並列接続されたバッテリーストリングにおける循環電流：その発生原因とBMSアーキテクチャによる防止方法｜JKESS

失敗する拡張シナリオ

例として、商業・産業（C&I）分野における拡張事例を考えてみましょう。ある工場が2024年に128kWhのバッテリーシステムを導入し、負荷増加に伴い2026年には256kWhが必要になると見込まれました。調達部門は、同一仕様のシステムをもう1台購入し、並列接続することを提案しました。しかし、3か月後、運用チームは、継続的な電流不均衡と、あるストリングにおけるSOC（充電状態）の急激な低下を確認しました。型番は一致していますが、実際には各バッテリーの運転履歴は異なっています。

循環電流は、この現象を説明する可能性のある要因の一つであり、その他には負荷分担の不均等、温度差、接続抵抗、センサー誤差、あるいはセルの故障などが考えられます。新品と経年劣化したストリングでは、容量や内部抵抗が異なるため、初期のSOC値が一致していても、運用中に内部電圧およびSOCの推移が乖離します。その結果、より高い起電力を持つストリングから、他方のストリングへ電流が流れ込むことがあります。原因を特定する前に、符号付きの分岐電流およびセル単位のデータを必ず確認してください。

制御されていない内部電流の流れは、抵抗損失と追加のバッテリー通過電流を引き起こします。これにより、熱的ストレスおよびサイクル応力が増大し、セル電圧の上限または下限に達してBMSの保護機能が作動する可能性があります。さらに、十分に大きな電流が流れた場合にはヒューズやブレーカーが作動することもあります。一部の問題は接続直後に現れますが、他の問題は数週間にわたる運転データを蓄積することで初めて明確になります。本ガイドでは、循環電流の物理的原理、対策となる3つの工学的手法、およびJKESSのマスタ・スレーブハードウェアが設計済みの並列ストリング構成において果たす役割について説明します。

物理的原理：なぜ循環電流が発生するのか

循環電流が発生したからといって、必ずしもバッテリーの品質が劣っているわけではありません。これは、並列接続された電源間で内部電圧に差がある場合に、回路の基本法則に従って自然に生じる現象です。外部負荷がゼロの状態における2つのストリング間の初期推定値として、以下の式が有用です：

I_circulating = ΔV / R_loop

接続後、ストリングは、相互接続部の電圧降下を除き、共通のバス電圧を共有します。駆動力の不一致は、理想的なバスノード上で同一と見なされる2つの異なる電圧の間ではなく、それぞれの等価電源の間で生じます。外部負荷が接続された状態では、各ブランチ電流には負荷分担に加え、電圧不一致による影響も含まれます。この抵抗による推定は、接続時の過渡現象、インダクタンス、および電気化学的緩和現象をモデル化していません。

2V ÷ 0.05Ω = 40A

P_loss = I² × R_loop       = 40² × 0.05 = 80W

技術参考資料： Wengらによる、異なる特性を持つ並列接続電池における電流不均衡に関する研究 では、等価回路モデルを構築し、容量および内部抵抗の差異が電流・SOC（充電状態）・劣化に及ぼす影響を検討しています。上記の数値例は、あくまで説明用の回路計算であり、製品の試験結果ではありません。

無保護の並列接続 vs 独立ストリング保護

各ブランチを独立して保護することで、故障の検出および分離が容易になります。ただし、この方式はストリングごとのセンシングと連携した制御応答と併用する必要があります。保護デバイスのみでは循環電流を完全に防止できません。

ストリングが切断された場合、残りのストリングに過大な電流が流れる可能性があります。EMS／PCSは、連鎖的な停止を防ぐため、必要に応じて出力を抑制または運転を停止する必要があります。独立した保護機能は、通電中の保守作業を許可するものではありません。

3つの技術的対策

1. すべてのストリングに独立したブレーカーおよびヒューズを設置

   ブランチ保護の目的は、選択的な故障遮断です。各ストリングには、直流定格のブレーカーおよびヒューズに加え、BMS制御のコンタクター、または適切な自動トリップ機構を指定してください。ある程度の循環電流が過電流トリップ閾値以下にとどまる場合があるため、ヒューズは制御された遮断の代替手段にはなりません。

   選定時の優先事項： 連続電流定格、時間－電流特性曲線、直流電圧定格、発生可能な故障電流、遮断容量、導体保護、許容運転ピーク電流の整合を図ってください。接続されているすべてのストリングからの故障電流寄与を評価し、系統レベルで選択的遮断および継続運転が確実に達成されることを検証する必要があります。

