バッテリー管理システム (BMS) の設計方法
はじめに
バッテリー駆動のアプリケーションは、過去10年間で一般的になり、このようなデバイスは、安全な使用を保証するために一定レベルの保護を必要とします。バッテリー管理システム (BMS) は、バッテリーと起こり得る故障状態をモニタし、バッテリーの劣化、容量の低下、さらにはユーザや周囲環境へ損害の可能性を防ぐことさえできます。また、BMSは、正確な充電状態 (SOC) と健康状態 (SOH) の推定値を提供して、バッテリーの寿命全体にわたって有益で安全なユーザーエクスペリエンスを保証する責任があります。適切なBMSを設計することは、安全性の観点からだけでなく、顧客満足のためにも重要です。
低電圧または中電圧用の完全なBMSの主な構造は、通常、アナログ・フロント・エンド (AFE)、マイクロコントローラ (MCU)、および電池残量計の3つのICで構成されます (図1参照)。残量ゲージはスタンドアロンのICにすることも、MCUに組み込むこともできます。MCUはBMSの中心的な要素であり、AFEと残量計の両方から情報を取得し、システムの残りの部分と接続します。
図1 : BMSアーキテクチャ
AFEは、バッテリーからの電圧、温度、電流の読み取り値をMCUと電池残量計に提供します。AFEはバッテリーに物理的に最も近いため、AFEでサーキットブレーカも制御することをお勧めします。回路ブレーカは、故障が発生した場合にバッテリーをシステムの残りの部分から切断します。
電池残量計ICはAFEから読み取り値を取得し、複雑なセル・モデリングと高度なアルゴリズムを使用して、充電状態 (SOC) や健康状態 (SOH) などの主要なパラメータを推定します。AFEと同様に、電池残量計のタスクの一部をMCUコードに含めることができますが、MPSのMPF4279xのような電池残量計ICを使用する電池残量計ファミリには、いくつかの利点があります。
- 効率的な設計 : 専用ICを使用して複雑な残量計アルゴリズムを実行することで、設計者は仕様の低いMCUを使用できるようになり、全体的なコストと消費電流を削減できます。
- 洞察力と安全性の向上 : 専用の残量計は、バッテリー・パック内の各直列セルの組み合わせの個々のSOCとSOHを測定できます。これにより、より正確な測定精度と、バッテリーの寿命全体にわたる経年劣化の検出が可能になります。セルのインピーダンスと容量は時間の経過とともに変化し、実行時間と安全性に影響する可能性があるため、これは重要です。
- 市場投入までの時間短縮 : 電池残量計ICは、さまざまな状況とテストケースに対して完璧にテストされています。これにより、複雑なアルゴリズムのテストにかかる時間とコストが削減されると同時に、市場投入までの時間も短縮されます。
充電状態 (SOC) と健康状態 (SOH) の精度向上
正確なBMSを設計する際の主な目標は、バッテリー・パックのSOC (残りの実行時間 / 範囲) とSOH (寿命と状態) を正確に計算することです。BMSの設計者は、これを達成する唯一の方法は、正確なセル電圧測定公差を備えた非常に高価なAFを使用することだと考えるかもしれませんが、これは全体の計算精度の1つの要因にすぎません。最も重要な要因は、電池残量ゲージ・セルモデルと残量ゲージ・アルゴリズムであり、次に、セル抵抗計算用の同期電圧電流読み取りを提供するAFEの機能が続きます。
残量計は内部アルゴリズムを使用して複雑な計算を実行し、電圧、電流、および温度の測定値を、メモリに保存されている特定のセル・モデルとこれらの値の関係を分析することで、SOCおよびSOH出力に変換します。セル・モデルは、さまざまな温度、容量、および負荷条件でセルを特徴付けることで生成され、開回路電圧、ならびに抵抗成分および容量成分を数学的に定義されます。このモデルにより、電池残量計のアルゴリズムは、これらのパラメータがさまざまな動作条件でどのように変化するかに基づいて、最適なSOCの計算を可能にします。したがって、電池残量計のセル・モデルまたはアルゴリズムが正確でない場合、AFEがどれほど正確に測定を行ったとしても、結果の計算は正確ではありません。言い換えれば、高精度の電池残量計を実装することが、BMSのSOC精度に最も大きな影響を与えるということです。
