BMSの主な役割は、バッテリーの状態を保護し、伝達することです。
バッテリーは、さまざまなカテゴリーの電気自動車（バッテリーEV、ハイブリッド車、燃料電池EV）や、グリッドの安定性、ピークカット、再生可能エネルギーの時間シフトなど、さまざまな目的のエネルギー貯蔵など、多くの用途で広く使用されています。これらのアプリケーションでは、鉛蓄電池、ニッケル水素電池 (NiMH)、リチウムイオン電池 (Li-ion) が一般的に使用されます。これらのバッテリー パックを適切に管理することは、ハードウェア コンポーネントとソフトウェア コンポーネントの両方を必要とする非常に重要なタスクです。このタスクは通常、バッテリー管理システム (BMS) によって実装されます。BMSは、IEEE標準1491で「バッテリーの動作を測定、保存、および報告するための恒久的にインストールされたシステム」と定義されています。
この記事では、電力バッテリーで使用されるさまざまな化学物質の全体的な概要と、BMSを実装する主な目的について説明します。
動力電池の原理と種類
電池の最初の区別は、一次電池と二次電池があるということです。一次電池は充電できませんが、二次電池は充電可能です。各バッテリーシステムは化学的性質によって特徴付けられ、市場には多種多様なパワーバッテリーが存在します。この記事は主に二次電池に焦点を当てているため、最もよく使用されるセルの最も重要な特性を表1にまとめています。
| ニッケル水素電池 | ニッケル水素電池 | リチウムイオン電池 | |
| 平均動作電圧（V） | 1.2 | 1.2 | 3.6 |
| 質量エネルギー密度（Wh/kg） | 50–80 | 70–95 | 118–250 |
| 体積エネルギー密度（Wh/L） | 50–150 | 140–300 | 250–693 |
| 質量電力密度（W/kg） | 200 | 200–300 | 200–430 |
| 体積電力密度 (W/L) | 200 | 300 | 800 |
| 自己放電（月）@20° Ｃ | 10% | 20% | <5% |
| 動作温度（° C) | −20~50 | −20~60 | −20~60 |
| サイクル寿命 | >800 | >800 | >1,000 |
| 環境への影響 | 重度のカドミウム汚染 | 重金属汚染 | 比較的低い |
| 安全性 | 良い | 良い | 中くらい |
| 生産コスト | 最低 | 低い | 高い |
表1: 最もよく使用されるセルの特性
ニッケルカドミウム（NiCd）電池は1世紀以上にわたって開発されてきました。これらは比較的安価で堅牢であることで知られており、大容量、メンテナンスの容易さ、低コストのため広く採用されています。平均セル電圧は約1.2 Vです。これらの特性により、NiCdバッテリーは電動工具に非常に人気があります。エネルギー密度と比エネルギーは比較的低く、これがNiCd電池の欠点です。さらに、NiCd電池はいわゆる「メモリー効果」の影響を受けます。最後に、カドミウムの使用は深刻な環境問題を引き起こします。
NiCdバッテリーとは異なり、1990年に導入されたNiMHバッテリーは、より高いエネルギー密度と比エネルギーを備えています。NiMHバッテリーは、ノートパソコン、携帯電話、シェーバーなどの用途で広く使用されています。メモリ効果や金属汚染に関しても改善がもたらされます。NiCdバッテリーと比較した欠点としては、NiMバッテリーは自己放電率が高く、過充電に対する耐性が低く、充電プロセスがより複雑であるという点が挙げられます。
ニッケルベースのバッテリーと比較して、リチウムイオンバッテリーは、より高いCレート、より高いエネルギー密度、より長いサイクル寿命をサポートします。さらに、リチウムイオン電池は平均動作電圧が3.6 Vと高いという利点があります。また、リチウムイオン電池はニッケルベースの電池に比べて自己放電率が大幅に低くなっています。また、メモリ効果の影響を受けず、ニッケルベースのバッテリーよりもCレートで表される大電流を供給する能力が低くなります。リチウムイオン電池を過放電すると、サイクル寿命が低下します。さらなる予防措置を講じないと、リチウムイオン電池を過充電すると危険な状況につながり、電池の火災や爆発を引き起こす可能性もあります。したがって、一般的に、リチウムイオン電池の過充電および過放電は許可されないと言えます。
