JP6817560B2 - 電池管理システム - Google Patents

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１次側と２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うことができる単一の絶縁システム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、回路実効電圧及び過渡電圧とに応じて、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外部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を有し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

高電圧の電池の動作状態を管理する電池管理システムを回路基板上に実装して構成する場合、空間距離は、回路基板において、隣接する２つの導電パターンの間の距離に対応する。また、沿面距離は、回路基板において隣接する２つの導電パターンにまたがって配置される絶縁デバイスの表面に沿った距離に対応する。このことから、一般的に、管理対象の電池の電圧が高電圧になるにつれ、電池管理システムにおける１次側の導電パターンと２次側の導電パターンとの間の距離である空間距離を長くする必要がある。隣接する導電パターン間の距離を長くするには、絶縁デバイスの１次側の端子と２次側の端子の間隔を長くする必要がある。

電池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つのときの蓄電システムでは、端子間隔が長い絶縁デバイスが必要になる。例えば、蓄電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加につながる。そこで、市販されている一般的な絶縁デバイスを用いて、より効果的に絶縁保護を行うことができる電池管理システムが望まれる。

本開示に係る電池管理システムは、電池の電圧を計測する電圧計測部と、電圧計測部のデータに基づく信号を出力するコントローラ部と、コントローラ部と外部装置との交信のためのインタフェイス接続部と、電圧計測部が実装される第１領域、コントローラ部が実装される第２領域、インタフェイス接続部が実装される第３領域を有するとともに、第１領域のＧＮＤ電位と第２領域のＧＮＤ電位とがそれぞれ独立の電位であり、第１領域に対して所定の第１絶縁距離を隔てて配置され、かつ第２領域に対して所定の第２絶縁距離を隔てて配置される中継領域を有する回路基板と、第１絶縁距離を隔てて第１領域と中継領域との間を接続するとともに、電圧計測部により計測された電池の電圧のデータを中継領域に伝送する第１絶縁デバイスと、第１絶縁距離を隔てて中継領域と第２領域との間を接続するとともに、第１絶縁デバイスにより中継領域に伝送された電池の電圧のデータを第２領域に伝送する第２絶縁デバイスと、を備え、第１領域と第２領域との間の絶縁距離を第１絶縁デバイス及び第２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、市販されている一般的な絶縁デバイスを用いて、より効果的に絶縁保護を行うことができる。

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回路基板を示す図である。 図２における第１絶縁デバイスを示す図である。 図２における第３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の比較例として、従来技術における電池管理システムの２つの例を示す図である。

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、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。

図１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接続され、蓄電池を利用してピークカットや周波数調整（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ）等を行う蓄電システムにおける電源装置１０のブロック図である。電源装置１０は、高電圧の蓄電池である電池１２と、電池管理システム２０と、電池管理システム２０の外部装置である外部管理装置１４と、電池管理システム２０に回路駆動用電力を供給する回路電源１６とを含む。図２は、図１に対応する電池管理システム２０の回路基板８０の構成図である。

電池１２は、充放電可能な二次電池である。電池１２は、複数の電池セル１３を直列あるいは並列に接続することで構成される電池モジュールを、直列または並列の少なくともいずれかに組み合わせて接続することで、外部の電気機器に必要な高電圧、大電流を出力可能とした高圧電池である。図１、図２では並列接続の部分の図示を省略した。高電圧とは、数１００Ｖ以上の電圧で、例えば、約８００Ｖ〜１０００Ｖ程度の電圧である。以下では、電池１２の端子間電圧を約８００Ｖとする。電池セル１３の端子間電圧は、電池セル１３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１３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を用いることができる。

本開示の電池管理システム２０において、電池１２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、１次回路となる電池１２と、２次回路の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。

外部管理装置１４は、電池管理システム２０に接続される外部の制御装置で、例えば、電池管理システム２０から出力される電池１２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１２の充放電制御等を行う。外部管理装置１４の動作電圧は、外部管理装置１４の構成回路に適した電圧で、例えば約５Ｖである。

