BMSにおけるパワーエレクトロニクスの役割

バッテリー管理システム (BMS) は、リチウムイオン、鉛酸、その他の種類のバッテリーのような多くの異なるバッテリー貯蔵技術が効果的に機能し、長期的に存続するために不可欠です。バッテリーパックの各セルの電圧、電流、温度などの要因を調整および追跡して、設定された制限内で安全な動作を保証しながら、バッテリー寿命を最大化し、最高レベルの性能を保証します。

パワーエレクトロニクスは、さまざまな点でバッテリー管理システムにおいて重要な役割を果たします。

エネルギー変換と調整: パワーエレクトロニクスインタフェースは、バッテリーの充電および放電動作の基盤です。DC/DCやAC/DCなどのコンバータは、充電や放電の際にバッテリーに供給される電力やバッテリーから取り出される電力を変換し、調整するために使用されます。これらのスイッチモードパワーエレクトロニクス制御コンバータは、優れた効率を提供し、最適なバッテリー性能に必要な電圧と電流の正確な調整を可能にします。

バッテリーバランシング: バッテリーバランシングは、電気自動車やエネルギー貯蔵システムで人気の、直列に連結された複数のセルからなる電池パックのBMSにおいて重要な機能です。バッテリーバランシングの目的は、すべてのセルの充電状態 (SoC) のバランスをとることです。これは、セルの特性のわずかな変化によって充電速度と放電速度が異なり、特定のセルが過充電または低充電になる可能性があるためです。パワーエレクトロニクスは、昇降圧コンバータを使用したアクティブバランシング回路で頻繁に使用されており、バランスの取れたSoCを維持するためにセル間での電荷の再分配を支援します。

保護: バッテリーシステムはパワーエレクトロニクスデバイスによっても保護されています。バッテリーの損傷を防ぐための充電電流と放電電流の制限、過電圧および過電圧状態からの保護、および故障時のバッテリーの切断はすべてこの一部です。これを行うために、パワーエレクトロニクススイッチ、ヒューズ、回路ブレーカーが一般的に使用されます。

通信と制御: 最後に、パワーエレクトロニクス部品はBMSの制御および通信機能の役割を果たします。チャージャ、ロードコントローラ、その他のシステム部品と通信して、充電率を変更し、カットオフを開始し、バッテリーの状態や状態に関する重要な情報をユーザーまたはコントロールセンターに伝えます。

バッテリーの充電、放電、およびバランシング

バッテリーの充電、放電、およびセルバランシングの手順は、バッテリー管理を効果的に行うために適切に調整する必要があります。これらの機能は、ピーク性能を確保し、バッテリー寿命を延ばし、安全規制を遵守するために不可欠です。

バッテリー充電

バッテリー充電は、バッテリーの最適な状態と寿命を保証するために適切にモニタされていなければならない重要な手順です。予備充電、定電流充電、定電圧充電は充電プロセスの一般的なステップです。

予備充電中にバッテリー電圧が低すぎる場合、少しの充電電流を流して、電圧を徐々に上昇させます。これは、強い充電電流の急激な印加によって引き起こされる損傷からセルを保護する役割をします。定電流フェーズでは、電流を所定のレベルに一定に保ち、バッテリーの充電状態 (SoC) を徐々に増やします。最後に、バッテリーが一定の電圧に達すると、チャージャは定電圧モードに切り替わり、電圧は一定のままで、電流は徐々に減少します。この手順は、バッテリーが完全に充電されるまで繰り返されます。

パワーエレクトロニクスコンバータは、これらの遷移を制御し、各充電フェーズ中に希望の電流と電圧レベルが維持されることを保証する上で極めて重要です。BMSは、充電プロセスを綿密に管理し、スイッチングコンバータのデューティサイクルを動的に変えることにより、状況の変化に対応することができます。

バッテリー放電

放電段階では、バッテリーに蓄えられたエネルギーが放電され、電気負荷に電力が供給されます。このフェーズ中のBMSの重要な目的は、バッテリーが極端に低い充電レベルに達してバッテリーに損傷を与え、寿命を制限することを防ぐために、放電プロセスをモニタすることです。パワーエレクトロニクス、特にDC/DCコンバータは、放電フェーズ中の出力電圧と電流を管理し、適切な電圧と電力レベルが負荷に供給されることを保証するために重要です。

