セルバランシング技術とその使用方法

公称リチウム電池の定格は約4.2Vのみですが、EV、携帯用電子機器、ラップトップ、パワーバンクなどのアプリケーションでは、公称電圧よりもはるかに高い電圧が必要です。これが、設計者が複数のセルを直列に組み合わせて、より高い電圧値のバッテリパックを形成する理由です。以前の電気自動車のバッテリーの記事からわかるように、バッテリーを直列に組み合わせると、電圧値が加算されます。たとえば、4.2Vの4つのリチウム電池が直列に接続されている場合、結果として得られるバッテリーパックの実効出力電圧は16.8Vになります。

しかし、多くのセルを直列に接続することは、多くの馬を戦車に乗せるようなものだと想像できます。すべての馬が同じ速度で走っている場合にのみ、戦車は最大の効率で運転されます。 4頭の馬のうち、1頭の馬がゆっくり走ると、他の3頭も速度を落とさなければならず、効率が低下します。同様に、4つのセルが直列に接続されている場合、最大の効率でバッテリパックを導出するには、4つのセルすべての電圧値が等しくなければなりません。すべてのセル電圧を等しく維持する方法は、セルバランシングと呼ばれます。この記事では、セルバランシングの詳細と、ハードウェアおよびソフトウェアレベルでのセルバランシングの使用方法について簡単に説明します。

なぜセルバランシングが必要なのですか？

セルバランシングは、バッテリパックを形成するために直列に接続されたすべての個々のセルの電圧レベルを等しく維持して、バッテリパックの最大効率を達成する手法です。異なるセルを組み合わせてバッテリーパックを形成する場合、それらが同じ化学的性質と電圧値であることを常に確認します。ただし、パックを取り付けて充電および放電すると、個々のセルの電圧値は、後で説明するいくつかの理由により変化する傾向があります。この電圧レベルの変動により、セルのバランスが崩れ、次のいずれかの問題が発生します。

熱暴走

起こりうる最悪の事態は熱暴走です。私たちが知っているように、リチウム電池は過充電と過放電に非常に敏感です。4つのセルのパックで、一方のセルが3.5Vで、もう一方のセルが3.2Vの場合、充電は直列であるためすべてのセルを一緒に充電し、他のバッテリーはまだ残っているため、3.5Vセルを推奨電圧よりも高く充電します充電が必要です。

細胞の分解

リチウム電池が推奨値をわずかに超えて過充電されると、電池の効率とライフサイクルが低下します。たとえば、充電電圧を4.2Vから4.25Vにわずかに上げると、バッテリーの劣化が30％速くなります。したがって、セルのバランス調整が正確でない場合は、わずかな過充電でもバッテリーの寿命が短くなります。

パックの充電が不完全です

パック内のバッテリーが古くなるにつれて、隣接するセルよりも弱いセルがいくつかある可能性があります。これらの週のセルは、通常の健康なセルよりも速く充電および放電するため、大きな問題になります。直列セルでバッテリパックを充電している間は、1つのセルが最大電圧に達しても充電プロセスを停止する必要があります。このようにして、バッテリーパック内の2つのセルが週になると、充電が速くなり、残りのセルは以下に示すように最大まで充電されません。

パックエネルギーの不完全な使用

同様に、バッテリーパックが放電されているときの同じケースでは、弱いセルは正常なセルよりも速く放電し、他のセルよりも速く最小電圧に到達します。 BMSの記事で学んだように、1つのセルが最小電圧に達しても、パックは負荷から切断されます。これにより、以下に示すように、パックエネルギーの未使用容量が発生します。

上記の考えられるすべての欠点を考慮に入れると、バッテリーパックを最大の効率で利用するにはセルバランシングが必須であると結論付けることができます。それでも、初期コストを非常に低くする必要があり、バッテリーの交換が問題にならないアプリケーションはほとんどなく、セルバランシングを回避できます。しかし、電気自動車を含むほとんどのアプリケーションでは、バッテリーパックから最大限のジュースを得るにはセルバランシングが必須です。

バッテリーパックのセルのバランスが崩れる原因は何ですか？

これで、バッテリーパック内のすべてのセルのバランスを保つことが重要である理由がわかりました。しかし、問題に適切に対処するには、セルが最初に不均衡になる理由を知る必要があります。先に述べたように、セルを直列に配置してバッテリーパックを形成する場合、すべてのセルが同じ電圧レベルにあることが確認されます。したがって、新しいバッテリーパックには常にバランスの取れたセルがあります。ただし、パックを使用すると、次の理由でセルのバランスが崩れます。