回路電源１６は、高電圧の電池１２とは別の直流電源で、電池管理システム２０の回路部分を動作させるための回路駆動電力を供給する。ここでは、約２４Ｖの電圧を有する直流電力を電池管理システム２０に供給する。回路電源１６は、交流電源１７と、交直変換器１８とを含む。交流電源１７としては、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの周波数を有し実効電圧が１００Ｖの商用電源を用いることができる。交直変換器１８は、交流電源１７の実効電圧である１００Ｖを２４Ｖの直流電圧に変換する電力変換器である。上記の周波数、電圧は説明のための例示であって、これ以外であってもよい。回路電源１６として、外部の低電圧蓄電装置を用いてもよい。

電池管理システム２０は、電池１２と接続される端子２２，２３、外部管理装置１４と接続される端子２４，２５、回路電源１６と接続される端子２６，２７を備え、これらのうち、端子２４，２５，２６，２７は可触部である。なお、外部管理装置１４のＧＮＤ電位と回路電源１６のＧＮＤ電位とは独立の電位である。これらのＧＮＤ電位と電池管理システム２０のＧＮＤ電位との関係については後述する。

電池管理システム２０を１つの電源回路と考えると、端子２２，２３の間の電圧は１次側の電圧に相当し、端子２４，２５の間の電圧は２次側の電圧に相当する。１次側の電圧は、電池１２の端子間電圧である約８００Ｖであり、２次側の電圧は、外部管理装置１４の動作電圧である約５Ｖである。

電池管理システム２０は、電圧計測部３０、コントローラ部３６、インタフェイス接続部４２、回路電源１６と接続するための回路電源接続部４４、これらの各要素を実装する回路基板８０を含む。回路基板８０の詳細については図２を用いて後述する。

電圧計測部３０は、電圧分割抵抗部３２と、アナログデジタル変換器３４とを含み、電池１２の電圧を計測する。電圧分割抵抗部３２は、電池１２の端子間電圧をアナログデジタル変換器３４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３２の両端は、電池１２の正極端子（ＢＡＴ＋）に接続される端子２２と負極端子（ＢＡＴ−）に接続される端子２３との間に接続され、中間端子はアナログデジタル変換器３４の入力端子に接続される。中間端子は、電池１２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３４は、電圧分割抵抗部３２の中間端子が出力する電池１２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３４としては、例えば１６ｂｉｔｓのアナログデジタルコンバータ回路が用いられる。

電圧計測部３０は、電池１２を構成する各電池セル１３に関する電圧を計測するのではなく、電池１２の端子間電圧に相当する分圧電圧を計測する。各電池セル１３に関する電圧を計測し、その結果に基づいて電池１２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１２の端子間電圧に相当する電圧情報を外部管理装置１４に伝送することができる。これによって、電池１２の動作状態に対応する蓄電システム全体の制御をより迅速に行うことができる。

コントローラ部３６は、コントローラ回路３８と、周辺回路４０とを含み、電圧計測部３０のデータに基づく信号を出力する。コントローラ回路３８は、電圧計測部３０が出力するデジタル信号に基づいて、電池１２の動作状態に関するデジタル信号を出力する。かかるコントローラ回路３８としては、適当なマイクロプロセッサを用いることができる。周辺回路４０は、コントローラ回路３８と交信してコントローラ回路３８の動作を支援する。例えば、各種の信号処理回路、通信回路等を含む。

インタフェイス接続部４２は、コントローラ部３６の出力信号を外部管理装置１４の処理に適した信号に調整して伝送する。図１では、端子２４，２５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４４は、回路電源１６からの回路駆動用電力を受け取る。図１では、端子２６，２７とこれらに接続される配線が示されるが、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。

電池管理システム２０は、基準電位の異なる第１領域５０、中継領域５２、第２領域５４、第３領域５６に分けられる。これらの各領域の基準電位であるＧＮＤ電位は、第１領域５０がＧＮＤ１、中継領域５２がＧＮＤＭ、第２領域５４がＧＮＤ２、第３領域５６がＧＮＤ３と、互いに独立である。第１領域５０には、電圧計測部３０が配置され、第２領域５４には、コントローラ部３６と回路電源接続部４４とが配置され、第３領域５６には、インタフェイス接続部４２が配置される。中継領域５２は、第１領域５０と第２領域５４との間に配置される領域である。

