バッテリー管理システムとは何ですか?

意味

バッテリー管理システム (BMS) は、バッテリー パックの監視に特化したテクノロジーです。バッテリー パックはバッテリー セルの集合体であり、行 x 列のマトリックス構成で電気的に組織され、一定期間にわたって目標範囲の電圧と電流を供給できるようにします。予想される負荷シナリオ。BMS が提供する監視には通常、次のものが含まれます。

• バッテリーの監視
• バッテリー保護の提供
• バッテリーの動作状態の推定
• バッテリー性能の継続的な最適化
• 外部機器への稼働状況の報告

ここで、「バッテリー」という用語はパック全体を意味します。ただし、監視および制御機能は、バッテリー パック アセンブリ全体の個々のセル、またはモジュールと呼ばれるセルのグループに特に適用されます。リチウムイオン充電式セルは最も高いエネルギー密度を持ち、ラップトップから電気自動車に至るまで、多くの消費者製品のバッテリーパックとして標準的に選択されています。バッテリーの性能は優れていますが、一般に厳しい安全動作領域 (SOA) の外で動作すると、バッテリーの性能を損なうことから完全に危険な結果に至るまで、さまざまな結果が生じる可能性があります。BMS の職務内容は確かに困難であり、その全体的な複雑さと監視範囲は、電気、デジタル、制御、熱、油圧などの多くの分野に及ぶ可能性があります。

バッテリー管理システムはどのように機能しますか?

バッテリー管理システムには、採用しなければならない固定または固有の基準がありません。テクノロジーの設計範囲と実装された機能は、一般に次のような相関関係があります。

• バッテリーパックのコスト、複雑さ、サイズ
• バッテリーの用途と安全性、寿命、保証に関する懸念
• 機能安全対策が不十分な場合にコストと罰則が最重要視される、さまざまな政府規制による認証要件

BMS には多くの設計機能があり、バッテリー パックの保護管理と容量管理の 2 つの重要な機能があります。ここでは、これら 2 つの機能がどのように機能するかについて説明します。バッテリー パックの保護管理には 2 つの重要な分野があります。1 つは電気的保護であり、SOA の外での使用によってバッテリーが損傷しないようにすることを意味し、もう 1 つは熱的保護であり、パッシブおよび/またはアクティブな温度制御によってパックを維持または SOA 内に持ち込むことが含まれます。

電気管理保護: 電流

バッテリーパックの電流とセルまたはモジュールの電圧を監視することは、電気的保護への道です。あらゆるバッテリーセルの電気的 SOA は、電流と電圧によって制限されます。図 1 は典型的なリチウムイオン セル SOA を示しており、適切に設計された BMS は、メーカーのセル定格を超えた動作を防止してパックを保護します。多くの場合、バッテリ寿命をさらに延ばすために、SOA 安全ゾーン内に収まるようにさらにディレーティングが適用される場合があります。

リチウムイオン電池には充電時と放電時で異なる電流制限があり、どちらのモードでも、短時間ではありますが、より高いピーク電流を処理できます。バッテリーセルのメーカーは通常、ピーク充電および放電電流制限とともに、最大連続充電および放電電流制限を指定します。電流保護を提供する BMS は、確実に最大連続電流を適用します。ただし、負荷条件の突然の変化を考慮して、これが先行される場合があります。たとえば、電気自動車の急加速などです。BMS は、電流を積分し、デルタ時間後に利用可能な電流を減らすかパック電流を完全に遮断するかを決定することにより、ピーク電流の監視を組み込むことができます。これにより、BMS は、常駐ヒューズが注意を引かなかった短絡状態などの極端な電流ピークに対してほぼ瞬時に敏感に反応することができますが、過度に過大でない限り、高いピーク要求にも耐えることができます。長さ。

電気管理保護: 電圧

図 2 は、リチウムイオン電池が特定の電圧範囲内で動作する必要があることを示しています。これらの SOA 境界は、最終的には、選択したリチウムイオン電池の固有の化学的性質と、その時点での電池の温度によって決まります。さらに、どのバッテリ パックでも、負荷需要による放電やさまざまなエネルギー源からの充電など、大量の電流サイクルが発生するため、通常、バッテリ寿命を最適化するために、これらの SOA 電圧制限がさらに制限されます。BMS はこれらの制限が何であるかを認識する必要があり、これらのしきい値への近さに基づいて決定を下します。たとえば、高電圧制限に近づくと、BMS は充電電流の段階的な減少を要求したり、制限に達した場合には充電電流を完全に停止するよう要求したりする場合があります。ただし、この制限には通常、シャットダウンしきい値に関する制御のチャタリングを防ぐために、追加の固有電圧ヒステリシスの考慮事項が伴います。一方、低電圧制限に近づくと、BMS は主要なアクティブな違反負荷に電流需要を減らすよう要求します。電気自動車の場合、これは、トラクション モーターに利用可能な許容トルクを減らすことによって実行される場合があります。もちろん、BMS は、永久的な損傷を防ぐためにバッテリー パックを保護しながら、ドライバーの安全を最優先に考慮する必要があります。

