JP6057127B2

JP6057127B2 - 電池パックの絶縁抵抗検査方法

Info

Publication number: JP6057127B2
Application number: JP2013021685A
Authority: JP
Inventors: 大輝稲田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-02-06
Filing date: 2013-02-06
Publication date: 2017-01-11
Anticipated expiration: 2033-02-06
Also published as: JP2014154293A

Description

本発明は、電池パックの絶縁抵抗検査方法に関する。

近年、各種製品の小型化および高性能化に伴って、小型で大容量の電池に対する需要が高まっており、ニッケル水素二次電池やリチウムイオン二次電池等の単電池（電池セル）を複数直列に接続することによって、１つの部品単位とした電池モジュールを複数直列に接続し、所望する電圧を得る構成とした組電池が広く用いられている。また、このような組電池を電池ケースに密閉収納し、電池パックとして構成した電池も広く用いられている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１では、車両用部品として使用される電池パックの例として、複数の電池モジュールが直列接続された組電池を、該組電池を収納するケース（パックボディ）内に配置して構成された電源装置が開示されている。

このような構成からなる電池パックを、例えば、ハイブリッド車等の車両用部品として製造する場合、電池パックの検査工程のひとつとして、安全性の観点でパックボディと組電池との間において、絶縁性能が確保されているかどうかを検査する絶縁抵抗検査が行われる。この絶縁抵抗検査を行う際には、図１に示すような回路を有する絶縁抵抗検査装置１０が用いられる。この回路を用いた絶縁抵抗検査では、当該回路において、抵抗（器）４を接続した際の電圧値の変化から組電池１がパックボディ２に対し十分な絶縁性能が確保されていることを確認する。具体的には、当該回路を有する絶縁抵抗検査装置１０で検出される、抵抗（器）４を接続した際における電圧の時系列の変化量が規定電圧値内になるとともに、該電圧の時系列の変化量が規定電圧値内に待機した状態で一定の時間が経過することにより十分な絶縁性能が得られていると判定している。その判定の際には、電池パック内に設けられている監視装置３は電池の状態（電流、電圧、温度等）を監視するためＯＮ状態にしておく必要がある。監視装置３をＯＮ状態のまま絶縁抵抗検査を行った場合、監視装置３が有する通信機能等が働くことによって発生する微小電流がノイズ成分となって当該回路に混入し、該ノイズ成分による電圧の検出値のバラツキ（以下、単にノイズバラツキという）が発生してしまう。そのため、電圧の検出値には、このノイズバラツキが加算されていることを考慮した上で、前記判定を行うために抵抗４を接続後、該抵抗４間の電圧が安定して測れるようになるまでにある程度の時間（待機時間）を設定する必要がある（図８参照）。すなわち、現状の電池パックの絶縁抵抗検査方法では、このノイズバラツキの影響を見込んだ待機時間を設定している。

特開２０１１−８９５４号公報

上述したように、電池パックの絶縁性能を確認するためには、電池パックの検査工程においてパックボディと組電池との絶縁抵抗検査が必要であるが、電圧の検出値がノイズバラツキの影響を受けているため、その分、判定結果を安定して出すまでに余分な時間を要することになる。そのため、ノイズバラツキの影響を回避できるように絶縁抵抗検査の良否の判定方法を工夫することで、絶縁抵抗検査の検査時間を従来よりも短縮することが望まれている。

そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、ノイズバラツキの影響を回避して絶縁抵抗検査の検査時間を短縮することができる電池パックの絶縁抵抗検査方法を提案することを目的とする。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