各領域の動作電圧は、回路電源接続部４４に回路電源１６から供給される回路駆動用電力の電圧である所定の回路電圧Ｖ０から複数の電圧変換器を経てそれぞれ生成される。第２領域５４の動作電圧Ｖ２は、回路電圧Ｖ０からＤＤＣ２，ＤＤＣ３と図示した２つの電圧変換器６０，６２を用いて生成される。中継領域５２の動作電圧ＶＭは、回路電圧Ｖ０からＩＤＤＣＭ，ＤＤＣｍと図示した２つの電圧変換器６４，６６を用いて生成される。第１領域５０の動作電圧Ｖ１は、中継領域５２の動作電圧ＶＭからＩＤＤＣ１と図示した電圧変換器６８を用いて生成される。第３領域５６の動作電圧Ｖ３は、第２領域５４の動作電圧Ｖ２からＩＤＤＣ３と図示した電圧変換器７０を用いて生成される。

第１領域５０の動作電圧範囲は、Ｖ１からＧＮＤ１までの範囲である。同様に、中継領域５２の動作電圧範囲は、ＶＭからＧＮＤＭまでの範囲であり、第２領域５４の動作電圧範囲は、Ｖ２からＧＮＤ２までの範囲であり、第３領域５６の動作電圧範囲は、Ｖ３からＧＮＤ３までの範囲である。動作電圧範囲の一例を述べると、所定の回路電圧Ｖ０＝２４Ｖとして、Ｖ２＝３．３Ｖ、ＶＭ＝３．３Ｖ、Ｖ１＝３．３Ｖ、Ｖ３＝３．３Ｖである。これらの電圧は説明のための例示であって、電源装置１０や電池管理システム２０の仕様によって適宜変更が可能である。

電圧変換器６０，６２は第２領域内で動作し、電圧変換器６６は中継領域５２内で動作する。これらの電圧変換器６０，６２，６６としては、シリーズレギュレータ方式等の非絶縁型ＤＣＤＣコンバータを用いることができる。これに対し、電圧変換器６４は第２領域５４と中継領域５２との間にまたがって動作し、電圧変換器６８は中継領域５２と第１領域５０との間にまたがって動作し、電圧変換器７０は第２領域５４と第３領域５６との間にまたがって動作する。これらの電圧変換器６４，６８，７０は、異なる動作範囲の領域にまたがって動作するので、トランスを用いた絶縁型ＤＣＤＣコンバータが用いられる。

中継領域５２を設けたので、この中継領域５２に設置される回路への電源電力の供給が必要となる。図１に示すように、中継領域５２の電源電力は、第２領域５４の電源電力を絶縁型の電圧変換器６４を介して供給される。さらに、第１領域５０の電源電力は、中継領域５２の電源電力を絶縁型の電圧変換器６８を介して供給される。

なお、第１領域５０の電源電力を電池１２から生成することが考えられるが、電池１２の端子間電圧が高電圧であるので、電池１２の端子間電圧を第１領域５０の動作電圧まで低下させる電圧変換回路の高耐圧部品の使用や電力損失の点で不利である。また、第１領域５０の電源電力を中継領域５２の電源電力を介さずに第２領域５４の電源電力から直接生成する方法もある。この場合、図１に示す電圧変換器６４及び電圧変換器６８の２つにより確保している絶縁距離を第２領域５４から第１領域５０に跨って設置される１つの絶縁型の電圧変換器により確保する必要がある。

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、電圧計測部３０からコントローラ部３６、インタフェイス接続部４２を経て外部の外部管理装置１４に向かって伝送される信号系の配線を矢印付きの細い実線で示す。

