直列および並列構成でのバッテリーバランシングの必要性

多数のバッテリーセルを直列および並列構成で接続する必要があるアプリケーションでは特に、バッテリーバランスシングはBMSの重要な要素です。バッテリーパック内の個々のセル間に固有の違いや格差があるため、バッテリーバランシングが必要になります。製造上の違い、経年劣化、温度の影響、または異なる負荷条件により、これらの不均衡が発生する可能性があります。

直列構成

セルは端から端までつながっており、直列構成では同じ電流が各セルを通過します。セルの容量またはSOCの不一致により不均衡が生じます。充電サイクル中に、この不均衡により、一部のセルが過充電され、他のセルが充電不足になり、バッテリーパックの使用効率が低下し、セルが破損するかもしれません。

これらの不均衡が浮き彫りになると、時間の経過とともにバッテリーパックの全体的な寿命が短くなり、安全性の問題も発生する可能性があります。たとえば、直列接続されたセルの1つを過充電すると、熱暴走と呼ばれるセル温度が制御不能に上昇する危険な状態が発生する可能性があります。

並列構成

負荷を分散するために、セルは並列構成で並んで結合されます。ここで、平衡に達するまで、セル電圧の差が電圧の高いセルから電圧の低いセルに電流が流れる理由になり得ます。セル間のSOCの不均衡とエネルギー損失は、電流の絶え間ない再分配の結果である可能性があります。

直列配置と比較すると、通常、並列配置に伴うリスクは低くなります。ただし、不均衡によってエネルギーの使用効率が低下し、個々のセルの摩耗速度が異なり、バッテリーパックの全体的な寿命が短くなる可能性があります。

どちらの設定でも、セル間の平衡を実現することは、パフォーマンスの向上、寿命の延長、安全基準の維持に不可欠です。バッテリーパックが安全かつ効率的な要素内で動作できるようにすることで、バッテリーバランシング戦略を使用してセル間の電圧とSOCを均等化します。アプリケーションの特定のニーズ、予算の制限、必要な効率などの多数のパラメータが、理想的なバランシング手法の選択に影響します。これらのパラメータはすべて、この章の以下で説明します。

結論として、高度なバッテリーシステムでは、直列配置と並列配置の両方でバッテリーのバランスをとることが不可欠です。これは、バッテリーパックの健全性、安全性、パフォーマンスを維持する上で極めて重要な役割を果たすため、現代のBMS設計の重要な部分になります。

パッシブバッテリーバランシング

図2 : パッシブバランシング

概要と動作原理

バッテリーパック内で、個々のセル間の充電状態を均等化するために使用される方法は、パッシブバッテリーバランシングと呼ばれます。シンプルさとコスト効率がこの技術の重要な特性です。抵抗パラメータを通じて、パッシブバランシングは、充電状態 (SOC) が高いセルの余分なエネルギーを放出し、それらのセルをSOCが低い他のセルと揃えることで機能します。

実装

ブリーダ抵抗器: パッシブバッテリーバランシングは、ブリーダ抵抗器としてよく使用されます。この技術では、抵抗器が各セルに並列に接続され、より高い電圧を持つセルが制御システムの助けを借りて、選択的に抵抗器を巻き込みます。SOCを他のセルと均等にするために、余分なエネルギーは抵抗器を介して熱として排出されます。

シャントコンデンサ: シャントコンデンサを用いた技術では、並列コンデンサがセルに接続され、より高い電圧のセルからのエネルギーを一時的に蓄えるために使用されます。ブリーダ抵抗器を用いた技術と同様に、このエネルギーは抵抗器を通じてゆっくりと放出されます。

長所と短所

利点:

簡単さ: パッシブバランシングには追加の要素がほとんど必要ないため、設計と展開が比較的簡単です。

費用対効果: アクティブバランシングと比較すると、パッシブバランシングはシンプルであるため費用対効果が優れています。

信頼性: 素子が少ないということは、故障点が少ないことを意味し、通常はより強力なシステムになります。

短所:

エネルギー損失: 膨大な量のエネルギーが熱の形で放出され、エネルギー損失につながり、全体的な効率が低下します。

熱管理: 特に高出力アプリケーションでは、熱の形で放出されるエネルギーに対して追加の冷却オプションが必要になる場合があります。

制限速度: パッシブバランシングはゆっくりとしたエネルギーの消耗に依存するため、セル間の大きな不均衡に対処するのに時間がかかる場合があります。

バッテリーパック内では、パッシブバッテリーバランシングがセル全体のSOCの平衡を処理する上で重要な役割を果たします。エネルギー効率を犠牲にしてシンプルさとコスト効率を提供しますが、熱管理については追加の検査が必要になる場合があります。希望のバランシング速度、エネルギー効率検査、予算制約などのいくつかのパラメータが、特定のアプリケーションにおける精度に影響します。これらのパラメータはすべて、この章でさらに詳しく説明します。

アクティブバッテリーバランシング

概要と動作原理

マルチセルバッテリーパックの充電レベルは、最新の方法であるアクティブバッテリーバランシングを利用して均等化されます。余分なエネルギーが単に熱として消耗されるパッシブバランシングとは対照的に、アクティブバランシングでは、この余分なエネルギーをパック内の充電が必要な他のセルに再分散しようとします。したがって、バッテリーシステム全体の効率に貢献するとともに、エネルギー損失を削減します。

実装

誘導性バランシング: 共通のインダクタを介して、より高電荷のセルからのエネルギーが、誘導バランスでより低電荷のセルに伝達されます。セル間のエネルギーフローは制御されたスイッチによって処理され、効率的に充電のバランスが取られます。

容量性バランシング: 容量性バランシングでは、コンデンサを使用して、より高電荷のセルからのエネルギーを一定期間保存し、それをより低電荷のセルに送り返します。この技術はより難しいかもしれませんが、精密な制御と素早いバランス調整が可能になります。

DC/DC変換: このDC/DC変換方法では、セル間のエネルギー伝送に専用のコンバータが使用されます。この技術は適応性が非常に高く、制御され絶縁されたエネルギー伝達の利点を提供します。

長所と短所

長所:

エネルギー効率: 余分なエネルギーを消耗するのではなく、アクティブバランシングによってエネルギーが再分散され、全体的な効率が向上します。

速度: セル間の電荷の不均衡を均等化するには、アクティブバランシング法が通常は迅速です。

柔軟性: アクティブバランシング方式は、複数のアプリケーションやバッテリーの化学特性に簡単に適応できます。

短所:

複雑さ: 追加の要素と制御技術により、アクティブバランシング設計はより複雑になります。

コスト: 部品と設計の両方において、複雑さが増すほどコストが高くなります。

干渉の可能性: アクティブ要素によって電気ノイズや干渉が発生する可能性があるため、設計時には慎重な調査が必要です。

バッテリーパックのセル全体で均等なSOCを管理する高度な方法は、アクティブバッテリーバランシングと呼ばれます。アクティブバランシングは、余分なエネルギーを浪費するのではなく、それを再分配します。その結果、複雑さとコストは増大しますが、効率とパフォーマンスが向上します。特定のアプリケーション要件と制限によって、アクティブ戦略とパッシブ戦略 (またはその組み合わせ) が選択されます。これらのトピックはすべて、この章の「選択基準とBMSへの統合」のサブセクションでさらに詳しく説明します。

バッテリーバランシング技術の選択基準

技術者は、バランシングを必要とするBMSを開発する際に、さまざまなバランスシング方法の中から重要な選択を行う必要があります。アクティブおよびパッシブバランシングのアプローチにはそれぞれ長所と短所があり、どちらかを選択する際には、通常、アプリケーション固有のさまざまな要因が考慮されます。選択に役立つ主な基準は次のとおりです。

1. システム効率

パッシブバランシング: エネルギー損失が大きくなると、全体的な効率が低下します。

アクティブバランシング: エネルギーを消耗するのではなく、再分配することで効率が向上します。

2. 複雑さとコスト

パッシブバランシング: 通常、実装はより簡単かつ安価になります。

アクティブバランシング: 追加された素子と制御技術により、システムが複雑になり、コストが高くなる可能性があります。

3. スピードのバランス

パッシブバランシング: 特に不均衡が決定的な場合は、通常、速度が遅くなります。

アクティブバランシング: 特に大型バッテリーパックでは、充電レベルの均一化がより速くなります。

4. エネルギー貯蔵容量とタイプ

パッシブバランシング: より小型のバッテリーパックや、効率の向上が重要ではないアプリケーションでは、パッシブバランシングで十分です。

アクティブバランシング: 効率性と精密な制御が不可欠な大規模システムによく使用されます。

5. 信頼性とメンテナンス

パッシブバランシング: 要素が限られているということは、潜在的に信頼性が高くなることを意味しますが、それでもエネルギー損失のためにより迅速なメンテナンスが必要になります。

