集中型BMS

図2 : BMSアーキテクチャ

集中型BMSは、最も一般的に採用されているアーキテクチャの1つです。

概要とアーキテクチャ

バッテリーパック内のすべてのバッテリーセルまたはモジュールは、集中型BMSシステム内の単一のコントローラによってモニタおよび管理されます。BMSの主な機能は、このコントローラによって実行されます。これらの機能には、データの収集、処理、コマンドの実行が含まれます。通常、充電 / 放電率の制御、電圧、電流、温度のモニタリング、バッテリーセルが安全な動作範囲外で動作しないように保護、バランシングアルゴリズムの実行などのタスクを実行します。

ワイヤハーネスは、バッテリーモジュールまたはセルをこの中央コントローラに接続します。集中型BMSは、通常、制御システムが単一であるため、他のタイプのBMSアーキテクチャよりも設計が単純で、組み立てが簡単で、コストが安くなります。

使用事例

さまざまなアプリケーションでは、集中型BMSトポロジが頻繁に採用されています。これらは、そのシンプルさとコスト効率の良さから、セル数が少なく、小型で複雑さが少ないバッテリーシステムに特に適しています。電動自転車、スクータ、その他の軽電気自動車は、その応用の代表的な例です。

長所と短所

集中型BMSを採用する主な利点はそのシンプルさです。すべてのタスクを単一のコントローラに統合することで、システムの設計、組み立て、保守がより簡単になります。このアプローチは、主に必要な部品が少なく、配線の複雑さが軽減されるため、コスト効率も高くなる傾向があります。

ただし、集中型BMSアーキテクチャには欠点もあります。配線を延長する必要があり、信号干渉や電圧降下のリスクが高まる可能性があるため、大型のバッテリーパックには適さない場合があります。これらの要因により、障害の検出と特定が複雑になる可能性があります。さらに、中央コントローラが唯一の制御ポイントとして機能するため、この部品に障害が発生すると、バッテリーシステム全体に影響が及ぶ可能性があります。さらに、大量のデータ処理と制御の責任を担う中央コントローラの熱の面での管理は、課題になる場合があります。

まとめると、集中型BMSシステムはシンプルさとコスト効率の面でメリットがありますが、特により複雑または拡張性の高いアプリケーションでの使用を検討する場合は、その限界を認識することが重要です。

モジュラーBMS

モジュラーBMSは、集中型設計と分散型設計の両方の利点を組み合わせて、スケーラブルで柔軟なバッテリー管理ソリューションを提供する中間的な戦略です。

概要とアーキテクチャ

モジュラーBMSの構成では、システムは複数の同一モジュールに分割され、各モジュールはバッテリーパックのセルまたはモジュールの特定のサブセットをモニタリングおよび監督する役割を担います。各モジュールは、割り当てられたセルのBMSの中核的な役割を担います。これには、セルの電圧、温度、充電状態 (SOC) のモニタリング、制御指令の実行、セルの安全性の確保などの機能が含まれます。

これらの個々のモジュールは、中央コントローラまたはマスターモジュールと相互接続されます。中央コントローラは、これらのモジュールのアクティビティのコーディネータとして機能し、モジュールとより広範なシステムまたはユーザーとの間のインタフェースとして機能します。重要なのは、中央コントローラはセルのモニタリングや制御に直接関与せず、より高レベルの機能に重点を置いていることです。これらの機能は、システム全体のSOC計算、故障の検出と分離、外部システムとの通信、システム全体の包括的な制御戦略の策定などのタスクを含みます。

使用事例

中規模から大規模のバッテリーシステムでは、複雑さを管理し、BMSの信頼性を高めることができるため、モジュール式BMSが最も効果を発揮します。これらは、適応性に優れているため、グリッドエネルギー貯蔵やバックアップ電源システムなど、バッテリー設計が時間の経過とともに変化する必要があるアプリケーションに最適です。また、電気自動車など、スケーラブルで柔軟なバッテリーシステム管理を必要とするあらゆるアプリケーションにも適用できます。