信号系の配線によって伝送される信号は、互いに異なる動作電圧範囲の第１領域５０、中継領域５２、第２領域５４、第３領域５６にまたがるので、各領域の境界で絶縁型の信号伝送器である絶縁デバイスが用いられる。第１領域５０と中継領域５２との間には、ＩＳＬ１と図示した第１絶縁デバイス７２が用いられる。同様に、中継領域５２と第２領域５４との間には、ＩＳＬ２と図示した第２絶縁デバイス７４が用いられ、第２領域５４と第３領域５６との間には、ＩＳＬ３と図示した第３絶縁デバイス７６が用いられる。

なお、アナログデジタル変換器３４、及び、アナログデジタル変換器３４により変換されたデジタルデータを伝送する第１絶縁デバイス７２を、単一パッケージ内に収納した集積回路として電池電圧計測用ＩＣが実用化されている。また、アナログデジタル変換器３４、及び、電圧変換器６８を、単一パッケージ内に収納した電池電圧計測用ＩＣも実用化されている。さらに、アナログデジタル変換器３４、第１絶縁デバイス７２、及び、電圧変換器６８を、単一パッケージ内に収納した電池電圧計測用ＩＣ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収納した絶縁デバイス用集積回路も実用化されている。この絶縁デバイス用集積回路を用いて、例えば、第１絶縁デバイス７２及び第１領域用の電圧変換器６８を構成することができる。これらの絶縁距離に関する仕様については後述する。

図２は、図１に示す電源装置１０における電池管理システム２０について、回路基板８０の構成を示す図である。回路基板８０は、絶縁基板８１（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。回路基板８０は、互いに電気的に分離された４つの導体領域を有する。図２では、４つの導体領域として、それぞれの導体領域の最も外側の導体配線パターンを結んだ輪郭線で囲まれた領域を示す。第１導体領域８２は、第１領域５０に対応する導体領域で、電圧計測部３０を構成する電圧分割抵抗部３２と、アナログデジタル変換器３４とが実装される。中継導体領域８４は、中継領域５２に対応する導体領域である。第２導体領域８６は、第２領域５４に対応する導体領域で、コントローラ部３６を構成するコントローラ回路３８と、周辺回路４０とが実装される。第３導体領域８８は、第３領域５６に対応する導体領域である。
回路基板８０は全体として矩形状であり、コントローラ部３６が実装される第２領域５４が第１領域５０、中継領域５２および第３領域５６に比べて大きな面積を有し、回路基板８０全体の半分以上の面積を占めている。第１領域５０および中継領域５２は第２領域５４の外形上の１つの凹部に配置され、第３領域５６は第２領域５４における第１領域５０および中継領域５２が配置される凹部とは別の凹部に配置されている。

第１導体領域８２と中継導体領域８４との間は、第１絶縁距離Ｌ１で電気的に分離される。中継導体領域８４と第２導体領域８６との間も、第２絶縁距離Ｌ２で電気的に分離される。第２導体領域８６と第３導体領域８８との間は、第３絶縁距離Ｌ３で電気的に分離される。なお、第２導体領域８６と第１導体領域８２との間は、すなわち第１領域５０と第２領域５２との隣接部分（最短区間）は第４絶縁距離Ｌ０で電気的に分離される。

本開示の電池管理システム２０において、各絶縁距離が合計で満たすべき寸法は、電池１２の端子間電圧が約８００Ｖ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。一例を挙げると、第１絶縁距離Ｌ１は、第１絶縁デバイス７２の端子間距離に対応する長さであり、第２絶縁距離Ｌ２は、第２絶縁デバイス７４の端子間距離に対応する長さである。本開示においては、第１絶縁距離Ｌ１及び第２絶縁距離Ｌ２は共に７ｍｍである。第３絶縁距離Ｌ３は、第２導体領域８６と第３導体領域８８の最小パターン間距離で、第１絶縁距離Ｌ１及び第２絶縁距離Ｌ２よりも短く、１ｍｍである。第４絶縁距離Ｌ０は、第１絶縁距離Ｌ１及び第２絶縁距離Ｌ２に比べはるかに長く、約２０ｍｍ程度であり、Ｌ０＞Ｌ１＋Ｌ２である。これらの寸法による作用効果は後述する。

