイスが用いられる。第１領域１３２と第２領域１３４との間は、所定の第１絶縁距離で空間的に絶縁される。第１絶縁デバイス１４８と第１絶縁距離の詳細については、図２，４を用いて後述する。
第２領域１３４に設けられる第１通信部１５０は、電池側コントローラ１４６と制御装置２００側の制御コントローラ部２３８との間のデジタル信号の交信を行う送受信回路である。電池側コントローラ１４６との間の信号の伝送は第１絶縁デバイス１４８を介して行われ、制御装置２００側との信号の伝送は信号端子１３０を介して行われる。第１通信部１５０の動作電力は、電源端子１２６とグランド端子１２８によって制御装置２００側から供給される。
以上が電池ブロック１００の構成の説明である。次に、電池ブロック１００と通信回線で接続される制御装置２００の構成について述べる。
制御装置２００は、ユーザ側外部装置である外部管理装置１２と接続される信号端子２０２及びＧＮＤ４と示す端子２０４と、回路電源１４に接続される端子２０６，２０８とを有する。また、電池ブロック１００の各電池モジュール１２０の電源端子１２６及びグランド端子１２８とそれぞれ電力線で接続される電源端子２１０及びグランド端子２１２を有する。さらに、電池ブロック１００の出力電圧ＶOUT及びＧＮＤ１にそれぞれ接続される端子２１６及び２１８を有する。
制御装置２００は信号端子２１４を有し、この信号端子２１４と、電池ブロック１００の各電池モジュール１２０の信号端子１３０との間は、通信回線で接続される。図１では、通信回線を１本の線で示すが、電池モジュール１２０の数の信号線で通信回線が構成される。
制御装置２００と信号端子２０２で接続される外部管理装置１２は、電池管理システム１０に接続されるユーザ側の装置である。外部管理装置１２の一例を挙げると、電池管理システム１０から出力される電池ブロック１００の動作状態に関するデータに基づいて、図示しないパワーコンディショナーにより電池ブロック１００の充放電制御等を行う制御装置である。外部管理装置１２が動作する電圧は、ユーザ側の仕様により様々であるが、一例を挙げると約５Ｖである。
制御装置２００と端子２０６，２０８で接続される回路電源１４は、高電圧の電池ブロック１００とは別の外部回路電源で、制御装置２００の回路部分を動作させるための動作電力を供給する。回路電源１４は、交流電源で、例えば、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの周波数を有し実効電圧が１００Ｖの商用電源が用いられる。
制御装置２００は、基準電位が互いに異なる第３領域２２０、中継領域２２２、第４領域２２４、第５領域２２６、第６領域２２８、第７領域２３０に分けられる。図１において、各領域を区別して、各領域の番号を四角枠で囲んで示す。なお、中継領域２２２は、Ｍを四角枠で囲んで示す。これらの各領域の基準電位であるＧＮＤ電位は、第３領域２２０がＧＮＤ２、中継領域２２２がＧＮＤＭ、第４領域２２４がＧＮＤ３、第５領域２２６がＧＮＤ４、第６領域がＧＮＤ５、第７領域２３０がＧＮＤ１と、互いに独立である。基準電位が異なる領域の間は、所定の絶縁距離を確保する必要がある。所定の絶縁距離を確保するには、信号系の伝送がない場合には十分な空間的な距離を離し、信号系の伝送を行う場合には、所定の絶縁距離を有する絶縁デバイスを用いる。
第３領域２２０には、第２通信部２３２が配置され、第４領域２２４には、制御コントローラ部２３８が配置され、第５領域２２６には、ユーザインタフェイス部２４２が配置される。第６領域２２８には、回路電源接続部２４４が配置され、第７領域２３０には、電圧計測部２４６が配置される。中継領域２２２は、第３領域２２０及び第７領域２３０と、第４領域２２４との間に配置される領域である。
第２通信部２３２は、電池ブロック１００側の電池側コントローラ１４６と、制御コントローラ部２３８との間のデジタル信号の交信を行う送受信回路である。電池側コントローラ１４６との間の信号の伝送は、各電池モジュール１２０の信号端子１３０と制御装置２００の信号端子２１４を介して通信回線を用いて行われる。電池モジュール１２０の信号端子１３０は、電池モジュール１２０の第１通信部１５０に接続される。したがって、電池ブロック１００側の電池側コントローラ１４６と、制御コントローラ部２３８との間のデジタル信号の交信は、第１通信部１５０と第２通信部２３２との間で行われる。第１通信部１５０と第２通信部２３２は、それぞれの電源端子１２６，２１０が互いに接続され、それぞれのグランド端子１２８，２１２が互いに接続される。換言すれば、第１通信部１５０と第２通信部２３２は、基準電位が同じＧＮＤ２で、同じ動作電力で動作する。
第２通信部２３２と制御コントローラ部２３８の間のデジタルデータの伝送は、ＩＳＬ２と示される第２絶縁デバイス２３４と、ＩＳＬ３と示される第３絶縁デバイス２３６とを介して行われる。第２絶縁デバイス２３４と第３絶縁デバイス２３６とは、基準電位が互いに異なる第３領域２２０と第４領域２２４との間において、中継領域２２２を介して、電気的に絶縁された信号を伝送する素子である。第２絶縁デバイス２３４が配置される第３領域２２０と中継領域２２２との間は、所定の第２絶縁距離で空間的に絶縁され、第３絶縁デバイス２３６が配置される中継領域２２２と第４領域２２４との間は、所定の第３絶縁距離で空間的に絶縁される。第２絶縁デバイス２３４及び第３絶縁デバイス２３６と、第２絶縁距離及び第３絶縁距離の詳細については、図２，３を用いて後述する。
制御コントローラ部２３８は、電池側コントローラ１４６から伝送されるセル電圧やＳＯＣに関するデジタルデータ、電圧計測部２４６から伝送される電池ブロック１００の出力電圧ＶOUTに関するデータ等を受け取る。そして、制御コントローラ部２３８は受け取ったデータに基づいて、各電池モジュール１２０及び電池ブロック１００の状態に関するデジタル信号を出力する。かかる制御コントローラ部２３８としては、適当なマイクロプロセッサが用いられる。制御コントローラ部２３８が配置される第４領域２２４に、制御コントローラ部２３８の動作を支援する周辺回路を設けてもよい。かかる周辺回路としては、例えば、各種の信号処理回路、通信回路等が挙げられる。