本発明者は、上述した電圧の時系列の変化量（以下、単に波形データという）について詳細な解析を行った結果、以下の知見を得た。この解析結果について、図２、図３に基づいて説明する。図２は、図１に示す回路を有する絶縁抵抗検査装置１０を用いて電池パックの絶縁抵抗検査を行った際に実測された波形データを示している。この図２で示す波形データでは、絶縁抵抗検査装置１０を組電池１とパックボディ２間に接続した時（抵抗４接続時）の電圧（経過時間０ｓｅｃ時の電圧）が組電池１の電圧に相当する２５０（Ｖ）以上であるが、数秒程度で急速に減衰し、０（Ｖ）近傍に設定した規定値付近では電圧の波形データは横軸に沿った直線的なものであり、「外乱ノイズは十分に微小で無視できる」とみなされてきた（図３（ａ）参照）。ところが、波形データを従来の１０倍の精度（０．１ｓｅｃ刻み⇒０．０１ｓｅｃ刻み）で測定し、波形データを詳細に解析したところ、絶縁抵抗検査装置１０において外乱ノイズ対策用のフィルタを設定しているにも関わらず、この波形データが、周期的な内乱ノイズを含んでいることが確認された（図３（ｂ）参照）。また、この内乱ノイズは、図２の四角の枠内に示す波形データ詳細ように、周期的に上下振幅する略矩形状の波形であり、抵抗４間の電圧差である本来の波形データに図３（ｂ）の点線で囲む内乱ノイズの上端部分が加わることで、波形データが本来の値よりも電圧が上昇した値となってしまう。こうして、従来は外乱要因だと思われていたノイズが実は「内乱ノイズ」によるものであることが判明した。従来は、内乱ノイズを含む波形データが規格値内に落ち着くように測定時間を経験的に設定していたが、本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、波形データから内乱ノイズの影響を取り除いて、本来の波形データが規格値内に入っているかどうかを判断するものである。

電池パックの絶縁抵抗検査方法は、
組電池と該組電池を収納するパックボディ間に接続された抵抗の両端子間の電位差を検出信号として連続的に取得して波形データを生成する工程と、
波形データに現れる、周期的に上下振幅する略矩形状の波形を有する内乱ノイズのうち、略矩形状の波形の互いに隣接する波形下端と波形上端との電圧の平均値を、時系列に取得し、電圧の平均値が、予め定められた回数連続して、絶縁性を有する値として予め定められた規格値未満であるか否かを判定する工程と
を含んでいる。

ここで、予め定められた回数は、例えば、少なくとも５回であるとよい。

本発明によれば、ノイズバラツキの影響を回避して迅速に絶縁性能の良否判定することが可能となり、検査工程の時間短縮が可能となる。

本実施形態に係る絶縁抵抗検査装置の回路ブロック図。内乱ノイズを含む波形データ（実測データ）を示す図。波形データの詳細を示す図であり、（ａ）は従来の精度で得られた波形データを拡大した図、（ｂ）は従来の１０倍の精度で得られた波形データを拡大した図。本実施形態に係る電池パックの絶縁抵抗検査方法のフローを示す図。周期的な内乱ノイズより平均値を取得する方法を説明する説明図。抵抗接続（２００ｋΩ）による電圧降下特性を示す図。従来の絶縁抵抗検査方法と本発明に係る絶縁抵抗検査方法とを比較する比較表を示す図。従来の絶縁抵抗測定電圧の時間特性を説明する説明図。

次に、発明の実施の形態を説明する。

先ず、本実施形態に係る電池パックの絶縁抵抗検査方法により検査される検査対象である電池パックについて説明する。

電池パックは、複数の単電池を組み合わせてなる組電池１を有するハイブリッド車両用電池パックである。具体的には、電池パックは、ニッケル水素二次電池やリチウムイオン二次電池等の単電池（電池セル）を複数直列に接続することによって、１つの部品単位とした電池モジュールを複数直列に接続して所望する電圧を得る構成とした組電池１を、パックボディ（電池ケース）２に密閉収納したものである。また、組電池１には、監視装置３が接続されている。

監視装置３は、組電池１の状態（電流、電圧、温度等）を監視（検出）する装置である。監視装置３は、組電池１の負極側とパックボディ２の一端と間に電気的に接続される。

次に、本実施形態に係る電池パックの絶縁抵抗検査装置１０の概略構成について図１を用いて説明する。絶縁抵抗検査装置１０は、電池パックが有する組電池１の絶縁抵抗検査を行う装置である。絶縁抵抗検査装置１０は、図１に示すように、組電池１の正極側とパックボディ２の一端と間に電気的に接続される抵抗（器）４と、該抵抗４の両端の端子４ａ、４ｂに接続される電圧計５と、該電圧計５により検出された抵抗４の両端子４ａ、４ｂ間の電圧差を取得し、所定の演算を行う演算装置（図示せず）とを備えている。絶縁抵抗検査装置１０は、組電池１の正極側とパックボディ２の一端と間において、電気的に接続及び離脱することが可能である。

電圧計５は、抵抗４の両端の端子４ａ、４ｂに接続され、該端子４ａ、４ｂ間の電位差として検出される検出信号（電圧）を所定のデジタル信号に変換するものである。電圧計５は、演算装置に接続される。電圧計５によりリアルタイムで検出された検出信号（電圧）は演算装置に入力される。