第１導体領域８２と中継導体領域８４との間には、第１絶縁距離Ｌ１を隔てて、絶縁型ＤＣＤＣコンバータである電圧変換器６８と、第１絶縁デバイス７２とが配置される。同様に、中継導体領域８４と第２導体領域８６との間には、第２絶縁距離Ｌ２を隔てて、絶縁型ＤＣＤＣコンバータである電圧変換器６４と、第２絶縁デバイス７４とが配置される。また、第２導体領域８６と第３導体領域８８との間には、第３絶縁距離Ｌ３を隔てて、絶縁型ＤＣＤＣコンバータである電圧変換器７０と、第３絶縁デバイス７６が配置される。

電圧変換器６４は、１次側電圧である第２領域５４の動作電圧Ｖ２を、２次側電圧である中継領域５２の動作電圧ＶＭに変換する。同様に、電圧変換器６８は、１次側電圧である中継領域５２の動作電圧ＶＭを、２次側電圧である第１領域５０の動作電圧Ｖ１に変換する。電圧変換器７０は、１次側電圧である第２領域５４の動作電圧Ｖ２を、２次側電圧である第３領域５６の動作電圧Ｖ３に変換する。なお、電圧変換器６４は、絶縁距離Ｌ１を確保でき、電圧変換器６８は絶縁距離Ｌ２を確保できる構造を有する必要がある。電圧変換器７０については後述する。

図３、図４を用いて第１絶縁デバイス７２、第３絶縁デバイス７６を示す。これらの図において、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は、回路基板８０に実装したときの側面図を示す。ここで回路基板８０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１絶縁デバイス７２、第３絶縁デバイス７６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１絶縁デバイス７２は、Ｖ１用リード、ＧＮＤ１用リード、１次側信号のＳ１用リードの３つの１次側のリード、及び、ＶＭ用リード、ＧＮＤＭ用リード、２次側信号のＳＭ用リードの３つの２次側の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１絶縁デバイス７２としては、１次側と２次側が磁気結合して信号を伝達するデジタルアイソレータや、１次側にフォトダイオード、２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を用いることができる。

第１絶縁デバイス７２が実装される部分の回路基板８０は、絶縁基板８１と、第１領域５０に対応する第１導体領域８２における導体配線パターン８３と、中継領域５２に対応する中継導体領域８４における導体配線パターン８５とを含む。絶縁基板８１としては、ガラスエポキシ基板を用いることができる。導体配線パターン８３，８５は、銅等の導体箔を所定の形状に形成したものを用いることができる。導体配線パターン８３には、第１絶縁デバイス７２の１次側の３つのリードが半田付けされ、導体配線パターン８５には、第１絶縁デバイス７２の２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７２が回路基板８０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８３と導体配線パターン８５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、回路基板８０に第１絶縁デバイス７２が実装されるとき、第１絶縁デバイス７２の絶縁体であるパッケージの表面に沿って１次側のリードから２次側のリードに至る距離で、図３（ｂ）にＬ１’として示す。図３（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、第１絶縁デバイス７２の１次側のリードと２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、１次側のリードと２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１絶縁デバイス７２としては、１次側のリードと２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を用いることができる。

第２絶縁デバイス７４は、第１絶縁デバイス７２と同じ構造と寸法の絶縁デバイスで、第１絶縁距離Ｌ１に等しい第２絶縁距離Ｌ２に相当する端子間距離を有する。したがって、第２絶縁デバイス７４についても、第１絶縁も同様に、１次側のリードと２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を用いることができる。

図４において、第３絶縁デバイス７６は、Ｖ２用リード、ＧＮＤ２用リード、１次側信号のＳ２用リードの３つの１次側のリード、及び、Ｖ３用リード、ＧＮＤ３用リード、２次側信号のＳ３用リードの３つの２次側の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３絶縁デバイス７６としては、第１絶縁デバイス７２よりも小型のものを用いることができる。