制御コントローラ部２３８とユーザインタフェイス部２４２との間のデジタルデータの伝送は、ＩＳＬ４と示される第４絶縁デバイス２４０を介して行われる。第４絶縁デバイス２４０は、基準電位が互いに異なる第４領域２２４と第５領域２２６との間において、電気的に絶縁された信号を伝送する素子である。第４絶縁デバイス２４０が配置される第４領域２２４と第５領域２２６との間は、所定の第４絶縁距離で空間的に絶縁される。第４絶縁デバイス２４０と、第４絶縁距離の詳細については、図２を用いて後述する。
ユーザインタフェイス部２４２は、制御コントローラ部２３８の出力信号を外部管理装置１２の処理に適した信号に調整して伝送する。図１では、信号端子２０２及び端子２０４とこれらに接続される配線が示されるが、必要に応じ、例えば適当な保護回路を含むインタフェイス回路を設けてもよい。
回路電源接続部２４４は、所定の回路の動作電力を生成するために、回路電源１４から供給される交流電力を受け取る。回路電源接続部２４４には、端子２０６，２０８に接続され、ＡＣＤＣと示される交直電力変換器２５０が配置される。交直電力変換器２５０は、回路電源１４の５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの周波数を有し実効電圧が１００Ｖの交流電力を、所定の直流電圧を有する直流電力に変換する回路である。一例を挙げると、ダイオードブリッジと平滑回路を組み合わせた交直電力変換器２５０が用いられる。回路電源１４である商用電源には過渡電圧が生じ得るので、交直電力変換器２５０としては、フォトカプラ等の絶縁デバイスを内蔵するものを用いる。内蔵の絶縁デバイスは、所定の第５絶縁距離を有する。第５絶縁距離については、図２を用いて後述する。内蔵の絶縁デバイスの一次側は端子２０６，２０８側で、第６領域２２８に当たる。第６領域２２８には、必要に応じ、適当な保護回路を含むインタフェイス回路を設けてもよい。
交直電力変換器２５０に内蔵された絶縁デバイスの二次側は第４領域２２４である。交直電力変換器２５０によって変換された直流電力は、複数出力トランスを内蔵する磁気結合方式の絶縁デバイスである多出力電力変換部２５２の一次側に入力される。
多出力電力変換部２５２は、交直電力変換器２５０の出力を第１直流電力として、第１直流出力から所定の複数種類の動作電力を生成する。多出力電力変換部２５２は、一次側として、直交電力変換部と、複数出力トランスの一次側巻線とを有し、二次側として、複数出力トランスの複数個の二次側巻線と、複数個の交直電力変換部とを有する。構成の一例を以下に述べる。図１の例では、二次側巻線は第１巻線と第２巻線の２つの巻線で構成され、交直電力変換部は２個であるので、多出力電力変換部２５２は、所定の２種類の動作電力を出力する２出力電力変換部である。
多出力電力変換部２５２の構成の一例を示す。多出力電力変換部２５２は、第１直流電力を第１交流電力に変換する直交電力変換部と、第１交流電力を一次側巻線に供給し、二次側巻線の２つの巻線のそれぞれからそれぞれ第２交流電力及び第３交流電力を出力する２出力トランスとを備える。さらに、第２交流電力を第２直流電力に変換して第３領域２２０に供給する第２電力変換部、第３交流電力を中継直流電力に変換して中継領域２２２に供給する中継電力変換部を有する。
多出力電力変換部２５２は、一次側巻線と二次側巻線との間が絶縁距離または絶縁電線の少なくとも一方によって所定の第６絶縁距離相当分の絶縁機能を有し、二次側巻線の２つの巻線の間が絶縁距離または絶縁電線の少なくとも一方によって所定の第７絶縁距離相当分の絶縁機能を有している。第６絶縁距離、第７絶縁距離については、図２を用いて後述する。
ここで、制御装置２００の各領域における回路の動作電力についてまとめる。
基準電位がＧＮＤ２である第３領域２２０に配置される第２通信部２３２と、第２絶縁デバイス２３４の第３領域側部分には、第３電圧を有する第３直流電力が供給される。第３直流電力は、多出力電力変換部２５２の二次側巻線における２つの巻線の内の一方側巻線の出力である第２交流電力から変換された直流電力である。図１において、第３電圧をＶ３として示す。以下の各領域における各電圧も同様に、Ｖに領域符号を付して示す。高電圧端子２１０，１２６の電圧はＶ３である。
基準電位がＧＮＤＭである中継領域２２２に配置される第２絶縁デバイス２３４の中継領域側部分と、第３絶縁デバイス２３６の中継領域側部分には、中継領域電圧ＶＭの中継直流電力が供給される。中継直流電力は、多出力電力変換部２５２の二次側巻線における２つの巻線の内の他方側巻線の出力である第３交流電力から変換された直流電力である。
基準電位がＧＮＤ４である第４領域２２４に配置される制御コントローラ部２３８と、第３絶縁デバイス２３６の第４領域側部分と、第４絶縁デバイス２４０の第４領域側部分の電圧Ｖ４は、交直電力変換器２５０の出力電圧Ｖ６から生成される。出力電圧Ｖ６は、ＤＤＣ２と示す第２電圧変換器２６０とＤＤＣ３と示す第３電圧変換器２６２の２段階で降圧され、第４電圧Ｖ４が生成される。第２電圧変換器２６０、第３電圧変換器２６２としては、シリーズレギュレータ方式等の非絶縁型のＤＣＤＣコンバータが用いられる。
基準電位がＧＮＤ４である第５領域２２６に配置される第４絶縁デバイス２４０の第５領域側部分には、第２電圧変換器２６０の出力を、ＩＤＤＣと示すトランスを用いた絶縁型の電圧変換器２６４で降圧した電圧Ｖ５が供給される。第２電圧変換器２６０、第３電圧変換器２６２がシリーズレギュレータ方式等の非絶縁型であるのに対し、電圧変換器２６４がトランスを用いた絶縁型であるのは、電圧変換器２６４が基準電位の異なる第４領域２２４と第５領域２２６とに跨るからである。絶縁型の電圧変換器２６４は、所定の絶縁距離Ｌ４１を有する。絶縁距離Ｌ４１については、図２を用いて後述する。
