携帯機器におけるBMS入門

ノートパソコン、携帯電話、ドローン、さらには医療機器などの携帯機器の登場以来、現代の生活は大きく変化し、テクノロジーのモビリティとアクセシビリティはイノベーションに不可欠な要素となっています。これらのデバイスの有用性と利便性の最も重要な側面の1つは、エネルギー効率の良さです。バッテリー管理システム (BMS) は、通常は充電可能なリチウムイオンまたはリチウムポリマー電池であるエネルギー貯蔵ユニットを制御および保護するため、携帯機器の設計に不可欠な要素にまで発展しました。

BMSは携帯機器において数多くの重要な機能を実行します。BMSは基本的に、バッテリーの電圧、電流、温度を監視します。所定の範囲内での安全な機能が保証され、過充電、過放電、過熱、短絡など、バッテリーに損傷を与えたり安全性を危険にさらしたりする可能性のある状況を防ぎます。

これらの基本的なタスクを実行することに加えて、BMSはバッテリーのパフォーマンスと寿命を最大限に高めるためにも重要です。バッテリーの充電および放電プロセスはBMSによって管理され、複雑なアルゴリズムを頻繁に使用してバッテリーの理想的な充電状態 (SOC) と健全性状態 (SoH) を決定し維持します。

電源管理は、携帯機器のBMSのもう1つの重要な機能です。エネルギーを節約し、バッテリー寿命を延ばすには、BMSはデバイスの電力要件に応じて電源を動的に変更する必要があります。たとえば、ノートパソコンやスマートフォンの場合、バッテリー管理システム (BMS) により、充電速度とバッテリーの状態のバランスを慎重に調整することで、急速充電も可能になります。

さらに、携帯機器の最新のBMSは、バッテリー寿命の残りの推定、バッテリーを充電する最適な方法に関するアドバイス、さらにはバッテリーの寿命やパフォーマンスに影響を与える可能性のある問題に関する警告など、重要な情報をユーザーに頻繁に通知します。

携帯機器にBMSを実装する場合は、特別な困難が伴います。携帯機器は重量とスペースに制約があることが多いため、BMSはコンパクトで軽量、かつ高度に統合されている必要があります。さらに、これらの機器は、温度変動や物理的衝撃など、さまざまな動作環境に頻繁にさらされるため、耐久性と信頼性が不可欠です。最適なエネルギー管理を保証し、バッテリー寿命を延ばすには、機器の機能がより複雑になり、電力需要が増大するにつれて、BMSも継続的に適応する必要があります。

BMSはさまざまな要素のバランスを取り、エネルギー効率、安全性、機器のパフォーマンスを最大化します。そのため、携帯機器におけるそれらの役割は非常に重要かつ複雑です。将来の携帯機器は、これらの要件と制約を理解した上で開発および進化する必要があります。

ノートパソコン

BMSの要件と課題

多数の内部部品の高い電力消費と、モビリティと長時間使用の必要性が相まって、ノートパソコンにおけるバッテリー管理システム (BMS) の役割は極めて重要になります。ラップトップのバッテリー管理システム (BMS) は、スタンバイ、休止状態、アクティブな使用など、多くの電源状態を制御する役割を担っており、それぞれに固有の電力ニーズとバッテリー節約技術をもっています。

たとえば、BMSは、アクティブな使用中に、CPU、GPU、周辺機器などのさまざまな部品への電力供給を同時に制御しながら、バッテリーを安全な動作限度内に保つ必要があります。あるいは、スタンバイモードまたは休止モード中にデバイスの「オフグリッド」の可用性を高めるには、BMSでエネルギー使用量を削減する必要があります。

バッテリーとその内部部品は両方とも大量の熱を発生する可能性があるため、ラップトップの動作中に発生する熱を管理することは別の困難をもたらします。熱暴走は回復不能な損傷や安全上の懸念につながる可能性があるため、BMSによってバッテリーの温度を正確にモニタする必要があります。

