(57)【要約】【課題】電池情報の送受信において実用的な通信品質が得られ、かつ、電池セルの配置における自由度を確保可能な組電池システムを提供する。【解決手段】第１の面及び第１の面に対向する第２の面を有し第１の面に電極を設ける複数の電池セル２１０を直列接続した組電池２００と、複数の電池セルの各々の電池情報を取得する取得回路１３０と、電池情報を含む無線信号を生成する無線回路１２０と、複数の電池セルのうちいずれか１つの第２の面に取り付けられ、無線信号を送信する第１のアンテナ１１０と、無線信号を受信する第２のアンテナ３１０と、第２のアンテナ３１０に接続され、無線信号に基づき電池情報を再生し、監視する管理ユニット３２０とを具備する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の面及び当該第１の面に対向する第２の面を有し当該第１の面に電極を設ける複数の電池セルを直列接続した組電池と、
前記複数の電池セルの各々の電池情報を取得する取得回路と、
前記電池情報を含む無線信号を生成する無線回路と、
前記複数の電池セルのうちいずれか１つの前記第２の面に取り付けられ、前記無線信号を送信する第１のアンテナと、
前記無線信号を受信する第２のアンテナと、
前記第２のアンテナに接続され、前記無線信号に基づき前記電池情報を再生し、監視する管理ユニットと
を具備することを特徴とする組電池システム。
【請求項２】
前記組電池は、前記第２の面が互いに向かい合うように間隙を空けて配置される２つの電池セルを含むことを特徴とする請求項１記載の組電池システム。
【請求項３】
互いに向かいあう前記第２の面の間に配置された人工媒質をさらに有することを特徴とする請求項２記載の組電池システム。
【請求項４】
前記第１のアンテナは、誘導磁界が鎖交するのに十分な間隔を空けて前記第２の面に取り付けられ、前記誘導磁界の結合によって前記無線信号を送受信することを特徴とする請求項１記載の組電池システム。
【請求項５】
前記第２の面の少なくとも一部は金属面であり、
前記第１のアンテナは、前記金属面をグラウンドとして利用して、放射界の結合によって前記無線信号を送受信することを特徴とする請求項１記載の組電池システム。
【請求項６】
前記金属面と前記第１のアンテナとの間に高インピーダンス面を更に具備することを特徴とする請求項５記載の組電池システム。
【請求項７】
前記高インピーダンス面はＥＢＧ基板で構成されることを特徴とする請求項６記載の組電池システム。
【請求項８】
前記高インピーダンス面は常磁性体で構成されることを特徴とする請求項６記載の組電池システム。
【請求項９】
前記組電池、前記取得回路、前記無線回路と、前記第１のアンテナ、前記第２のアンテナ及び前記管理ユニットを収容し、外部への不要放射を抑制するシールドケースを更に具備することを特徴とする請求項５記載の組電池システム。
【請求項１０】
前記シールドケースの内側の表面に前記第２のアンテナと電波吸収体とが配置されることを特徴とする請求項８記載の組電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池情報を無線通信によって伝送する組電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境負荷を低減する観点から、電気自動車やハイブリッド自動車が注目を集めている。電気自動車やハイブリッド自動車の走行性能を左右する車載用バッテリには、モータを駆動するために数十ボルト以上の高い電圧が要求される。車載用バッテリとして、起電力１〜２Ｖ程度の電池セルを複数（数十個程度）直列に接続して高い電圧を得る、いわゆる組電池が使用されることがある。
【０００３】
