WO2026014276A1

WO2026014276A1 - 蓄電デバイス

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Publication number: WO2026014276A1
Application number: PCT/JP2025/023272
Authority: WO
Inventors: 智広兼平
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 2024-07-08
Filing date: 2025-06-27
Publication date: 2026-01-15
Anticipated expiration: 2027-01-08

Abstract

直列接続された複数の電池モジュールに対して、適切な絶縁抵抗判定基準を自動的に設定することができるとともに、保守の効率性を向上させることができる蓄電デバイスを提供する。蓄電デバイスは、直列接続された複数の電池モジュールを備える蓄電デバイスであって、それぞれの電池モジュールは、絶縁抵抗を検出し、絶縁不良の有無を判定する制御部を有し、制御部は、絶縁不良の有無を判定するための絶縁抵抗判定基準を、他の電池モジュールとの接続位置関係に基づき設定する。

Description

蓄電デバイス

　本開示は、電力の蓄電および供給を行う蓄電デバイスに関する。

　従来、複数のセル電池を接続して形成される二次電池が搭載された電池モジュールには、ユーザーの感電を防ぐために、所定の絶縁抵抗を有することが要求されている。そして、このような電池モジュールには、絶縁不良を検出する絶縁抵抗検出回路が搭載されている（例えば、特許文献１参照）。

　一般に、蓄電デバイスには、搭載された複数の電池モジュールを直列接続することによって高電圧化が可能となっている。これらの電池モジュールは、他の電池モジュールとの接続関係によって決まる電位に応じて、絶縁不良を検出する際の判定基準となる絶縁抵抗判定基準が個別に設定される。

　また、蓄電デバイスに搭載される電池モジュールの直列接続数が変更されると、それに伴ってそれぞれの電池モジュールの電位が変わるため、変更後の接続位置に応じて、それぞれの電池モジュールの絶縁抵抗判定基準を変更する必要が生じていた。

　これに対して、電池モジュールの接続位置および接続数が変更に関わらず、すべての電池モジュールに対して共通の絶縁抵抗判定基準を設定する標準化を図ることが検討されている。この場合、電池モジュールには、接続関係が最上位となる最高電位の電池モジュールに対する絶縁抵抗判定基準値が設定されることになり、接続位置および接続数に変更があった場合でも、絶縁抵抗判定基準の設定を変更する必要がない。

特開２０１４－８２８７５号公報

　しかしながら、接続関係が下位となる電池モジュールでは、設定された絶縁抵抗判定基準が過剰となり、実際には絶縁抵抗が要求を満たしており、絶縁不良が発生していない場合でも、絶縁不良と判定されてしまう可能性がある。すなわち、絶縁不良が発生していない電池モジュールを不要に交換するといった保守の効率性が悪化してしまう。

　本開示の目的は、直列接続された複数の電池モジュールに対して、適切な絶縁抵抗判定基準を自動的に設定することができるとともに、保守の効率性を向上させることができる蓄電デバイスを提供することである。

　本開示に係る蓄電デバイスは、
　直列接続された複数の電池モジュールを備える蓄電デバイスであって、
　それぞれの前記電池モジュールは、
　絶縁抵抗を検出し、絶縁不良の有無を判定する制御部を有し、
　前記制御部は、
　前記絶縁不良の有無を判定するための絶縁抵抗判定基準を、他の前記電池モジュールとの接続位置関係に基づき設定する。

　本開示によれば、直列接続された複数の電池モジュールに対して、適切な絶縁抵抗判定基準を自動的に設定することができるとともに、保守の効率性を向上させることができる。

図１は、本実施の形態に係る蓄電デバイスの構成の一例を示す概略図である。図２は、図１のＢＭＳの構成の一例を示す機能ブロック図である。図３は、図２の絶縁抵抗検出回路の構成の一例を示す回路図である。

　以下、本開示の実施の形態について、図面を参照して説明する。本開示は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、本開示の主旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、本開示は、以下の各実施の形態に示す構成のうち、組合せ可能な構成のあらゆる組合せを含むものである。また、各図において、同一の符号を付したものは、同一のまたはこれに相当するものであり、これは明細書の全文において共通している。

