電気自動車用バッテリー管理システム（bms）

7に^目2013年1月、ボーイング787型機の飛行がメカニック注目炎と煙が電源に電子飛行システムを使用されている飛行の補助電源装置（リチウム電池パック）からのその時、メンテナンスのために駐車しました。努力が火を先送りするために取られたが、10日後に、この問題の前には16で、解決することができ^番目の別のバッテリの故障が日本の空港で緊急着陸を引き起こし全日空が運営する787飛行中に発生した1月。これらの2つの頻繁な壊滅的なバッテリーの故障により、ボーイング787ドリームライナーの飛行は無期限に接地され、メーカーの評判を傷つけ、多大な経済的損失を引き起こしました。

米国と日本人による一連の共同調査の後、B-787のリチウム電池パックはCTスキャンを通過し、8つのリチウムイオン電池の1つが損傷して短絡を引き起こし、熱暴走を引き起こしたことが明らかになりました。 Li-ionバッテリーパックのバッテリー管理システムが短絡を検出/防止するように設計されていれば、この事件は簡単に回避できたはずです。いくつかの設計変更と安全規制の後、B-787は再び飛行を開始しましたが、それでもこの事件は、適切に取り扱われなかった場合にリチウム電池がいかに危険であるかを証明する証拠として残っています。

15年早送りして、今日、同じLi-ionバッテリーを使用する電気自動車があり、数千とは言わないまでも数百にまとめられています。定格電圧が約300Vのこれらの大容量バッテリーパックは車内に設置され、動作中に最大300A（概算）の電流を供給します。ここでの事故は大きな災害につながるため、EVではバッテリー管理システムに常にストレスがかかります。したがって、この記事では、このバッテリー管理システム（BMS）について詳しく学び、その設計と機能を理解して、よりよく理解するために分解します。バッテリーとBMSは密接に関連しているため、電気自動車とEVのバッテリーに関する以前の記事を参照することを強くお勧めします。

なぜバッテリー管理システム（BMS）が必要なのですか？

リチウムイオン電池は、その高い電荷密度と軽量さから、電気自動車メーカーにとって興味深い電池であることが証明されています。これらのバッテリーは、そのサイズのために多くのパンチを詰め込んでいますが、本質的に非常に不安定です。これらのバッテリーは、電圧と電流を監視する必要がある状況で、過充電または過放電にならないようにすることが非常に重要です。 EVのバッテリーパックを形成するために多くのセルが組み合わされているため、このプロセスは少し難しくなります。すべてのセルは、バッテリー管理システムと呼ばれる特別な専用システムを必要とする安全性と効率的な操作について個別に監視する必要があります。。また、バッテリーパックから最大の効率を得るには、すべてのセルを同じ電圧で同時に完全に充電および放電する必要があります。これにより、再びBMSが必要になります。これとは別に、BMSは、以下で説明する他の多くの機能を担当します。

バッテリー管理システム（BMS）の設計上の考慮事項

BMSを設計する際に考慮すべき要素はたくさんあります。完全な考慮事項は、BMSが使用される正確な最終アプリケーションによって異なります。EVのBMSとは別に、ソーラーパネルアレイ、風車、電源壁など、リチウムバッテリーパックが関係する場所でも使用されます。アプリケーションに関係なく、BMSの設計では次の要素のすべてまたは多くを考慮する必要があります。

放電制御： BMSの主な機能は、リチウム電池を安全な動作領域内に維持することです。たとえば、一般的なリチウム18650セルの低電圧定格は約3Vです。パック内のセルが3V未満で放電されないようにするのはBMSの責任です。

充電制御：放電とは別に、充電プロセスもBMSで監視する必要があります。ほとんどのバッテリーは、不適切に充電すると損傷したり、寿命が短くなる傾向があります。リチウム電池充電器には2段充電器を使用しています。第一段階は、定電流（CC）と呼ばれている充電器がバッテリを充電するための定電流を出力する時。バッテリーがほぼいっぱいになると、定電圧（CV）と呼ばれる第2段階ステージは、非常に低い電流で定電圧がバッテリーに供給されるときに使用されます。 BMSは、充電中の電圧と電流の両方が透過限界を超えないようにして、バッテリーを過充電または急速充電しないようにする必要があります。最大許容充電電圧と充電電流は、バッテリーのデータシートに記載されています。

充電状態（SOC）の決定： SOCはEVの燃料指標と考えることができます。実際には、パックのバッテリー容量をパーセンテージで示しています。私たちの携帯電話のものと同じように。しかし、それは思ったほど簡単ではありません。バッテリーの容量を予測するには、パックの電圧と充電/放電電流を常に監視する必要があります。電圧と電流が測定されると、バッテリーパックのSOCを計算するために使用できる多くのアルゴリズムがあります。最も一般的に使用される方法は、クーロンカウント法です。これについては、この記事の後半で詳しく説明します。値の測定とSOCの計算も、BMSの責任です。