組電池では、電池セル間の電圧のばらつきが問題となる。電池セルは直列に接続されているため各電池セルに流れる電流は共通であるが、電池セル間に容量（キャパシティ）のばらつきがあると電圧のばらつきが生じる。即ち、充電時に電圧が上限電圧に達したり（過充電状態）、放電時に電圧が下限電圧に達したり（過放電状態）するおそれがある。電池セルの過充電状態及び過放電状態は、いずれも組電池の性能劣化の要因となる。従って、組電池システムにおいて、組電池を構成する個々の電池セルの電圧、温度等の電池情報を取得するための電池情報取得回路が設けられ、当該電池情報取得回路によって取得された電池情報が組電池システム全体を統括制御する管理ユニットに伝送される。管理ユニットは、上記電池情報を監視し、必要に応じて電池セルの電圧を調節したり、電池セルの異常を外部に報知したりする。
【０００４】
電池情報の伝送手段の一類型として、有線通信が挙げられる。即ち、電池情報取得回路と管理ユニットとの間を例えばケーブル（ハーネス）を用いて接続することにより、電池情報取得回路は電池情報を管理ユニットへ伝送できる。しかしながら、管理ユニットと電池情報取得回路との間を有線接続する場合、上記ケーブルの配線により電池セルの配置が制約される。
【０００５】
特許文献１には、無線通信により電池情報を伝送する状態監視装置が記載されている。特許文献１記載の状態監視装置によれば、電池情報を伝送するためのケーブルが不要となるので電池セルの配置における自由度を確保しやすい。
【特許文献１】特開２００５−１３５７６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１において、電池情報取得回路と管理ユニットの間の無線通信を実現するためのアンテナの具体的構成及び配置が開示されていない。より詳細には、特許文献１において、電池情報の送受信において実用上必要とされる通信品質を達成し、かつ、電池セルの配置における自由度を確保するために、電池情報取得回路のアンテナ及び管理ユニットのアンテナをどのように構成し、配置すべきか考察されていない。仮に、電池情報の送受信において実用上必要とされる通信品質が得られなければ、管理ユニットは各電池セルの電池情報を十分に監視できず、過充電状態及び過放電状態等の異常を見過ごすおそれがある。一方、電池セルの配置における自由度を確保できなければ、組電池システムの設計において制約が課されてしまう。
【０００７】
従って、本発明は電池情報の送受信において実用的な通信品質が得られ、かつ、電池セルの配置における自由度を確保可能な組電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様に係る組電池システムは、第１の面及び当該第１の面に対向する第２の面を有し当該第１の面に電極を設ける複数の電池セルを直列接続した組電池と、前記複数の電池セルの各々の電池情報を取得する取得回路と、前記電池情報を含む無線信号を生成する無線回路と、前記複数の電池セルのうちいずれか１つの前記第２の面に取り付けられ、前記無線信号を送信する第１のアンテナと、前記無線信号を受信する第２のアンテナと、前記第２のアンテナに接続され、前記無線信号に基づき前記電池情報を再生し、監視する管理ユニットとを具備する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、電池情報の送受信において実用的な通信品質が得られ、かつ、電池セルの配置における自由度を確保可能な組電池システムを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。  
（第１の実施形態）  
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る組電池システムは、電池情報取得部１００、組電池２００及び管理装置３００を有する。
【００１１】
組電池２００は、高電圧を得るために複数の電池セル２１０を直列接続して構成される。電池セル２１０は、例えばリチウムイオン電池（ＬｉＢ）のような二次電池である。電池セル２１０の外形は概ね柱状であり、電極が一面（以下、単に電極面と称する）に設けられる。組電池２００の両端は、モータ等の外部機器に接続するための外部端子に接続される。尚、組電池２００の一端は、管理装置３００を介して外部端子に接続される。組電池２００は、大容量を得るために上記直列接続された複数の電池セル２１０を更に並列接続して構成されてもよい。
