バッテリー管理システム (BMS)

バッテリー管理システム入門

最新の車載アプリケーション、特に電気自動車やハイブリッド車 (HEV) にとっては、バッテリー管理システム (BMS) が不可欠です。BMSはバッテリー運用の頭脳として、バッテリーが安全かつ健全に、そして最高の状態で動作することを保証します。このセクションでは、BMSの重要な要素について説明し、車載システムにおけるBMSの機能と重要性を明らかにします。

車載システムにおけるBMSの役割と重要性

バッテリーは電気自動車の基盤であるため、現代の車載システムにおけるBMSの重要性は強調しすぎることはありません。

BMSの主な責任と重要性の内訳は次のとおりです。

安全保証: BMSは、電圧、電流、温度など、バッテリーのさまざまな特性を監視して、過充電や過熱などの潜在的に危険な状況を回避します。

パフォーマンスの最適化: BMSは、充電と放電のプロセスを制御して電気自動車の効率と航続距離を最適化し、最適なパフォーマンスを維持します。

健全性モニタリング: BMSは、充電状態 (SOC) と健全性状態 (SOH) を継続的に評価することで、バッテリーの寿命を予測し、メンテナンスや交換が必要な場合にユーザーに警告することができます。

エネルギー管理: BMSは、バッテリーの動作を車両のエネルギー需要、負荷制限、エネルギー再生技術と調整することで、エネルギー管理において重要な役割を果たします。

車両システムとの統合: BMSは他の車両システムと通信して、推進力、熱管理、その他のシステムの機能を調整し、運転者に重要な情報を提供します。

BMSの部品

代表的なBMSは、それぞれ異なる機能を持つ複数の接続された部品で構成されます。主な要素は次のとおりです。

センサ: センサはバッテリーセルの温度とバッテリーパックの電流を測定します。リアルタイムでデータを提供して、システムの目として機能します。

制御モジュール: センサデータを収集、処理、決定する回路モジュール。アルゴリズムを使用して充電および放電操作を制御し、SOCとSOHを予測します。

保護回路: これは、過充電、過放電、短絡、または過熱が発生した場合に遮断できる充電スイッチと放電スイッチで構成されています。これらのスイッチは制御モジュールによって管理されます。

バランス回路: バランス回路により、バッテリーパック内の各セルに均等な充電が行われるようになり、バッテリーの全体的な寿命と効率が向上します。

通信インタフェース: これらは、BMSマスターユニットとスレーブユニット間、および他の車両システムとの通信を可能にすることで、故障の識別と診断を容易にします。

図1 : BMSのブロック図

バッテリー管理システムは、特に電気自動車において、最新の車載システムの複雑な機械の重要な歯車です。厳格なモニタリング、制御、保護、バランス調整、通信を通じて、BMSはバッテリーが最高のパフォーマンスを発揮するだけでなく、安全で効率的かつ持続可能な方法でそうすることを保証します。部品の複雑な相乗効果は、クリーンかつインテリジェントなモビリティという幅広いビジョンをサポートする堅牢なテクノロジーを象徴しています。自動車市場がさらに電動化され自動化されたソリューションへと進化するにつれて、BMSの今後の進歩は引き続き極めて重要になるでしょう。

バッテリーパラメータのモニタリングと制御

バッテリー管理システム (BMS) は、さまざまなバッテリー特性のモニタリングと管理に大きく依存しています。安全で効率的なバッテリー動作を保証し、バッテリー寿命を延ばし、車両全体のパフォーマンスを向上させます。このセクションでは、充電状態 (SOC)、健全性状態 (SOH)、電圧、電流、温度、充電および放電プロセスなど、BMSがモニタおよび制御する重要な指標について詳しく説明します。

充電状態 (SOC) の推定

バッテリーの現在の充電状態 (SOC) は、公称容量のパーセンテージで表されます。正確なSOC推定は、利用可能なエネルギー量を運転者に伝え、いつ充電するかなどの選択を可能にするため、最適なパフォーマンスを実現するために重要です。

方法: クーロンカウンティングや電圧ベースの推定など、さまざまなアプローチが使用され、精度を向上させるためにこれらが頻繁に組み合わせられます。

重要性: リアルタイムのエネルギー情報を提供し、運転や充電行動に影響を与えます。

健康状態 (SOH) 推定

バッテリーの健康状態 (SOH) は、新品の状態と比較した全体的な状態を示します。SOHの推定には、充電 / 放電サイクル、温度履歴、経年変化の影響など、さまざまなパラメータを考慮した複雑なアルゴリズムが必要です。