熱管理保護: 温度

額面どおりに見ると、リチウムイオン電池の動作温度範囲は広いように見えますが、低温では化学反応速度が著しく低下するため、電池全体の容量が低下します。低温での能力に関しては、鉛蓄電池やニッケル水素電池よりもはるかに優れた性能を発揮します。ただし、0 °C (32 °F) 未満での充電は物理的に問題があるため、温度管理は慎重に重要です。氷点下充電中に負極に金属リチウムのメッキ現象が発生する場合があります。これは永久的な損傷であり、容量が低下するだけでなく、振動やその他のストレスのかかる条件にさらされるとセルが故障しやすくなります。BMS は、加熱と冷却を通じてバッテリー パックの温度を制御できます。

実現される熱管理は、バッテリー パックのサイズとコスト、性能目標、BMS の設計基準、および製品ユニットに完全に依存します。これには、対象となる地理的地域 (アラスカとハワイなど) の考慮が含まれる場合があります。ヒーターの種類に関係なく、一般に、外部 AC 電源、または必要なときにヒーターを動作させるための代替内蔵バッテリーからエネルギーを引き出す方がより効果的です。ただし、電気ヒーターの消費電流がそれほど多くない場合、一次バッテリー パックからのエネルギーが吸い上げられてヒーター自体が加熱される可能性があります。熱油圧システムが実装されている場合、電気ヒーターを使用して冷却剤が加熱され、冷却剤がポンプで送られ、パックアセンブリ全体に分配されます。

BMS 設計エンジニアは、熱エネルギーをパック内に少しずつ流すための設計上のトリックを持っていることは間違いありません。たとえば、容量管理専用の BMS 内のさまざまなパワー エレクトロニクスをオンにすることができます。直接加熱ほど効率的ではありませんが、それでも活用できます。冷却は、リチウムイオン電池パックの性能損失を最小限に抑えるために特に重要です。たとえば、おそらく特定のバッテリーは 20°C で最適に動作します。パックの温度が 30°C に上昇すると、パフォーマンス効率が 20% も低下する可能性があります。パックを 45°C (113°F) で継続的に充電および再充電すると、パフォーマンスの低下が 50% にまで上昇する可能性があります。また、特に急速な充電および放電サイクル中に過剰な発熱に継続的にさらされると、バッテリーの寿命が早期に劣化したり劣化したりする可能性があります。冷却は通常、パッシブまたはアクティブの 2 つの方法で実現され、両方の技術を使用することもできます。パッシブ冷却は空気の流れの動きに依存してバッテリーを冷却します。電気自動車の場合、これは単に道路を走行していることを意味します。ただし、空気の流れを最大化するために偏向エアダムを戦略的に自動調整するために対気速度センサーを統合できるため、これは見かけよりも洗練されている可能性があります。アクティブな温度制御ファンの実装は、低速時や車両停止時に役立ちますが、これでできることは単にパックを周囲の周囲温度と同じにすることだけです。灼熱の暑い日の場合、パックの初期温度が上昇する可能性があります。熱油圧アクティブ冷却は補完システムとして設計でき、通常は指定された混合比のエチレングリコール冷却剤を使用し、電気モーター駆動のポンプを介してパイプ/ホース、分配マニホールド、クロスフロー熱交換器 (ラジエーター) を介して循環させます。 、および冷却プレートがバッテリーパックアセンブリに対して常駐します。BMS はパック全体の温度を監視し、さまざまなバルブを開閉してバッテリー全体の温度を狭い温度範囲内に維持し、最適なバッテリー性能を確保します。

