バッテリー管理システム

バッテリー管理システム（BMS ）は、充電式バッテリー（セルまたはバッテリーパック）を管理する電子システムであり、実際のシナリオでバッテリーの安全な使用と長寿命化を促進し、バッテリーのさまざまな状態（健全性状態や充電状態など）を監視および推定し、[ 1 ]二次データを計算し、そのデータを報告し、環境を制御し、認証またはバランスをとる。[ 2 ]

保護回路モジュール（PCM）はBMSのよりシンプルな代替品である。[ 3 ]

外部通信データバスを備えたBMSと一体化したバッテリーパックはスマートバッテリーパックと呼ばれます。スマートバッテリーパックはスマートバッテリーチャージャーで充電する必要があります。[ 1 ] [ 4 ]

機能

バランサー付き4セルLiFePO 4バッテリー用安全回路

モニター

BMS は、次のようなさまざまな項目で表されるバッテリーの状態を監視できます。

  • 電圧：合計電圧、個々のセルの電圧、または周期的なタップの電圧
  • 温度: 平均温度、冷却剤の入口温度、冷却剤の出口温度、または個々のセルの温度
  • 冷却剤の流れ：液冷式バッテリー用
  • 電流: バッテリーの電流またはバッテリーから流れる電流
  • 個々の細胞の健康
  • 細胞のバランスの状態

電気自動車システム：エネルギー回収

  • BMS は、回収されたエネルギー (回生ブレーキからのもの) をバッテリー パック (通常は複数のバッテリー モジュールで構成され、各モジュールは複数のセルから構成されます) にリダイレクトすることで、バッテリーの再充電も制御します。

バッテリーの熱管理システムはパッシブとアクティブのいずれにも可能であり、冷却媒体は空気、液体、または何らかの形の相変化です。[ 5 ]空冷は単純であるという利点があります。このようなシステムは、周囲の空気の対流のみに依存するパッシブと、空気の流れにファンを使用するアクティブにすることができます。市販されているモデルでは、ホンダ インサイトとトヨタ プリウスはどちらもバッテリー システムにアクティブ空冷を採用しています。[ 6 ]空冷の主な欠点は、その非効率性です。冷却機構を動作させるには、アクティブな液体冷却よりもはるかに多くの電力を使用する必要があります。[ 7 ]冷却機構の追加コンポーネントによって BMS の重量も増加し、輸送用バッテリーの効率が低下します。

液体冷却は、液体冷媒の熱伝導率が空気よりも高い傾向があるため、空冷よりも自然冷却のポテンシャルが高くなります。バッテリーは冷媒に直接浸漬するか、冷媒がバッテリーに直接接触することなくBMSを流れるようにすることができます。間接冷却では、冷却チャネルが長くなるため、BMS全体に大きな温度勾配が生じる可能性があります。この温度勾配は、冷媒をシステム全体に高速で送ることで軽減できますが、送液速度と熱安定性の間でトレードオフが生じます。[ 7 ]

計算

さらに、BMSは以下のような項目に基づいて値を計算することもある。[ 1 ] [ 4 ]

  • 電圧：最小および最大セル電圧
  • バッテリーの充電レベルを示す充電状態（SoC）または放電深度（DoD）
  • 健康状態（SoH）は、バッテリーの残存容量を元の容量の割合として測定する、さまざまな定義の測定値です。
  • 電力状態（SoP）は、現在の電力使用量、温度、その他の条件を前提として、定義された時間間隔で利用可能な電力の量です。
  • 安全状態（SOS）
  • 充電電流制限（CCL）としての最大充電電流
  • 放電電流制限（DCL）としての最大放電電流
  • 前回の充電または充電サイクル以降に供給されたエネルギー
  • セルの内部インピーダンス（開回路電圧を決定するため）
  • 供給または蓄積された電荷（この機能はクーロンカウントと呼ばれることもあります）
  • 初回使用からの合計動作時間
  • 総サイクル数
  • 温度監視
  • 空冷式または液冷式バッテリーの冷却剤の流れ