方法: インピーダンス測定、サイクル分析、適応アルゴリズムがすべて含まれています。

重要性: バッテリーの寿命とメンテナンス要件を見積もるために不可欠です。

電圧と電流のモニタリング

バッテリーセルとパック間の電圧と電流のモニタリングは、パフォーマンスと安全性にとって重要です。

電圧モニタリング: 電圧モニタリングにより、セルが許容制限内で動作することが保証されます。電圧の不均衡は、抵抗の不均一性などの問題を示す可能性があり、効率の低下につながる可能性があります。パックレベルの電圧のモニタリングも、多くの車両操作にとって重要なパラメータです。

電流モニタリング: バッテリーパックとの間の電荷の流れを測定し、SOCの推定や過電流や短絡などの異常状況の検出に役立ちます。

重要性: バランスのとれた運用、セキュリティ、効率の最適化に不可欠です。

温度モニタリング

バッテリーパックの温度は、パフォーマンス、安全性、寿命に大きな影響を与えます。

方法: セルとモジュール全体に戦略的に分散されたNTC (負温度係数サーミスタ) センサが使用されます。

重要性: 過熱や過度の冷却を防ぎ、SOCやSOHなどの他の指標に影響を与えることで、熱管理を支援します。

充電と放電のプロセス

充電と放電を管理する能力は、バッテリーのパフォーマンスと寿命にとって重要です。

充電制御: ：BMSは、定電流 (CC) や定電圧 (CV) などの充電電流、電圧、段階を処理します。また、充電インフラストラクチャと通信して、基準への準拠を確認します。

放電制御: BMSは、電流、電圧、温度、残存容量などの要素を考慮して、安全な制限内で放電が行われるようにします。

重要性: この要素は、バッテリーの効率、寿命、車両のニーズを満たす能力に直接影響します。

BMS内でのバッテリー特性のモニタリングと管理は、技術的な複雑さと実際の懸念を組み合わせた芸術であり科学です。BMSは、継続的な監視、正確な推定、インテリジェントな制御を通じて、安全性、パフォーマンス、効率性の調和のとれたバランスを維持します。BMSは、SOCを介して現在の状態を判断したり、SOHを介して全体的な健全性を評価したり、電圧、電流、温度などの重要なパラメータを制御したり、充電と放電の複雑なダンスを処理したりと、細かく調整された交響曲のオーケストレータとして機能します。センサ技術、データ分析、適応アルゴリズムの進歩により、この組織化はさらに洗練され、将来の車両システムではさらに繊細で応答性の高いバッテリー管理が期待できます。

バッテリー保護機構

バッテリー管理システム (BMS) では、バッテリーシステムの安全性、信頼性、寿命を維持するために保護方法が必要です。これらの安全対策により、回復不可能な損傷、効率の低下、または安全上の問題を引き起こす可能性のある状況でバッテリーが動作しないようにします。過充電と過放電状態、および短絡と熱状況は、2つの大きな懸念事項です。このセクションでは、バッテリー保護のこれらの重要な機能について説明します。

過充電および過放電保護

これらの安全装置により、バッテリーが安全限度を超えて充電または放電されるのを防ぎます。たとえば、リチウムイオン電池の場合、最大許容セル電圧は4.1～4.2V です。最小許容セル電圧は2.4～3Vの範囲です。

過充電保護

機能性: バッテリーが最大電圧を超えて充電されるのを防ぎ、潜在的な損害を防止します。
方法: これには電圧モニタリングと充電電流制御が含まれます。指定された電圧しきい値に達すると、遮断回路を使用してチャージャを切断できます。
重要性: 電解液の漏れ、膨れ、熱暴走などのリスクの防止に役立ちます。

過放電保護

機能性: バッテリーが最小電圧以下で放電するのを防ぎ、セルの反転と容量の低下を防ぎます。
方法: 電圧をモニタし、特定のしきい値に達したときにシステム制御と連携して負荷を下げるか切断します。
重要性: バッテリーセルへの永久的な損傷を防ぎ、バッテリーの寿命を延ばします。

短絡および熱保護

短絡保護と極度の熱からの保護は、安全性と機能性を維持するために不可欠です。

短絡保護

機能性: 短絡の問題を検出して対応し、電流の流れを減らし、必要に応じてバッテリーを切断します。
方法: 電流の流れを遮断するために、電流センサと高速動作保護回路が使用されます。自己回復のために、リセット可能なヒューズを使用できます。
重要性: 過熱、火災、その他の重大な故障を防ぐため、安全上重要です。