State-of-Health（SOC）の決定：バッテリーの容量は、電圧と電流のプロファイルだけでなく、使用年数と動作温度にも依存します。 SOH測定により、使用履歴に基づいてバッテリーの使用年数と予想されるライフサイクルがわかります。このようにして、バッテリーが古くなるにつれてEVの走行距離（フル充電後の走行距離）がどれだけ減少するかを知ることができ、バッテリーパックをいつ交換する必要があるかも知ることができます。 SOHも計算され、BMSによって追跡される必要があります。

セルバランシング： BMSのもう1つの重要な機能は、セルバランシングを維持することです。たとえば、直列に接続された4つのセルのパックでは、4つのセルすべての電圧は常に等しくなければなりません。一方のセルが他方よりも低電圧または高電圧の場合、パック全体に影響します。たとえば、一方のセルが3.5Vで、他の3つが4Vの場合です。充電中、これら3つのセルは4.2Vに達しますが、他のセルは3.7Vに到達したばかりです。同様に、このセルは他の3つのセルの前に最初に3Vに放電します。このように、この単一のセルのために、パック内の他のすべてのセルを最大限に活用することができず、効率が低下します。

この問題に対処するには、BMSはセルバランシングと呼ばれるものを実装する必要があります。セルバランシング技術には多くの種類がありますが、一般的に使用されるのはアクティブタイプとパッシブタイプのセルバランシングです。パッシブバランシングでは、過剰な電圧のセルが抵抗のような負荷を介して強制的に放電され、他のセルの電圧値に到達するという考え方です。アクティブバランシングでは、強いセルを使用して弱いセルを充電し、電位を等しくします。セルバランシングについては、後で別の記事で詳しく説明します。

熱制御：リチウム電池パックの寿命と効率は、動作温度に大きく依存します。バッテリーが早く通常の室温に比べて暑い気候で放電する傾向があります。これに加えて、大電流の消費はさらに温度を上昇させます。これには、バッテリーパックにサーマルシステム（主にオイル）が必要です。この熱システムは、温度を下げることができるだけでなく、必要に応じて寒い気候でも温度を上げることができるはずです。 BMSは、個々のセルの温度を測定し、それに応じて熱システムを制御して、バッテリーパックの全体的な温度を維持する役割を果たします。

バッテリー自体から電力を供給： EVで利用可能な唯一の電源はバッテリー自体です。したがって、BMSは、保護および保守することになっているのと同じバッテリーから電力を供給されるように設計する必要があります。これは単純に聞こえるかもしれませんが、BMSの設計の難しさを増します。

理想的でない電力：車が走行中または充電中、あるいは理想的なモードであっても、BMSはアクティブで稼働している必要があります。これにより、BMS回路に継続的に電力が供給されるため、バッテリーをあまり消費しないように、BMSの消費電力を非常に少なくする必要があります。 EVが数週間または数か月間充電されないままになっていると、BMSおよびその他の回路はそれ自体でバッテリーを消耗する傾向があり、最終的には次の使用前にクランクまたは充電する必要があります。この問題は、テスラのような人気のある車でも依然として一般的です。

ガルバニック絶縁： BMSは、バッテリーパックとEVのECUの間のブリッジとして機能します。 BMSによって収集されたすべての情報は、ECUに送信して、インストルメントクラスターまたはダッシュボードに表示する必要があります。したがって、BMSとECUは、CAN通信やLINバスなどの標準プロトコルを介してほとんど継続的に通信する必要があります。 BMS設計は、バッテリーパックとECUの間にガルバニック絶縁を提供できる必要があります。

データロギング： BMSは大量のデータを格納する必要があるため、大容量のメモリバンクを持つことが重要です。 Sate-of-health SOHのような値は、バッテリーの充電履歴がわかっている場合にのみ計算できます。そのため、BMSは、インストール日からバッテリーパックの充電サイクルと充電時間を追跡し、必要に応じてこれらのデータを中断する必要があります。これは、アフターサービスの提供やエンジニア向けのEVの問題の分析にも役立ちます。

精度：セルが充電または放電されると、セルの両端の電圧が徐々に増加または減少します。残念ながら、リチウム電池の放電曲線（電圧対時間）は平坦な領域を持っているため、電圧の変化は非常に小さくなります。 SOCの値を計算したり、セルバランシングに使用したりするには、この変化を正確に測定する必要があります。適切に設計されたBMSの精度は±0.2mVに達する可能性がありますが、最低でも1mV〜2mVの精度が必要です。通常、このプロセスでは16ビットADCが使用されます。