第３絶縁デバイス７６が実装される部分の回路基板８０は、絶縁基板８１と、第２領域５４に対応する第２導体領域８６における導体配線パターン８７と、第２領域５４に対応する第３導体領域８８における導体配線パターン８９とを含む。絶縁基板８１、導体配線パターン８７，８９の内容は、第１絶縁デバイス７２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８７には、第３絶縁デバイス７６の１次側の３つのリードが半田付けされ、導体配線パターン８９には、第３絶縁デバイス７６の２次側の３つのリードが半田付けされて、第３絶縁デバイス７６が回路基板８０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８７と導体配線パターン８９とが向かい合う空間的な最短距離で、第３絶縁距離Ｌ３に対応する。Ｌ３は１ｍｍであるので、空間距離は１ｍｍとなる。絶縁距離のうちの沿面距離は、回路基板８０に第３絶縁デバイス７６が実装されるとき、導体配線パターン８７からパターン間ギャップを通して導体配線パターン８９に至る距離で、図４（ｂ）にＬ３’として示す。図４（ｂ）の例では、Ｌ３とＬ３’とはほぼ同じ距離であるので、以下では、絶縁距離としてＬ３を用いる。

Ｌ３は１ｍｍであるが、満たすべき絶縁距離１４ｍｍを絶縁距離Ｌ１と絶縁距離Ｌ２で確保できるため、実際は不問であり、第２領域５４と外部管理装置１４との間は非絶縁であってもよい。したがって、第３絶縁デバイス７６の１次側のリードと２次側のリードとの間隔は、不問としてよい。現在では、１次側のリードと２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１絶縁デバイス７２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３絶縁デバイス７６としては、１次側のリードと２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を用いることができる。また、電圧変換器７０は、要求される絶縁距離が不問のため、小型化された市販の絶縁型ＤＣＤＣコンバータモジュール等を用いることができる。

上記構成の電池管理システム２０の作用効果を図５、図６を用いて説明する。図５は、図１のブロック図を簡略化した図である。

本開示の電池管理システム２０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１絶縁デバイス７２として、１次側リードと２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１領域５０と中継領域５２との間は、７ｍｍの空間距離及び沿面距離を確保できる。

また、第２絶縁デバイス７４は第１絶縁デバイス７２と同じであり、第２絶縁デバイス７４として、１次側リードと２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。中継領域５２と第２領域５４との間の距離は第１絶縁距離Ｌ１と等しい第２絶縁距離Ｌ２であるので、中継領域５２と第２領域５４との間も、７ｍｍの空間距離及び沿面距離を確保できる。ここで、第４絶縁距離Ｌ０は約２０ｍｍ程度であり、Ｌ０＞Ｌ１＋Ｌ２である。そのため、中継領域５２を介在することで、第１領域５０と第２領域５４との間は、空間距離及び沿面距離が７ｍｍの２つの絶縁により合計で１４ｍｍの絶縁に相当し、本開示の電池管理システム２０の設置環境での強化絶縁条件を満たし、強化絶縁で保護される。このときの第１絶縁デバイス７２も第２絶縁デバイス７４も、１次側リードと２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とができる。

１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、２次側の第２領域５４は強化絶縁で保護されるので、第２導体領域８６と第３導体領域８８との間は、感電に対する特別な保護を必要とせず、機能絶縁あるいは非絶縁であってもよい。このために、第３絶縁距離Ｌ３は１ｍｍとして、第３絶縁デバイス７６は、１次側のリードと２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を用いることができる。

