アクティブバランサー: その仕組みとメリット

図1: SOCの不一致によって減少するバッテリーパックの有効容量

今日のほとんどのバッテリーマネジメントシステム (BMS) には、定期的にすべてのセルを直列にして共通のSOC値にするパッシブバランシングが含まれています。パッシブバランシングは、エネルギーを消費し、セルのSOCを下げるために必要に応じて個々のセルに抵抗を接続することでこれを行います。パッシブバランシングの代わりに、アクティブバランシングは電力変換を使用してバッテリーパック内のセル間で電荷を再分配します。これにより、より高いバランス電流、より低い発熱、より速いバランス時間、より高いエネルギー効率、およびより長い動作範囲が可能になります。

本稿では、いくつかの一般的なアクティブバランシング手法について説明し、これらの手法の1つを使用した設計例を示します。

セルバランシング

パック内のセルは、最初はよく適合していたとしても、時間の経過とともに容量の変動を起こします。たとえば、パック内の異なる物理的な場所にあるセルは、容量に影響を与える異なる温度または圧力を経験する可能性があります。さらに、わずかな製造上の違いは時間の経過とともに増幅され、容量の違いを生み出す場合があります。容量の違いを理解することは、SOCの不均衡の原因を理解する上で重要です。

バッテリーセルSOCの変化は、主にセル容量とセルの入出力電流によって決まります。たとえば、1時間1Aを受けた4Ahrセルでは25%のSOC変化が発生し、同様の2Ahrセルでは50%のSOC変化が発生します。

SOCバランスを維持するには、各セルの容量に応じて充放電電流を調整する必要があります。並列に接続されたセルは、高いSOCセルから低いSOCセルに電流が流れるため、自動的にこれを行います。一方、直列に並んだセルはセル間で同じ電流を経験し、容量の違いがあると不均衡になります。ほとんどのバッテリーパックには直列セル接続があるため、並列接続が含まれている場合でも、これは重要です。

SoCの調整はパッシブとアクティブの両方のバランシングが可能です。

パッシブバランシングは、個々のセルに抵抗負荷をかけることでセルSOCを低減します (最も一般的にはBJTまたはMOSFETトランジスタを使用)。しかし、アクティブバランシングでは、バッテリーパック内のセル間でエネルギーを再分配するためにスイッチモードのアプローチを取ります。実装の複雑さとコストの増大により、従来、アクティブバランシングは、発電所のバッテリー、商用のエネルギー貯蔵システム (ESS)、家庭用ESS、およびバッテリーバックアップユニットなど、非常に高い電力レベルや大容量セルを持つバッテリーシステムに限定されてきました。コストと複雑さを大幅に低減した新しいソリューションが利用できるようになり、アクティブバランシングの利点を活用できるアプリケーションの幅が広がっています。

パッシブバランシングは通常0.25Aの電流に制限されますが、アクティブバランシングは最大6Aに対応できます。バランス電流が高いほど、より高速なバランスが可能になり、ESSで使用されるような大容量バッテリーセルに対応します。さらに、より高いバランス電流は、バランスを迅速に完了する必要がある高速サイクルで動作するシステムに対応します。

パッシブバランシングは単にエネルギーを消費するだけですが、アクティブバランシングはエネルギーを再分配し、エネルギー効率を大幅に向上します。パッシブバランシングは、放電中の動作によりパックからのエネルギーの枯渇が早くなり、充電サイクル中のみ実用的です。逆に、充電中または放電中にはアクティブバランシングを実装できます。放電中に積極的にバランスをとる能力は、より多くのバランス時間を提供し、電荷を強いセルから弱いセルに転送することを可能にし、それによりバッテリーパックの動作時間が延長されます (図2参照)。要約すると、アクティブバランシングは、より高速なバランシング、限られた熱負荷、エネルギー効率の向上、およびシステム稼働時間の増加を必要とするアプリケーションに有利です。