［蓄電デバイス１の構成］
　図１は、本実施の形態に係る蓄電デバイス１の構成の一例を示す概略図である。蓄電デバイス１は、図示しない外部電源から供給される電力を蓄電するとともに、蓄電された電力を図示しない電力供給対象に供給するものである。図１に示すように、蓄電デバイス１は、複数の電池モジュール１０と、ＢＭＵ（Battery Management Unit）２０とを備えている。電池モジュール１０およびＢＭＵ２０は、互いに接続されている。

（電池モジュール１０）
　電池モジュール１０は、二次電池１１およびＢＭＳ（Battery Management System）１２を有している。

　二次電池１１は、１または複数の二次電池セルで構成されている。複数の二次電池セルで構成される場合には、それぞれの二次電池セルが直列に接続されている。二次電池１１は、例えば、ニッケル水素二次電池である。なお、二次電池１１の種類は、この例に限られず、リチウムイオン二次電池等のニッケル水素二次電池以外の二次電池であってもよい。また、二次電池１１は複数設けられていてもよく、この場合、複数の二次電池１１は、例えば直列に接続されている。

　ＢＭＳ１２は、電池モジュール１０内の二次電池１１の監視および制御等を行う。例えば、ＢＭＳ１２は、電池モジュール１０の絶縁抵抗を検出し、検出した絶縁抵抗による絶縁不良の有無を判定する。絶縁抵抗は、電池モジュール１０と、当該電池モジュール１０を備える蓄電デバイス１が搭載される装置との間の絶縁性を示す抵抗である。また、ＢＭＳ１２は、絶縁不良の有無を判定する際に用いられる絶縁抵抗に対する判定基準である絶縁抵抗判定基準を設定する。絶縁不良の有無の判定および絶縁抵抗判定基準の設定の詳細については、後述する。

　さらに、ＢＭＳ１２は、ＢＭＵ２０との間でバス２を介して通信を行い、二次電池１１および電池モジュール１０に関する各種情報のやりとりを行う。ＢＭＳ１２とＢＭＵ２０との間で行われる通信のプロトコルとして、例えばＣＡＮ（Controller Area Network）が用いられる。

　ＢＭＳ１２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）およびＲＡＭ（Random Access Memory）等を備えている（いずれも図示せず）。ＣＰＵは、ＲＯＭから処理内容に応じたプログラムを読み出してＲＡＭに展開し、展開したプログラムと協働して電池モジュール１０の動作を集中制御する。

　図２は、図１のＢＭＳ１２の構成の一例を示す機能ブロック図である。図２には、ＢＭＳ１２が備える機能のうち、絶縁抵抗の検出および絶縁抵抗判定基準の設定に関連する機能についての処理部が示されている。

　図２に示すように、ＢＭＳ１２は、制御部１２１および絶縁抵抗検出回路１２２を有している。制御部１２１は、絶縁抵抗検出回路１２２から入力される入力信号に基づき、電池モジュール１０の絶縁抵抗を検出するとともに、絶縁不良の有無を判定する。また、制御部１２１は、絶縁不良の有無の判定の際に用いられる絶縁抵抗判定基準を設定する。本実施の形態において、制御部１２１は、複数の電池モジュール１０が直列接続された場合に、それぞれの電池モジュール１０の接続位置関係に基づき、絶縁抵抗判定基準を設定する。

　制御部１２１は、検出部１２１１、演算部１２１２および記憶部１２１３を有している。

　検出部１２１１は、電池モジュール１０の絶縁抵抗に基づき、絶縁不良の有無を判定し、絶縁不良を検出する。絶縁不良の有無の判定方法の詳細については、後述する。

　演算部１２１２は、絶縁抵抗判定基準を設定する際に、電池モジュール１０の使用によって決定される二次電池セルの数等のパラメータに基づき、絶縁抵抗判定基準の値を算出する。また、演算部１２１２は、算出した絶縁抵抗判定基準の値を電圧値に変換する演算を行う。演算部１２１２で行われる各種の演算の詳細については、後述する。