処理速度： EVのBMSは、SOC、SOHなどの値を計算するために、多くの数値計算を実行する必要があります。これを実行するアルゴリズムは多数あり、機械学習を使用してタスクを実行するアルゴリズムもあります。これにより、BMSは処理が必要なデバイスになります。これとは別に、数百のセルにわたるセル電圧を測定し、微妙な変化にほぼ即座に気付く必要があります。

BMSのビルディングブロック

市場にはさまざまな種類のBMSがあります。自分で設計することも、すぐに利用できる集積ICを購入することもできます。ハードウェア構造の観点から、トポロジに基づくBMSには、集中型BMS、分散型BMS、およびモジュラーBMSの3種類しかありません。ただし、これらのBMSの機能はすべて類似しています。一般的なバッテリー管理システムを以下に示します。

BMSデータ収集

上記の関数ブロックをコアから分析してみましょう。BMSの主な機能は、バッテリーパック内のすべてのセルからの電圧、電流、温度などの3つの重要なパラメーターを測定する必要があるバッテリーを監視することです。。テスラには8,256個のセルがあり、96個のセルが直列に接続され、86個が並列に接続されてパックを形成しているように、バッテリーパックは多数のセルを直列または並列構成で接続することによって形成されます。セルのセットが直列に接続されている場合、各セルの両端の電圧を測定する必要がありますが、電流は直列回路で同じになるため、セット全体の電流は同じになります。同様に、セルのセットが並列に接続されている場合、各セルの両端の電圧は並列に接続されている場合は同じになるため、電圧全体のみを測定する必要があります。下の画像は、直列に接続されたセルのセットを示しています。個々のセルの電圧と温度が測定され、パック電流が全体として測定されていることがわかります。

「BMSでセル電圧を測定する方法は？」

一般的なEVには多数のセルが接続されているため、バッテリーパックの個々のセル電圧を測定するのは少し困難です。ただし、個々のセル電圧がわかっている場合にのみ、セルバランシングを実行してセル保護を提供できます。セルの電圧値を読み取るために、ADCが使用されます。ただし、バッテリーは直列に接続されているため、複雑さが増します。つまり、電圧を測定する端子は毎回変更する必要があります。リレーやマルチプレクサなどを使用してこれを行う方法はたくさんあります。これとは別に、直列に接続された複数のセル（12〜16）の個々のセル電圧を測定するために使用できるMAX14920などのバッテリ管理ICもあります。

「BMSのセル温度を測定する方法は？」

セル温度とは別に、すべてが大電流で動作するため、BMSはバス温度とモーター温度も測定する必要がある場合があります。温度の測定に使用される最も一般的な要素はNTCと呼ばれ、負の温度係数（NTC）の略です。抵抗器に似ていますが、周囲の温度に応じて抵抗器が変化（減少）します。このデバイスの両端の電圧を測定し、単純なオームの法則を使用することで、抵抗、つまり温度を計算できます。

セル電圧および温度測定用の多重化アナログフロントエンド（AFE）

セル電圧の測定は、高精度が必要であり、これとは別に、すべてのセルがセルバランシング用のスイッチを介して抵抗に接続されているため、muxからスイッチングノイズを注入する可能性があるため、複雑になる可能性があります。これらの問題を克服するために、AFE –アナログフロントエンドICが使用されます。AFEには、高精度のMux、バッファ、ADCモジュールが組み込まれています。コモンモードで電圧と温度を簡単に測定し、その情報をメインマイクロコントローラに転送できます。

「BMSのパック電流を測定する方法は？」

EVバッテリーパックは、最大250Aまたはそれ以上の大きな値の電流を供給することができます。これとは別に、負荷が均等に分散されていることを確認するために、パック内のすべてのモジュールの電流を測定する必要もあります。電流検出素子を設計する際には、測定デバイスと検出デバイスを分離する必要もあります。電流を検出するために最も一般的に使用される方法は、シャント法とホールセンサーベースの方法です。どちらの方法にも長所と短所があります。以前のシャント方式は精度が低いと考えられていましたが、分離された増幅器と変調器を備えた高精度シャント設計が最近利用可能になったため、ホールセンサーベースの方式よりも好まれています。

バッテリー状態の推定

BMSの主要な計算能力は、バッテリーの状態を推定することに専念しています。これには、SOCとSOHの測定が含まれます。SOCは、セルの電圧、電流、充電プロファイル、および放電プロファイルを使用して計算できます。SOHは、充電サイクル数とバッテリーの性能を使用して計算できます。

「バッテリーのSOCを測定する方法は？」

バッテリーのSOCを測定するアルゴリズムは多数あり、それぞれに独自の入力値があります。SOCで最も一般的に使用される方法は、クーロンカウント（簿記法）と呼ばれます。私たちは議論する予定です