第６領域２２８に配置される交直電力変換器２５０は、回路電源１４からの電力で動作する。第６領域２２８の基準電位であるＧＮＤ５は、回路電源１４のＧＮＤと同じである。
回路の動作電力について、その電圧範囲の一例を述べると、Ｖ３＝３．３Ｖ、ＶＭ＝３．３Ｖ、Ｖ４＝３．３Ｖ、Ｖ５＝３．３Ｖである。これらの電圧は説明のための例示であって、電池管理システム１０の仕様によって適宜変更が可能である。
なお、各領域の回路の動作電力としては、電池ブロック１００の出力電圧ＶOUTから生成することが考えられるが、出力電圧ＶOUTが高電圧である。これを各領域の回路が動作する電圧まで低下させるには、電圧変換器の高耐圧部品の使用や電力損失の点で不利である。
次に、第７領域２３０に設けられる電圧計測部２４６について述べる。電圧計測部２４６は、電圧分割抵抗部２７０と、ＡＤ変換部と示すアナログデジタル変換器２７２とを含み、電池ブロック１００の端子間電圧を計測する。図１の例では、電池ブロック１００の端子間電圧は、｛ＶOUT−（ＧＮＤ１の電位）｝である。
電圧分割抵抗部２７０は、電池ブロック１００の端子間電圧をアナログデジタル変換器２７２の動作範囲に適した電圧に調整する直列抵抗群である。電圧分割抵抗部２７０の両端は、制御装置２００の端子２１６と端子２１８に接続される。制御装置２００の端子２１６は、電池ブロック１００のＮ＝２０の正極端子１２４に接続され、制御装置２００の端子２１８は、電池ブロック１００のＮ＝１の負極端子１２２に接続される。電圧分割抵抗部２７０における中間端子はアナログデジタル変換器２７２の入力端子に接続される。中間端子は、電池ブロック１００の端子間電圧に相当する分圧電圧を出力する。アナログデジタル変換器２７２は、電圧分割抵抗部２７０の中間端子が出力する電池ブロック１００の端子間電圧に相当する分圧電圧のアナログデータをデジタル信号に変換する。アナログデジタル変換器２７２としては、例えば１６ｂｉｔｓのアナログデジタルコンバータが用いられる。
電圧計測部２４６は、電池ブロック１００を構成する各電池モジュール１２０に関する電圧を計測するのではなく、電池ブロック１００の端子間電圧に相当する分圧電圧を計測する。各電池モジュール１２０に関する電圧を計測し、その結果に基づいて電池ブロック１００の端子間電圧を求める方法に比較して、より短時間で、電池ブロック１００の端子間電圧に相当する電圧情報を出力できる。これによって、各電池モジュール１２０、電池モジュール１２０における各電池セルの動作状態に応じた電池ブロック１００の制御をより迅速に行なえる。
アナログデジタル変換器２７２と制御コントローラ部２３８の間のデジタルデータ伝送は、ＩＳＬ８と示される第８絶縁デバイス２７４と、ＩＳＬ９と示される第９絶縁デバイス２７８とを介して行われる。第８絶縁デバイス２７４、第９絶縁デバイス２７８は、基準電位が互いに異なる第７領域２３０と第４領域２２４の間において、中継領域２２２を介して、電気的に絶縁された信号を伝送する素子である。第８絶縁デバイス２７４が配置される第７領域２３０と中継領域２２２との間は、所定の第８絶縁距離で空間的に絶縁され、第９絶縁デバイス２７８が配置される中継領域２２２と第４領域２２４との間は、所定の第９絶縁距離で空間的に絶縁される。第８絶縁デバイス２７４及び第９絶縁デバイス２７８と、第８絶縁距離及び第９絶縁距離の詳細については、図２を用いて後述する。
なお、アナログデジタル変換器２７２、及び、アナログデジタル変換器２７２により変換されたデジタルデータを伝送する第８絶縁デバイス２７４を、単一パッケージ内に組み込んだ集積回路としての電池電圧計測用回路が実用化されている。また、アナログデジタル変換器２７２及び電圧変換器を、単一パッケージ内に組み込んだ集積回路としての電池電圧計測用回路も実用化されている。さらに、アナログデジタル変換器２７２、第８絶縁デバイス２７４、及び、電圧変換器を、単一パッケージ内に組み込んだ集積回路としての電池電圧計測用回路も実用化されている。また、絶縁デバイスと絶縁型ＤＣＤＣコンバータを単一パッケージ内に組み込んだ絶縁デバイス用集積回路も実用化されている。図１の例では、アナログデジタル変換器２７２、第８絶縁デバイス２７４、及び、絶縁型のＤＣＤＣコンバータを単一パッケージに組み込んだ集積回路としての電池電圧計測用回路２７６を用いる。この場合、第７領域２３０の回路の動作電力は、電池電圧計測用回路２７６によって生成される直流電力である。
絶縁型ＤＣＤＣコンバータを内蔵しない電池電圧計測集積回路を用いることもできる。その場合に必要な電池電圧計測集積回路に対する動作電力の供給に、多出力電力変換部２５２を利用できる。例えば、多出力電力変換部２５２において、２出力トランスに代えて、３出力トランスとする。３出力トランスを用いる多出力電力変換部２５２は、交直電力変換器２５０から供給される第１直流電力を第１交流電力に変換した後、第１交流電力を３出力トランスの一次側巻線に供給する。そして、３出力トランスの二次側巻線における３つの巻線を区別して、第１巻線、第２巻線、第３巻線とすると、第１巻線から第２交流電力、第２巻線から第３交流電力、第３巻線から第４交流電力を出力する。第２交流電力、第３交流電力からはそれぞれ、第３直流電力、中継直流電力が生成される。３出力トランスを用いる多出力電力変換部２５２は、第４交流電力を第４直流電力に変換して、第７領域２３０の回路の動作電力を生成する第７電力変換部を含む。この場合、第７領域２３０の回路の動作電力は、多出力電力変換部２５２の二次側において出力される第４直流電力である。
制御装置２００において、電池ブロック１００と接続されるのは第３領域２２０と第７領域２３０である。第３領域２２０の基準電位はＧＮＤ２であり、第７領域２３０の基準電位はＧＮＤ１である。しかし、第３領域２２０と第７領域２３０の間ではデータの伝送がない。そこで、第７領域２３０と第３領域２２０との間は、特に絶縁デバイスを配置する必要がなく、十分に長い所定の第１０絶縁距離で電気的に絶縁される。
