EVにおけるBMSの紹介

電動化の普及により、バッテリー管理システム (BMS) の幅は電気自動車を超えて、幅広い輸送手段へと拡大しました。これには、自転車やスクータなどの二輪車から空中ドローン、さらには電気飛行機という野心的なフロンティアまで、あらゆるものが含まれます。このセクションでは、現在普及している道路車両に特に重点を置いていますが、より広範な状況にもスポットライトを当てます。

交通システムにおけるBMSの重要性

電気輸送のあらゆる分野において、バッテリーは重要な生命力として機能します。結果として、その管理は車両の安全性、性能、寿命を形作る上で重要な役割を果たします。具体的には以下の通りです。

道路車両 (自動車、トラック、バイク): この場合に、BMSはさまざまな状況での安全な操作を保証する主な役割を果たします。バッテリーの状態を維持することで車両のパフォーマンスを最適化し、過充電、過放電、極端な熱条件にさらされることを防ぐことでバッテリーの寿命を延ばします。

ドローン: ドローンのような航空機には、軽量かつ強力なバッテリーシステムが必要です。ドローン用に設計されたBMSは、重量効率を重視しながら、飛行中に頻繁に発生する急速な放電にも同時に保護します。

電動飛行機: 電気航空事業は新たなフロンティアであり、重量管理、高電力需要、および極限の運用条件において課題があります。この分野で、BMSは単なる管理だけではなく、バッテリー技術自体の革新を具体化しています。

さまざまな交通システムにおける課題

BMSの基本的な概念は変わらないままですが、交通機関の方式によって具体的な難しさは変わります。

多様な動作条件: これは、暑い砂漠から凍てつく山々までさまざまな環境を走行する道路の車両に特に当てはまります。このような状況では、BMSはさまざまな熱条件下でバッテリーを管理する必要があります。

高出力と高エネルギー密度: これらは誰にとっても必要ですが、規模は異なります。ドローンや航空機では、特に離陸時に、一定の電力ではなく、突発的な電力を必要とします。

統合の複雑さ: 道路を走る自動車では、BMSおよび、車両制御ユニット (VCU) や熱管理システムなどのさまざまなサブシステムとの間で通信が必要になることがよくあります。対照的に、航空電子機器を搭載した電気飛行機やドローンは、飛行制御システムとの通信を優先する場合があります。

消費者の期待: 誰もが、より長い範囲とより速い充電時間を備えたデバイスを望んでいます。一方、ドローンのオペレータは、30分の急速充電で満足する車のドライバよりもさらに短い充電の所要時間が必要な場合があります。

安全プロトコル: バッテリーの故障の種類によって影響は異なります。車の故障で立ち往生してしまう可能性もありますが、ドローンや飛行機の故障も悲惨な結果を招く可能性があります。その結果、航空機のBMSには厳格な安全規制が必要になります。

電動化が他の交通手段にも広がるにつれて、BMSの重要性は高まるばかりです。これは技術力を披露する場として機能し、よりクリーンな未来に向けて安全かつ効果的に進歩することを保証します。

車両管理システムとの統合

電気自動車 (EV) が進化するにつれて、バッテリー管理システム (BMS) と車両制御ユニット (VCU) のシームレスな統合が重要になります。VCUはEVの頭脳として、駆動ユニット、ブレーキシステムなど、さまざまなシステムを管理します。このような状況では、BMSはVCUにバッテリーの状態を通知し、最適な車両パフォーマンスを実現するために非常に重要です。

図1 : 電気自動車用BMS

BMSと車両制御ユニット (VCU) 間のデータ通信

バッテリー管理システム (BMS) と車両制御ユニット (VCU) 間の調整は、通常、データ通信プロトコルによって達成され、ほとんどの場合、コントローラ・エリア・ネットワーク (CAN) または同様のネットワーク技術を通じて行われます。これらの高速ネットワークは、リアルタイム制御を可能にし、さまざまな車両サブシステム間でのデータ交換を容易にするように設計されています。

BMSは、バッテリーの充電状態 (SOC)、健全性 (SoH)、電流、電圧、温度などの指標を含む重要なデータをVCUに提供します。VCUはこの情報を活用して、推進に利用可能な電力、回生ブレーキ機能、保護対策のためにバッテリーをいつ切断するかなど、さまざまな考慮事項に関して重要な決定を下します。したがって、車両のシームレスな動作を維持するためには、これら2つのシステム間の効果的なデータ通信を確保することが不可欠になります。