   設置場所： 承認済みの単線結線図およびアース配置に基づき、保護および絶縁が必要な導体を特定してください。ブレーカーは正極導体に、ヒューズは負極導体に設置するという普遍的なルールは存在しません。納入された機器のプリチャージおよび接続順序を確認してください。DCリンク用プリチャージ回路は、電池ストリング間の電圧差を自動的に均一化できるように設計されているわけではありません。

2. 充電時、放電時、待機時の各ストリングを個別に監視してください。

   並列接続された各ストリングに、独立した双方向電流検出チャンネルを設け、電流の向き（符号）を保持してください。合計電流のみを検出するセンサーだけでは、電流の加算によって隠蔽される内部の電流移動を特定できません。例えば、放電時に正方向に +40Aの電流が流れるストリングと、負方向に−40Aの電流が流れるストリングがある場合、外部端子には約0Aの電流が現れます。

   セル電圧、ストリング電圧、温度、SOC（充電状態）、コンタクタ状態、動作モードを含む電流を記録します。センサの測定精度、想定される負荷分担、ストリングの定格値、および承認済み制御戦略を踏まえて、しきい値および時間遅延を設定します。必要に応じて、アラーム出力、接続禁止、出力制限、または絶縁処置を実行します。ただし、外部電源をゼロに設定しても、内部電流が停止しない場合があります。

   電流方向が同一で、かつ測定下限値を超える2本のストリング間比較において、代表的な不均衡指標の一つは以下のとおりです。

   Current imbalance (%) =100 × |I1 − I2| / max(|I1|, |I2|)

   スタンバイ直前では、符号付きアンペア単位と絶対値によるしきい値を用います。 ゼロ付近ではパーセンテージ表示が不安定になります。また、逆方向の電流については別途評価が必要であり、容量の異なるストリングでは、正当な理由により異なる電流を流すことがあります。各ブランチについては、それぞれの期待配分量および許容限界値と照らし合わせて比較してください。

3. SOCおよび電圧のばらつきを抑制するため、マスターレベルの監視機能を活用します。

   SOCの不一致は循環電流の一因ではありますが、電圧応答は抵抗、温度、セル状態、および直近の運転履歴にも依存します。ストリング・マスターとシステム監視装置は、承認済みのCAN／RS485プロトコルを通じて検証済みの測定値および制限値を交換し、ブランチ接続前に電圧およびSOCの一致条件を確実に適用する必要があります。

   運転中、監視制御機能により、偏差の確認、システム出力の低減、再接続の抑制、または不適切なブランチの分離が可能です。SOCの偏差が5パーセントポイントである場合、これはプロジェクトで明示的に認められた場合に限り、一例として検討のトリガーとなり得ますが、普遍的な接続閾値ではありません。直接並列接続されたDCバスでは、ストリングごとのDC／DC変換段などの適切な電源ハードウェアがなければ、BMSソフトウェアが各ストリングの連続電流を個別に設定することはできません。

   JKESSは、1台のマスターボックスあたり4～16台のスレーブボックスをデイジーチェーン方式で管理することを規定しています。適切なモジュール管理ハードウェアに加え、各並列ストリングごとに定義された保護機能および検出チャネルを組み合わせ、選択したファームウェアおよびシステム設計におけるストリング間監視機能を確認してください。セルレベルのアクティブ・バランス機能は、モジュール内の電池セル間の一貫性を保つために用いられますが、ストリング間の電流制御を代替するものではありません。

アーキテクチャの参考情報： 並列ストリング適用に関する技術解説書：保護およびトポロジーに関する検討事項（PDF） この外部エンジニアリング資料では、各ストリングの独立した監視、自動分離、およびトポロジー上のトレードオフについて述べられていますが、これはJKESS製品の機能または互換性を保証するものではありません。

JKESS高電圧BEV蓄電池システム（HV BESS）アーキテクチャによる並列ストリングの管理方法

マスターボックス、スレーブBMU、システムレベルコントローラーは、それぞれ異なる役割を担います。JKESSのマスタープラススレーブプラットフォームは、モジュールの測定、通信、保護機能の基本構成要素を提供します。並列ストリング方式のプロジェクトでは、各完全ストリングにおける検出、絶縁、監視制御も明確に定義する必要があります。