ここで、アナログデジタル変換器３４、及び第１絶縁デバイス７２を単一パッケージ内に収納した電池電圧計測用ＩＣの絶縁距離に関する仕様について述べる。この電池電圧計測用ＩＣとして、第１絶縁距離Ｌ１を有する第１絶縁デバイス７２を内蔵するものは、第１領域５０と中継領域５２との間の絶縁に利用できる。また、アナログデジタル変換器３４、及び、電圧変換器６８を、単一パッケージ内に収納した電池電圧計測用ＩＣについては、第１絶縁距離Ｌ１を有する電圧変換器６８を内蔵するものは、中継領域５２から第１領域５０への電源電力の供給に利用できる。さらに、アナログデジタル変換器３４、第１絶縁デバイス７２、及び、電圧変換器６８を単一パッケージ内に収納した電池電圧計測用ＩＣについては、第１絶縁デバイス７２、電圧変換器６８が共に第１絶縁距離を有するものは、第１領域５０と中継領域５２との間の絶縁、及び中継領域５２から第１領域５０への電源電力の供給に利用できる。

図６は、中継領域５２を用いない従来技術において、１次側の直流高圧から２次側を安全に保護する２つの例を示す図である。１つ目の図６（ａ）は、第１領域５０と第２領域５４の間に、強化絶縁デバイス９２を配置する。強化絶縁デバイス９２は、本開示のシステム設置環境では、絶縁デバイスＩＣの１次側のリードと２次側のリードの間隔が１４ｍｍ以上となる。かかるリード間隔が１４ｍｍ以上の強化絶縁デバイス９２は、現在のところ、あまり一般的でなく、採用することでシステムのコスト増加につながる。強化絶縁デバイス９２を用いることで、２次側の第２領域５４は強化絶縁で保護されるので、第２導体領域８６と第３導体領域８８との間は、機能絶縁で足り、絶縁デバイス９４は、図５の第３絶縁デバイス７６と同じものを用いることができる。

２つ目の図６（ｂ）は、第１領域５０と第２領域５４の間に基礎絶縁デバイス９８を配置し、第２領域５４と第３領域５６の間に付加絶縁デバイス１００を配置する。基礎絶縁デバイス９８、付加絶縁デバイス１００は、図５の第１絶縁デバイス７２、第２絶縁デバイス７４と同じものを用いることができる。図５と比較すると、第２領域５４が強化絶縁で保護されていないので、回路電源１６は第３領域から入力する必要があり、第２領域５４以降の信号の伝送についての絶縁の配慮が必要である。したがって、第２領域５４のコントローラ部３６と、外部管理装置１４との接続がある分について感電防止の追加の絶縁が必要となり、接続がイーサネット(登録商標）（Ｅｔｈｅｒｎｅｔ(登録商標）)で行われる場合には、伝送路上に十分な絶縁を行うことは困難である。

本開示に係る電池管理システム２０によれば、中継領域５２を用いることで、市販で入手可能な一般的なデジタルアイソレータやフォトカプラを用いて、強化絶縁を確保できる。また、第２領域５４が強化絶縁で保護されるので、第２領域５４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１４に対して非絶縁でもよい。特に、第２領域５４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が、そのような場合において、第２領域５４に複数の第３領域５６を接続しても、第２領域５４が既に強化絶縁で保護されているので、複数の第３領域５６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１２の端子間電圧についてのデータを外部管理装置１４に伝送するので、電池セル１３の電圧についてのデータを外部管理装置１４に伝送する場合に比べ、より高速に電池１２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、より効果的に絶縁保護を行うことができる。

１０ 電源装置、１２ 電池、１３ 電池セル、１４ 外部管理装置、１６ 回路電源、１７ 交流電源、１８ 交直変換器、２０ 電池管理システム、２２，２３，２４，２５，２６，２７ 端子、３０ 電圧計測部、３２ 電圧分割抵抗部、３４ アナログデジタル変換器、３６ コントローラ部、３８ コントローラ回路、４０ 周辺回路、４２ インタフェイス接続部、４４ 回路電源接続部、５０ 第１領域、５２ 中継領域、５４ 第２領域、５６ 第３領域、６０，６２，６６ 電圧変換器（ＤＤＣ）、６４，６８，７０ （絶縁型）電圧変換器（ＩＤＤＣ）、７２ 第１絶縁デバイス（ＩＳＭ１）、７４ 第２絶縁デバイス（ＩＳＭ２）、７６ 第３絶縁デバイス（ＩＳＭ３）、８０ 回路基板、８１ 絶縁基板、８２ 第１導体領域、８３，８５，８７，８９ 導体配線パターン、８４ 中継導体領域、８６ 第２導体領域、８８ 第３導体領域、９２ 強化絶縁デバイス、９４ 絶縁デバイス、９８ 基礎絶縁デバイス、１００ 付加絶縁デバイス