SOCの不均衡

セルのSOCの測定は複雑です。したがって、バッテリー内の個々のセルのSOCを測定することは非常に複雑です。理想的なセルバランシング技術は、同じ電圧（OCV）レベルではなく、同じSOCのセルと一致する必要があります。しかし、パックを作成するときにセルを電圧条件でのみ一致させることは実際には不可能であるため、SOCの変動はやがてOCVの変化につながる可能性があります。

内部抵抗変動

同じ内部抵抗（IR）のセルを見つけることは非常に困難であり、バッテリーが古くなるとセルのIRも変化するため、バッテリーパックではすべてのセルが同じIRを持つわけではありません。私たちが知っているように、IRはセルを流れる電流を決定するセルの内部インピーダンスに寄与します。IRが変化するため、セルを流れる電流とその電圧も変化します。

温度

セルの充電および放電容量は、セル周辺の温度にも依存します。EVやソーラーアレイのような巨大なバッテリーパックでは、セルは廃棄物エリアに分散され、パック自体の間に温度差があり、1つのセルが残りのセルよりも速く充電または放電して不均衡を引き起こす可能性があります。

以上の理由から、運転中にセルのバランスが崩れるのを防ぐことはできません。したがって、唯一の解決策は、セルのバランスが崩れた後、セルのバランスを取り戻すように強制する外部システムを使用することです。このシステムは、バッテリーバランシングシステムと呼ばれます。バッテリセルのバランシングに使用されるハードウェアおよびソフトウェアの手法には、さまざまな種類があります。タイプと広く使用されているテクニックについて説明しましょう。

バッテリーセルバランシングの種類

セルバランシング技術は、以下の4つのカテゴリに大別できます。各カテゴリーについて話し合います。

パッシブセルバランシング
アクティブセルバランシング
ロスレスセルバランシング
レドックスシャトル

1.パッシブセルバランシング

パッシブセルバランシング方式は、すべての中で最も単純な方式です。コストとサイズが大きな制約となる場所で使用できます。以下は、2種類のパッシブセルバランシングです。

チャージシャント

この方法では、抵抗のようなダミー負荷を使用して、過剰な電圧を放電し、他のセルと均等化します。これらの抵抗は、バイパス抵抗またはブリーディング抵抗と呼ばれます。パック内で直列に接続された各セルには、以下に示すように、スイッチを介して接続された独自のバイパス抵抗があります。

上記のサンプル回路は、それぞれがMOSFETのようなスイッチを介して2つのバイパス抵抗に接続されている4つのセルを示しています。コントローラは、4つのセルすべての電圧を測定し、電圧が他のセルよりも高いセルのMOSFETをオンにします。 MOSFETがオンになると、その特定のセルは抵抗を介して放電を開始します。抵抗の値がわかっているので、セルによって消費される電荷の量を予測できます。セルと並列に接続されたコンデンサは、スイッチング中の電圧スパイクをフィルタリングするために使用されます。

この方法は、電気エネルギーが抵抗器で熱として放散され、回路がスイッチング損失も考慮するため、あまり効率的ではありません。もう1つの欠点は、放電電流全体がほとんどコントローラーICに組み込まれているMOSFETを流れるため、放電電流を低い値に制限する必要があり、放電時間が長くなることです。この欠点を克服する1つの方法は、以下に示すように、外部スイッチを使用して放電電流を増やすことです。

内部PチャネルMOSFETは、コントローラーによってトリガーされ、抵抗R1およびR2を介してセルを放電（Iバイアス）させます。 R2の値は、放電電流（Iバイアス）の流れによってR2の両端で発生する電圧降下が、2番目のNチャネルMOSFETをトリガーするのに十分であるように選択されます。この電圧はゲートソース電圧（Vgs）と呼ばれ、MOSFETにバイアスをかけるために必要な電流はバイアス電流（Iバイアス）と呼ばれます。

NチャネルMOSFETがオンになると、電流は平衡抵抗 R-Balを流れます。この抵抗の値を低くすると、より多くの電流が抵抗を通過できるため、バッテリーの放電が速くなります。この電流はドレイン電流（I-ドレイン）と呼ばれます。この回路では、総放電電流はドレイン電流とバイアス電流の合計です。コントローラによってPチャネルMOSFETがオフになると、バイアス電流がゼロになるため、電圧Vgsもゼロになります。これにより、NチャネルMOSFETがオフになり、バッテリーが再び理想的な状態になります。