熱保護

機能性: 熱保護は、バッテリーが安全な温度範囲内で機能することを保証する機能です。
方法: 温度センサと熱モデリングを使用して冷却システムまたは加熱システムを制御し、高熱下ではバッテリーの動作をシャットダウンしたり制限したりする場合があります。
重要性: 熱ストレスを制御し、熱暴走を減らし、最高のパフォーマンスと長寿命を促進します。

BMSのバッテリー保護メカニズムは安全保護において重要な役割を果たし、パフォーマンスと安全性の健全なバランスを維持するために舞台裏で継続的に動作します。これらのデバイスは、過充電や過放電の安全装置によってエネルギーの流入と流出を制御したり、短絡や極度の高温などのより突発的で有害な状況をモニタリングしたりして、バッテリーの完を整合性を守る熱心な守護者として機能します。

BMSは、高度なセンサ、制御アルゴリズム、応答性の高いアクションパスを組み込むことで、複雑な電気化学エネルギー貯蔵システムの管理に関するさまざまな問題が正確かつ確実に処理されることを保証します。バッテリー技術が進歩し、エネルギー貯蔵システムに対する要求がより複雑になるにつれて、継続的な研究と技術革新によってこれらの保護対策も進歩するでしょう。

バッテリーシステムの信頼性と安全性は、車載システムにおける単なる技術要件以上のものであり、ユーザーの安全性、環境に対する責任、そして電気自動車の強固な未来への献身なのです。

バランシング技術

バッテリーバランシングは、マルチセルバッテリーを必要とする自動車やその他のアプリケーションにおけるバッテリー管理システム (BMS) の重要な構成要素です。バランシングにより、バッテリーパック内のすべてのセルの充電状態 (SOC) が同じになります。このセクションでは、セルバランスについて紹介し、パッシブセルバランスとアクティブセルバランスという2つの基本的な手法について詳しく説明します。

セルバランシング入門

バッテリーパック内のすべてのセルが同じレベルの充電状態になるようにする行為は、セルバランシングと呼ばれます。これが必要なのは、製造、経年劣化、温度、自己放電率のわずかな違いでも、個々のセルの電圧レベルと容量にばらつきが生じる可能性があるためです。

セルバランシングが必要な理由

性能: 最も弱いセルのパフォーマンスがパック全体のパフォーマンスを決定する可能性があるため、セルのバランスが崩れるとバッテリー全体のパフォーマンスが低下する可能性があります。
長寿: セルのバランスが崩れると、特定のセルの劣化が早まり、バッテリーパックの全体的な寿命が制限される可能性があります。
安全性: 極端な不均衡により、特定のセルが過充電または過放電され、安全上の問題が生じる可能性があります。

パッシブおよびアクティブセルバランシング技術

バッテリーパック内のセルのバランスをとるには、パッシブバランシングとアクティブバランシングの2つの方法があります。どちらの戦略もセルの電荷を均等化しようとしますが、その方法は異なります。

パッシブセルバランシング

機能性: 多くの場合、抵抗器またはトランジスタ抵抗器ネットワークを介して、より高い電圧を持つセルから余分な電荷を除去します。下の図はパッシブバランシング回路を示しています。トランジスタスイッチの助けにより、各バッテリーセルは抵抗器RnとRn-1を介して独立して放電できます。放電率は使用される抵抗値によって決まります。

図2 : パッシブセルバランシングの例

長所: あまり複雑でなく、コストも安く、複雑な制御システムも必要ありません。
短所: エネルギーは熱として失われ、熱管理に問題が生じる可能性があります。特に大きな不均衡がある場合には、効果は低くなります。

アクティブセルバランシング

機能性: 余分なエネルギーを熱として放出する代わりに、電荷はより多く充電されたセルからより少なく充電されたセルに移動します。インダクタ、トランス、コンデンサなどのエネルギー貯蔵デバイスがこれを支援できます。
長所: エネルギーが消費されるのではなく保存されるため、効率が高くなります。不均衡をより迅速に修正し、より大きなバッテリーパックに適しています。
短所: プリント基板上の領域がより多く必要となり、コストがかかり、より複雑になります。追加部品と複雑な制御方法が必要になります。さらに、電磁放射の問題が発生する傾向があります。