使用されるカソードに基づいて、LiFePO4、LiMn2O4、NCM、およびリチウムイオン電池には、充電率、安全性、コスト、充電、放電、および環境への影響に関して異なるパフォーマンスレベルを提案する種類があります。用途としては、ノートパソコン、携帯電話、EVバッテリーなどがあります。
パワーバッテリーの性能は市場で受け入れられるために不可欠です。たとえば、EVの場合、エネルギー密度が重要な要素となります。リチウムイオン電池は、ニッケルベースの電池に比べてエネルギー密度、電力密度、寿命が高く、将来性が期待できます。バッテリーのコスト、充電率、安全性など、さまざまな側面を改善するための研究が進行中です。
バッテリーを選択する際に考慮すべき点は他にもたくさんあり、FAEまたは専門家にアドバイスを求めるのが最善です。いつでも、Arrow Electronicsの地元のBMSおよびバッテリーの専門家に連絡してサポートを受けることができます。
保護すべき危険
BMSは、バッテリーの充電と放電を制御および監視するために作られています。監視すべき特性はいくつかあり、温度、電流、電圧、バッテリーの種類、高電圧システムにおける絶縁、充電状態 (SOC)、健全性状態 (SOH)、極端に高い電流の流れなどがあります。監視されるすべての値は、BMSのタスクに必要です。原則として、BMSは、図1に示すように、指定されたウィンドウ内に値を維持することで、SOCを最大化し、SOHを最適化し、深放電や過電圧からバッテリーを保護するのに適しています。
図1: リチウムイオン電池（NMC）の動作ウィンドウ
過電圧および低電圧保護（セルバランス）
マルチセルバッテリーでは、充電量が最も少ないセルによってシステム全体の容量が決まります。図1に示すように、電圧がバッテリーの設計上のしきい値電圧を下回ったり上回ったりすると、バッテリーは回復不可能な損傷を受けます。電圧が低い場合、陽極銅が溶解します。電圧が高い場合、リチウムメッキが発生し、さらに電圧が上昇すると、セルからガスが放出され、発火します。
セルバランスは通常、高精度のアナログ-デジタル コンバーターを備えた集積回路 (IC) によって実行されます。セル バランシングの主なタイプは、アクティブ バランシングとパッシブ バランシングです。アクティブ バランシングでは、単一セルのより高い電荷を別の単一セルに転送できますが、パッシブ バランシングでは、抵抗器の助けを借りて電荷が消散します。個々のセル コントローラは、メインBMSコントローラから独立して、定期的なセル測定や機能安全に必要な状態分析など、特にエネルギーを節約する特定のハウスキーピング機能を実行できます。過電圧または低電圧を知らせる安全機能が自動的に作動します。
過放電保護/低電圧カットオフ
過放電保護は、低電圧カットオフとも呼ばれ、多くの、そして通常すべてのリチウムイオン バッテリー パックに備わっている重要な安全機能です。これは、特定のレベルを下回る電圧降下に対する保護を目的としています。
バッテリーが極度に放電した場合の影響は多岐にわたりますが、ほとんどの場合、回復不可能な損傷につながります。たとえば、ライフサイクルパフォーマンスの低下や熱暴走によって火災が発生する可能性があります。
したがって、セルの化学組成が異なれば、安全な動作領域も異なります。一般的に、ICを使用して安全な動作範囲を決定し、アプリケーション内のセル/パックに対して必要な保護を提供します。
短絡保護
バッテリーに短絡が発生した場合は過電流保護が必要です。これにより、極端な放電動作が発生し、高電流が流れ、バッテリーが急速に加熱され、熱暴走が発生します。
バッテリーを保護する方法は、サーマルカットオフ、パイロヒューズ、回路ブレーカーの3つがあります。BMSメーカーは、必要な安全レベルに応じて、1つのシステムで1つの機能またはすべての機能を使用できます。バッテリーパックが一定の温度レベルに達すると、サーマルカットオフが作動します。EVのような高電圧システムでは、この機能は通常、デジタル プロセッサによってアクティブ化されますが、低電圧アプリケーションでは、事前定義されたしきい値に基づいてこの保護が自動的にトリガーされるように実装できます。