　記憶部１２１３は、制御部１２１の各部で用いられる各種の情報を記憶している。例えば、記憶部１２１３は、絶縁抵抗判定基準値を電圧値に変換する際に用いられる演算式を記憶している。また、記憶部１２１３は、絶縁抵抗判定基準を設定する際に用いられる演算式、および、この演算式で用いられる各種のパラメータ、ならびに、演算結果である絶縁抵抗判定基準の値を記憶している。

　なお、本実施の形態において、複数の電池モジュール１０は、二次電池１１に使用される二次電池セルの数および二次電池セルの満充電電圧値等の仕様が同一仕様であるものとする。

（ＢＭＵ２０）
　図１のＢＭＵ２０は、各電池モジュール１０のＢＭＳ１２との間で通信を行うことで、二次電池１１および電池モジュール１０に関する各種情報のやりとりを行い、蓄電デバイス１内の複数の電池モジュール１０の制御および管理を行う。

　ＢＭＵ２０は、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭ等を備えている（いずれも図示せず）。ＣＰＵは、ＲＯＭから処理内容に応じたプログラムを読み出してＲＡＭに展開し、展開したプログラムと協働して蓄電デバイス１の動作を集中制御する。

［絶縁抵抗判定基準の設定］
　上記構成を有する蓄電デバイス１の電池モジュール１０における絶縁抵抗判定基準の設定について説明する。

　従来、電池モジュールには、単位電圧あたりで要求される絶縁抵抗値が予め定められている。そのため、複数の電池モジュールが直列接続される場合、それぞれの電池モジュールの絶縁抵抗値は、他の電池モジュールとの接続位置の関係、すなわち電池モジュールの電位によって異なる。したがって、電池モジュールの絶縁抵抗を判定する際の基準となる絶縁抵抗判定基準についても、接続位置に応じて電池モジュール毎に異ならせる必要がある。なお、以下では、複数の電池モジュールを「直列接続する」ことを「スタックする」と称して説明することがある。

　従来の蓄電デバイスにおいては、複数の電池モジュールをスタックした際に、電池モジュールのスタック位置に応じて絶縁抵抗判定基準値を個別に設定していた。ここで、蓄電デバイスに搭載される電池モジュールのスタック数が変更されると、それに伴ってそれぞれの電池モジュールの電位が変わる。そのため、変更後の電池モジュールのスタック位置に応じて、それぞれの電池モジュールの絶縁抵抗判定基準を変更する必要が生じていた。

　これに対して、電池モジュールのスタック位置またはスタック数が変更される場合でも、絶縁抵抗判定基準の変更が不要となるように、すべての電池モジュールに対して共通の絶縁抵抗判定基準を設定し、絶縁抵抗判定基準の標準化を図ることが検討されている。

　この場合、それぞれの電池モジュールには、最高電圧に応じた絶縁抵抗判定基準が設定される。具体的には、例えば、複数の電池モジュールをスタックした場合に、接続関係が最上位となる最高電位の電池モジュールに対する絶縁抵抗判定基準が、すべての電池モジュールに対して設定される。

　本来、スタック位置が下位の電圧が低い電池モジュールにおいて、要求される絶縁抵抗判定基準は、スタック位置が上位の電圧が高い電池モジュールよりも低くてよい。しかしながら、絶縁抵抗判定基準が標準化される場合には、すべての電池モジュールにおいて、絶縁抵抗判定基準を上位の電池モジュールに合わせることになる。そうすると、例えば、下位の電池モジュールにおいて、実際には絶縁抵抗が要求を満たしており、絶縁不良が発生していない場合でも、標準化された絶縁抵抗判定基準を満たさず、絶縁不良と判定されてしまう可能性がある。