制御装置２００において、電池ブロック１００以外の外部と接続されるのは第５領域２２６と第６領域２２８である。第５領域２２６は外部管理装置１２と接続され、第６領域２２８は回路電源１４と接続される。外部管理装置１２の基準電位と回路電源１４の基準電位は互いに異なるので、第５領域２２６の基準電位と第６領域２２８の基準電位も互いに異なる。そこで、第５領域２２６と第６領域２２８との間も、特に絶縁デバイスを配置せずに、十分に長い所定の第１０絶縁距離で電気的に絶縁される。第１０絶縁距離については、図２を用いて後述する。
図２は、図１に示す電池管理システム１０について、電池ブロック１００の各電池モジュール１２０の電池回路基板１８０と、制御装置２００の制御回路基板２８０の構成を示す図である。電池回路基板１８０と制御回路基板２８０は、それぞれ、絶縁基板１８１（図３、図４参照）の上に導体配線パターンを所定の形状に形成し、所定の導体配線パターン上に回路部品を実装したものである。電池回路基板１８０も制御回路基板２８０も、互いに電気的に分離された複数の導体領域を有する。互いに隣接する導体領域間の絶縁距離は、以下の通りである。
電池モジュール１２０の電池回路基板１８０は、第１領域１３２と第２領域１３４に対応して、第１導体領域１８２と第２導体領域１８４とを有する。第１導体領域１８２と第２導体領域１８４との間は、第１絶縁距離Ｌ１で電気的に分離される。
制御装置２００の制御回路基板２８０は、第３領域２２０、中継領域２２２、第４領域２２４、第５領域２２６、第６領域２２８、第７領域２３０の６つの領域を有する。これらにそれぞれ対応して、第３導体領域２８２、中継導体領域２８４、第４導体領域２８６、第５導体領域２８８、第６導体領域２９０、第７導体領域２９２の６つの導体領域を有する。
第３導体領域２８２と中継導体領域２８４との間の信号系の伝送は第２絶縁デバイス２３４によって行われる。第２絶縁デバイス２３４において、第３導体領域２８２と中継導体領域２８４との間は、第２絶縁距離Ｌ２で電気的に分離される。
中継導体領域２８４と第４導体領域２８６との間の信号系の伝送は第３絶縁デバイス２３６によって行われる。第３絶縁デバイス２３６において、中継導体領域２８４と第４導体領域２８６との間は、第３絶縁距離Ｌ３で電気的に分離される。
第４導体領域２８６と第５導体領域２８８との間の信号系の伝送は第４絶縁デバイス２４０によって行われる。第４絶縁デバイス２４０において、第４導体領域２８６と第５導体領域２８８との間は、第４絶縁距離Ｌ４で電気的に分離される。
第４導体領域２８６と第６導体領域２９０との間の絶縁は、交直電力変換器２５０に内蔵される絶縁デバイスによって行われる。交直電力変換器２５０に内蔵される絶縁デバイスにおいて、第４導体領域２８６と第６導体領域２９０との間は、第５絶縁距離Ｌ５で電気的に絶縁される。
多出力電力変換部２５２は、第４導体領域２８６、第３導体領域２８２、中継導体領域２８４に跨って配置されるが、多出力電力変換部２５２における各領域の間の絶縁は、多出力電力変換部２５２の一次側コイルと二次側のコイルとの間の空間的絶縁で行われる。まず、多出力電力変換部２５２の一次側コイルと二次側のコイルとの間において、第４導体領域２８６と、第３導体領域２８２及び中継導体領域２８４との間は、第６絶縁距離Ｌ６で電気的に分離される。多出力電力変換部２５２の一次側コイルと二次側コイルとの間は、例えば３層絶縁電線等のコイル素線の絶縁被膜を用いて必要な第６絶縁距離Ｌ６相当分の絶縁が確保されてもよい。この場合、回路基板の導体配線パターンにそれぞれ接続される一次側コイルと二次側コイルとの端子間は、第６絶縁距離Ｌ６分隔てて配置される。また、多出力電力変換部２５２の二次側の２つのコイルの間において、第３導体領域２８２と中継導体領域２８４との間は、第７絶縁距離Ｌ７で電気的に絶縁される。多出力電力変換部２５２の二次側の２つのコイル間は、例えば３層絶縁電線等のコイル素線の絶縁被膜を用いて必要な第７絶縁距離Ｌ７相当分の絶縁が確保されてもよい。この場合、回路基板の導体配線パターンにそれぞれ接続される二次側の２つのコイルの端子間は、第７絶縁距離Ｌ７分隔てて配置される。
第７導体領域２９２と中継導体領域２８４との間の信号系の伝送は第８絶縁デバイス２７４によって行われる。第８絶縁デバイス２７４において、第７導体領域２９２と中継導体領域２８４との間は、第８絶縁距離Ｌ８で電気的に分離される。
第７導体領域２９２から第８絶縁デバイス２７４を経て中継導体領域２８４に伝送された信号系の第４導体領域２８６への伝送は、第９絶縁デバイス２７８によって行われる。第９絶縁デバイス２７８において、中継導体領域２８４と第４導体領域２８６との間は、第９絶縁距離Ｌ９で電気的に分離される。
第５導体領域２８８と第６導体領域２９０との間、及び、第３導体領域２８２と第７導体領域２９２との間は、信号系の伝送が無いが、基準電位が互いに異なるので、第１０絶縁距離Ｌ１０で電気的に絶縁される。
このように、制御装置２００の制御回路基板２８０においては、互いに隣接する導体領域の間は、第２絶縁距離Ｌ２から第１０絶縁距離Ｌ１０のいずれか１によって電気的に分離される。
本開示の電池管理システム１０において、各絶縁距離の合計が満たすべき寸法は、電池ブロック１００の端子間電圧が約８００Ｖであることと、電力系統から印加され得る過渡電圧から要求される安全規格上の絶縁距離で１４ｍｍ以上と定められる。この安全規格上の絶縁距離で１４ｍｍというのは、電池モジュール１２０の電池１４０が配置される第１導体領域１８２から、ユーザインタフェイス部２４２が配置される第５導体領域２８８までの間で確保する必要がある。また、電池ブロック１００の端子間電圧を計測する電圧計測部２４６が配置される第７導体領域２９２から、ユーザインタフェイス部２４２が配置される第５導体領域２８８までの間でも、安全規格上の絶縁距離で１４ｍｍを確保する必要がある。