容量管理

バッテリー パックの容量を最大化することは、おそらく、BMS が提供する最も重要なバッテリー パフォーマンス機能の 1 つです。このメンテナンスを行わないと、最終的にバッテリーパック自体が使用できなくなる可能性があります。問題の根本は、バッテリー パックの「スタック」(セルの直列配列) が完全に同じではなく、本質的に漏れ率や自己放電率がわずかに異なることです。液漏れは製造上の欠陥ではなく、バッテリーの化学的特性によるものですが、製造プロセスの微細な変動によって統計的に影響を受ける可能性があります。当初、バッテリー パックには適切に適合したセルが含まれている可能性がありますが、時間の経過とともに、自己放電だけでなく、充電/放電サイクル、温度上昇、および一般的なカレンダーの経年変化による影響も受けて、セル間の類似性はさらに低下します。それを理解した上で、リチウムイオン電池は優れた性能を発揮しますが、タイトな SOA の外側で動作させるとかなり厳しいものになる可能性があるという前述の議論を思い出してください。リチウムイオン電池は過充電にうまく対処できないため、必要な電気的保護については以前に学びました。完全に充電されると、それ以上の電流を受け入れることができなくなり、注入された追加のエネルギーは熱に変換され、電圧が急速に上昇し、危険なレベルに達する可能性があります。これはセルにとって健全な状況ではなく、この状態が続くと永久的な損傷や危険な動作状態を引き起こす可能性があります。

バッテリーパックの直列セルアレイはパック全体の電圧を決定するものであり、隣接するセル間の不一致により、スタックを充電しようとするときにジレンマが生じます。図 3 は、その理由を示しています。完全にバランスの取れたセルのセットがある場合、各セルが同じように充電され、4.0 の電圧カットオフしきい値の上限に達すると充電電流を遮断できるため、すべて問題ありません。ただし、不均衡なシナリオでは、トップセルが早期に充電限界に達するため、他の下位セルがフル容量まで充電される前に、レッグの充電電流を終了する必要があります。

BMS が介入して窮地を救ってくれます。この場合はバッテリー パックです。これがどのように機能するかを示すには、キーの定義を説明する必要があります。特定の時点でのセルまたはモジュールの充電状態 (SOC) は、完全に充電されたときの総充電量に対する利用可能な充電量に比例します。したがって、SOC が 50% にあるバッテリーは、50% 充電されていることを意味し、これは燃料計の性能指数に似ています。BMS 容量管理は、パック アセンブリ内の各スタック全体で SOC の変動のバランスをとることがすべてです。SOC は直接測定可能な量ではないため、さまざまな手法で推定できます。また、バランシング スキーム自体は一般に、パッシブとアクティブの 2 つの主要なカテゴリに分類されます。テーマにはさまざまなバリエーションがあり、それぞれに長所と短所があります。特定のバッテリー パックとその用途にどれが最適であるかを決定するのは、BMS 設計エンジニア次第です。パッシブ バランシングは実装が最も簡単で、一般的なバランシングの概念を説明するのにも役立ちます。パッシブ方式では、スタック内のすべてのセルが最も弱いセルと同じ充電容量を持つことができます。比較的低い電流を使用して、充電サイクル中に SOC の高いセルから少量のエネルギーをやり取りし、すべてのセルが最大 SOC まで充電されます。図 4 は、これが BMS によってどのように実現されるかを示しています。各セルを監視し、トランジスタ スイッチと適切なサイズの放電抵抗を各セルと並列に利用します。BMS は、特定のセルが充電限界に近づいていることを感知すると、その周囲の過剰な電流をトップダウン方式でその下にある次のセルに誘導します。

前後のバランス プロセスのエンドポイントを図 5 に示します。要約すると、BMS は、次のいずれかの方法で、スタック内のセルまたはモジュールがパック電流とは異なる充電電流を認識できるようにすることで、バッテリー スタックのバランスをとります。

• 最も充電されたセルから電荷を除去し、過充電を防ぐために追加の充電電流に対する余裕を与え、充電の少ないセルがより多くの充電電流を受け取ることができるようにします。
• 最も充電されたセルの周りの充電電流の一部またはほぼすべての方向を変更することで、充電量の少ないセルが長時間充電電流を受け取ることができるようになります。

バッテリー管理システムの種類

バッテリー管理システムは単純なものから複雑なものまであり、「バッテリーを管理する」という主な目的を達成するために、さまざまなテクノロジーを幅広く組み込むことができます。ただし、これらのシステムは、バッテリ パック全体のセルまたはモジュールにどのように設置され、動作するかに関連するトポロジに基づいて分類できます。

一元化された BMS アーキテクチャ

バッテリー パック アセンブリに中央 BMS が 1 つあります。すべてのバッテリー パッケージは中央の BMS に直接接続されています。集中型 BMS の構造を図 6 に示します。集中型 BMS にはいくつかの利点があります。よりコンパクトで、BMS が 1 つしかないため、最も経済的になる傾向があります。ただし、集中型 BMS には欠点もあります。すべてのバッテリーが BMS に直接接続されているため、BMS はすべてのバッテリー パッケージに接続するために多くのポートを必要とします。これにより、大型バッテリー パックには多数のワイヤ、ケーブル配線、コネクタなどが使用されることになり、トラブルシューティングとメンテナンスの両方が複雑になります。