　このように、すべての電池モジュールに対して共通の絶縁抵抗判定基準を設定した場合には、スタック位置またはスタック数が変更された場合でも、絶縁抵抗判定基準を変更する必要がない。そのため、スタック位置またはスタック数が変更された場合に、絶縁抵抗判定基準を変更する手間を省略してメンテナンス性を向上させることができるが、絶縁不良と判定された電池モジュールを不要に交換するといった保守の効率性が悪化してしまう。

　そこで、本実施の形態では、複数の電池モジュール１０がスタックされている場合おける、それぞれの電池モジュール１０の絶縁抵抗判定基準を、スタック位置に応じて適切かつ自動的に設定する。

（絶縁不良の有無の判定）
　まず、絶縁抵抗判定基準の設定について説明する前に、電池モジュール１０における絶縁不良の有無の判定について説明する。電池モジュール１０の絶縁抵抗は、蓄電デバイス１が搭載される装置との間の抵抗であり、電池モジュール１０に搭載された絶縁抵抗検出回路１２２を用い、ＢＭＳ１２の制御部１２１によって検出される。

　図３は、図２の絶縁抵抗検出回路１２２の構成の一例を示す回路図である。図３に示すように、絶縁抵抗検出回路１２２は、制御部１２１からパルス信号が入力され、このパルス信号に対する信号を制御部１２１に出力するものである。この例では、絶縁抵抗検出回路１２２は、パルス信号が入力された場合に、抵抗Ｒ_１と絶縁抵抗Ｒ_２とのブリーダ比、および抵抗Ｒ_１とコンデンサＣとの時定数を利用して、絶縁抵抗Ｒ_２を電圧値に変換したアナログ入力値Ｖ_ＡＮを出力する。なお、絶縁抵抗Ｒ_２は、図３の破線で示すように、二次電池１１の接地位置（電池ＧＮＤ）と、電池モジュール１０を搭載する装置の接地位置（装置ＧＮＤ）との間に仮想的に配置される抵抗である。

　絶縁抵抗検出回路１２２から出力されるアナログ入力値Ｖ_ＡＮは、式（１）に基づき算出される。式（１）において、「Ｖ_ＡＮ」は、絶縁抵抗検出回路１２２から制御部１２１に入力される信号の電圧である。「Ｖ_ＩＮ」は、制御部１２１の電源電圧である。「Ｖ_ｆ」は、絶縁抵抗検出回路１２２中に配置されるダイオードの順電圧である。「Ｔ」は、絶縁抵抗検出回路１２２に入力されるパルス信号の周期である。「ｔ_Ｈ」は、パルス信号におけるＨ（ハイ）レベルのパルス幅である。「ｔ_Ｌ」は、パルス信号におけるＬ（ロー）レベルのパルス幅である。

　このとき、電池モジュール１０と装置との絶縁が十分に確保されている場合には、絶縁抵抗Ｒ_２の値が抵抗Ｒ_１の値に対して十分大きいため、アナログ入力値Ｖ_ＡＮは「Ｖ_ＩＮ－Ｖ_ｆ」となる。一方、電池モジュール１０と装置との絶縁が低下し、絶縁抵抗Ｒ_２の値が「０」に近づくと、「ｔ_Ｈ＝ｔ_Ｌ」の場合には、アナログ入力値Ｖ_ＡＮが「１／２Ｖ_ＩＮ－Ｖ_ｆ」に近づいていく。

　このようにして、制御部１２１にアナログ入力値Ｖ_ＡＮが入力されると、制御部１２１の検出部１２１１は、入力されたアナログ入力値Ｖ_ＡＮと、予め設定された絶縁抵抗判定基準値とに基づき、絶縁不良の有無を判定する。

　ここで、アナログ入力値Ｖ_ＡＮは、式（３）で示されるように、絶縁抵抗Ｒ_２の値に応じて決定される。すなわち、アナログ入力値Ｖ_ＡＮは、絶縁抵抗Ｒ_２の値を電圧値に変換したものである。したがって、絶縁不良の有無を判定する場合、検出部１２１１は、入力されたアナログ入力値Ｖ_ＡＮと、絶縁抵抗判定基準値を電圧値に変換した電圧値Ｖ_ｒｅｆとを比較し、絶縁不良の有無を判定する。