図２の例では、第２絶縁距離Ｌ２＝第３絶縁距離Ｌ３＝７ｍｍとする。そして、第２絶縁距離Ｌ２＝第８絶縁距離Ｌ８＝第７絶縁距離Ｌ７とし、第３絶縁距離Ｌ３＝第９絶縁距離Ｌ９とし、第６絶縁距離Ｌ６＝（第２絶縁距離Ｌ２＋第３絶縁距離Ｌ３）＝（第８絶縁距離Ｌ８＋第９絶縁距離Ｌ９）＝１４ｍｍとする。これによって、第１導体領域１８２から第５導体領域２８８までの間については、第２絶縁距離Ｌ２と第３絶縁距離Ｌ３とによって、安全規格上の絶縁距離で１４ｍｍが確保される。また、第７導体領域２９２から第５導体領域２８８までの間についても、第８絶縁距離Ｌ８と第９絶縁距離Ｌ９とによって、安全規格上の絶縁距離で１４ｍｍが確保される。
第１導体領域１８２から第５導体領域２８８までの間については、第２絶縁距離Ｌ２と第３絶縁距離Ｌ３とによって、安全規格上の絶縁距離で１４ｍｍが確保されるので、第１絶縁距離Ｌ１と第４絶縁距離Ｌ４は、７ｍｍより短くてよい。図２の例では、第１絶縁距離Ｌ１＝第４絶縁距離Ｌ４＝５ｍｍとする。また、絶縁型の電圧変換器２６４の絶縁距離Ｌ４１と、交直電力変換器２５０の内蔵絶縁デバイスの第５絶縁距離Ｌ５も、第４絶縁距離Ｌ４と同じ５ｍｍとする。第１０絶縁距離Ｌ１０は、十分な空間距離を持たせて、第１絶縁距離Ｌ１から第９絶縁距離Ｌ９のいずれに比べてもはるかに長く、約２０ｍｍ程度とする。
図３、図４を用いて、第２絶縁距離Ｌ２を有する第２絶縁デバイス２３４、第１絶縁距離Ｌ１を有する第１絶縁デバイス１４８を示す。これらの図において、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は、制御回路基板２８０、電池回路基板１８０に実装したときの側面図を示す。ここで制御回路基板２８０、電池回路基板１８０は断面図で示す。図３、図４では、それぞれ、１ビット信号伝送用の第２絶縁デバイス２３４、第１絶縁デバイス１４８を述べる。多ビット信号伝送の場合は、多ビット信号伝送用の絶縁デバイスを用いてもよく、１ビット伝送用の絶縁デバイスを複数個用いてもよい。
図３において、第２絶縁デバイス２３４は、Ｖ３用リード、ＧＮＤ２用リード、一次側信号のＳ３用リードの３つの一次側リード、及び、ＶＭ用リード、ＧＮＤＭ用リード、二次側信号のＳＭ用リードの３つの二次側リードが引き出されるパッケージである。パッケージの中には、絶縁デバイスとその周辺回路が配置される。かかる第２絶縁デバイス２３４としては、デジタルアイソレータやフォトカプラが用いられる。
第２絶縁デバイス２３４が実装される部分の制御回路基板２８０は、絶縁基板２８１と、第３領域２２０に対応する第３導体領域２８２における導体配線パターン２８３と、中継領域２２２に対応する中継導体領域２８４における導体配線パターン２８５とを含む。絶縁基板２８１としては、ガラスエポキシ基板が用いられる。導体配線パターン２８３，２８５は、銅等の導体箔を所定の形状に形成したものが用いられる。導体配線パターン２８３には、第２絶縁デバイス２３４の一次側の３つのリードが半田付けされ、導体配線パターン２８５には、第２絶縁デバイス２３４の二次側の３つのリードが半田付けされて、第２絶縁デバイス２３４が制御回路基板２８０に実装される。
図３（ｂ）において、絶縁距離のうちの空間距離は、導体配線パターン２８３と導体配線パターン２８５とが向かい合う空間的な最短距離で、第２絶縁距離Ｌ２に対応する。Ｌ２は７ｍｍであるので、空間距離は７ｍｍとなる。絶縁距離のうちの沿面距離は、制御回路基板２８０に第２絶縁デバイス２３４が実装されるとき、第２絶縁デバイス２３４の絶縁体であるパッケージの表面に沿って一次側のリードから二次側のリードに至る距離で、図３（ｂ）にＬ２’として示す。図３（ｂ）の例では、Ｌ２とＬ２’とはほぼ同じ距離であるので、以下では、絶縁距離としてＬ２を用いる。
Ｌ２は、第２絶縁デバイス２３４の一次側のリードと二次側のリードとの間隔でほぼ決まる。市販されている絶縁デバイスとしてのデジタルアイソレータやフォトカプラは、現在では、一次側のリードと二次側のリードの間隔が約９ｍｍ弱程度までは一般的である。第２絶縁デバイス２３４としては、一次側のリードと二次側のリードの間隔が７ｍｍで要求絶縁耐圧に見合う市販のデジタルアイソレータやフォトカプラが用いられる。
第３絶縁デバイス２３６、第８絶縁デバイス２７４、第９絶縁デバイス２７８は、第２絶縁デバイス２３４と同じ構造と寸法の絶縁デバイスで、第２絶縁距離Ｌ２に等しい絶縁距離に相当する端子間距離を有する。したがって、第３絶縁デバイス２３６、第８絶縁デバイス２７４、第９絶縁デバイス２７８についても、一次側のリードと二次側のリードの間隔が７ｍｍで要求絶縁耐圧に見合う市販のデジタルアイソレータやフォトカプラが用いられる。
図４において、第１絶縁デバイス１４８は、Ｖ１用リード、負極端子１２２の電圧Ｖ122用リード、一次側信号のＳ１用リードの３つの一次側リード、及び、Ｖ２用リード、ＧＮＤ２用リード、二次側信号のＳ２用リードの３つの二次側リードを有する。第１絶縁デバイス１４８のパッケージの中には、絶縁デバイスとその周辺回路が配置される。かかる第１絶縁デバイス１４８としては、第２絶縁デバイス２３４よりも小型のものが用いられる。
第１絶縁デバイス１４８が実装される部分の電池回路基板１８０は、絶縁基板１８１と、第１領域１３２に対応する第１導体領域１８２における導体配線パターン１８３と、第２領域１３４に対応する第２導体領域１８４における導体配線パターン１８５とを含む。絶縁基板１８１、導体配線パターン１８３，１８５の内容は、第２絶縁デバイス２３４で述べた内容と同じであるので詳細な説明を省略する。導体配線パターン１８３には、第１絶縁デバイス１４８の一次側の３つのリードが半田付けされ、導体配線パターン１８５には、第１絶縁デバイス１４８の二次側の３つのリードが半田付けされて、第１絶縁デバイス１４８が電池回路基板１８０に実装される。