コミュニケーション

BMS の中央コントローラは、セル レベルで動作するハードウェアと内部的に通信し、ラップトップやHMIなどの高レベル ハードウェアと外部的に通信します。

高レベルの外部通信はシンプルで、いくつかの方法を使用します。

低電圧集中型 BMS にはほとんどの場合、内部通信機能がありません。

分散型またはモジュール型の BMS では、低レベルの内部セル - コントローラ (モジュール型アーキテクチャ) またはコントローラ - コントローラ (分散型アーキテクチャ) 通信を使用する必要があります。これらのタイプの通信は、特に高電圧システムでは困難です。問題はセル間の電圧シフトです。最初のセルのグランド信号は、他のセルのグランド信号よりも数百ボルト高くなる可能性があります。ソフトウェア プロトコルとは別に、電圧シフト システム用のハードウェア通信には、光アイソレータと無線通信の 2 つの既知の方法があります。内部通信のもう 1 つの制限は、最大セル数です。モジュール型アーキテクチャの場合、ほとんどのハードウェアは最大 255 ノードに制限されています。高電圧システムでは、すべてのセルのシーク時間ももう 1 つの制限であり、最小バス速度が制限され、一部のハードウェア オプションが失われます。モジュール型システムのコストは、セルの価格に匹敵する可能性があるため、重要です。[ 9 ]ハードウェアとソフトウェアの制限の組み合わせにより、内部通信にはいくつかのオプションがあります。

  • 絶縁シリアル通信
  • 無線シリアル通信

電流による熱による既存のUSBケーブルの電力制限を回避するため、携帯電話の充電器に実装された高電圧ネゴシエーション用の通信プロトコルが開発されており、最も広く使用されているのはQualcomm Quick ChargeとMediaTek Pump Expressである。Oppoの「VOOC」（「OnePlus」では「Dash Charge」というブランド名でも知られる）は、電圧ではなく電流を増加させることで、デバイス内部で高電圧をバッテリーの充電端子電圧に変換する際に発生する熱を低減する。しかし、既存のUSBケーブルとは互換性がなく、それに応じて太い銅線を使用した特殊な高電流USBケーブルが必要となる。最近では、USB Power Delivery規格が、最大240ワットのデバイス間での汎用ネゴシエーションプロトコルを目指している。[ 10 ]

保護

BMSメインコントローラー

BMSは、次のような安全動作領域外での動作を防止することでバッテリーを保護することができる。 [ 1 ] [ 11 ]

  • 過充電
  • 過放電
  • 充電中の過電流
  • 放電中の過電流
  • 充電中の過電圧。特に鉛蓄電池、リチウムイオン電池、LiFePO 4電池では重要。
  • 放電中の低電圧（特にLiイオンおよびLiFePO 4セルで重要）
  • 過熱
  • 体温が低い
  • 過圧（ニッケル水素電池）
  • 地絡または漏電検出（高電圧バッテリーが車体などの触れることのできる導電性物体から電気的に切断されていることを監視するシステム）

BMS は、次の方法でバッテリーの安全動作領域外での動作を防止する場合があります。

  • バッテリーが安全動作領域外で動作した場合に開く内部スイッチ（リレーやMOSFETなど）を含む
  • デバイスにバッテリーの使用や充電を減らすか、あるいは停止するように要求します。
  • ヒーター、ファン、エアコン、液体冷却などによる環境の積極的な制御
  • 熱を減らすにはプロセッサの速度を下げます。