図2: アクティブバランサーがSOCを均等化

アクティブバランシング法

一般的に使用されるアクティブバランシングトポロジーには、直接トランスベース、スイッチマトリックスとトランス、双方向昇降圧バランシングがあります。

トランスベース (双方向フライバック) アクティブバランサー

双方向フライバックコンバータにより、両方向に電荷を転送することができます。双方向フライバックは、境界モードフライバックコンバータとして動作するように設計されています。スタック内の各バッテリーセルには、フライバックトランスを含む双方向フライバックが必要です (図3参照)。

図3: 24Vレールを使用したトランスベースの双方向アクティブバランサー

異なるトランス設計を使用する場合、いくつかの可能なエネルギー伝達経路があります。たとえば、エネルギーは、1つのセルから、バッテリースタック内のセルのサブグループに転送できます。エネルギーは、任意のセルから (バッテリーパック端子に接続された) バッテリースタックの上部に転送できます。これには、大型の高電圧フライバックトランスが必要です。エネルギーは、24Vシステムなどの補助電源レールとの間で伝達することもできます (図3参照)。

トランスベースのアクティブバランシングアプローチを使用する場合、多くのトランスが必要になるため、ストリング数の多いバッテリーパックは、大きくてコストのかかるソリューションになります。

スイッチマトリクス・プラス・トランス・アクティブバランサー

スイッチマトリクス・プラス・トランス方式は、複数のスイッチを使用してトランスを個々のセルと接続します。これにより、トランスの数が1つに削減されます。スイッチマトリックスには、セルスイッチと極性スイッチの2つのカテゴリがあります。セルスイッチは、バッテリーセルに直接連続で接続されたMOSFETです。これらは充電と放電の両方の方向に流れる電流を遮断することができます。逆に、極性スイッチは一方向に流れる電流を遮断し、単一の双方向フライバックコンバータまたは双方向フォワードコンバータの二次側に直接接続されます (図4参照)。

双方向フライバックコンバータまたはフォワードコンバータのプライマリ側は、バッテリーパックまたは補助電源レールに接続されています。この構成では、すべてのセルが (充電中または放電中に) バッテリーパックまたは補助電源レールとエネルギーを交換できます。前述のように、スイッチマトリックス・プラス・トランスの主なメリットは、トランスが1つだけで済むことです。

図4: スイッチマトリックスベース双方向DC/DCアクティブバランサー

双方向昇降圧アクティブバランサー

昇降圧アクティブバランサーは、一般的に使用されている降圧および昇圧バッテリーチャージャ技術を活用することにより、より簡単なアプローチを取ります。昇降圧アクティブバランシングは、バッテリースタックに沿ったさまざまな場所や別の電源レールに電荷を移動するのではなく、直接隣接するセルに電荷を移動します。これにより、バランス回路が大幅に簡素化され、多数のバランサーの同時動作を活用して、スタック全体に電荷を分配します。

2チャネル昇降圧バランサーは、昇降圧モードまたは昇圧バランスモードで動作することにより、2つの隣接セル間で双方向の電荷移動を提供します。2チャネル昇降圧バランサーを各セルペアに配置することで、パック全体で電荷を移動できます (図5参照)。

図5: 双方向「降圧」および「昇圧」アクティブバランサー

従来の2つのアクティブバランサーと比較して、2チャネル昇降圧アクティブバランサーは単純なプロセスに従っています :

• 降圧バランスモードで、アクティブバランサーは上部セル (CU) から下部セル (CL) にエネルギーを移動します。
• 昇圧バランスモードでは、アクティブバランサーはエネルギーをCLからCUに移動します。

3種類のアクティブバランサーの中で、双方向昇降圧アクティブバランサーは最もシンプルで信頼できるものです。表1は、3つのアクティブバランシング方式をすべて比較しています。