パッシブセルバランシングIC

パッシブバランシング技術は効率的ではありませんが、この単純さと低コストのために、より一般的に使用されています。ハードウェアを設計する代わりに、LTC6804やBQ77PL900など、それぞれリニアやテキサスインスツルメンツなどの有名メーカーから入手可能ないくつかのICを使用することもできます。これらのICをカスケード接続して複数のセルを監視し、開発時間とコストを節約できます。

充電制限

電荷制限法は、すべての中で最も非効率的な方法です。ここでは、効率をあきらめながら、バッテリーの安全性と寿命のみが考慮されます。この方法では、個々のセル電圧が継続的に監視されます。

充電プロセス中、1つのセルが最大充電電圧に達しても、充電は停止され、他のセルは途中まで残ります。同様に、放電中は、1つのセルが最小カットオフ電圧に達しても、パックが再び充電されるまで、バッテリーパックは負荷から切り離されます。

この方法は非効率的ですが、コストとサイズの要件を削減します。したがって、バッテリーが頻繁に充電される可能性のあるアプリケーションで使用されます。

2.能動細胞バランシング

パッシブセルバランシングでは、過剰な電荷が使用されなかったため、非効率的であると見なされます。一方、アクティブバランシングでは、過剰な電荷が形成され、1つのセルが低電荷の別のセルに転送されて均等化されます。これは、コンデンサやインダクタなどの電荷蓄積要素を利用することで実現されます。アクティブセルバランシングを実行する方法はたくさんありますが、一般的に使用される方法について説明します。

チャージシャトル（フライングコンデンサ）

この方法では、コンデンサを使用して、高電圧セルから低電圧セルに電荷を転送します。コンデンサは最初にSPDTスイッチを介して接続され、スイッチはコンデンサを高電圧セルに接続し、コンデンサが充電されると、スイッチはコンデンサを低電圧セルに接続し、そこでコンデンサからの電荷がセルに流れ込みます。電荷がセル間を往復しているため、この方法は電荷シャトルと呼ばれます。次の図は、理解を深めるのに役立ちます。

これらのコンデンサは、充電器を搭載した低電圧セルと高電圧セルの間をフライするため、フライングコンデンサと呼ばれます。この方法の欠点は、隣接するセル間でのみ電荷を移動できることです。また、電荷を転送するためにコンデンサを充電してから放電する必要があるため、さらに時間がかかります。また、コンデンサの充電および放電中にエネルギーが失われ、スイッチング損失も考慮する必要があるため、効率が非常に低くなります。下の画像は、フライングコンデンサがバッテリーパックにどのように接続されるかを示しています

誘導変換器（バックブースト方式）

アクティブセルバランシングの別の方法は、インダクタとスイッチング回路を使用することです。この方法では、スイッチング回路はバックブーストコンバータで構成されています。高電圧セルからの電荷はインダクタにポンプで送られ、バックブーストコンバータを使用して低電圧セルに放電されます。次の図は、2つのセルと1つの降圧ブーストコンバータのみを備えた誘導コンバータを表しています。

上記の回路では、以下の方法でMOSFET sw1とsw2を切り替えることにより、電荷をセル1からセル2に転送できます。最初にスイッチSW1が閉じられ、これによりセル1からの電荷が電流I-電荷でインダクタに流れ込みます。インダクタが完全に充電されると、スイッチSW1が開き、スイッチsw2が閉じます。

これで、完全に充電されたインダクタは極性が反転し、放電を開始します。今回は、インダクタからの電荷が電流I放電でセル2に流れ込みます。インダクタが完全に放電されると、スイッチsw2が開き、スイッチsw1が閉じてプロセスが繰り返されます。以下の波形は、明確な画像を取得するのに役立ちます。

時間t0の間、スイッチsw1は閉じられ（オンになり）、これにより、充電される電流Iが増加し、インダクタ（VL）の両端の電圧が増加します。次に、時間t1でインダクタが完全に充電されると、スイッチsw1が開かれ（オフになり）、インダクタは前のステップで蓄積した電荷を放電します。インダクタが放電すると極性が変わるため、電圧VLは負で表示されます。放電時（I放電）は最大値から減少します。この電流はすべてセル2に入り、充電されます。時間t2からt3までの短い間隔が許可され、t3でサイクル全体が再び繰り返されます。