【００１２】
電池情報取得部１００は、アンテナ１１０、無線回路１２０及び電池情報取得回路１３０を有する。電池情報取得部１００は、電池セル２１０毎に設けられてもよいし、複数（例えば５個）の電池セル２１０からなる電池セルグループ毎に設けられてもよい。電池情報取得部１００は、管理装置３００から受信した制御信号に従って電池セル２１０の電池情報を取得し、管理装置３００へ送信する。
【００１３】
アンテナ１１０は、後述するアンテナ３１０から受信した無線信号を無線回路１２０に入力したり、無線回路１２０から入力される無線信号を上記アンテナ３１０に送信したりする。尚、本実施形態において、アンテナ１１０はいわゆる誘導磁界の結合によって無線通信を実現する電磁誘導方式のアンテナであるとする。
【００１４】
無線回路１２０は、アンテナ１１０からの無線信号に対してダウンコンバート処理、アナログ−デジタル変換処理、復調処理、復号処理等を施して、制御信号を再生する。無線回路１２０は、再生した制御信号に格納されるＩＤと当該無線回路１２０に付与されているＩＤとが一致するか否かを判定し、両者が一致すれば電池情報取得回路１３０に電池情報を要求する。また、無線回路１２０は、電池情報取得回路１３０から入力される電池情報に対して当該無線回路１２０のＩＤを付加したうえで、符号化処理、変調処理、デジタル−アナログ変換処理、アップコンバート処理等を施して無線信号を生成し、アンテナ１１０に入力する。
【００１５】
電池情報取得回路１３０は、無線回路１２０から電池情報を要求されると、測定対象となる電池セル２１０の両端に生じる電圧、当該電池セル２１０の温度等を測定して電池情報を生成する。電池情報取得回路１３０は生成した電池情報を無線回路１２０に入力する。
【００１６】
管理装置３００は、アンテナ３１０及び管理ユニット３２０を有する。管理装置３００は、組電池２００を構成する複数の電池セル２１０の各々の電池情報を周期的に監視し、異常があれば外部に報知する。
【００１７】
アンテナ３１０は、管理ユニット３２０から入力される無線信号をアンテナ１１０に送信したり、アンテナ１１０から受信した無線信号を管理ユニット３２０に入力したりする。尚、本実施形態において、アンテナ３１０は電磁誘導方式のアンテナであるとする。
【００１８】
管理ユニット３２０は、電池情報の監視を実現するために、監視対象とする電池セル２１０に接続された電池情報取得部１００内部の無線回路１２０に付与されているＩＤを格納した制御信号を生成する。更に、管理ユニット３２０は、上記制御信号に対して符号化処理、変調処理、デジタル−アナログ変換処理、アップコンバート処理等を施して無線信号を生成し、アンテナ３１０に入力する。
【００１９】
また、管理ユニット３２０は、アンテナ３１０から入力される無線信号に対してダウンコンバート処理、アナログ−デジタル変換処理、復調処理、復号処理等を施して、監視対象の電池セル２１０の電池情報を再生する。管理ユニット３２０は、上記電池情報に付加されているＩＤによって識別される無線回路１２０を含む電池情報取得部１００に接続された電池セル２１０の異常の有無を確認する。管理ユニット３２０は、上記電池情報に異常があれば、異常の解消を試みたり、異常を外部に報知するための信号を出力したりする。
【００２０】
通常、電池セル２１０同士の間の配線を単純化し、更に、組電池２００をコンパクトに構成するために、電池セル２１０を互いに近接させて配置することが望ましい。例えば、図２に示すように、電池セル２１０は電極面を同一方向に向けた状態で、マトリクス状に積み重ねて配置される。図２の電池セル配置によれば、組電池システムをコンパクトに構成できると共に、電池セル２１０同士の間の配線を単純化できる。
【００２１】