図４（ｂ）において、絶縁距離のうちの空間距離は、導体配線パターン１８３と導体配線パターン１８５とが向かい合う空間的な最短距離で、第１絶縁距離Ｌ１に対応する。Ｌ１は５ｍｍであるので、空間距離は５ｍｍとなる。絶縁距離のうちの沿面距離は、電池回路基板１８０に第１絶縁デバイス１４８が実装されるとき、導体配線パターン１８３からパターン間ギャップを通して導体配線パターン１８５に至る距離で、図４（ｂ）にＬ１’として示す。図４（ｂ）の例では、Ｌ１とＬ１’とはほぼ同じ距離であるので、以下では、絶縁距離としてＬ１を用いる。
Ｌ１は５ｍｍであるが、満たすべき絶縁距離１４ｍｍを第２絶縁距離Ｌ２と第３絶縁距離Ｌ３で確保できるので、第１導体領域１８２と第２導体領域１８４との間は非絶縁であってもよい。したがって、第１絶縁デバイス１４８の一次側のリードと二次側のリードとの間隔は、不問としてよい。但し、第１導体領域１８２と第２導体領域１８４との間を絶縁距離Ｌ１で絶縁とすることで、Ｌ１がＬ２＋Ｌ３、あるいはＬ６により確保すべき絶縁距離に余裕を与え、Ｌ２＋Ｌ３、及びあるいはＬ６により確保される絶縁距離が安全規格上の絶縁距離に余裕がなかったり、あるいはばらつきなどにより不足する場合であってもＬ１＋Ｌ２＋Ｌ３、あるいはＬ１＋Ｌ６により安全規格上の絶縁距離を確実に確保することができる。
図２の例では、第６絶縁距離Ｌ６＝（第２絶縁距離Ｌ２＋第３絶縁距離Ｌ３）＝（第８絶縁距離Ｌ８＋第９絶縁距離Ｌ９）＝１４ｍｍとしているが、絶縁距離Ｌ１により確保すべき絶縁距離に余裕を与えているので、絶縁距離Ｌ１により長くなった分以下であれば、第６絶縁距離Ｌ６、（第２絶縁距離Ｌ２＋第３絶縁距離Ｌ３）あるいは（第８絶縁距離Ｌ８＋第９絶縁距離Ｌ９）を短くしても安全規格上の絶縁距離を確保することができる。ここで、第３導体領域２８２と第４導体領域２８６との電源経路は多出力電力変換部２５２による単一のデバイスにより形成され、第３導体領域２８２と第４導体領域２８６との信号経路は第２絶縁デバイス２３４および第３絶縁デバイス２３６による２つの絶縁デバイスにより形成される。そのため、第２絶縁距離Ｌ２と第３絶縁距離Ｌ３との加算相当分の絶縁距離を第６絶縁距離Ｌ６により確保することが困難の場合があるが、Ｌ２＝Ｌ３＞Ｌ１なので、第６絶縁距離Ｌ６を第３絶縁距離Ｌ３よりＬ２（Ｌ３）−Ｌ１相当分長くすることにより安全規格上の絶縁距離を確保することができる。少なくとも第６絶縁距離Ｌ６を第３絶縁距離Ｌ３より長くすれば、第３導体領域２８２と第４導体領域２８６との絶縁距離を単一の第３絶縁デバイス２３６による第３絶縁距離Ｌ３より長くすることができ、安全規格上の絶縁距離を確保するのに有利となる。
現在では、一次側のリードと二次側のリードの間隔が４ｍｍ程度の市販されている小型の絶縁デバイスとしてのデジタルアイソレータやフォトカプラは、第２絶縁デバイス２３４のリード間隔が７ｍｍで高絶縁耐圧のものに比べると、安価で入手可能である。第１絶縁デバイス１４８としては、一次側のリードと二次側のリードの間隔が４ｍｍ程度の安価な市販のデジタルアイソレータやフォトカプラが用いられる。第４絶縁デバイス２４０も一次側のリードと二次側のリードの間隔が４ｍｍ程度の安価な市販のデジタルアイソレータやフォトカプラが用いられる。また、絶縁型の電圧変換器２６４は、要求される絶縁距離が不問となるので、小型化された市販の絶縁型ＤＣＤＣコンバータ等が用いられる。
上記構成の電池管理システム１０の作用効果を図５、図６を用いて説明する。図５は、図１において、信号系の伝送に関する部分のブロック図を簡略化して示す図である。
本開示の電池管理システム１０の設置環境を考慮すると、強化絶縁としての空間距離と沿面距離は、前述の１４ｍｍ以上が必要である。図５においては、第２絶縁デバイス２３４、第３絶縁デバイス２３６として、一次側リードと二次側リードとの間のリード間隔が７ｍｍの市販品のデジタルアイソレータやフォトカプラを用いる。したがって、第３領域２２０と第４領域２２４の間について、中継領域２２２を介して、１４ｍｍの絶縁距離を確保できる。また、第８絶縁デバイス２７４、第９絶縁デバイス２７８として、一次側リードと二次側リードとの間のリード間隔が７ｍｍの市販品のデジタルアイソレータやフォトカプラを用いる。これにより、第７領域２３０と第４領域２２４の間についても、中継領域２２２を介して、１４ｍｍの絶縁距離を確保できる。
一次側の直流高圧である８００Ｖと電力系統からの過渡的な高電圧について、二次側の第４領域２２４は強化絶縁で保護されるので、第１領域１３２と第２領域１３４との間は、感電に対する特別な保護を必要とせず、機能絶縁であってもよい。このために、第１絶縁距離Ｌ１は５ｍｍとして、第１絶縁デバイス１４８は、一次側のリードと二次側のリードの間隔が５ｍｍ程度の安価な市販のデジタルアイソレータやフォトカプラが用いられる。このことは、いずれの電池モジュール１２０の電池１４０について同じである。したがって、電池管理装置側の絶縁距離で安全が確保できる範囲であれば、電池モジュール１２０は内部回路の設計変更なしで直列数が変更されても構わない。例えば、第１絶縁デバイス１４８を含む電池モジュール１２０を増設できる。
また、第４領域２２４が強化絶縁で保護されるので、第４領域２２４以降の信号伝送については、機能絶縁のレベルの保護で足り、回路構成上可能であれば、外部管理装置１２に対して非絶縁でもよい。第５領域２２６は、複数のインタフェイス部を介して複数の外部装置を接続する場合がある。そのような場合において、第４領域２２４に複数の第５領域２２６を接続しても、第４領域２２４が既に強化絶縁で保護されているので、複数の第５領域２２６の絶縁はすべて機能絶縁あるいは非絶縁でよい。さらに、電池ブロック１００の端子間電圧についてのデータを外部管理装置１２に伝送するので、電池モジュール１２０、電池セルの電圧についてのデータを外部管理装置１２に伝送する場合に比べ、より高速に電池ブロック１００の動作状態を管理できる。このように、市販されている一般的な絶縁デバイスを用いて、より効果的な絶縁保護が行なえる。