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電圧電流同期整流読み取り
ほとんどすべてのAFEが電圧と電流に異なるADCを提供しますが、それらのすべてが各セルの実際の同期整流電流および電圧測定を提供するわけではありません。電圧 - 電流同期整流読み取りと呼ばれるこの機能により、電池残量計はセルの等価直列抵抗 (ESR) を正確に推定できます。ESRはさまざまな動作条件や時間の経過とともに変化するため、ESRをリアルタイムで推定すると、より正確なSOC推定が可能になります。
図2は、同期整流読み取りを使用した場合のSOC誤差が、特に数回の放電サイクルの後、同期読み取りを使用しない場合の誤差よりも大幅に低いことを示しています。これらの結果は、ESR検出と熱モデリングを統合したMPF42791を使って抽出されます。
図2 : 同期整流読み取りの有無によるSOC誤差の比較
AFE直接故障制御
前述のとおり、BMSでAFEが果たす最も重要な役割は保護管理です。AFEは保護回路を直接制御し、故障が検出されたときにシステムとバッテリーを保護します。MCUに故障制御を実装するシステムもありますが、これにより応答時間が長くなり、MCUからより多くのリソースが必要になり、ファームウェアの複雑さが増加します。
高度なAFEは、ADCの読み取り値とユーザ設定を使用して、故障状態を検出します。AFEは、保護MOSFETを開くことで故障に反応し、真のハードウェア保護を保証します。AFEも完全にテストされているため、堅牢な安全システムを簡単に保証できます。このようにして、MCUを二次保護メカニズムとして使用して、より高いレベルの安全性と堅牢性を実現できます。
MP279xファミリは、両方の形式の保護制御を統合しています。これにより、設計者は故障応答や保護をAFEまたはMCUのどちらで制御するかを選択できます。
ハイサイドとローサイドのバッテリー保護
BMSを設計するときは、バッテリー保護回路ブレーカの配置場所の考慮が重要です。一般に、これらの回路は、PチャネルMOSFETに比べて内部抵抗が低いため、NチャネルMOSFETを使って実装されます。これらのサーキットブレーカは、ハイサイド (バッテリーのプラス端子) またはローサイド (バッテリーのマイナス端子) のいずれかに配置できます。
ハイサイド・アーキテクチャは、グランド (GND) が常に適切に基準化されていることを保証し、短絡が発生した場合の潜在的な安全性と通信の問題の可能性を回避します。さらに、GNDへのクリーンで持続した接続は、正確なMCU動作の鍵となるリファレンス信号の変動を低減できます。
ただし、バッテリーのプラス端子に配置されたNチャネルMOSFETのゲートを駆動するには、バッテリー・パックの電圧よりも高い電圧が必要になるため、設計プロセスがより困難になります。その結果、AFEに統合された専用のチャージポンプがハイサイドのアーキテクチャに一般的に使用され、全体的なコストとICの消費電流が増大します。
ローサイド構成では、保護用MOSFETがバッテリーのマイナス極に配置されているため、チャージポンプは必要ありません。ただし、保護が開いている場合はGNDリファレンスがないため、ローサイド構成で効果的な通信を実行することはより困難です。
MP279xファミリは、BOMを最小限に抑えながら堅牢な保護を提供するハイサイド・アーキテクチャを使用しています。さらに、高精度のチャージポンプ制御により、追加のプリチャージ回路を必要としないNチャネルMOSFETのソフト・ターンオン機能が可能になり、BOMのサイズとコストがさらに最小化されます。ソフト・ターンオンは、保護用FETのゲート電圧をゆっくりと増加させることによって実現され、負荷をプリチャージするために保護回路に小さな電流が流れるようにします (図3参照)。最大許容電流や、故障を引き起こさずに保護用FETが閉じるまでの時間など、安全な遷移を保証するためにいくつかのパラメータを設定できます。
図3 : MP279xファミリのソフト・ターンオン方式
バッテリー寿命を延ばすためのセル・バランシング