モジュラー BMS トポロジー

集中型の実装と同様に、BMS はいくつかの二重モジュールに分割されており、それぞれが専用のワイヤの束と、バッテリー スタックの隣接する割り当てられた部分への接続を備えています。図 7 を参照してください。場合によっては、これらの BMS サブモジュールは、サブモジュールのステータスを監視し、周辺機器と通信する機能を持つプライマリ BMS モジュール監視下に存在する場合があります。モジュール方式が二重化されているため、トラブルシューティングとメンテナンスが容易になり、より大きなバッテリー パックへの拡張も簡単です。欠点は、全体的なコストが若干高く、アプリケーションによっては未使用の機能が重複する可能性があることです。

プライマリ/サブBMS

概念的にはモジュール式トポロジと似ていますが、この場合、スレーブは測定情報の中継のみに限定され、マスターは計算と制御、および外部通信に専念します。そのため、モジュラー型と同様に、スレーブの機能がシンプルになる傾向があり、オーバーヘッドが少なく、未使用の機能も少ないため、コストは低くなる可能性があります。

分散BMSアーキテクチャ

電子ハードウェアとソフトウェアがモジュールにカプセル化され、接続された配線の束を介してセルに接続される他のトポロジとは大きく異なります。分散型 BMS には、監視対象のセルまたはモジュールに直接配置された制御ボード上のすべての電子ハードウェアが組み込まれています。これにより、数本のセンサー ワイヤと隣接する BMS モジュール間の通信ワイヤへのケーブル配線が軽減されます。その結果、各 BMS はより自己完結型となり、必要に応じて計算と通信を処理します。ただし、見かけの単純さにもかかわらず、この一体型はシールド モジュール アセンブリの奥深くに存在するため、トラブルシューティングとメンテナンスが潜在的に問題になる可能性があります。また、バッテリーパック構造全体に含まれる BMS の数が増えるにつれて、コストも高くなる傾向があります。

バッテリー管理システムの重要性

機能安全は BMS において最も重要です。充電および放電動作中に、監視制御下にあるセルまたはモジュールの電圧、電流、および温度が定義された SOA 制限を超えないようにすることが重要です。制限を長期間超えた場合、潜在的に高価なバッテリーパックが損傷するだけでなく、危険な熱暴走状態が発生する可能性があります。さらに、リチウムイオン電池の保護と機能安全のために、電圧しきい値の下限も厳しく監視されています。リチウムイオン電池がこの低電圧状態に留まると、最終的に銅のデンドライトがアノード上で成長する可能性があり、その結果、自己放電率が上昇し、安全性への懸念が生じる可能性があります。リチウムイオン駆動システムの高いエネルギー密度には、バッテリー管理ミスの余地がほとんどない代償が伴います。BMS とリチウムイオンの改良のおかげで、これは現在利用できる最も成功した安全なバッテリー化学構造の 1 つです。

バッテリー パックのパフォーマンスは BMS の次に重要な機能であり、これには電気および熱の管理が含まれます。全体的なバッテリー容量を電気的に最適化するには、パック内のすべてのセルのバランスが取れている必要があります。これは、アセンブリ全体で隣接するセルの SOC がほぼ同等であることを意味します。これは、最適なバッテリー容量を実現できるだけでなく、全体的な劣化を防ぎ、弱いセルの過充電による潜在的なホットスポットを減らすのに役立つため、非常に重要です。リチウムイオン電池は、メモリー効果や大幅な容量損失を引き起こす可能性があるため、低電圧制限を下回る放電を避ける必要があります。電気化学プロセスは温度の影響を非常に受けやすく、バッテリーも例外ではありません。環境温度が低下すると、容量と利用可能なバッテリーエネルギーが大幅に低下します。その結果、BMS は、たとえば電気自動車のバッテリー パックの液冷システムに常駐する外部インライン ヒーターと連動したり、ヘリコプターなどに組み込まれたパックのモジュールの下に設置された常駐ヒーター プレートをオンにしたりする可能性があります。航空機。さらに、極寒のリチウムイオン電池の充電は電池の寿命性能に悪影響を与えるため、最初に電池の温度を十分に上げることが重要です。ほとんどのリチウムイオン電池は 5°C 未満では急速充電できず、0°C 未満ではまったく充電しないでください。通常の運用使用時に最適なパフォーマンスを得るために、BMS の熱管理では、多くの場合、バッテリが狭いゴルディロックス動作領域 (例: 30 ～ 35°C) 内で動作することが保証されます。これにより、パフォーマンスが保護され、長寿命が促進され、健全で信頼性の高いバッテリー パックが促進されます。