アクティブバランシング: 複雑なため故障しやすいですが、それでも精密な制御と効率が得られます。

6. 環境への配慮

パッシブバランシング: 特定の環境では、放熱が理想的でない場合があります。

アクティブバランシング: 熱管理が困難なアプリケーションに最適です。

7. 規制および安全要件

厳格な規則が適用される自動車産業や航空宇宙産業では特に、安全性と規制基準への準拠が選択に影響する可能性があります。

アプリケーションの特定要件、制限、および目的は、バッテリーバランス調整方法によって満たされる必要があります。この意思決定手順では、複雑さ、コスト、速度、信頼性、効率、環境への配慮、規制遵守などの要素が重要な役割を果たします。

エンジニアは、これらのパラメータと、それらがアクティブバランシングおよびパッシブバランシング技術の機能とどのように相互作用するかを理解することにより、特定のアプリケーションに最適な方法を選択できます。これらのバランシング方法をBMSに組み合わせると、この選択プロセスの重要性が浮き彫りになります。これについては、次のセクションで説明します。

BMSへのバランシング技術の統合

バッテリーパックの最適なパフォーマンス、寿命、安全性を確保するには、バッテリーバランシング技術をBMSに統合することが重要な要素です。必要な機能を提供するには、パッシブまたはアクティブバランシング法をBMSに統合する必要があります。合併がどのように行われるか見てみましょう。

システムアーキテクチャ設計

要件の理解: コスト、サイズ、効率、信頼性などのアプリケーションの特定のニーズは、パッシブバランシング方法とアクティブバランシング方法のどちらを選択するかを決定する要因となります。

バランシング回路の設計: これには、選択したバランシング方法に合わせて適切な部品とレイアウトを選択することが含まれます。たとえば、アクティブバランシングでは誘導性、容量性、またはDC/DC 変換技術が使用されますが、パッシブバランシングではブリーダ抵抗器またはシャントコンデンサが使用されます。

他の部品とのインタフェース: 電圧および電流センサ、マイクロコントローラ、保護メカニズム、通信モジュールなどのBMSの他の部品は、バランシングサブシステムと完全にインタフェースする必要があります。

制御戦略

制御アルゴリズムの開発: BMSによって収集されたデータに基づいて、バランシング手順を処理するアルゴリズムを展開します。パッシブバランシングとアクティブバランシングでは、制御技術が大きく変わる可能性があります。

リアルタイムモニタリングと調整: すべてのセルが同様のSOCで管理されるようにするには、バッテリーパック内の各セルの状態を継続的にモニタし、リアルタイムで調整することが重要です。

保護メカニズム

安全プロトコルの実装: 過熱、過充電、充電不足、その他の保護されていない状態に対する安全対策を組み込みます。これには、バランシング技術と連携するハードウェアソリューションとソフトウェアソリューションの両方が含まれます。

テストと検証: さまざまな作業状況でバランシングサブシステムが計画どおりに動作し、すべての安全基準に準拠していることを確認するには、慎重なテストが必要です。

診断とメンテナンス

診断ツールの実装: バランシングサブシステムの欠陥や非効率性を特定するには、BMS内に診断機能を組み込む必要があります。

メンテナンスプロトコル: 定期的な検査、再校正、必要に応じて要素の交換など、バランスサブシステムの長期的な有効性を確保するために、メンテナンスガイドラインを作成する必要があります。

バッテリーバランシング技術をBMSに統合するには、選択したバランシングのアプローチとBMSの全体的なシステム構造の両方に関する深い知識が必要です。これは、正確な制御戦略、慎重な設計、強力な安全機構、完全な診断および保守方法からなります。

完璧な統合は。BMS内でバランス調整方法が効果的に機能し、バッテリーパックのパフォーマンスを最適化し、保護を強化し、寿命を延長するために必須です。技術者は、この統合に伴う課題を理解することで、最先端のバッテリー駆動アプリケーションの継続的に拡大するニーズを満たす高度なBMSを構築できます。