より大きなシステム (電動自転車やエネルギ貯蔵など) に電力を供給するバッテリー・パックは、直列および並列の多数のセルで構成されています。各セルは理論的には同じですが、製造公差や化学的違いにより、各セルは、少し異なる行動を示すことがよくあります。時間が経つにつれて、これらの不一致は、さまざまな動作条件や経年劣化によりさらに重要になり、使用可能な容量が制限されたり、セルが損傷したりする可能性があるため、バッテリー性能に深刻な影響を与えます.このような危険な状況を回避するには、セル・バランシングと呼ばれるプロセスによって、直列のセル電圧を定期的に均等化することが重要です。
パッシブ・バランシングは、セル電圧を均等化する最も一般的な方法であり、すべてのセルの電荷が等しくなるまで、最も充電されたセルを放電する必要があります。MP279xファミリなどのAFEパッシブ・セル・バランシングは、外部または内部で実行できます。外部バランシングにより、より大きなバランシング電流が可能になりますが、BOMも増加します (図4参照)。
図4 : 外部セルバランシング
一方、内部バランシングによってBOMが増加することはありませんが、通常、熱放散のためにバランシング電流がより低い値に制限されます (図5参照)。内部バランシングと外部バランシングのどちらを使用するかを決定する際は、外部ハードウェアのコストとターゲットのバランシング電流を考慮してください。
図5 : 内部セルバランシング
セル・バランシングのもう1つの重要な側面は、物理的な接続です。たとえば、MP279x AFEファミリは、電圧センシングとバランシングの両方で同じピンを使用します。これにより、ICのサイズが大幅に縮小されますが、連続するセルのバランスを同時にとることができないため、セルのバランシング調整にかかる時間が長くなります。専用のバランシングピンを使用すると、バランシング時間が短縮されますが、ICのサイズと全体的なコストが大幅に増加します。
AFE安全機能
本稿を通じて説明したように、システムの保護と故障応答を制御するAFEは、BMS設計において非常に重要です。保護用FETを開けたり閉めたりする前に、AFEはこれらの望ましくない状態を検出できなければなりません。
過電圧 (OV)、低電圧 (UV)、過電流 (OC)、短絡 (SC)、過熱 (OT)、および低温度 (UT) 故障はすべてモニタする必要があります。ただし、AFEが特定のアプリケーションに提供できる、その他の有益な保護と機能があります。たとえば、セルフテストにより、ICは内部ADCが誤動作しているかどうかを検出できるため、システムが誤った測定を行うのを防ぐことができます。向上したウォッチドッグ・タイマ機能により、メインMCUが応答しない場合の堅牢性とセキュリティも保証されます。
MP279xファミリは、上記の故障保護を高度な設定可能性で提供し、ユーザが故障ごとに異なるしきい値、デグリッチ時間、およびヒステリシスを定義できるようにします。また、これらのデバイスは、SCおよびOC故障状態用に、2つの異なるコンパレータに依存して、応答時間を最小限に抑えます。また、故障自動回復の設定も提供します。つまり、MCUからのアクションを必要とせずに、ほとんどの故障から自動的に回復できます。
結論
BMSはバッテリー・パックをモニタして、バッテリーとシステムの残りの部分の両方を保護します。標準以下のBMSは、システムの安全性を低下させるだけでなく、不正確なバッテリーSOC管理も提供します。こういった不正確さは、製品の最終的な品質に非常に大きな影響を与えます。危険な故障の可能性や、ユーザーエクスペリエンスに悪影響を及ぼす故障が発生する可能性があるからです。これらの問題を軽減するために、本稿では、BMSを設計する際に設計者が何を期待し、何を探すべきかを説明しました。
バッテリー管理システムの仕組みとその設計方法について詳しく知るために、MPSは完全なBMS評価キットを提供しています。これらのツールを使用すると、設計者は使いやすいGUIと豊富なサポート資料を通じてBMSを簡単にテストおよび設定できるため、デバイスを特定のアプリケーション要件に合わせて簡単に調整できます。
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