以下、アンテナ１１０の取り付け位置を考察する。図２に示すように電池セル２１０を配置する場合において、例えば電池セル２１０の側面（即ち、電極面に垂直な面）にアンテナ１１０を取り付けたとする。このとき、アンテナ１１０は、複数の電池セル２１０が積み重ねられたマトリクス（以下、単に配置マトリクスと称する）において互いに隣接する列同士の間に生じる僅かな空間を用いて無線通信を行う必要があるため、アンテナ３１０との間の通信が見通し外通信となりやすい。また、アンテナ１１０は導体である電池セル２１０の電極に近接して取り付けられるため、インピーダンスが変化し、高い放射効率を得られない。従って、アンテナ１１０とアンテナ３１０との間の通信品質は実用上必要とされる程度を下回るおそれがある。仮に、電池セル２１０の側面にアンテナ１１０を取り付ける場合において通信品質を向上させようとすれば、例えば上記配置マトリクスを１列で構成したりアンテナ３１０を複数設けたりしなければならず、組電池システムの設計に制約が課されてしまう。
【００２２】
そこで、図３に示すように、本実施形態に係る組電池システムにおいて、アンテナ１１０は電池セル２１０の電極面に対向する面（以下、単にアンテナ面と称する）に取り付けられる。尚、図３において全ての電池セル２１０のアンテナ面にアンテナ１１０を取り付ける場合を例示しているが、電池情報取得部１００が複数の電池セル２１０で構成される電池セルグループ毎に設けられる場合には当該電池セルグループの各々に属する１つの電池セル２１０のアンテナ面にアンテナ１１０を取り付ければよい。図３のように、電極面を同一方向に向けた状態でマトリクス状に積み重ねて配置された電池セル２１０のアンテナ面にアンテナ１１０を取り付ける場合、管理装置３００のアンテナ３１０は当該アンテナ１１０と無線通信用の空間を介して配置される。より具体的には、アンテナ１１０及びアンテナ３１０は電磁誘導方式のアンテナなので、アンテナ３１０はアンテナ１１０から発生する磁界と鎖交するように配置される。図３のアンテナ配置において、アンテナ１１０とアンテナ３１０との間には障害物が存在しないので、両者間の通信は見通し内通信となり、電池情報の送受信において実用上必要とされる通信品質を達成しやすい。また、図３のアンテナ配置において配置マトリクスの行数及び列数は、通信品質にほとんど影響しない。即ち、図３のアンテナ配置によれば、電池情報の送受信において実用上必要とされる通信品質を達成しつつ、自由に電池セル２１０を配置できる。
【００２３】
また、電池セル２１０の数が膨大である場合、互いに近接して配置される電池セル２１０の集合が複数用意されてもよい。例えば、図４に示すように、互いに近接して配置される電池セル２１０の集合を２つ用意する場合、各集合において電池セル２１０は前述したように電極面を同一方向に向けた状態でマトリクス状に積み重ねて配置される。そして、各集合は、当該集合を構成する電池セル２１０のアンテナ面が向かい合うように、かつ、間隙４００を空けて配置される。間隙４００には、アンテナ３１０が配置されてアンテナ１１０との間の無線通信用の空間として利用されると共に、各電池セル２１０の放熱空間としての役割も果たす。
【００２４】
一般に、ＬｉＢ等で構成される電池セル２１０において加熱による熱暴走が生じると、電池セル２１０の筐体内の温度及び圧力が急激に上昇し、発熱、発火または破裂等の事故を招くおそれがある。従って、電池セル２１０を安全に使用するために、何らかの放熱手段が採られることが望ましい。図４の電池セル配置において、電池セル２１０によって生じた熱は、間隙４００に収容された媒質（例えば、空気、人工媒質）を介して放熱される。また、アンテナ１１０及びアンテナ３１０との間の通信を実現する電磁波も、上記媒質を介して伝播される。即ち、図４の電池セル配置は、電池セル２１０の実用上必要な放熱空間を無線通信用の空間として兼用できるため、組電池システムをコンパクトに構成できる。
【００２５】
また、アンテナ１１０は、図５に示すように、電池セル２１０のアンテナ面に対して所定間隔ｄを空けて概ね平行に取り付けられることが望ましい。上記所定間隔ｄは、アンテナ１１０及びアンテナ３１０の動作周波数において誘導磁界が十分に鎖交できる程度の間隔である。また電池セルのアンテナ面とアンテナの間に透磁率が１より大きい磁性体材料（即ち、常磁性体）を挿入することで上記所定間隔dを短くすることができる。