人間が危害を受ける可能性がある環境では、火災や爆発に対する保護が特に重要です。したがって、デジタルでトリガーされるパイロヒューズが機能します。ヒューズは、マイナス側、プラス側、またはその両方の高電圧経路に接続されます。ヒューズは、バッテリーへの重大な損傷を防ぐための最後の防衛線として作動します。
トラックのようにサービスの継続性が重要となる特殊な環境では、より複雑で高価なソリューションが使用される傾向があります。バックツーバックSiC MOSFETをベースにした回路ブレーカーは、短絡が発生した場合にバッテリー パック システムを損傷から保護する1つの方法です。このソリューションの欠点は価格とサイズです。機能はパイロヒューズと同じですが、イベント後にオンにすることができます。
過電流保護
前述したように、セルは電流の流れによってバランスが保たれます。バッテリーの充電能力に応じて、この電流は100 mAから500 mAの範囲になります。過電流保護は、バランスICが超えてはならない特定の電流制限です。ほとんどの場合、この制限は個別に設定でき、バッテリーを不可逆的な損傷、火災、爆発から保護するのに役立ちます。
消費電流は周囲温度に依存するため、しきい値を定義する際にはこれを考慮する必要があります。さらに、電流レベルの制限は、実際のバッテリー電流消費レベルよりも低く設定する必要があります。通常、レベルには2 ～ 3の追加の安全係数が課されます。小さな電流変動の場合、BMS過電流保護が誤ってトリガーされる可能性があります。システムがこのような動作をしないようにするために、一部のBMSにはヒステリシス フィルターとデジタル フィルターと呼ばれる機能が備わっています。
熱暴走防止
バッテリーは、使用される化学物質に応じて、最高60°Cの温度に耐えることができます。高温のセルの温度は隣接するセルに広がり、バッテリー パック全体が瞬く間に熱くなる可能性があります。熱によって連鎖反応が引き起こされ、さまざまな化学反応によって可燃性ガスが放出され、バッテリーパック全体が燃えてしまう可能性があります。
事前に定義された温度しきい値に達すると、熱暴走保護がトリガーされます。バッテリーをシャットダウンし、バッテリーが熱暴走するのを防ぎます。
BMSの主な役割は、バッテリーの状態を保護し、伝達することです。保護すべき危険の種類は膨大です。緑色の安全動作領域 (図1) は、バッテリーを使用できる限定された条件を示しています。バッテリー パックが設計動作範囲外で使用されないようにする必要があります。このエリアにバッテリーを保管し、人間にとって安全に保つには、複雑で安全なメカニズムが必要です。BMSで使用されるソフトウェア部分は設計の大きな部分を占めるため、プロジェクトの初期段階で考慮する必要があります。IC、アーキテクチャ、ソフトウェア、バッテリーパックの選択にはコストがかかり、深い知識がなければ「最善」の選択をするのは困難です。アドバイスやサポートが必要な場合は、遠慮なくArrowにお問い合わせください。
この記事は、Arrow Electronicsのテクノロジー フィールド アプリケーション エンジニアであるUlrich Lentz氏によって執筆されました。
参考文献
- 1 インフィニオン テクノロジーズAG。（2022年12月29日）。"バッテリーとツェレンのバランス"
- 2 シャー、J. (2022年5月5日)。「リチウムイオン電池はなぜ発火するのか？事故を避けるには？"
- 3 ソーラーヴィルトシャフト、D.B.（2014年11月）。SICHERHEITSLEITFADENリ・イオネン・ハウスパイヒャー。Bundesverband Energiespeicher e.V.(BVES)、Bundesverband Solarwirtschaft e.V.
- 4 トライテック。(2022).「リチウム電池のBMS保護ボードとは何ですか？」
- 5 ベッター、D.M.(2022).Lade und Betriebsführungs戦略家。ステーションおよびモバイル用のバッテリー管理システムをベースとしています。シュトゥットガルト: Verein Deutscher Ingenieure。
- 6 Bergveld、H.J.、Kruijt、W.S.、およびノッテン、P.H.L.(2002.)「バッテリー管理システム」