車両ダイナミクスとパフォーマンスにおけるBMSの役割

バッテリー管理システム (BMS) は、電気自動車 (EV) のダイナミクスと全体的なパフォーマンスを形成する上で重要な役割を果たします。ある場合には、EVにとって重要なパラメータである走行距離に大きな影響を与えます。BMSは、充電状態 (SOC) をモニタリングし、放電率を調整することで、バッテリーからのエネルギー利用を最適化し、車両の走行距離を延ばすことができます。

さらに、BMSは車両の加速性能に直接影響します。現在のバッテリーの状態に基づいて、バッテリーパックから引き出すことができる安全なエネルギー速度 (電力制限) を決定します。その結果、BMSはドライブトレインに供給できる電力量に影響を与え、それが車両の加速能力に影響を与えます。

回生ブレーキのプロセス中、BMSはバッテリーの充電受け入れ率を決定する役割も果たします。バッテリーが最大容量に近づいている場合、または温度が推奨範囲外の場合、BMSはエネルギー回収を制限または停止することがあります。この制限は、車両のブレーキ性能と全体的なエネルギー効率に影響を及ぼす可能性があります。

EVの熱管理

電気自動車 (EV) のバッテリー管理システム (BMS) の複雑さを詳しく調べていくと、熱管理という問題が極めて重要な懸念事項として浮かび上がってきます。バッテリーの温度は、EVのパフォーマンスに影響を与えるだけでなく、バッテリーパックの安全性と寿命にも影響を与える重要な要素です。

EVバッテリーにおける温度管理の重要性

EV内のバッテリーセルは、主に内部抵抗により、充電と放電の結果として熱を発生します。ただし、過度の熱や極度の寒さはバッテリーの状態に悪影響を及ぼす可能性があります。温度が上昇するとバッテリーセル内の化学反応が加速し、劣化が早まります。逆に、温度が低いと内部抵抗が増加し、利用可能な容量が減少する可能性があります。したがって、バッテリーを最適な温度範囲内に維持することが最も重要です。

この場合において、BMSはバッテリーセルの温度をモニタリングし、それらを安全かつ動作可能な限度内に保つための戦略を実行することで、重要な役割を果たします。この積極的なアプローチにより、最適なパフォーマンスが保証され、熱暴走 (温度上昇によりさらに温度上昇を引き起こす状況) のリスクが軽減され、バッテリーの全体的な寿命が延びます。

冷却技術とテクノロジー

バッテリーが推奨温度範囲内に保たれるように、さまざまな冷却方法と技術が採用されています。

パッシブ冷却は、最も簡単な方法で、自然な伝導と対流を利用します。ただし、大量の熱を発生する大型のバッテリーパックの場合は非効率になる場合があります。

一方、アクティブ冷却技術では、機械装置を利用して熱を分散させます。これらの方法には、空冷、液体冷却、相変化物質 (PCM) 冷却が含まれます。空冷ではファンを使用してバッテリーパック全体に空気を送りますが、液体冷却ではバッテリーパックに組み込まれたチューブを通じて冷却剤を循環させます。PCM冷却では、相変化の際に熱を吸収する材料の中にバッテリーセルを封じ込めます。

冷却方法の選択は、バッテリーのサイズ、車両の種類、特定の設計要件などの要因に応じて異なります。

バッテリーの性能と寿命への影響

温度調節は、電気自動車 (EV) のバッテリーの性能と寿命に大きな影響を与えます。過度の熱によりバッテリーの容量が低下し、車両の走行距離に影響を及ぼし、熱暴走などの危険な状況を引き起こし、火災につながる可能性があります。逆に、極端に低い温度ではバッテリーセルの内部抵抗が上昇し、出力が低下し、充電速度が遅くなります。

したがって、効果的な熱管理は単なる補助機能ではなく、EVの安全で効率的かつ永続的な動作に不可欠な要素です。バッテリー管理システム (BMS) は、選択された冷却方法と組み合わせることで、バッテリーセルが理想的な温度範囲内で動作を維持するようにし、パフォーマンスを保護し、バッテリーの寿命を延ばします。したがって、熱管理は、電気自動車の正常な動作を保証するためにBMSが果たす数多くの極めて重要な役割の1つの実例を示しています。