バッテリーと負荷回路の接続

BMS には、バッテリーをさまざまな負荷に安全に接続し、負荷コンデンサへの過剰な突入電流を排除できるプリチャージ システムが搭載されている場合もあります。

負荷への接続は通常、コンタクタと呼ばれる電磁リレーによって制御されます。プリチャージ回路は、コンデンサが充電されるまで負荷に直列に接続された電力抵抗器のいずれかです。あるいは、負荷に並列に接続されたスイッチング電源を使用して、負荷回路の電圧をバッテリー電圧に近いレベルまで充電し、バッテリーと負荷回路間のコンタクタを閉じることができます。BMSには、突入電流の発生を防ぐために、再充電前にリレーが既に閉じているかどうか（例えば溶接など）を確認する回路が備わっている場合があります。

バランス調整

分散型バッテリー管理システム

バッテリー容量を最大限に高め、局所的な充電不足や過充電を防ぐために、BMSはバランス調整によってバッテリーを構成するすべてのセルの電圧または充電状態を常に一定に保つよう能動的に制御します。BMSは以下の方法でセルのバランス調整を行います。

  • 最も充電されたセルを負荷に接続して（パッシブレギュレータなどを介して）エネルギーを消散させる
  • 最も充電されたセルから最も充電されていないセルへのエネルギーのシャッフル（バランサー）
  • 充電電流を、完全に充電されたセルに損傷を与えない程度に低いレベルまで下げる一方で、充電量が少ないセルは充電を継続する（リチウム化学セルには適用されない）

一部の充電器は、各セルを個別に充電することでバランス調整を行います。これは多くの場合、充電器ではなくBMSによって実行されます（充電器は通常、バルク充電電流のみを供給し、セルグループレベルでパックとやり取りすることはありません）。例えば、電動自転車やホバーボードの充電器などがその例です。この方法では、BMSはバランス調整中はトランジスタ回路を用いて充電入力を遮断します（携帯型電子機器では一般的） 。これは、セルの過充電を防ぐためです。

トポロジー

ケーブルデータ転送モジュール
BMS無線通信

BMS テクノロジーは、複雑さとパフォーマンスが異なります。

  • シンプルなパッシブレギュレータは、セル電圧が一定レベルに達したときに充電電流をバイパスすることで、バッテリーまたはセル間のバランス調整を実現します。セル電圧は、セルのSoC（特にLiFePO4などの特定のリチウム化学組成）の指標としては不適切です。4（これは全く指標にはなりませんが）、パッシブレギュレータを用いてセル電圧を均一化しても、BMSの目的であるSoCのバランスをとることはできません。したがって、このようなデバイスは確かに有益ではあるものの、その効果には大きな限界があります。
  • アクティブレギュレータは、負荷を適切なタイミングでインテリジェントにオン/オフすることで、バランス調整を実現します。アクティブレギュレータを有効化するためのパラメータとしてセル電圧のみを使用する場合、パッシブレギュレータの場合と同じ制約が適用されます。
  • 完全な BMS はバッテリーの状態をディスプレイに報告し、バッテリーを保護します。

BMS トポロジは次の 3 つのカテゴリに分類されます。

  • 集中型: 単一のコントローラーが多数の配線を介してバッテリーセルに接続されます
  • 分散型：各セルにBMSボードが設置され、バッテリーとコントローラー間の通信ケーブルは1本のみ
  • モジュラー: 少数のコントローラーがそれぞれ一定数のセルを処理し、コントローラー間で通信を行う

集中型BMSは最も経済的ですが、拡張性が低く、配線が多数必要になります。分散型BMSは最も高価ですが、設置が最も簡単で、組み立ても最も簡単です。モジュール型BMSは、他の2つのトポロジーの特徴と問題点を妥協したソリューションです。