バッテリーバランシング

バッテリーパック内の各セルの電荷を均等化して、すべてのセルが同じ充電状態にあることを保証するプロセスは、バッテリーバランシングと呼ばれます。マルチセルバッテリーパックでは、バランスが極めて重要です。なぜなら、セル特性のわずかな違いにより、特定のセルが他のセルよりも速く充電または放電し、不均衡を引き起こす可能性があるからです。これらの不均衡は、時間の経過とともにバッテリーパックの全体的な容量と性能を低下させ、極端な場合にはセルに損害を与える可能性があります。

パッシブバランシングとアクティブバランシングは、バッテリーバランシング手順の2つの主要なアプローチです。アクティブバランシングは電荷の高いセルから電荷の少ないセルに余剰電荷を再分配しますが、パッシブバランシングは過剰なエネルギーを熱の形で放散します。アクティブバランシングは一般により効率的であり、セル間のエネルギー移動を可能にするために、最も一般的に双方向DC/DCコンバータの形で、パワーエレクトロニクスを使用する必要があります。

バッテリー管理システムのケーススタディ

バッテリー管理システム (BMS) は、過去10年間にわたってさまざまな産業で広く使用されてきました。パワーエレクトロニクスは、最適な性能を達成するこれらのBMSの能力を向上させる上で重要な役割を果たしてきました。このセクションでは、さまざまな分野でのBMSの使用を示すいくつかのケース例を見てみます。

電気自動車 (EV):

電気自動車はBMSの最も人気のあるアプリケーションの1つです。電気自動車では、最適な性能と寿命を確保するために、バッテリーパックを正しくモニタおよび制御することが重要です。例えば、テスラのモデルSは、車両のバッテリーパックを調整するために様々なパワーエレクトロニックコンバータを搭載した先進的なBMSを採用しています。

モデルSのBMSは、バッテリー寿命を最大化するための充電プロセスを制御し、温度を管理し、パック内の数千個のセル間でセルバランシングを実行します。また、電流、電圧、温度などの特性をモニタし、異常に対して反応することでバッテリーを保護します。これらの指標のいずれかが事前に定義された安全基準を超える場合、BMSはパワーエレクトロニクスを使用してバッテリーパックを迅速に取り外すことができます。

再生可能エネルギー貯蔵システム

バッテリーは再生可能エネルギー貯蔵システムに使用され、資源の利用可能性が高い期間 (例えば、晴れた期間や風の強い期間) に発生する余分なエネルギーを節約します。例えば、BMSは、太陽光発電と送電網の需要に基づいてバッテリーの充電と放電を最適化するために、バッテリー貯蔵システムを備えたソーラーファームで使用されています。

例えば、南オーストラリア州のホーンズデール・パワー・リザーブには、テスラのパワーパック技術が使われています。その洗練されたBMSは、充電状態、グリッドの需要、その他の考慮事項に基づいてバッテリーの電力出力を最適化します。また、充電と放電のサイクルのバランスを取り、時間の経過とともにバッテリーの劣化を抑えます

無停電電源装置 (UPS)

UPSシステムは停電時に電力を供給するバッテリーに依存しており、BMSはバッテリーの健全性と即応性を確保するために不可欠です。サーバの継続的な電力を必要とするデータセンターは、主なユースケースの1つです。たとえば、Googleのデータセンターは、UPSシステムを維持するバッテリーアレイを管理するために高度なBMSを使用しています。

BMSは常にバッテリーの充電状態と健全性をチェックし、起こりうる停電に備えてバッテリーを準備し、充電および放電サイクルがバッテリー寿命を短縮しないようにします。このようにBMSを効率的に利用することで、停電時でもデータセンターは稼働し続けることができます。

これらのケーススタディは、様々な産業におけるバッテリー管理システムの重要性を実証しています。バッテリーの活動をモニタ、制御、最適化するパワーエレクトロニクスの能力は、現代のエネルギーシステムの重要な構成要素です。これらのソリューションは、バッテリーの性能と寿命を大幅に向上し、より持続可能で効率的なエネルギーの未来への道を開きました。