電池管理システム１０において、安全規格上で必要とされる絶縁距離は、電池１４０からユーザインタフェイス部２４２の間であれば、どこに設けてもよい。本開示の電池管理システム１０では、中継領域２２２を挟んでその両側に絶縁デバイスを配置して、安全規格上で必要とされる絶縁距離を確保するが、これに代えて、各電池モジュール１２０において実現してもよい。その場合において、本開示の電池管理システム１０との作用効果の相違について、図６を用いて説明する。図６の各図に示す電池管理システム３００は、電池ブロック３０２を構成する各電池モジュール１２０において、第１領域１３２と第２領域１３４の間に、安全規格上で必要とされる絶縁距離を確保できる絶縁デバイス３０４を設ける例である。図６（ａ）は、電池ブロック３０２の端子間電圧が数１００Ｖ程度の場合であり、（ｂ）は、電池ブロック３０２の端子間電圧が８００Ｖ程度の場合である。図６の各図は、図５と同様に、簡略化したブロック図で示す。
図６（ａ）において、電池ブロック３０２を構成する電池モジュール１２０の直列接続数Ｎが１０程度で、端子間電圧が数１００Ｖ程度である。この場合には、絶縁デバイス３０４として、一次側リードと二次側リードとの間のリード間隔が７ｍｍのデジタルアイソレータやフォトカプラが用いられる。第７領域２３０と第４領域２２４の間も、一次側リードと二次側リードとの間のリード間隔が７ｍｍの絶縁デバイス３０６が用いられる。絶縁デバイス３０４，３０６は、図３で述べた第２絶縁デバイス２３４と同じものが用いられる。電池ブロック３０２の直列接続数Ｎ＝１０とすると、第２絶縁デバイス２３４と同等の絶縁デバイスが、（Ｎ＋１）＝１１必要である。図５の場合は、第２絶縁デバイス２３４と同等の絶縁デバイスは、４つですむ。
第３領域２２０と第４領域２２４との間、第４領域２２４と第５領域２２６との間は、機能絶縁の絶縁距離を有する絶縁デバイス３０８，３１０が用いられる。特に、第５領域２２６は、複数のインタフェイス部を介して複数の外部装置を接続する場合がある。そのような場合において、第４領域２２４に複数の第５領域２２６を接続しても、複数の第５領域２２６の絶縁はすべて機能絶縁あるいは非絶縁でよい。
図６（ｂ）は、ユーザの仕様変更等で、（ａ）に対して、電池モジュール１２０の直列接続数Ｎを増やして、本開示の電池管理システム１０と同じＮ＝２０とした場合である。このときは、安全規格上で必要とされる絶縁距離が１４ｍｍとなるので、各電池モジュール１２０において、第１領域１３２と第２領域１３４との間に中継領域３２０を設け、その両側に、絶縁距離が７ｍｍの絶縁デバイス３０４，３０５を配置する。同様に、第７領域２３０と第４領域２２４との間に中継領域３２２を設け、その両側に、絶縁距離が７ｍｍの絶縁デバイス３０６，３０７を配置する。絶縁デバイス３０４，３０５，３０６，３０７は、いずれも第２絶縁デバイス２３４と同等品である。
図６（ａ），（ｂ）に示すように、安全規格上で必要とされる絶縁距離を確保できる絶縁デバイスを各電池モジュール１２０に設ける方法では、電池ブロック３０２の直列接続数Ｎの変更によって、電池モジュール１２０の内部構成の変更が必要となることがある。また、制御装置２００に電圧計測部２４６を含む第７領域２３０を設ける場合は、第７領域と第４領域２２４との間の絶縁構成の変更が必要になることが生じる。なお、図６（ｂ）において、電池ブロック３０２において電池モジュール１２０の直列接続数がＮ＝２０の場合、第２絶縁デバイス２３４と同等の絶縁デバイスは、｛２Ｎ＋２｝＝２２必要である。図５の場合は、第２絶縁デバイス２３４と同等の絶縁デバイスは、４つですむ。
上記のように、本開示の電池管理システム１０によれば、電池ブロック１００の仕様に左右されずに、市販されている一般的な絶縁デバイスを用いて、より効果的な絶縁保護が行なえる。
１０，３００ 電池管理システム、１２ 外部管理装置、１４ 回路電源、１００，３０２ 電池ブロック、１４８，２３４，２３６，２４０，２７４，２７８，３０４，３０５，３０６，３０７，３０８，３１０ 絶縁デバイス、１２０ 電池モジュール、１２２ 負極端子、１２４ 正極端子、１２６，２１０ 電源端子、１２８，２１２ グランド端子、１３０，２０２，２１４ 信号端子、１３２，１３４，２２０，２２４，２２６，２２８，２３０ （第１から第７）領域、１４０ 電池、１４２，２６０，２６２ 電圧変換器、１４４ 監視回路、１４６ 電池側コントローラ、１５０ 第１通信部、１８０ 電池回路基板、１８１，２８１ 絶縁基板、１８２，１８４，２８２，２８４，２８６，２８８，２９０，２９２ （第１から第７）導体領域、１８３，１８５，２８３，２８５ 導体配線パターン、２００ 制御装置、２０４，２０６，２０８，２１６，２１８ 端子、２２２ 中継領域、２３２ 第２通信部、２３８ 制御コントローラ部，２４２ ユーザインタフェイス部、２４４ 回路電源接続部、２４６ 電圧計測部、２５０ 交直電力変換器、２５２ 多出力電力変換部、２６４ 絶縁型の電圧変換器、２７０ 電圧分割抵抗部、２７２ アナログデジタル変換器、２７６ 電池電圧計測集積回路、２８０ 制御回路基板。

Claims (9)

  1. 複数の電池モジュールを互いに直列に接続して構成される電池ブロック、及び、前記電池ブロックと通信回線で接続される制御装置を含む電池管理システムであって、
    前記電池ブロックにおいて、
    前記電池モジュールは、
    電池、
    電池側コントローラ、
    前記制御装置側との間の交信のための第１通信部、
    前記電池側コントローラが実装される第１領域、及び、前記第１領域のＧＮＤ電位とは異なるＧＮＤ電位を有し前記第１通信部が実装される第２領域を有する電池回路基板、