Claims (10)

1. 電池の電圧を計測する電圧計測部と、
   前記電圧計測部により計測された前記電池の電圧のデータに基づく信号を出力するコントローラ部と、
   前記コントローラ部と外部装置との交信のためのインタフェイス接続部と、
   前記電圧計測部が実装される第１領域、前記コントローラ部が実装される第２領域、前記インタフェイス接続部が実装される第３領域を有するとともに、前記第１領域のＧＮＤ電位と前記第２領域のＧＮＤ電位とがそれぞれ独立の電位であり、前記第１領域に対して所定の第１絶縁距離を隔てて配置され、かつ前記第２領域に対して所定の第２絶縁距離を隔てて配置される中継領域を有する回路基板と、
   前記第１絶縁距離を隔てて前記第１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の電圧のデータを前記中継領域に伝送する第１絶縁デバイスと、
   前記第２絶縁距離を隔てて前記中継領域と前記第２領域との間を接続するとともに、前記第１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の電圧のデータを前記第２領域に伝送する第２絶縁デバイスと、
   を備え、
   前記第１領域と前記第２領域との間の絶縁距離を前記第１絶縁デバイス及び前記第２絶縁デバイスにより設定する、電池管理システム。
2. 前記電池の電圧よりも低い所定の回路電圧を有する回路駆動用電力が前記電池とは別の回路電源から供給される回路電源接続部を前記第２領域に有する、請求項１に記載の電池管理システム。
3. 前記第２領域内に配置され、前記回路電圧を前記第２領域における動作電圧に変換する前記第２領域用の電圧変換器と、
   前記第２領域と前記中継領域との間に配置され、前記回路電圧を前記中継領域における動作電圧に変換する前記中継領域用の電圧変換器と、
   前記中継領域と前記第１領域との間に配置され、前記中継領域における動作電圧を前記第１領域における動作電圧に変換する前記第１領域用の電圧変換器と、
   を備える、請求項２に記載の電池管理システム。
4. 前記第３領域は、前記第２領域に対して前記第１絶縁距離及び前記第２絶縁距離よりも短い所定の第３絶縁距離を隔てて配置される、請求項１に記載の電池管理システム。
5. 前記中継領域用の電圧変換器及び前記第１領域用の電圧変換器は絶縁型の電圧変換器であり、
   前記中継領域用の電圧変換器は、前記第２絶縁距離を隔てて前記第２領域と前記中継領域の間に配置され、
   前記第１領域用の電圧変換器は、前記第１絶縁距離を隔てて前記中継領域と前記第１領域の間に配置される、請求項３に記載の電池管理システム。
6. 前記電池は、直列に電気的に接続された複数の電池セルを有し、
   前記電圧計測部は、複数の前記電池セルの直列に電気的に接続された両端電圧を計測する、請求項１から請求項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、前記電池の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１絶縁デバイスは、単一パッケージの電池電圧計測用集積回路に組み込まれる、請求項１に記載の電池管理システム。
8. 前記中継領域における動作電圧を前記第１領域における動作電圧に変換する前記第１領域用の電圧変換器は、前記第１絶縁デバイスが収容される絶縁デバイス用集積回路に組み込まれる、請求項１に記載の電池管理システム。
9. 前記回路基板において、前記第１領域および前記中継領域は前記第２領域の外形上の１つの凹部に配置され、
   前記第１領域と前記第２領域との最短区間の第４絶縁距離は、前記第１絶縁距離および前記第２絶縁距離よりも長い、請求項１に記載の電池管理システム。
10. 前記第４絶縁距離は、前記第１絶縁距離と前記第２絶縁距離とを加算した加算絶縁距離よりも長い、請求項９に記載の電池管理システム。

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