急速充電技術

急速充電は、電気自動車 (EV) の普及を促進する上で極めて重要な機能となっています。バッテリー容量を急速に再充電する能力は、従来の内燃機関車の燃料補給の利便性に等しいかそれ以上であり、EV普及の大きな障害となっている走行距離の制限に関する懸念を軽減します。

急速充電入門

急速充電とは、従来の充電方法に比べて大幅に短い時間でEVバッテリーの充電を補充できる機能を指します。急速充電システムでは、標準のチャージャで使用される交流 (AC) ではなく、直流 (DC) を使用します。これらの高出力DCチャージャは、バッテリーに大幅に高い電流を供給できるため、充電が速くなります。

充電率は、バッテリーに損傷を与えたり寿命を縮めたりすることなく、バッテリーを充電 (または放電) できる速度を決定するもので、多くの場合「C」で測定されます。充電率が1Cの場合、電流によって1時間でバッテリーが完全に充電されることを示します。急速充電は通常、1Cを超える速度で動作します。

急速充電の課題

急速充電には魅力的な利点がある一方で、さまざまな課題も伴います。主な懸念事項は、急速充電プロセス中に発生する熱です。充電率が高くなるほど、抵抗損失の増加により発生する熱が大きくなります。効果的な冷却対策を講じないと、熱暴走やバッテリーの段階的な劣化などの危険な状態につながる可能性があります。

もう1つの課題は、急速充電プロセスを監視および制御できる高度なバッテリー管理システム (BMS) の必要性です。これが必要なのは、過充電を防ぎ、バッテリーパック内のすべてのセルに均一に充電されるように、充電状態 (SOC) とバッテリーの状態を綿密に管理する必要があるためです。

最後に、インフラの課題があります。急速充電には高出力のDC充電ステーションが必要ですが、これはAC充電ステーションに比べて設置と保守にコストがかかり、複雑です。これは、急速充電インフラの広範な確立が物流上および財政上の障害をもたらすことを意味します。

安全で効率的な急速充電におけるBMSの役割

急速充電では、手順の効率と安全性を維持するためにBMSに大きく依存します。充電中、BMSは電圧、電流、温度などのバッテリー特性を注意深く監視します。バッテリーを保護するために、BMSは、これらの指標のいずれかが安全限度を超えた場合に充電速度を変更したり、動作を完全に停止したりすることができます。

BMSが使用できる効率的な充電戦略は、定電流定電圧 (CC-CV) です。この戦略では、バッテリーが特定の電圧に達するまで充電電流が維持され、その時点で電圧は一定に維持され、電流は徐々に減少します。この技術を使用することで、発熱とバッテリーの劣化を抑えながら充電速度を最大化することができます。

さらに、バッテリーの容量と充電状態に基づいて最適な充電電流を調整するために、BMSは充電ステーションと通信します。

宇宙アプリケーション向けBMS

宇宙探査の分野では、衛星、宇宙探査機、そして将来的には有人でのミッションに電力を供給するためにバッテリーが不可欠です。宇宙環境によってもたらされる特有の課題のため、バッテリー管理システム (BMS) はこの状況においてさらに重要な役割を担います。

極限と放射線: 宇宙からの多量の放射線と太陽からの放射線は、深宇宙の寒さから極限の太陽熱まで、大きな温度変化と相まって、放射線と温度の両方に耐性のあるBMSの使用が必要です。

厳しい寿命: 宇宙でのミッションは、地上でのアプリケーションとは対照的に、メンテナンスなしで数十年にわたって稼働する可能性があるため、長期間にわたって完璧なバッテリー寿命と健全性を保証するBMSが必要です。

運用上の制約: 地球上で使用されているパッシブ冷却技術は、バッテリーの動作を変化させる微小重力環境により、宇宙では機能しません。このためには、温度システムと人間の介入なしに異常を処理できるメカニズムを統合したBMSが必要です。

効率の必要性: BMSは、特に太陽光などの充電源が乏しい深宇宙では、バッテリーの使用率を極限まで最適化する必要があります。

基本的に、BMSは、探査の限界を押し広げながら、最先端の宇宙技術が広大な宇宙空間で確実に供給され、保護されるようにします。