バッテリーバランシング : バッテリー管理システムの重要な機能
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充電式バッテリーの世界では、バッテリー管理システム (BMS) の1つの機能が、特に電気自動車や再生可能エネルギー貯蔵などの需要の高いアプリケーションで使用されるバッテリーの性能と寿命を向上させるために不可欠であるため際立っています。この機能はバッテリーバランシング調整です。本稿では、バッテリーバランスのニュアンスと、バッテリーシステムの効率的な実行におけるその重要性と役割について説明します。
図1. バッテリー管理システム
バッテリーパックとバランシングの必要性の理解
複数の個別のバッテリーセルを直列または並列トポロジーで接続して、電気自動車から携帯機器までさまざまなアプリケーションで使用されるバッテリーパックで必要な電圧と容量レベルを実現します。バッテリーパックを装着した時点ではこれらのセルは類似しているかもしれませんが、時間の経過とともに特性がわずかに変化し、充電状態 (SOC) に不均衡が生じる可能性があります。
これらの異常により、さまざまな問題が発生する可能性があります。SOCが低いセルは放電中に他のセルよりも早く最低電圧に達するため、パック全体の有効な容量が制限されます。SOCが高いセルは充電中に最大電圧に早く到達するため、すべてのセルが完全に充電されるまで充電を続けると過充電になる可能性が高くなります。過充電または過放電されたセルは寿命が短くなり、安全上の問題が発生する可能性があります。
このような状況ではバッテリーバランスは有益になります。バッテリーバランシングは、パックの使用可能容量を最大化し、セルの寿命を延ばし、パック内のすべてのセルのSOCが同じになるようにすることで、過充電や過放電に関連する安全上の問題を回避します。
バッテリーバランシングにおけるバッテリー管理システム (BMS) の役割
バッテリーのバランス調整はバッテリー管理システムに大きく依存します。パック内のすべてのセルの電圧 (およびSOC) がモニタされており、不均衡が見つかった場合はパックのSOCのバランスがとられます。
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の2つの基本的なアプローチです。
パッシブバランシング
より高電荷のセル内の余分なエネルギーを熱として燃焼させるのがパッシブバランシングのプロセスであり、ブリードバランシングとも呼ばれます。BMSがセルの電圧が特定のしきい値に達したことを認識すると、これを行うために抵抗器がよく使用されます。この方法は簡単で費用もかかりませんが、余分なエネルギーが熱として浪費されるため、非効率になる可能性があります。したがって、システムのランタイムは増加しません。
図2. パッシブバランスの略図
パッシブバランス機構の略図、バッテリー管理システムの主要部品は図2をご参照ください。この図は、システムが過充電されたセルと他のセルのバランスをとる方法を示しています。MOSFETなどのスイッチングデバイスを使用することで、過充電されたセルからのエネルギーはパッシブバランシングのブリーダー抵抗器を通じて放散され、基本的に過剰な電荷が他のセルに相当するレベルまで「放出」されます。この手順は、いずれかのセルが過充電されて最終的にバッテリーの性能が低下するのを防ぐため、バッテリーシステムを健全かつ長持ちさせるのに不可欠です。
アクティブバランサ
一方、アクティブバランシングでは、余剰エネルギーを高電荷セルから低電荷セルに移動します。これを実現するために、容量性バランシング (エネルギーがコンデンサを介して伝送される) や誘導性バランシング (エネルギーがインダクタを介して転送される) など、さまざまな手法を使用できます。余分なエネルギーを浪費しないため、アクティブバランシングはパッシブバランシングよりも効果的ですが、より困難でコストもかかります。
図3. アクティブバランシング略図
図3はアクティブバランシングの概要を示しています。SW1とSW2で指定されたMOSFETを切り替えることにより、上の図のCELL1からの余分な電荷をCELL2に転送できます。CELL1からインダクタに電荷が流れるようにするには、まずスイッチ1を閉じます。インダクタの充電が完了すると、スイッチSW1が開き、スイッチSW2が閉じます。
SW2が閉じられると、インダクタは電荷をCELL2に転送します。インダクタが完全に放電すると、SW2が開き、SW1が閉じられてプロセスが再開されます。この方法により、セル間のSOCが補正されます。
技術に関係なく、バッテリーバランシングはバッテリーパックの効率と耐久性を向上させるために必須なBMS機能です。
バッテリーモニタとバッテリーバランサ
MP2787ICは、バッテリー管理システムの世界でよく知られているバッテリーモニタおよびプロテクタです。このICは、バッテリースタックを監視して保護できるという点でユニークです。最大16個の直列セルの電圧を正確に検出し、5mVの高精度を表示します。過電流、短絡、低電圧および高電圧、セルの低温および高温、ダイの高温から保護します。さらに、外部バランスFETを生成し、不一致セルを均等化する機能を備えたバランシングFETも組み込まれています。