この方法には、電荷がより高いセルからより低いセルにしか移動できないという大きな欠点もあります。また、スイッチングの損失とダイオードの電圧降下も考慮する必要があります。ただし、コンデンサ方式よりも高速で効率的です。

誘導コンバーター（フライバックベース）

私たちが議論したように、バックブーストコンバーター法は、より高いセルからより低いセルに電荷を転送することしかできませんでした。この問題は、フライバックコンバータとトランスを使用することで回避できます。フライバックタイプのコンバータでは、以下に示すように、巻線の一次側がバッテリパックに接続され、二次側がバッテリパックの個々のセルに接続されます。

私たちが知っているように、バッテリーはDCで動作し、変圧器は電圧が切り替わるまで効果がありません。したがって、充電プロセスを開始するには、一次コイル側のスイッチSpを切り替えます。これにより、DCがパルスDCに変換され、トランスの一次側がアクティブになります。

これで、2次側に、各セルに独自のスイッチと2次コイルがあります。低電圧セルのMOSFETを切り替えることにより、その特定のコイルを変圧器の2次側として機能させることができます。このようにして、一次コイルからの電荷が二次コイルに転送されます。これにより、バッテリーパック全体の電圧が弱いセルに放電されます。

この方法の最大の利点は、パック内の弱いセルをパック電圧から簡単に充電でき、特定のセルが放電ではないことです。しかし、にはトランスが含まれているため、それは大きなスペースを占め、回路の複雑さが高くなります。

3.ロスレスバランシング

ロスレスバランシングは、ハードウェアコンポーネントを減らし、より多くのソフトウェア制御を提供することによって損失を減らす、最近開発された方法です。これにより、システムがよりシンプルになり、設計がより簡単になります。この方法では、充電および放電中にパックにセルを追加またはパックから削除する機能を提供するマトリックススイッチング回路を使用します。8セルの簡単なマトリックススイッチング回路を以下に示します。

充電プロセス中に、高電圧のセルはスイッチの配置を使用してパックから取り出されます。上の図では、スイッチを使用してセル5をパックから取り外しています。赤い線の円を開いたスイッチ、青い線の円を閉じたスイッチと考えてください。したがって、弱いセルの休止時間は、充電中にそれらのバランスをとるために、充電プロセス中に増加する。ただし、それに応じて充電電圧を調整する必要があります。放電中も同じ手法に従うことができます。

4.レドックスシャトル

最後の方法は、ハードウェア設計者向けではなく、化学技術者向けです。鉛蓄電池では、セルバランスの問題はありません。鉛蓄電池が過充電されるとガスが発生し、過充電を防ぐためです。レドックスシャトルの背後にある考え方は、リチウム電池の電解質の化学的性質を変えることによって、リチウム電池に同じ効果を達成しようとすることです。この変更された電解質は、セルが過充電されるのを防ぐはずです。

セルバランシングアルゴリズム

効果的なセルバランシング技術は、ハードウェアを適切なアルゴリズムに組み合わせる必要があります。セルバランシングには多くのアルゴリズムがあり、ハードウェアの設計によって異なります。ただし、タイプは2つの異なるセクションに要約できます。

開回路電圧（OCV）の測定

これは簡単で最も一般的に使用される方法です。ここでは、各セルのオープンセル電圧が測定され、セルバランシング回路は、直列に接続されたすべてのセルの電圧値を等しくするように機能します。OCV（開回路電圧）の測定は簡単であるため、このアルゴリズムの複雑さは少なくなります。

充電状態（SOC）の測定

この方法では、セルのSOCのバランスが取れています。セルのSOCの測定は、SOCの値を計算するために一定期間にわたるセルの電圧と電流の値を考慮する必要があるため、複雑な作業であることがすでにわかっています。このアルゴリズムは複雑で、航空宇宙産業や宇宙産業のように高効率と安全性が要求される場所で使用されます。

これで記事は終わりです。これで、セルバランシングとは、ハードウェアおよびソフトウェアレベルでどのように実装されるかについて簡単に理解できたと思います。アイデアやテクニックがある場合は、コメントセクションで共有するか、フォーラムを使用して技術的なヘルプを入手してください。