【００２６】
以上説明したように本実施形態に係る組電池システムは、電池セルの電極が設けられる面に対向する面にアンテナを取り付け、管理装置のアンテナとの間で無線通信するようにしている。従って本実施形態に係る組電池システムによれば、電池情報の送受信において実用的な通信品質が得られ、かつ、電池セルを自由に配置できる。
【００２７】
（第２の実施形態）  
前述した第１の実施形態に係る組電池システムは、電磁誘導方式のアンテナを用いて構成される。一方、本発明の第２の実施形態に係る組電池システムは、放射界の結合により無線通信を実現する電波方式のアンテナを用いて構成される。
【００２８】
電波方式のアンテナ１１０にグランドを利用するようなパッチアンテナやスロットアンテナなどを用いる場合は、例えば図６に示すように、電池セル２１０のアンテナ面の少なくとも一部を構成する金属面５００をグラウンドとして利用できる。  
また、電波方式のアンテナ１１０にダイポールアンテナなどの自由空間で放射するように設計したアンテナを用いる場合は、図７に示すように、電波方式のアンテナ１１０とグラウンドとしての金属面５００との間に、高インピーダンス面６００が設けられてもよい。高インピーダンス面６００によってグラウンド上を流れる逆相電流が抑圧されるため、アンテナ１１０を低姿勢化しやすくなる。即ち、高インピーダンス面６００を設けることにより、組電池システムをよりコンパクトに構成できる。
【００２９】
高インピーダンス面６００の表面インピーダンスは、自由空間インピーダンスよりも高く、理想的には無限大である。高インピーダンス面６００は、透磁率が１より大きい磁性体材料（即ち、常磁性体）または周期的構造に基づく反共振により表面インピーダンスを無限大に増幅し得る人工媒質等で構成される。
【００３０】
例えば、高インピーダンス面６００は、いわゆるＥＢＧ（Electromagnetic Band Gap）基板で構成できる。ＥＢＧ基板は、金属板（グラウンド）の上方に所定間隔を空けて小板形状の導体素子をマトリクス状に配置して構成される分布定数回路である。金属板と、マトリクス状に配置された導体素子の各々との間は線状素子によって接続される。
【００３１】
具体的には、ＥＢＧ基板は、図８に示すように、金属面５００の上方に所定間隔を空けてマトリクス状に配置された複数の金属パッチ６０１と、金属面５００と複数の金属パッチ６０１との間を充填する誘電体６０２と、当該誘電体６０２を貫通して金属面５００と複数の金属パッチ６０１の各々の略中心部との間を接続するビア６０３とを有する。金属パッチ６０１は、例えば小板形状の銅で構成される。誘電体６０２は、例えばポリテトラフルオロエチレンで構成される。
【００３２】
図８におけるＡ−Ａ線の断面図を図９に示す。図９に示すように、金属面５００の上方には、ビア６０３を介して複数の金属パッチ６０１が、互いに僅かな間隙を空けた状態で並んで配置されている。そして、互いに隣接する金属パッチ６０１の間には誘電体６０２が充填されている。即ち、図１０に示すように、ある金属パッチ６０１の端部と当該金属パッチ６０１に隣接する金属パッチ６０１の端部との間はキャパシタの等価回路として機能する。また、ある金属パッチ６０１の端部と当該金属パッチ６０１に隣接する金属パッチ６０１の端部との間には、ビア６０３及び金属面５００を経由する経路も存在し、当該経路はインダクタの等価回路として機能する。即ち、ＥＢＧ基板において互いに隣接する金属パッチ６０１の間は、キャパシタ及びインダクタの並列回路（即ち、ＬＣ共振器）を介して接続されているとみなすことができる。
【００３３】
即ち、ＥＢＧ基板は、金属面５００に平行な方向に反共振を起こす周波数帯（以下、単に反共振周波数と称する）が存在する。ＥＢＧ基板は、上記反共振周波数の信号に対してインピーダンスが極めて増大し、反射位相は０度に近い値となる。従って、上記反共振周波数がアンテナ１１０の動作周波数に近い値となるように、高インピーダンス面６００としてのＥＢＧ基板を構成することにより、アンテナ１１０を低姿勢化させることができる。
【００３４】