長所と短所

モジュラーBMSの主な利点は、その拡張性と柔軟性にあります。各モジュールは独立して機能するため、必要に応じてモジュールを追加または削除することで、システムを簡単に拡張または縮小できます。この機能は、拡張性を向上させるだけでなく、モジュールに障害が発生した場合でもシステムが機能し続けることができるため、システムの信頼性も向上します。

集中型BMSシステムと比較した場合、配線の複雑さが軽減されるのも利点の1つです。各モジュールはセルのサブセットと中央コントローラに接続するだけでよいため、配線の複雑さが最小限に抑えられます。配線の複雑さが軽減されるため、集中型BMSの機構でよく懸念される信号干渉や電圧降下に関連する問題がさらに軽減されます。

ただし、モジュール型BMSアーキテクチャには欠点もあります。各モジュールが他のモジュールとの調整を維持しながら独立して動作する必要があるため、設計と実装がより複雑になる可能性があります。さらに、各モジュールには独自の部品セットが必要になるため、モジュール型BMSのコストは集中型BMSよりも高くなる可能性があります。

最終的に、モジュール式BMSは拡張性、柔軟性、信頼性の向上という利点を提供しますが、これらの利点には複雑さの増大と潜在的に高いコストが伴います。モジュール型BMSと集中型BMSの選択は、特定のアプリケーションの特定の要件と制限を慎重に考慮して行う必要があります。

分散型BMS

分散型BMSでは、各セルまたはセルの小グループに個別のコントローラがあり、すべての重要なBMS操作を管理します。

概要とアーキテクチャ

BMSの機能は分散型BMSアーキテクチャのセルのレベルで直接統合されており、すべてのセルまたはモジュールに固有のBMSが備わっていることを意味します。これらの個々のBMSは「ノード」と呼ばれ、各ノードは自身のセルを個別にモニタし、バランスを取り保護します。

バッテリーシステム全体にわたってノードが相互に接続し、通信することで分散ネットワークが作られます。通常、共有バスを介して通信するためにCANまたはローカル相互接続ネットワーク (LIN) プロトコルを使用します。各ノードは独立して機能しますが、システム全体の有効性、セキュリティ、効率性を維持するために連携して動作します。

使用事例

エネルギー貯蔵システム、航空宇宙アプリケーション、電気自動車などで使用される大型の高電圧バッテリーパックでは、分散型BMSが頻繁に使用されます。集中型またはモジュール型のBMS構造よりも優れた拡張性とフォールトトレランスを提供できることが、その主な理由です。また、分散アーキテクチャはさまざまな構成に適応できるため、バッテリーシステムの設計が可変または不均一になる可能性がある状況でも特に役立ちます。

長所と短所

分散BMSの固有の拡張性と冗長性が、その主な利点です。各セルまたはモジュールには独自のコントローラがあるため、セルとそれに付随するコントローラを追加または削除するだけでシステムを拡張できます。「フォールト トレランス」とは、単一のノードに障害が発生しても、システムの機能が低下した状態でシステムが作動できるようにする機能です。

また、各ノードが接続されているセルを正確に制御できるため、より正確なセルモニタリングとバランシングも実現できます。これにより、バッテリーの全体的なパフォーマンスと寿命が向上します。

一方、集中型またはモジュール型のBMS構造と比較すると、分散型BMSアーキテクチャはより高価で複雑になる場合があります。これは、各ノードが完全な独立したBMSとして機能する必要があり、セルあたりのコストが上昇する可能性があるためです。さらに、ノードの数が増えると、ノード間の定期的で信頼性の高い通信を確保することが困難になる可能性があります。

したがって、分散型BMSを選択するには、コストと複雑さの増大と、パフォーマンス、フォールトトレランス、拡張性の向上とのバランスを取る必要があります。この決定を行う際には、アプリケーションの特定要件を考慮する必要があります。