MP2641のような双方向バッテリーバランサICは、アクティブバランシングの優れた例として輝いています。この昇降圧型バッテリーバランサICは、高エネルギーセルから低エネルギーセルにエネルギーを移動できるため、バッテリーシステムの効率と寿命を向上させるという点で際立っています。非常に高い精度で、スタック全体にわたって正確なバランスを維持しながら、直列接続された2つのセルに対処できます。92.8%の効率に加えて、前述の保護機能も提供します。
バッテリー管理システムにおけるバッテリーバランシングの重要性
いくつかの理由から、バッテリー管理システムではバッテリーバランシングが不可欠です。
使用可能容量の最大化
バッテリーバランシングは、パック内のすべてのセルが同じSOCを持つことを保証することで、パックの有効容量を最大化します。これは、電気自動車を運転している場合でも、再生可能エネルギー貯蔵システムを使用して家庭に電力を供給する場合でも、バッテリーパックを最大限に活用できることを意味します。
バッテリー寿命の延長
バッテリーバランシングにより、バッテリーパックの寿命も延びます。バッテリーバランシングにより、個々のセルの過充電と過放電を制限することで、セルの寿命を延ばすことができます。
安全上の問題の防止
バッテリーバランシングにより、特定のセルの過充電や過放電を制限することで、潜在的な安全上の問題を回避することもできます。過充電および過放電したセルはどちらも過熱し、さらには火災を引き起こす危険性があります。
トレードオフのバランシング
より高度なシステムでは、アクティブバランシングによってバッテリー寿命が大幅に延び、運用効率が向上する可能性があります。ただし、このようなシステムに必要な資金の増加とメリットのバランスを取ることが重要です。
アクティブバランシングは、多くの場合、より複雑なシステムとより高い費用がかかることを意味します。部品のコストが高くなったり、開発期間が長くなったり、システムが大規模になったり、さらには熱管理方法の複雑さが増したりすることで、コストが上昇する場合があります。結果として、アクティブバランシングによってより効率的な動作が保証され、バッテリー寿命が延長されるとしても、これらのメリットは初期費用の増加と運用コストの潜在的な上昇を正当化するものでなければなりません。
これは、アプリケーションの詳細とシステム要件が重要となる、慎重な検討を必要とする慎重なトレードオフです。必要なバランスシングのレベルはアプリケーションに大きく関係します。バッテリーパックが大きい、高価である、または不可欠な場合は、アクティブバランシングがコスト効率に優れていることがよくあります。対照的に、よりシンプルで安価なパッシブバランシングは、要求の厳しくないアプリケーションに完全に適している場合があります。
BMSの技術的向上
エレクトロニクスの幅広い分野における絶え間ない技術開発は、バッテリー管理システム (BMS) の世界でも長い間行われてきました。これは、機械学習 (ML) と人工知能 (AI) を使用したバランシング技術の最適化の可能性において特に明らかです。
バッテリーからの大規模なデータセットは、動作中にMLおよびAIアルゴリズムによって分析され、従来の分析手法では見逃されていたパターンや相関関係が明らかになります。これらのパターンを使用すると、バッテリーの性能、状態、寿命をこれまでにない精度で予測できるようになります。その結果、動作状況や各セルの状態に応じてバランシング戦略をリアルタイムで動的に変更することができ、バッテリーパックのパフォーマンスと寿命が向上します。
BMSの開発は、アクティブバランシング技術の向上によって別の面でも促進されています。パワーエレクトロニクスと回路設計の進歩により、より効果的で信頼性の高いアクティブバランサが実現可能になりました。これらのバランサは、エネルギーを熱として無駄にすることなく、セル電圧を素早く均等化できます。その結果、バッテリー全体の効率と動作寿命が大幅に向上します。
さらに、IoTやコネクテッドデバイスの発展により、BMSの可能性は拡大しています。クラウドベースのシステムとバッテリーのパフォーマンスに関するリアルタイムデータを通信できるため、リモートモニタリング、予防保全、さらなる最適化のための高度な分析さえもすべて可能になります。これらの改善は、エネルギーシステムの全体的な有効性と持続可能性に貢献し、BMSの明るい未来の前兆になります。
結論
最後に、バッテリーバランスはバッテリー管理システムの重要な要素であることに注意しなければなりません。これは、電気自動車や再生可能エネルギー貯蔵システムなどの需要の高いアプリケーションにおいて、バッテリーパックの性能と寿命を向上させるために不可欠です。バッテリーバランシングは、バッテリーパック内のすべてのセルの充電レベルを均等に保つことを確実にし、バッテリーパックに蓄えられたエネルギーを最大限に活用できると同時に、過充電や過放電に関連する安全上の問題も排除します。このプロセスは、パッシブかアクティブかを問わず、当社のバッテリー駆動製品の効果的かつ安全な動作に不可欠です。技術の進歩に伴い、バッテリーバランシング方法が今後さらに進化し、パフォーマンスと安全性がさらに向上することが期待されます。
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