表1: さまざまなアクティブバランシング方式

	利点	短所
双方向フライバック	最も高いバランス効率 複数のチャネルを同時にバランス調整可能	複雑なトランスのため高価 設置面積が大きい 信頼性が低い トランスの調達が困難
マトリクススイッチ	高いバランス効率	MOSFETが大量に存在するためコストがかかる (例: 2 x (N+1) +4 (ここでNはセル数)) 複雑な回路 一度に1つのチャネルのみバランスをとる
昇降圧	高い信頼性 低コスト、シングルインダクタ 簡単な操作 複数チャネルのバランスを同時にとれる	バランス効率の低下 (バランス戦略を注意深く設計することで、バランス効率を向上させることができる)

設計例

MP264xファミリ (MP2641、MP2642、およびMP2643) は、2つの直列リチウムイオンセル間で最大3Aの電荷の再分配を実現する、高度に機能集積されて双方向昇降圧アクティブバランサーです (図6参照)。これらのデバイスは、NMC、NCA、リチウムポリマー、LFPなどの一般的なリチウムイオン電池のすべての化学物質で使用できます。MP264xは、セル間で電荷を効率的に転送し、バランシング時間と発熱を最小限に抑えます。MP264xは、セル容量の不一致を補正して、バッテリーの稼働時間を延長することもできます。安全な動作を保証するために、MP264xはCLおよびCUの過電圧保護 (OVP) と低電圧保護 (UVP) に加え、サーマルシャットダウンを備えています。MP264xファミリは、QFN-26 (4mm x 4mm) パッケージで提供されます。

図6: MP264xの代表的なアプリケーション回路

MP264xの設定は簡単です :

1. 降圧バランス電流 (I_UBC) を設定します。I_UBCは、MP264xのUBCピンとAGNDピンの間に接続された外部抵抗 (R_UBC、kΩ) を介して、0.5A〜2.5Aの間で設定できます。I_UBCは、式 (1) で計算できます:

$$I_{UBC}= \frac{640}{3 \times R_{UBC}}$$

2. 昇圧バランス電流 (I_LBC) を設定します。I_LBCは、MP264xのLBCピンとAGNDピンの間に接続された抵抗 (R_LBC、kΩ) を介して、0.5A～3Aの間で設定できます。I_LBCは、式 (2) で推定できます:

$$I_{LBC}= (\frac{V_{CUη} \times V_{CL}}{η \times V_{CL}}\times \frac {640}{3 \times R_{LBC}})$$

ここで、V_CLは低いセル電圧 (CLとAGNDの間)、V_CUは両方の直列セルの電圧 (CUとAGNDの間) です。V_CLとV_CUはどちらも、バランス調整がイネーブルでない状態で測定された電圧を指します。ηはコンバータの昇圧バランス効率です。この効率はセル電圧に依存するため、適切な値を選択する必要があります (表2参照)。

表2: ηの選択

VCL(V)	η
< 3.65V	0.89
≥ 3.65V	0.91

複数のMP264xデバイスを一緒に組み合わせることで、アクティブバランシングを任意の数の直列セルに拡張でき、パック内の任意のセルとの間で電荷を再分配できます。図7は、3つのMP264xデバイスを直列に配置した4セルバッテリーのアクティブバランシングの例を示しています。

図7: ESSの代表的なアプリケーション回路

結論

より安全でエネルギー効率が高く、長寿命のリチウムイオン電池システムに対する需要が高まる中、より優れたセルバランスに対する需要が高まっています。エネルギーを放散する小さな電流に限定されたパッシブバランシングは、もはやこれらの要求を満たすのに十分ではありません。その結果、アクティブバランシングソリューションは、大電流、高速セルバランシングのメリットにより、ますます採用されています。特に、双方向昇降圧アクティブバランサ (MP2641、MP2642、MP2643など) は、シンプルさと信頼性を提供します。MPSのアクティブバランサーを調べて、アプリケーションに最適なソリューションを見つけましょう。

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