ノートパソコンのフォームファクタは小さいため、かさばるバッテリーパックや複雑なBMSギアを配置するスペースが限られており、ノートパソコンのBMSの設計では、電力管理と物理的な制約のバランスを取る必要もあります。BMSは、電力消費を減らし、バッテリー寿命を延ばすために十分な効率も備えている必要があります。

ケーススタディ : Apple MacBook BMS

AppleのMacBookシリーズは、BMSがノートパソコンにどのように実装されているかを示す優れた例です。MacBookのBMSは、システム管理コントローラ (SMC) とも呼ばれ、バッテリーの充電や放電の制御など、さまざまな電源関連の操作を管理するサブシステムです。

Appleは常にBMS設計革新のリーダーであり、最先端の技術を使用してバッテリー寿命を最大化してきました。たとえば、SMCはアダプティブ充電を採用しており、バッテリーがフル容量に近づくと充電プロセスを遅くすることでストレスを軽減し、バッテリー寿命を延ばします。バッテリー寿命をさらに延ばすために、Appleの最新MacBookモデルには、ユーザーの毎日の充電スケジュールを学習し、80%を超える充電を必要なときまで延期する「最適化されたバッテリー充電」と呼ばれる追加機能があります。

残量、サイクル数、全体的なバッテリーの健全性状態など、バッテリーの状態と健全性に関する包括的な情報をユーザーに提供するという点では、MacBookのBMSは優れています。このオープン性により、ユーザーはデバイスのエネルギー自立性をよりよく理解し、バッテリーをどのくらいの頻度で充電して使用するかについて十分な情報に基づいた決定を下すことができます。

成果と限界

MacBookのバッテリー管理システム (BMS) は、バッテリー寿命とパフォーマンスの向上において注目すべき進歩を遂げました。MacBookのBMSは、充電サイクルを監視し、理想的な電源状態を維持し、顧客に包括的な情報を提供することで、優れたエネルギーの自立性と耐久性を保証します。

当然ですが、どのシステムでも制限はあります。BMSの複雑さの欠点は、ソフトウェアに依存しているため、ソフトウェアのエラーや誤動作によって問題が発生する可能性があることです。場合によっては、SMCの問題により、不規則な電源動作や誤ったバッテリー読み取りが発生することがあります。これらの問題を解決するには、SMCを頻繁にリセットする必要があります。

最近のMacBookは密閉された設計になっており、別の問題が生じます。最新のMacBookには、以前の世代のようにユーザーが交換できるバッテリーがありません。このため、バッテリーやBMSに関連するハードウェア関連の問題については、認定サービスプロバイダに相談する必要があります。

ドローン

BMSの要件と課題

無人航空機 (UAV) としても知られるドローンは、適切な動作とセキュリティのためにバッテリー管理システム (BMS) に大きく依存しています。ドローンのバッテリー管理システム (BMS) は、バッテリーの消耗が均一になるようにし、ドローンを安全な温度に保ち、ドローンの制御システムと通信して飛行時間、バッテリー寿命、全体的なバッテリーの状態に関する正確な情報を提供します。

重量を最小限に抑えることは、ドローンにとって重要なBMS要件です。最適な飛行のためにはドローンは軽量である必要があり、それはBMSを含むすべての部品が可能な限り軽量である必要があることを意味します。この制限により、BMSでは特殊な小型ハードウェアを使用する必要が生じることがよくあります。

二番目に、ドローンのBMSは、リアルタイムで正確な充電状態 (SOC) と健全性状態 (SOH) の予測を保証する必要があります。このデータにより、ドローンの制御システムは、バッテリーが切れる前に再び飛行してドローンを安全に着陸させるのにどれくらいの時間がかかるかを計算することができます。