演算装置は、電圧計５により検出された検出信号（電圧）を所定時間毎（本実施形態では、０．０１ｓｅｃ毎）に取得し、電圧の時系列の変化量である波形データを生成する装置である。また、演算装置は、この波形データに基づいて、後述する電池パックの絶縁抵抗検査方法にて組電池１とパックボディ２間における絶縁性能の良否判定を行う装置である。演算装置は、主に演算部、判定部、入力部、表示部等を備えている。

演算部は、電池パックの絶縁抵抗検査を行うために必要な演算及び判定プログラム等の種々のプログラムを格納することができ、これらのプログラムを展開して実行することができる。また、演算部は、これらのプログラム等に従って、入力された情報（検出値）を用いて所定の演算処理を行うことができ、当該演算処理の結果等を記憶することができる。演算部は、実体的には、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ等がバスで相互に接続される構成であってもよく、あるいはワンチップのＬＳＩ等からなる構成であってもよい。本実施形態の演算装置は、パーソナルコンピュータに上記プログラムを格納したものである。演算部は、予め格納された演算及び判定プログラム等に基づいて、電圧計５を介した検出信号（電圧）の取得、波形データの生成、該波形データから内乱ノイズを回避して電圧値の平均値を取得する所定の演算等することができる。

判定部は、演算部により所定の演算により得られた前記電圧値の平均値と、十分に絶縁性能を有する値として予め設定される電圧の規格値とを比較し、組電池１とバックボディ２間の絶縁性能の良否を判定するものである。

入力部は、演算部及び判定部に接続され、絶縁抵抗検査装置１０による検査に係る種々の情報・指示等を入力するものである。

表示部は、例えば入力部から演算部及び判定部への入力内容、絶縁抵抗検査装置１０の動作状況、抵抗４の電圧の測定結果（波形データ）等を表示するものである。

［絶縁抵抗検査］
上記絶縁抵抗検査装置１０により行われる電池パックの絶縁抵抗検査は、図１に示す回路において、抵抗４を接続した際の抵抗４間の電圧値の変化から組電池１がパックボディ２に対し十分な絶縁性能が確保されていることを確認するための検査である。該電圧の規格値は、抵抗接続前の電圧（組電池１の電圧に相当）に対し、抵抗接続後の電圧が安全性が確保される十分小さな値となるように予め設定される。

上記のように絶縁抵抗検査装置１０を構成することで、絶縁抵抗検査装置１０は、電圧計５を介して抵抗４の電圧差を取得し、抵抗４接続時を時系列のスタート時点として該電圧差を連続測定して時系列の波形データを生成する。この際に、該波形データに上述したような周期的に上下振幅する内乱ノイズが含まれている場合、従来方法では良否判定を行うための待機時間が長くなり、結果として検査時間がかかってしまう。以下においては、波形データに内乱ノイズを含むような場合においても、前記待機時間を利用して、良否判定を能動的に行うことで絶縁抵抗検査の検査時間を短縮することができる検査方法について説明する。

次に、本実施形態に係る電池パックの絶縁抵抗検査方法について図４を用いて説明する。
本実施形態に係る電池パックの絶縁抵抗検査方法は、図４に示すように、前記組電池１と該組電池１を収納するパックボディ２間に抵抗４を接続し（抵抗接続工程Ｓ１０）、該抵抗４間の電圧差に基づいて絶縁抵抗を検査する際に、前記抵抗４間の電圧差を連続測定して波形データを取得し（データ取得工程Ｓ２０）、当該波形データに現れる内乱ノイズの波形下端と波形上端の２点のデータの平均値が複数点連続で規格値内に入る場合に、前記組電池１と前記パックボディ２間の絶縁性能について問題なしと判定する（判定工程）。

抵抗接続工程Ｓ１０は、前記組電池１と該組電池１を収納するパックボディ２間に抵抗４を接続する工程である。すなわち、抵抗接続工程Ｓ１０では、絶縁抵抗検査装置１０を電池パック内の組電池１のひとつとパックボディ２の一端との間に電気的に接続する。

データ取得工程Ｓ２０は、該抵抗４間の電圧差に基づいて絶縁抵抗を検査する際に、前記抵抗４間の電圧差を連続測定して波形データを取得する工程である。すなわち、データ取得工程Ｓ２０では、電圧計５を介して抵抗４の両端子４ａ、４ｂ間の電位差が検出信号として連続的に取得され、この検出信号に基づいて絶縁抵抗検査装置１０の演算装置（演算部）は波形データを生成する。