モバイル アプリケーション (電気自動車など) と据置型アプリケーション (サーバー ルームのスタンバイ UPS など) における BMS の要件は、特にスペースと重量の制約要件が大きく異なるため、ハードウェアとソフトウェアの実装を特定の使用に合わせて調整する必要があります。電気自動車やハイブリッド自動車の場合、BMS は単なるサブシステムであり、スタンドアロン デバイスとしては動作できません。少なくとも、充電器 (または充電インフラストラクチャ)、負荷、熱管理、および緊急シャットダウン サブシステムと通信する必要があります。したがって、優れた車両設計では、BMS はこれらのサブシステムと緊密に統合されています。一部の小型モバイル アプリケーション (医療機器カート、電動車椅子、スクーター、フォークリフトなど) には外部充電ハードウェアが搭載されていることがよくありますが、オンボード BMS は外部充電器と緊密に設計統合されている必要があります。

さまざまなバッテリーバランス調整方法が使用されており、その一部は充電状態理論に基づいています。

参照

参考文献

  1. ^ a b c d Pradhan, SK; Chakraborty, B. (2022-07-01). 「バッテリー管理戦略：バッテリーの健全性状態モニタリング技術に関する必須レビュー」 . Journal of Energy Storage . 51 104427. Bibcode : 2022JEnSt..5104427P . doi : 10.1016/j.est.2022.104427 . ISSN  2352-152X .
  2. ^ Barsukov, Yevgen; Qian, Jinrong (2013年5月).ポータブル機器のバッテリー電力管理. Artech House. ISBN 978-1-60807-491-4。
  3. ^ 「PCM vs BMS、製品設計者にとってのジレンマ」 BMS PowerSafe® 2016年6月1日 2024年3月21日閲覧。
  4. ^ a b Kim, Minjoon; So, Jaehyuk (2023-12-01). 「電気自動車用バッテリー管理システムにおける充電状態と健全性状態の推定のためのVLSI設計とFPGA実装」 . Journal of Energy Storage . 73 108876. Bibcode : 2023JEnSt..7308876K . doi : 10.1016/j.est.2023.108876 . ISSN 2352-152X . 
  5. ^ Andrea, Davide (2010).大型リチウムイオン電池パック用バッテリー管理システム. ボストン: Artech House. ISBN 978-1-60807-104-3。
  6. ^ Liu, Huaqiang; Wei, Zhongbao; He, Weidong; Zhao, Jiyun (2017年10月). 「リチウムイオン電池の熱問題と電池熱管理システムの最近の進歩：レビュー」. Energy Conversion and Management . 150 : 304–330 . Bibcode : 2017ECM...150..304L . doi : 10.1016/j.enconman.2017.08.016 . ISSN 0196-8904 . 
  7. ^ a b Chen, Dafen; Jiang, Jiuchun; Kim, Gi-Heon; Yang, Chuanbo; Pesaran, Ahmad (2016年2月). 「リチウムイオン電池セルの異なる冷却方法の比較」 .応用熱工学. 94 : 846–854 . Bibcode : 2016AppTE..94..846C . doi : 10.1016/j.applthermaleng.2015.10.015 . ISSN 1359-4311 . 
  8. ^マリウス・ヴァッレ (2016-11-19)。"Kapper ledninger for å gi lengre rekkevidde til elbiler"。Teknisk Ukeblad (ノルウェー語) 。2016 年 11 月 20 日に取得。
  9. ^ 「異なるバッテリー管理システムのトポロジー」。2020年10月22日時点のオリジナルよりアーカイブ。2021年12月6日閲覧。
  10. ^ Sumukh Rao (2020年4月9日). 「Qualcomm Quick Charge vs OnePlus Warp Charge vs Oppo VOOC vs USB-PD – 急速充電技術の戦い」 . TechPP . 2021年12月6日閲覧。
  11. ^ Lee, Yu-Lin; Lin, Chang-Hua; Pai, Kai-Jun; Lin, Yu-Liang (2022-09-01). 「デュアルコンセントレーションアーキテクチャに基づくバッテリー管理システムのモジュール設計と検証」 . Journal of Energy Storage . 53 105068. Bibcode : 2022JEnSt..5305068L . doi : 10.1016/j.est.2022.105068 . ISSN 2352-152X . 
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