また、本実施形態に係る組電池システムは、図１１に示すように、シールドケース７００に収容して構成されてもよい。シールドケース７００は、アンテナ１１０及びアンテナ３１０から放射される電波を内部に閉じ込める。具体的には、シールドケース７００を導体で構成する場合であれば、厚みを自由空間の波長λの半分以下とすればよい。シールドケース７００によれば、効率的な無線通信を実現できると共に、外部への不要放射を抑制できる。
【００３５】
また、シールドケース７００にアンテナ３１０を収容する場合、アンテナ３１０をシールドケース７００の表面に取り付けてもよい。このとき、シールドケースの側面の金属壁の影響で、シールドケース内に定在波が立ち、定在波の節にあるアンテナ３１０が電波を受信されなくなるため、定在波がたたずにＴＥＭ（Transverse Electro Magnetic）波が伝搬できるように、シールドケース７００の表面に電波吸収体を接着することが望ましい。アンテナ３１０に、図６にて説明したようなグランドを利用するアンテナを用いる場合は、アンテナ３１０を取り付けた部分を除く表面に電波吸収体を接着し、アンテナをシールドケースに直接取り付けることが望ましい。一方、アンテナ３１０に、図７にて説明したような自由空間で放射するように設計したアンテナを用いる場合は、アンテナ３１０とシールドケース７００の間に電波吸収体を設ける。すなわち、シールドケース７００の内側の表面に電波吸収体を接着し、電波吸収体の表面にアンテナ３１０を取り付ける。このようにして、電波吸収体を介してＴＥＭ波を受信すれば、アンテナ１１０とアンテナ３１０との間の通信が更に容易となり、電池セル２１０を更に自由に配置できる。
【００３６】
以上説明したように本実施形態に係る組電池システムは、前述した第１の実施形態に係る組電池システムにおいて電磁誘導方式のアンテナを電波方式のアンテナに置き換えている。本実施形態に係る組電池システムによっても、前述した第１の実施形態に係る組電池システムと同様の効果が得られる。
【００３７】
尚、本発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また上記各実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることによって種々の発明を形成できる。また例えば、各実施形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除した構成も考えられる。さらに、異なる実施形態に記載した構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】第１の実施形態に係る組電池システムを示すブロック図。
【図２】図１の電池セルの配置例を示す図。
【図３】図１のアンテナの配置例を示す図。
【図４】図１の電池セルの配置例を示す図。
【図５】図１の電池セルのアンテナ面へのアンテナの取り付け例を示す図。
【図６】第２の実施形態に係る組電池システムにおけるアンテナの一例を示す図。
【図７】第２の実施形態に係る組電池システムにおけるアンテナの一例を示す図。
【図８】図７の高インピーダンス面の一例を示す図。
【図９】図８におけるＡ−Ａ線の断面図。
【図１０】図９における点線領域の拡大図。
【図１１】第２の実施形態に係る組電池システムにおけるアンテナの配置例を示す図。
【符号の説明】
【００３９】
１００・・・電池情報取得部
１１０・・・アンテナ
１２０・・・無線回路
１３０・・・電池情報取得回路
２００・・・組電池
２１０・・・電池セル
３００・・・管理装置
３１０・・・アンテナ
３２０・・・管理ユニット
４００・・・間隙
５００・・・金属面
６００・・・高インピーダンス面
６０１・・・金属パッチ
６０２・・・誘電体
６０３・・・ビア
７００・・・シールドケース
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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