判定工程Ｓ３０は、前記波形データに現れる内乱ノイズの波形下端と波形上端の２点のデータの平均値が複数点連続（本実施形態では、少なくとも５点連続）で規格値内（本実施形態では、規格値未満）である場合に、前記組電池１と前記パックボディ２間の絶縁性能について問題なしと判定する工程である。すなわち、判定工程Ｓ３０では、図５に示すように、周期的に上下振幅する略矩形状の波形となっている内乱ノイズにおいて、下向き矩形波（図５に示す符号１、３、５）の場合は、該下向き矩形波の時系列において最初に現れる下角部の電圧値と該下向き矩形波の終端角部（該下向き矩形波１、３、５に続く上向き矩形波２、４では、時系列において最初に現れる上角部）との２点の平均値を算出する。上向き矩形波（図５に示す符号２、４）の場合は、該上向き矩形波の時系列において最初に現れる上角部の電圧値と該上向き矩形波の終端角部（該上向き矩形波２、４に続く下向き矩形波１、３、５では、時系列において最初に現れる下角部）と２点の平均値を算出する。こうして各矩形波の上下２点の平均値が算出されて演算部に記録される。当該演算部に記録された矩形波の上下２点の平均値が、５点連続で規格値内（規格値未満）となった場合に演算装置の判定部はＯＫ判定（良判定）を出し、５点目のデータを記録として演算装置の演算部に保存する。
なお、本実施形態では、前記平均値が５点連続で規格値内である場合にＯＫ判定としているが、特に限定するものではなく。内乱ノイズの特性や検査対象に応じて適宜条件を設定すればよい。

（絶縁抵抗検査の良否判定例）
次に、上記絶縁抵抗検査装置１０を用いて、従来の電池パックの絶縁抵抗検査方法と上記電池パックの絶縁抵抗検査法のそれぞれにより、ひとつの電池パック製品（ワーク）の絶縁抵抗検査を行った例を説明する。ここで、抵抗４としては、抵抗値が２００ｋΩのものを用いた。

図６は、抵抗接続（２００ｋΩ）による電圧降下特性を示すものであり、波形データに周期的に上下振幅する略矩形状の波形の内乱ノイズが現れている。波形データは、緩やかに電圧降下してきて、図６の矢印Ａで示す部分で波形データの電圧値が規格値内（規格値未満）になると同時に待機時間がスタートする。従来の方法では、ノイズの影響が無視できるようになるのに約１１秒程度かかっていたが、実際には、電池製品の特性のバラツキを考慮して１５秒後に電圧値が規格値内になっているかどうかを判定していた。本実施形態に係る電池パックの絶縁抵抗検査法では、抵抗４を接続後、抵抗４の電圧を常時取得し、そのデータを使用するものである。内乱ノイズにおいて矩形波の上下２点の平均値のより具体的な取得方法としては、本例の内乱ノイズによる電圧の変化（電圧の振幅量）が約２．０Ｖであるため直前の電圧値より１．５Ｖ以上変化（振幅）した点とその直前の値を演算装置に入力して記録するとともに、平均値を算出した。こうして、演算装置の演算部に記録された矩形波の上下２点の平均値が、５点連続で規格値内となれば演算装置の判定部はＯＫ判定を出し、５点目のデータを記録として演算装置に保存していく。図６に示す本例の実測データの場合、８．５秒で平均値が５点連続で規格値内に入り測定が完了した。

図７に、従来の絶縁抵抗検査方法と本発明に係る絶縁抵抗検査方法とを比較する比較表を示す。本発明に係る絶縁抵抗検査方法の特徴としては、従来方法では、待機時間であったところを良否判定を行う時間として使用し、内乱ノイズの影響を自ら取り除いて判定を迅速に実施するものである。

１組電池
２パックボディ

Claims

組電池と該組電池を収納するパックボディ間に接続された抵抗の両端子間の電位差を検出信号として連続的に取得して波形データを生成する工程と、
前記波形データに現れる、周期的に上下振幅する略矩形状の波形を有する内乱ノイズのうち、前記略矩形状の波形の互いに隣接する波形下端と波形上端との電圧の平均値を、時系列に取得し、前記電圧の平均値が、予め定められた回数連続して、絶縁性を有する値として予め定められた規格値未満であるか否かを判定する工程と
を含む、
電池パックの絶縁抵抗検査方法。
前記予め定められた回数は、少なくとも５回である、請求項１に記載の電池パックの絶縁抵抗検査方法。