MP2797 BMSユースケース : リチウム電池のeバイク

本事例では、リチウム電池のeバイクでの MP2797のアプリケーションについて検証します。

MP2797は、リチウム電池のeバイクに完全なハードウェアとソフトウェアの二重保護を提供し、安全性能を向上します。

はじめに

環境に配慮した移動様式が勢いを増すにつれて、eバイクは鉛蓄電池の使用からリチウム電池の使用へ移行が進んでいます。E-BIKE Act (H.R.1019) などの政府のインセンティブと組み合わせたエネルギーのやりとりと排出削減のための政策により、eバイク市場、特にリチウム電池のeバイクは大きな成長の可能性を示しています。

リチウム電池の利点

リチウム電池には、以下で説明する3つの重要な利点があります。

1. 高い耐久性 : リチウム電池の寿命は、鉛蓄電池の2倍です。
2. 簡単な取り出し : リチウム電池を取り出すプロセスは軽くて便利です。
3. 環境にやさしい : エネルギー密度が大きいリチウム電池は、鉛蓄電池よりも効率的であり、グラフェン電池に匹敵する走行距離を提供します。

リチウム電池の欠点

リチウム電池の、エネルギー密度が高く、電池内の化学物質の活性が強いなどの利点と同様に、電池セルが過充電、放電、またはその他の異常な事象に遭遇すると、損傷する可能性があります。このため、極端な場合、火災や爆発が発生する可能性があります。近年、リチウム電池を使用した自転車の発火事故が多発しています。リチウム電池のもう1つの顕著な欠点は、コストのかかる製造プロセスと高い材料費です。

リチウム電池の改善

リチウム電池の安全性に関する現在進行中の課題に対処するために、設計者は、過充電、1つの電池の故障、および短絡が電気自動車の火災の基本的な原因であると判断しました。したがって、リチウム電池には、リチウム電池の電圧、電流、およびその他のパラメータをいつでもモニタできる信頼性の高いバッテリー管理システム (BMS) を装備する必要があります。これにより、安全上のリスクが効果的に最小限に抑えられます。このBMSでしきい値を超えると、バッテリーのメイン回路が直接オフになり、バッテリーパックを保護します。

他のリチウム電池ベースのアプリケーションと比較して、eバイクは、振動振幅が大きく、温度範囲が広くて、より過酷な環境で動作するため、安全に対するより厳しい要件に直面しています。さらに、多くの充電システムは潜在的な安全上の問題を伴う流通市場から供給されているため、リチウム電池のバイクへの充電方式はしばしば欠陥があり、多くの制御不能な要因をもたらします。

リチウム電池のeバイクは、特にBMSボードの堅牢性を備えた、より高いレベルのBMS保護を必要とするため、コストを許容範囲内に抑えることが不可欠です。

MP2797の紹介

市場の需要を考慮して、MPSは、リチウム電池の安全性とコストの欠点に対処する電池残量監視ソリューションであるMP2797を発売しました (図1参照)。

図1 : MP2797 バッテリー管理デバイス

MP2797は、7セル～16セルの直列バッテリーパックの接続をサポートする高度なアナログ・フロントエンド (AFE) モニタリングおよび保護チップです。MP2797は、リチウム電池のeバイクに完全なハードウェアとソフトウェアの二重保護を提供し、安全性能を向上させます。図2は、MP2797の代表的なアプリケーション回路です。

図2 : MP2797の代表的なアプリケーション回路

保護

MP2797は、充放電の過電流保護 (OCP)、短絡保護、バッテリーの低電圧保護 (UVP)、バッテリーの過電圧保護 (OVP)、高温 / 低温保護、およびダイの高温保護など、チップのハードウェアに対する包括的な保護を統合しています。

モニタリング

MP2797は包括的なハードウェア保護を提供するだけでなく、バッテリーの状態をリアルタイムでモニタし、アナログ・シャットダウンの前に早期警告を送信します。特にMP2797は、バッテリーの電圧、電流、および温度にわたるデータモニタリングを使用してソフトウェアを保護します。

2つの独立したアナログ・デジタルコンバータ (ADC) を統合することにより、セルの電圧と電流を高精度でモニタできます。これにより、バッテリーパックの状態をリアルタイムでモニタし、全体的な安全性を高めることができます。図3は、MP2797のADCセル電圧測定と電流測定の誤差曲線を常温 (それぞれ5mV以下と0.5%以下) で示しています。

図3 : MP2797のADCセル電圧測定と電流測定誤差曲線

MP2797はバッテリー温度をモニタするためにチップ温度を測定し、15ビットADCを使用して、外部NTCサーミスタを介した4チャネルの温度を提供します (図4参照)。

図4 : NTCサンプリングによる4チャンネル温度検知

高い費用対効果

MP2797は、BOMを簡素化し、以下に説明する3つの主要な機能によってリチウム電池のコストを削減します。

• 統合されたDSGソフトスタート : 過剰な起動電流によって引き起こされる潜在的な安全上の問題を防止し、周辺機器のプリチャージ回路を直接削減します
• ハイサイド (HS) ドライブ : 複数の並列NチャネルMOSFETを駆動できるため、ローサイド (LS) 駆動と比較して絶縁電力と信号絶縁を節約できます。
• 手動セルバランス : 最大電流58mAのMOSFETを統合して、ほとんどのeバイクのセルバランス要件を達成し、外付けMOSFETのコストを削減し、必要なPCB面積を大幅に削減します。

結論

このユースケースでは、 リチウム電池のeバイク用に最適化された、MP2797の高性能でコスト効率にすぐれた利点について説明しました。MP2797の追加機能は以下のとおりです :

• I²CまたはSPIインタフェース、8ビット巡回冗長検査 (CRC) をサポート
• 統合されたハイサイドFET (HS-FET) ドライバ
• 4つ以上の並列NチャネルMOSFETを駆動可能
• GPIOまたはレジスタ制御FET
• 自動または手動のセルバランス
• 繊細な機能 :
• 低電流スタンバイモード
• 負荷 / チャージャのプラグイン検出
• 高電圧および低電圧GPIO
• 持続的な電池切れフラグ
• 保護しきい値用のロック可能なMTP
• ランダムセル接続許容
• TQFP-48 (7mm x 7mm) パッケージで提供