バッテリー管理システムの利点

BESS と呼ばれることが多いバッテリーエネルギー貯蔵システム全体は、用途に応じて、戦略的に詰め込まれた数十、数百、さらには数千のリチウムイオンセルで構成されます。これらのシステムの電圧定格は 100V 未満ですが、パック供給電流が 300A 以上になる場合は 800V に達する場合もあります。高電圧パックの管理を誤ると、生命を脅かす壊滅的な災害を引き起こす可能性があります。したがって、BMS は安全な操作を確保するために絶対に重要です。BMS の利点は次のように要約できます。

• 機能安全。間違いなく、大型リチウムイオン電池パックの場合、これは特に慎重かつ不可欠です。しかし、ラップトップなどで使用されるさらに小さなフォーマットでも発火し、甚大な被害を引き起こすことが知られています。リチウムイオン駆動システムを組み込んだ製品のユーザーの個人の安全を確保するには、バッテリー管理エラーが発生する余地はほとんどありません。
• 寿命と信頼性。バッテリーパックの電気的および熱的保護管理により、宣言された SOA 要件内ですべてのセルが使用されることが保証されます。この細心の注意により、セルが激しい使用や急速な充放電サイクルに対して確実に保護され、必然的に安定したシステムが得られ、長年にわたって信頼性の高いサービスを提供できる可能性があります。
• パフォーマンスと範囲。BMS バッテリー パック容量管理では、セル間のバランスを採用してパック アセンブリ全体で隣接するセルの SOC を均等化することで、最適なバッテリー容量を実現できます。自己放電、充放電サイクル、温度の影響、および一般的な経年劣化の変動を考慮するこの BMS 機能がなければ、バッテリー パックは最終的には役に立たなくなる可能性があります。
• 診断、データ収集、および外部通信。監視タスクには、すべてのバッテリー セルの継続的な監視が含まれます。データ ログは、それ自体で診断に使用できますが、多くの場合、アセンブリ内のすべてのセルの SOC を推定するための計算タスクに使用されます。この情報はバランスアルゴリズムに利用されますが、外部デバイスやディスプレイに集合的に中継して、利用可能な常駐エネルギーを示し、現在の使用状況に基づいて予想航続距離または航続距離/寿命を推定し、バッテリーパックの健康状態を提供することができます。
• コストと保証の削減。BMS を BESS に導入するとコストが増加し、バッテリー パックは高価で潜在的に危険です。システムが複雑になればなるほど、安全要件も高くなり、より多くの BMS 監視の必要性が生じます。しかし、機能安全、寿命と信頼性、性能と範囲、診断などに関する BMS の保護と予防保守は、保証に関連するコストを含む全体的なコストの削減を保証します。

バッテリー管理システムとシノプシス

シミュレーションは、特にハードウェア開発、プロトタイピング、テストにおける設計課題の探索と対処に適用される場合、BMS 設計にとって貴重な味方です。正確なリチウムイオン電池モデルを使用すると、BMS アーキテクチャのシミュレーション モデルは、仮想プロトタイプとして認識される実行可能な仕様になります。さらに、シミュレーションにより、さまざまなバッテリーおよび環境動作シナリオに対する BMS 監視機能のバリアントを簡単に調査できます。実装の問題は非常に早い段階で発見および調査できるため、実際のハードウェア プロトタイプに実装する前にパフォーマンスと機能安全性の向上を検証できます。これにより、開発時間が短縮され、最初のハードウェア プロトタイプが堅牢なものになることが保証されます。さらに、物理的に現実的な組み込みシステム アプリケーションで実行される場合、最悪のシナリオを含む多くの認証テストを BMS とバッテリー パックに対して実行できます。

シノプシス セイバーRDは、BMS およびバッテリー パックの設計と開発に関心のあるエンジニアを支援する、広範な電気、デジタル、制御、熱油圧モデル ライブラリを提供します。多くの電子デバイスやさまざまなバッテリー化学タイプの基本的なデータシート仕様と測定曲線からモデルを迅速に生成するツールが利用可能です。統計解析、応力解析、および故障解析により、境界領域を含む動作領域のスペクトル全体を検証して、全体的な BMS の信頼性を確保できます。さらに、ユーザーがプロジェクトをすぐに開始し、シミュレーションから必要な答えにすぐに到達できるように、多くの設計例が提供されています。