　この場合、制御部１２１の演算部１２１２は、予め設定された絶縁抵抗判定基準値を電圧値に変換する。具体的には、演算部１２１２は、式（１）の絶縁抵抗Ｒ_２の値として、絶縁抵抗判定基準値を代入し、絶縁抵抗判定基準値を電圧値Ｖ_ｒｅｆに変換する。

　そして、検出部１２１１は、アナログ入力値Ｖ_ＡＮと、変換された絶縁抵抗判定基準値の電圧値Ｖ_ｒｅｆとに基づき、絶縁不良の有無を判定する。アナログ入力値Ｖ_ＡＮが絶縁抵抗判定基準値の電圧値Ｖ_ｒｅｆ以下となった場合、検出部１２１１は、絶縁不良であると判定し、絶縁不良を検出する。また、アナログ入力値Ｖ_ＡＮが絶縁抵抗判定基準値の電圧値Ｖ_ｒｅｆよりも大きい場合、検出部１２１１は、絶縁が良好であると判定する。

　制御部１２１は、例えば、電池モジュール１０が起動する際に、絶縁抵抗を検出すると好ましい。また、絶縁不良の有無の判定の結果、絶縁不良が検出された場合、制御部１２１は、電池モジュール１０の起動を停止させるとともに、この蓄電デバイス１が搭載される装置等に通知してもよい。

（絶縁抵抗判定基準の設定）
　次に、絶縁抵抗判定基準の設定方法について説明する。上述したように、複数の電池モジュール１０をスタックする場合、それぞれの電池モジュール１０についての絶縁抵抗判定基準は、スタック位置によって決定される電位に応じて設定されると好ましい。

　スタックされた複数の電池モジュール１０では、接続位置が上位となるモジュールほど電位が高くなり、絶縁抵抗判定基準が高くなる。また、複数の電池モジュール１０の仕様（二次電池セル数および満充電電圧等）が同一である場合、絶縁抵抗判定基準は、スタック数に比例した値となる。

　ここで、蓄電デバイス１に搭載される複数の電池モジュール１０には、電池モジュール１０に搭載されたＢＭＳ１２と上位のＢＭＵ２０との間で通信相手を識別するためのモジュールＩＤが割り当てられることが、通信規格等によって定められている。モジュールＩＤは、通常、複数の電池モジュール１０がスタックされる場合に、スタック位置の下位から上位に向かって順番に割り当てられる。そのため、モジュールＩＤは、電池モジュール１０のスタック位置を示しているとも言えるので、対応するモジュールＩＤから電池モジュール１０のスタック位置を判断することができる。

　したがって、このモジュールＩＤを用いることにより、スタックされたそれぞれの電池モジュール１０の適切な絶縁抵抗判定基準を設定することができる。

　この場合、スタックされた場合の電池モジュール１０における絶縁抵抗判定基準値は、式（２）に基づき算出される。
　　絶縁抵抗判定基準値
　　　＝（標準モジュールセル数）×（セル満充電電圧値）
　　　　　×（単位電圧あたりの要求絶縁抵抗値）×（モジュールＩＤ）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（２）

　式（２）において、
　「標準モジュールセル数」は、電池モジュール１０に搭載された二次電池セルの数である。電池モジュール１０に搭載される二次電池セルの数は、電池モジュール１０の仕様によって決定されるため、固定値となる。

　「セル満充電電圧値」は、電池モジュール１０に搭載された二次電池セルの満充電電圧値である。セル満充電電圧値は、二次電池セルの仕様によって決定されるため、固定値となる。

　「単位電圧あたりの要求絶縁抵抗値」（以下、単に「要求絶縁抵抗値」と適宜称する）は、二次電池の出力電圧についての単位電圧あたりに要求される値である。要求絶縁抵抗値は、日本産業規格等の所定の規格によって定められた要求値であるため、固定値となる。