    第１絶縁距離を隔てて前記第１領域と前記第２領域との間を接続するとともに、前記電池側コントローラの出力データを前記第２領域に伝送する第１絶縁デバイス、
    を備え、
    前記制御装置は、
    前記電池ブロック側との間の交信のための第２通信部、
    制御コントローラ部、
    前記第２通信部が実装される第３領域、
    前記制御コントローラ部が実装される第４領域、
    を有するとともに、
    前記第３領域のＧＮＤ電位と前記第４領域のＧＮＤ電位とがそれぞれ独立の電位であり、前記第３領域に対して所定の第２絶縁距離を隔てて配置され、かつ前記第４領域に対して所定の第３絶縁距離を隔てて配置される中継領域を有する制御回路基板と、
    前記第２絶縁距離を隔てて前記第３領域と前記中継領域との間を接続するとともに、前記第２通信部が受信したデータを前記中継領域に伝送する第２絶縁デバイスと、
    前記第３絶縁距離を隔てて前記中継領域と前記第４領域との間を接続するとともに、前記第２絶縁デバイスにより前記中継領域に伝送されたデータを前記第４領域に伝送する第３絶縁デバイスと、
    を備え、
    前記第１絶縁距離は、前記第２絶縁距離及び前記第３絶縁距離よりも短く、前記第１領域から前記第４領域までに必要な所定の絶縁距離を前記第２絶縁デバイス及び前記第３絶縁デバイスにより設定する、電池管理システム。
  2. 前記制御装置は、
    所定の回路の動作電力を生成するために、前記電池ブロックとは別の外部回路電源から電力が供給される回路電源接続部を有する、請求項１に記載の電池管理システム。
  3. 前記外部回路電源は、交流電源であり、
    前記回路電源接続部は、前記外部回路電源の交流電力を第１直流電力に変換する交直電力変換器を含み、
    前記第１直流電力から少なくとも所定の２種類の前記回路の動作電力を生成する多出力電力変換部であって、
    前記第１直流電力を第１交流電力に変換した後、前記第１交流電力を一次側巻線に供給し、二次側巻線を構成する二次側第１巻線及び二次側第２巻線からそれぞれ第２交流電力及び第３交流電力を出力する多出力トランスと、
    前記第２交流電力を第２直流電力に変換して前記第３領域に供給する第２電力変換部と
    前記第３交流電力を中継直流電力に変換して前記中継領域に供給する中継電力変換部と、
    を含み、
    前記多出力トランスの前記二次側第１巻線及び二次側第２巻線の間は、絶縁距離または絶縁電線の少なくとも一方によって前記第２絶縁距離相当分の絶縁機能を有し、前記多出力トランスの前記一次側巻線と前記二次側巻線との間は絶縁距離または絶縁電線の少なくとも一方によって前記第３絶縁距離より大きい絶縁機能を有する前記多出力電力変換部を備える、請求項２に記載の電池管理システム。
  4. 前記多出力トランスの前記一次側巻線と前記二次側巻線との間の前記多出力電力変換部は、絶縁距離または絶縁電線の少なくとも一方によって前記第２絶縁距離と前記第３絶縁距離との加算相当分の絶縁機能を有する、請求項３に記載の電池管理システム。
  5. 前記制御装置は、
    前記制御コントローラ部とユーザ側外部装置との交信のためのユーザインタフェイス部、前記ユーザインタフェイス部が実装される第５領域を有し、
    前記第５領域は、前記第４領域に対して前記第２絶縁距離及び前記第３絶縁距離よりも短い所定の第４絶縁距離を隔てて配置される、請求項２に記載の電池管理システム。
  6. 前記制御装置は、
    前記電池ブロックの端子間電圧を計測する電圧計測部を備え、
    前記制御回路基板は、
    前記電圧計測部が実装され、前記第３領域、前記中継領域、前記第４領域のいずれの領域のＧＮＤ電位とは異なるＧＮＤ電位を有し、前記中継領域に対して前記第２絶縁距離を隔てて配置される第７領域、
    前記第２絶縁距離を隔てて前記第７領域と前記中継領域との間を接続するとともに、前記電圧計測部により計測された前記電池ブロック端子間電圧に関するデータを前記中継領域に伝送する第８絶縁デバイス、
    前記第３絶縁距離を隔てて前記中継領域と前記第４領域との間を接続するとともに、前記第８絶縁デバイスにより前記中継領域に伝送された前記電池ブロックの前記端子間電圧に関するデータを前記第４領域に伝送する第９絶縁デバイス、
    を含む、請求項１，２，５のいずれか１に記載の電池管理システム。
  7. 前記電圧計測部は、前記電池ブロックの前記端子間電圧を分割する電圧分割抵抗部、及び前記電圧分割抵抗部により分割された電圧のアナログデータをデジタル信号に変換するアナログデジタル変換器を有し、
    前記アナログデジタル変換器、及び前記第８絶縁デバイスは、単一パッケージの電池電圧計測用回路に組み込まれる、請求項６に記載の電池管理システム。
  8. 前記外部回路電源は、交流電源であり、
    前記回路電源接続部は、前記外部回路電源の交流電力を第１直流電力に変換する交直電力変換器を含み、
    前記第１直流電力を変換した第１交流電力を一次側巻線に供給し、二次側巻線を構成する二次側第１巻線、二次側第２巻線及び二次側第３巻線からそれぞれ第２交流電力、第３交流電力及び第４交流電力を出力する多出力トランスと、
    前記第２交流電力を第２直流電力に変換して前記第３領域に供給する第２電力変換部と、
    前記第３交流電力を中継直流電力に変換して前記中継領域に供給する中継電力変換部と、
    前記第４交流電力を第４直流電力に変換して前記第７領域に供給する第７電力変換部と、
    を含む多出力電力変換部を備える、請求項７に記載の電池管理システム。
  9. 前記単一パッケージの前記電池電圧計測用回路は、前記第７領域における動作電力を生成する電圧変換器が組み込まれている、請求項７に記載の電池管理システム。
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