設定が重要です。 マスタープロダクトページには、2種類のシリーズ接続セル範囲が掲載されています。このガイドでは、それらを互換性のあるものとはみなしません。エネルギー容量は、選択されたセルと電気的構成によって決定され、単に筐体の数量だけでは決まりません。購入仕様は、実際のハードウェア、ファームウェア、および承認済みシステム図面と完全に一致させる必要があります。

拡張前のチェックリスト：新しいストリングを並列接続する前に確認すべき8項目

1. 電気的整合性を確認してください。 承認済みの電池化学組成および直列セル数が同一であること、電圧範囲が互換性を有すること、および極性が正しいことを確認してください。静置後のストリング開路電圧（OCV）を測定し、メーカーが承認した接続制限値を遵守してください。 2V以下であっても、一律に安全とは限りません 低抵抗ループ内では。
2. 電池およびその状態を確認してください。 型式、ロット記録、容量、内部抵抗、使用年数、健康状態（SOH）、セル間電圧ばらつきを比較してください。製品ラベルや初期SOC値が一致しているからといって、互換性が保証されるわけではありません。
3. 各ストリングの独立した分岐保護を確認してください。 各ストリングのブレーカー、ヒューズ、制御された絶縁回路、短絡電流の協調動作、およびメーカー承認済みのプリチャージ／接続構成を検証してください。
4. 電流検出機能を検証してください。 すべてのストリングについて、センサの極性、ゼロオフセット、精度、データ記録機能、待機時測定機能を含む、独立した双方向電流検出を確認してください。
5. 監視戦略を検証してください。 SOCおよび電圧の受入限界値、接続許可条件、電流制限、通信喪失時の対応、およびストリング切断後の出力低下について確認します。
6. 熱状態を確認します。 セル温度と周囲温度を比較し、空冷または液冷の性能を点検します。温度差が3°C以下となることは、プロジェクトごとの目標値であり、一律の合格／不合格基準ではありません。承認済みの熱管理基準に従って評価してください。
7. 指定された絶縁検査を完了します。 資格を有する作業者が、機器メーカーが定めた絶縁分離手順、試験電圧、および受入抵抗値を用いて検査を行わなければなりません。たとえば「直流1,000Vで1MΩ以上」といった基準は、明示的に規定されている場合にのみ適用されます。また、手順書で明記されていない限り、接続中の電子機器全体に対して高電圧絶縁試験を実施してはなりません。
8. 運転開始（コミッショニング）およびその後の監視計画を策定します。 接続前にアラームを設定し、承認済みの通電手順を確認したうえで、最初の72時間の観察期間中に分岐電流、SOC（充電状態）、セル電圧、温度を記録します。その後も傾向監視を継続します。

バッテリーストリングの並列接続時に起こりがちな5つのミス

1. 1．SOCが異なるストリングを直接並列接続する

   新品のフル充電ストリングと、SOC80％の既設ストリングを接続すると、大きな電流がやりとりされる可能性があります。承認された手順に従って電圧およびSOCを一致させ、セルの制限値およびパック電圧も確認してください。不適切な電圧・SOC差をメインコンタクタで均等化しないでください。

2. 2．全体を1つのブレーカーのみで保護する

   共用ブレーカーでは、各分岐への選択的遮断が行えません。ストリングごとに協調動作するブレーカーおよびヒューズを個別に指定し、さらに制御された切断機構を備える必要があります。内部で発生する中程度の電流は、ヒューズの作動閾値に達しない場合があります。

3. 3．バッテリー全体の合計電流のみを監視する

   全体の電流値が正常に見える一方で、あるストリングから別のストリングへ電流が流れている場合があります。各ストリングごとに双方向の電流測定を実施し、電流の向き、絶対値、およびすべての動作モードにおける想定される負荷分担を確認してください。

4. 4．温度差を無視する

   冷却の不均一さは、セルの抵抗値、利用可能な容量、およびSOC（充電状態）の挙動に影響を与えます。室温だけでなく、実測されたセル温度とその熱的傾向も点検してください。設置環境は、製品が認証された温度均一性範囲内に収める必要があります。「3℃以内」は、あらゆる状況で通用する基準ではありません。

5. 5．トレンド観察の最初72時間をスキップする

   短時間の起動試験では、異なるSOCや負荷、温度条件下で現れる異常な挙動を見逃す可能性があります。最初の72時間の観察期間中は、符号付きブランチ電流および関連するアラームを確認し、その後も長期的な監視を継続してください。単に「初めて接続したとき」や「72時間アラームが発生しなかった」という事実だけでは、製品の寿命にわたる互換性が保証されるわけではありません。

よくあるご質問