　「モジュールＩＤ」は、複数の電池モジュール１０それぞれを識別するための固有の情報である。「モジュールＩＤ」は、複数の電池モジュール１０がスタックされる場合に、スタック位置に応じてそれぞれの電池モジュール１０に対して個別に設定されたＩＤである。モジュールＩＤは、上述したように、例えば、複数の電池モジュール１０がスタックされる場合に、スタック位置の下位から上位に向かって順番に割り当てられる。モジュールＩＤは、複数の電池モジュール１０のスタック数、および、それぞれの電池モジュール１０のスタック位置に応じて決定される値であるため、可変値となる。

　標準モジュールセル数、セル満充電電圧値、要求絶縁抵抗値およびモジュールＩＤは、ＢＭＳ１２が備える制御部１２１の記憶部１２１３に記憶されている。なお、モジュールＩＤは、蓄電デバイス１に搭載される電池モジュール１０の数が変更された場合、または、使用する電池モジュール１０の仕様が変更された場合等に、その都度設定される。

　絶縁抵抗判定基準を設定する場合、制御部１２１の演算部１２１２は、記憶部１２１３から標準モジュールセル数、セル満充電電圧値、要求絶縁抵抗値およびモジュールＩＤを読み出す。そして、演算部１２１２は、読み出した標準モジュールセル数、セル満充電電圧値、要求絶縁抵抗値およびモジュールＩＤに基づき、式（２）の演算式を用いて、絶縁抵抗判定基準値を算出する。算出された絶縁抵抗判定基準値は、記憶部１２１３に記憶される。

　このように、本実施の形態では、それぞれの電池モジュール１０に対して個別に設定されたモジュールＩＤに基づき、絶縁抵抗判定基準が算出される。これにより、それぞれの電池モジュール１０に対して適切な絶縁抵抗判定基準を自動的に設定することができる。

　また、それぞれの電池モジュール１０に対して適切な絶縁抵抗判定基準が設定されることにより、絶縁不良が発生していない電池モジュール１０を不要に交換するといった保守の効率性が悪化することを抑制することができる。

　２０２４年７月８日出願の特願２０２４－１０９５２０の日本出願に含まれる明細書、図面および要約書の開示内容は、すべて本願に援用される。

　１　蓄電デバイス
　１０　電池モジュール
　２０　ＢＭＵ
　１１　二次電池
　１２　ＢＭＳ
　１２１　制御部
　１２２　絶縁抵抗検出回路
　１２１１　検出部
　１２１２　演算部
　１２１３　記憶部

Claims

　直列接続された複数の電池モジュールを備える蓄電デバイスであって、
　それぞれの前記電池モジュールは、
　絶縁抵抗を検出し、絶縁不良の有無を判定する制御部を有し、
　前記制御部は、
　前記絶縁不良の有無を判定するための絶縁抵抗判定基準を、他の前記電池モジュールとの接続位置関係に基づき設定する、蓄電デバイス。
　前記制御部は、
　他の前記電池モジュールとの接続位置関係に対応して割り当てられるモジュールＩＤに基づき、前記絶縁抵抗判定基準を設定する、
　請求項１に記載の蓄電デバイス。
　前記制御部は、
　前記電池モジュールに搭載された二次電池セルのセル数と、前記二次電池セルの満充電電圧値と、前記二次電池セルの単位電圧あたりに要求される要求絶縁抵抗値と、前記モジュールＩＤと、を乗算して、前記絶縁抵抗判定基準の値を算出する、
　請求項２に記載の蓄電デバイス。
　前記モジュールＩＤは、それぞれの前記電池モジュールを識別するための固有の情報である、
　請求項２に記載の蓄電デバイス。
　前記モジュールＩＤは、直列接続された前記電池モジュールの位置の下位から上位に向かって順番に割り当てられている、
　請求項２に記載の蓄電デバイス。
　複数の前記電池モジュールは、
　搭載される複数の二次電池セルのセル数および前記二次電池セルの満充電電圧が同一である、
　請求項１に記載の蓄電デバイス。
　前記制御部は、
　前記電池モジュールの絶縁抵抗を検出する絶縁抵抗検出回路を有する、
　請求項１に記載の蓄電デバイス。