ドローンはさまざまな環境設定で頻繁に使用されるため、問題に直面します。したがって、BMSは、強い日光、極端な周囲温度、または急激な高度の変化によって引き起こされる可能性のある熱の問題に耐えられるように構築する必要があります。

ドローンの操縦に必要な急速な充電と放電は、別の困難をもたらします。こうした高いレートによってバッテリーに過度のストレスがかかり、バッテリーの寿命が短くなり、安全上の危険が生じる場合があります。ドローンが安定して飛行するために十分な電力があることを確認しながら、BMSはこれらの問題に対処する必要があります。

現実世界での実装と結果

BMSの実装を考慮すると、DJIのドローンは世界で最も人気のある消費者向けドローンの1つです。DJIのインテリジェント フライトバッテリーに使用されている高度なBMSは、電圧、電流、温度、バッテリーセルの状態などの重要な指標を追跡して報告します。

BMSはドローンのコントローラとの通信を通じて、バッテリーの状態に関するリアルタイムのテレメトリデータを提供します。さらに、DJIのBMSには、バッテリーレベルが危険なほど低下したときにユーザーに通知する低電圧アラームや、過充電および過放電防止などの最先端の安全機能が備わっています。

DJIのBMS実装の注目すべき成果は、「リターントゥホーム」機能です。この機能は、ドローンが信号を失ったとき、またはバッテリー残量が少なくなり、ドローンが発射地点に戻るのに十分なエネルギーを残したときに有効になります。確かに、この機能により、バッテリー切れによるドローンの紛失や破壊が数多く防がれました。

DJIの実装は、安全で効果的なドローン運用を維持するために強力なBMSがいかに重要であるかを思い出させてくれます。固有の困難はあるものの、最新のBMSを組み込むことで、ドローンの飛行時間、安全性、ユーザーエクスペリエンスはすべて大幅に向上します。

医療機器

BMSの要件と課題

心臓モニタ、輸液ポンプ、人工呼吸器などの携帯医療機器の場合、バッテリー管理システム (BMS) がさらに重要になります。これは、最高のバッテリー性能と寿命を保証するだけでなく、患者の安全性と医療治療の全体的な有効性に大きな影響を与えます。つまり、BMSは非常に厳しい要件を満たし、非常に厳しい標準に準拠する必要があるということです。

信頼性、正確性、安全性は、医療機器に対するBMSの主な要件です。これらのデバイスは長時間にわたって継続的に動作する必要があることが多いため、バッテリー残量 (充電状態またはSOCとも呼ばれる) を正確に推定する機能は非常に重要です。バッテリー残量が少ないと医療機器が故障し、致命的な結果を招く可能性があります。

BMSは、過充電、過放電、過熱などの起こりうる問題を管理するとともに、バッテリーの安全性も保証する必要があります。さらに、これらのシステムは、IEC 60601やISO 13485などの医療安全認証および規格を満たす必要があります。

医療機器におけるBMSの設計と実装には多くの障害があります。設計上の制約は難しく、バッテリーの寿命を長くすること、優れた信頼性と精度、多様な作業環境、部品の小型化などが求められます。

ケーススタディ : ポータブル医療用人工呼吸器のBMS

COVID-19のパンデミックにより、ポータブル医療用人工呼吸器は命を救うために欠かせない機器となりました。BMSはここで重要な役割を果たしました。集中治療環境におけるBMSには、たとえばMedtronic社のPuritan BennettTM 560 (PB560) 人工呼吸器のような機能と性能が備わっている必要があります。

PB560人工呼吸器に外部電源を必要とせずに最大11時間電力を供給するリチウムイオン電池は、人工呼吸器のBMSによって管理されます。過度の放電や過充電を回避して最適なパフォーマンスを維持し、バッテリーの寿命を延ばすために、BMSは定期的にバッテリー設定をチェックして変更します。