セルバランスは、バッテリーパックの長期的なパフォーマンス、信頼性、セキュリティにとって不可欠です。パッシブバランシングは効果が低く、反応が遅くなる可能性がありますが、よりシンプルで手頃なオプションです。しかし、現実には、EV車のバッテリーパックの場合でも、パッシブバランシングで十分な場合が多くあります。対照的に、アクティブバランシングは、より複雑で高価ではあるものの、より効率的で応答性の高いソリューションを提供し、特に大型のバッテリーパックに最適です。

パッシブバランシングとアクティブバランシングのどちらを選択するかは、バッテリーパックのサイズ、予想される不均衡、効率要件、財務上の制限など、アプリケーションの特定のニーズに基づいて決定されます。BMSを構築するエンジニアは、特定のシステムに最適なバランシング戦略を選択するために、これらの考慮事項を慎重に考慮する必要があります。

急速に発展するバッテリー技術の分野では、新しいソリューションが生み出され、バランシング技術が継続的に改善されています。この分野の研究開発により、個々のバッテリーシステムの性能が向上し、エネルギー貯蔵技術もより広範に進歩し、電気自動車の持続可能性が促進されます。

BMS通信と診断

バッテリー管理システム (BMS) は、車載システム内の個別の部品ではありません。マスター部品とスレーブ部品間の内部通信を制御し、継続的な診断と欠陥検出を実行し、車両の多くのサブシステムと効率的に対話する必要があります。このセクションでは、これらの重要なBMSの機能領域について詳しく説明します。

他の車両システムとの通信

インフォテインメントシステム、トランスミッション・コントロール・ユニット (TCU)、エンジン・コントロール・ユニット (ECU)、およびその他の車両システムはすべて、BMSと問題なく対話できる必要があります。この接続により、制御の調整と最適なパフォーマンスが可能になります。

データ交換: 電圧レベル、温度、バッテリーの健全性状態 (SOH)、充電状態 (SOC) などの重要なデータが他のシステムと通信されます。

プロトコル: この通信には、FlexRay、LIN (Local Interconnect Network) 、CAN (Controller Area Network) などの一般的なプロトコルが利用される場合があります。

重要性: 運転状況やユーザーの好みに応じてバッテリー消費を調整することで、同期機能、セキュリティ、エネルギー節約を保証します。

BMSマスターとスレーブ間の通信

BMSマスターが複数のスレーブユニットを監視し、各スレーブユニットがセルまたはモジュールのグループを監視するのは、高度なバッテリーシステムに見られる一般的な階層構造です。この電圧は危険な限度を超えず、設計において追加の注意を払う必要がないため、高電圧バッテリーパックではセルを48V (Li-Ion) グループに分割することがよくあります。BMSスレーブはこれらのグループを個別に管理する役割を担います。

マスターユニット: 他の車両システムとの調整、意思決定、通信を監督するのはマスターユニットの責任です。

スレーブユニット: 単一のセルまたはセルのグループを監視し、情報をマスターに中継します。

通信プロトコル: BMSは、I²C、SPI、またはその他のプロトコルを使用して迅速かつ確実に通信できます。

同期: BMSのすべての部品が連携して機能することを保証することで、パフォーマンスと安全性が向上します。

診断と障害検出

バッテリーシステムのパフォーマンス、安全性、信頼性を確保するには、継続的な問題の特定、診断、モニタリングが不可欠です。

故障検出: これには、通信障害、内部短絡、過充電、充電不足、過熱などの問題を特定することが含まれます。

診断ツール: ソフトウェアとハードウェアの両方のツールを使用してシステムの動作を監視し、事前に設定されたパフォーマンスベンチマークと比較します。

予知保全: 高度な診断により、重大な障害が発生する前に潜在的な障害を特定し、先行保全が可能になります。

安全プロトコル: 損傷やリスクを回避するために、BMSは障害が検出された場合、安全手順を開始します。これらの手順には、影響を受けるセルの切断やシステムのシャットダウンが含まれます。

バッテリーの制御とモニタリングのメインハブとしてのBMSの役割には、広範な通信機能と診断機能が含まれます。BMSにより、車両の部品と他の車両システム間のシームレスな通信が容易になり、車両の性能、安全性、エネルギー経済性が向上します。今日の電気自動車やハイブリッド自動車では、継続的な診断と問題検出によって信頼性がさらに高まり、これらのシステムが不可欠になっています。

カーエレクトロニクス