BMSの通信プロトコル

通信プロトコル入門

特定のアプリケーション内の他のシステムまたは構成要素とのタイムリーかつ効果的な通信を保証する、バッテリー管理システム (BMS) の非常に重要な構成要素が通信プロトコルです。通信プロトコルは、最も単純な形式では、2つ以上の存在 (この例では、電子デバイス) が相互に関わりあう方法を規定するガイドラインの集まりです。これらのガイドラインは、データの順序と構造、エラーチェック手順、データレート、送信デバイスと受信デバイスの相互識別を制御することができます。

電気自動車 (EV) へのBMSの搭載を例に挙げてみましょう。バッテリーの充電状態 (SOC)、健全性 (SoH)、温度、電流、電圧は、BMSが継続的に分析および制御する変数のほんの一部です。ただし、この未処理の情報は車の中央制御ユニットに送信され、BMSに電流出力を制限したり、冷却サイクルを開始したり、深刻な問題が発生した場合にバッテリーを隔離したりする指示を出すことができます。通信プロトコルは、この情報共有を容易にします。

通信プロトコルは具体的には以下を定義します。

データのフォーマットと解釈: これは、パケットまたはフレームへのデータの編成と、受信デバイスによるこれらのパケットの解釈方法が含まれます。

アドレス指定: 集中的な通信を可能にし、ネットワークトラフィックを削減するために、プロトコルはネットワーク上のデバイスのアドレス指定方法を指定します。

送信モード: データ転送オプションには、単方向 (一方向)、半二重 (両方向、ただし同時ではない)、全二重 (両方向同時) があります。

エラーの検出と修正: 多くのプロトコルには、送信障害を検出するためのツールが含まれています。データを再送信せずにこれらの間違いを修正できるものもあり、通信の信頼性と有効性が向上します。

シーケンス制御: データパケットが転送され受信側で元に戻される順序は、プロトコルによって制御されます。

フロー制御: フロー管理によりデータ損失が回避され、高速な送信機が低速な受信機に負担をかけないようにします。

確認応答: 多くのプロトコルには、受信側が確認メカニズムを使用してデータを正常に受信したかどうかを送信側に通知する方法が含まれています。

BMSで使用される一般的なプロトコル、プロトコルを選択する際に考慮すべき変数、およびさまざまなプロトコルの利点と欠点については、次のセクションで詳しく説明します。

BMSにおける一般的な通信プロトコル

BMSは、特定の要件と動作設定に合わせて調整された幅広い通信プロトコルを使用できます。独自のプロトコルや標準プロトコル、有線または無線通信技術の使用には、いくつかの利点と欠点があります。

独自プロトコルと標準プロトコル

民間企業や組織は通常、独自のネットワークとプロトコルを作成し、所有します。これらは、意図されたシステム要件に厳密に適合しており、特定のアプリケーションに特別にカスタマイズされているため、優れたパフォーマンスと信頼性を提供できます。たとえば、電気自動車のメーカーは、自社のBMS専用の秘密の通信プロトコルを作成する場合があります。ただし、独自のシステムを使用すると、他社のハードウェアやソフトウェアとの互換性や相互運用性に問題が生じる可能性があります。さらに、コミュニティのサポートがないため、独自のプロトコルを維持するには時間の経過とともにコストがかかる可能性があり、予算が限られている中小企業やアプリケーションにとって実用的ではありません。

一方、標準通信プロトコルはアクセスしやすく、頻繁に使用され、大規模なメーカーや開発者のコミュニティによってサポートされています。このようなプロトコルには、CAN、Modbus、I2C、SPIなどがあります。これらのプロトコルは相互互換性と相互運用性を提供し、さまざまな部品やシステム間の通信を容易にします。標準プロトコルは広く使用されているため、開発やデバッグに役立つ充実したライブラリやツールが用意されていることもよくあります。特定のユースケースでは、独自のカスタムプロトコルと同じレベルのスピード最適化を提供できない場合があります。

有線と無線

有線通信方式は、ワイヤレス通信方式と比較して、信頼性、データ速度の向上、遅延の低減などの利点があります。電気自動車や定置型エネルギー貯蔵システムなど、BMSが他のシステムと緊密に統合されている状況では、有線通信が頻繁に使用されます。

一方、分散型またはモジュール型のバッテリーシステムなど、配線が困難または高価な状況では、ワイヤレスプロトコルが有利です。このようなプロトコルの例としては、Zigbee、Bluetooth、Wi-Fi、その他の無線プロトコルが挙げられます。無線通信によるリモートモニタリングや制御も便利かもしれません。ただし、有線接続と比較すると、ワイヤレス方式ではデータ速度が遅くなり、信頼性が低くなり、障害やセキュリティ上の欠陥が発生する可能性があります。

プロトコル選択基準

バッテリー管理システム (BMS) に最適な通信プロトコルを選択するには、いくつかの要素を慎重に検討することが重要です。選択されたプロトコルはシステムの全体的な有効性、効率、コストに影響するため、この手順は非常に重要です。プロトコルの5つの主な選択基準について以下で検討します。

データレート

これは、一定の時間内に転送できるデータの量を表すために使用される用語です。多くの場合、ビット/秒 (bps)、キロビット/秒 (Kbps)、メガビット/秒 (Mbps)、ギガビット/秒 (Gbps) で表されます。電気自動車のバッテリー性能のモニタリングなど、定期的またはリアルタイムの更新を必要とするアプリケーションの場合、高いデータレートが有利です。イーサネットなどのプロトコルでは高いデータレートが提供されますが、通信頻度の低い小規模なアプリケーションでは過剰になるかもしれません。

ネットワークサイズ

ネットワーク内のさまざまなプロトコルによって、多数のノードまたはデバイスに対応できます。たとえば、I2Cネットワークは、CANプロトコルでサポートされている最大30台よりもかなり少ないデバイスしか収容できません。理想的なプロトコルは、過度に複雑になったり高価になったりすることなく、必要なネットワークの規模に対応します。

信頼性とノイズ耐性

この基準は、ノイズや干渉がある場合でも正確で信頼性の高い通信を維持するプロトコルの能力に準拠しています。ノイズ耐性が高いため、RS-485などのプロトコルは、電磁障害がまん延している産業環境で頻繁に使用されます。

消費電力

通信プロトコルの電力消費は、特にバッテリー駆動のデバイスや低エネルギー消費を必要とするアプリケーションの場合、考慮すべき重要な要素です。BLE (Bluetooth Low Energy ) などの一部のプロトコルは、低消費電力を念頭に置いて作成されているため、バッテリー寿命の節約が重要な用途に最適です。

コスト

これらのさまざまなプロトコルによって行われた妥協は、プロトコル選択プロセスがいかに重要であるかを浮き彫りにしています。プロトコルを選択する際には、BMSアプリケーションの個々のニーズと、データレート、ネットワークサイズ、信頼性、電力消費、コストのバランスを取る必要があります。技術が進歩するにつれて、新しいプロトコルや現在のプロトコルの変更により、より多くのBMS通信の選択肢が提供されるようになります。

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