さらに、リアルタイムのバッテリー状態データが人工呼吸器システムとBMS間で通信されるため、バッテリー残量が少なくなるとデバイスから医療従事者に通知されます。停電が発生した場合や、患者を移動または移転する必要がある場合、この機能は患者のケアを維持するために不可欠です。

成果と限界

携帯医療機器に高度なBMSを使用することで、大きな進歩が可能になりました。これらにより、患者の安全性の向上、パフォーマンスの信頼性向上、デバイスの稼働時間の延長などがすべて可能になりました。PB560人工呼吸器のBMSが実証しているように、緊急時や停電時には、効果的なバッテリー管理が極めて重要であることがわかっています。

これらのシステムには一定の制限があります。医療機器アプリケーションの複雑さにより、BMSソリューションの高度なカスタマイズが頻繁に必要となり、価格が上昇し、機器の製造が複雑になる可能性があります。しかし、BMSがデバイスの信頼性の保証において大きな進歩を遂げたとしても、特に医療用バッテリーの総エネルギー密度とSOC予測の精度向上という点では、常に開発の余地があります。

こうした障害にもかかわらず、BMS技術の開発は携帯医療機器の分野に今も変革をもたらしています。これにより、デバイスの耐久性と信頼性が向上し、さまざまな環境で安全に機能できるようになり、最終的には患者の転帰が改善されます。

ポータブルデバイスにおけるBMSの分析

一般的な傾向

バッテリー管理システム (BMS) には、ドローン、ラップトップ、医療機器など、さまざまな携帯機器で複数の共通パターンが見られます。

安全性と信頼性の向上: リチウムイオン電池の普及により、BMSでは現在、これら2つの領域に関連する側面に高い優先順位が置かれています。エレクトロニクスの分野では、障害診断、過充電および過放電に対する保護、過充電および過放電からの保護、充電状態および健全性の推定のための高度なアルゴリズムが一般的になりつつあります。

小型化: 携帯機器のサイズが縮小し続けるにつれて、BMSの構成要素は引き続きよりすぐれた機能をもちながらも小型化が進んでいます。集積回路 (IC) 技術の向上と多機能BMSチップの開発により、この傾向が可能になりました。

接続性と相互運用性: 携帯機器の相互接続が進むにつれて、BMSはさまざまな接続機能を組み込むように進化しています。最近では、バッテリーの状態などの重要な情報をネットワークまたはプライマリコントローラに送信するデバイスの能力が重要な前提条件となっています。

適応動作: 最新のバッテリー管理システム (BMS) は、温度、バッテリーの経年変化、負荷需要などのさまざまなパラメータに基づいて機能を調整するように設計されています。この汎用性により、バッテリー寿命とパフォーマンスが向上します。

学んだ教訓と将来への影響

この分野の今後の向上は、携帯機器でのBMSの実装と運用から得られた教訓によって形作られるでしょう。

総合的な設計アプローチ: BMSは、スタンドアロンの構成要素としてではなく、デバイスのシステム全体との統合を念頭に置いて開発する必要があります。この包括的な戦略を使用することで、ガジェットのパフォーマンスと信頼性を大幅に向上させることができます。

堅牢なアルゴリズムの必要性: BMSのSoHおよびSOC推定アルゴリズムの精度は、その成功の大きな要因です。不正確な近似は、ガジェットの機能低下や危険な状況を引き起こす可能性があります。したがって、MLやAIの使用を含め、これらのアルゴリズムを継続的に改善することが不可欠です。

標準化の要求: さまざまな目的やデバイスに対応する多種多様なBMSが登場するにつれ、設計および操作手順の基準がますます重要になっています。信頼性、安全性、相互運用性の向上はすべて基準によって促進されます。

これらの教訓は、将来使用されるBMSの作成の指針となります。AIとMLを予測管理に使用し、安全性、信頼性、精度を向上させることが重要な優先事項になります。洗練されたBMSの市場もエネルギー貯蔵ソリューションのニーズと連動して上昇し、業界の有望な進歩を示すでしょう。