リチウムイオン (Li-Ion) バッテリーは電気自動車の一般的なエネルギー貯蔵方法であり、既存のすべてのバッテリー技術と比較して非常に高いエネルギー密度を提供します。ただし、パフォーマンスを最大限に引き出すには、バッテリー監視システム (BMS) を使用して充電と放電のサイクルを安全に管理し、バッテリーの寿命を延ばすことが不可欠です。この記事では、BMSのアーキテクチャと動作モード、およびADIが導入したBMSデバイスの製品機能と利点について紹介します。
BMSは電気自動車のバッテリーの運用効率を高めることができます
高度なBMSは、電気自動車が動作中にバッテリー パックから大量の電荷を効率的に抽出できるように支援します。バッテリーの充電状態 (SOC) を正確に測定してバッテリーの稼働時間を延長したり、重量を軽減したりできるほか、深放電、過充電、過電流、熱過負荷などの電気的過負荷を回避してバッテリーの安全性を高めることができます。
BMSの主な機能は、バッテリーの動作中に物理的なパラメータを監視し、バッテリー パック内の個々のセルが安全動作領域 (SOA) 内に留まるようにすることです。充電電流と放電電流、個々のセル電圧、およびバッテリー パック全体の温度を監視します。これらの値に基づいて、バッテリーの安全な動作が保証されるだけでなく、SOCと健全性状態 (SOH) の計算も容易になります。
BMSが提供するもう1つの重要な機能はセルバランスです。バッテリー パックでは、個々のセルを並列または直列に接続して、必要な容量と動作電圧 (最大1 kV以上) を実現できます。バッテリーメーカーはバッテリーパックに同一のセルを提供しようとしますが、完全な均一性を達成することは物理的に現実的ではありません。わずかな違いでも充電レベルや放電レベルに変化が生じ、バッテリー パック内の最も弱いセルが全体的なパフォーマンスに大きな影響を与える可能性があります。正確なセルバランスはBMSの重要な機能であり、バッテリー システムが最大容量で安全に動作することを保証します。
ワイヤレスBMSは通信配線をなくし、複雑さを軽減します
電気自動車のバッテリーは、直列に接続された複数のセルから構成されています。96個のセルが直列に接続された一般的なバッテリー パックは、4.2 Vで充電すると400 V以上を生成します。バッテリー パック内のセルの数が多いほど、達成される電圧は高くなります。充電電流と放電電流はすべてのセルで同じですが、各セルの電圧を監視する必要があります。
高出力の自動車システムに必要な多数のバッテリーを収容するために、複数のバッテリーセルが複数のモジュールに分割され、車両内の利用可能なスペース全体に分散されることがよくあります。一般的なモジュールは10 ～ 24個のセルから構成され、さまざまな車両プラットフォームに合わせてさまざまな構成で組み立てることができます。モジュラー設計は大型バッテリーパックの基盤として機能し、バッテリーパックをより広い領域に分散させることができるため、スペースの利用をより効率的に最適化できます。
電気自動車やハイブリッド車の高EMI環境で分散モジュール トポロジをサポートするには、堅牢な通信システムが不可欠です。絶縁されたCANバスは、この環境でモジュールを相互接続するのに適しています。CANバスは自動車アプリケーションでバッテリー モジュールを相互接続するための包括的なネットワークを提供しますが、多くの追加コンポーネントが必要になるため、コストと回路基板のスペースが増加します。さらに、最新のバッテリー管理システム (BMS) が有線接続を採用すると、重大な欠点が生じます。配線はさまざまなモジュールに配線する必要があり、重量と複雑さが増すため、難しい問題になります。配線はノイズを拾いやすいため、追加のフィルタリングが必要になります。
ワイヤレスBMSは、通信配線が不要になる新しいアーキテクチャです。ワイヤレスBMSでは、各モジュール間の相互接続はワイヤレス接続によって実現されます。複数のセルを備えた大型バッテリー パックのワイヤレス接続により、配線の複雑さが軽減され、重量が軽減され、コストが削減され、安全性と信頼性が向上します。しかし、無線通信は、過酷なEMI環境やRFシールド金属部品による信号伝播障害といった課題に直面しています。
組み込みワイヤレスネットワークは信頼性と精度を向上させることができます
ADIが導入したSmartMesh® 組み込みワイヤレス ネットワークは、産業用IoT (モノのインターネット) アプリケーションでオンサイト検証を受けました。パスと周波数の多様性を利用して冗長性を実現し、産業や自動車の環境などの厳しい環境でも99.999% を超える信頼性の高い接続を提供します。
複数の冗長接続ポイントを作成することで信頼性を高めることに加えて、ワイヤレス メッシュ ネットワークはBMSの機能も拡張します。SmartMeshワイヤレス ネットワークにより、バッテリー モジュールを柔軟に配置できるようになり、バッテリーSOCとSOHの計算が改善されます。これは、以前は配線に適さなかった場所に設置されたセンサーからより多くのデータを収集することによって実現されます。SmartMeshは各ノードからの時間相関測定結果も提供し、より正確なデータ収集を可能にします。
ADIは、LTC6811バッテリ スタック モニターをADI SmartMeshネットワーク テクノロジーと統合し、大きな進歩を遂げました。この統合により、コスト、重量、配線の複雑さを軽減しながら、電気自動車やハイブリッド車の大型マルチセル バッテリー パックの信頼性を高めることができます。
LTC6811は、マルチセル バッテリー アプリケーション向けに設計されたバッテリー スタック モニターです。最大12個の直列接続されたセルの電圧を、合計測定誤差1.2mV未満で測定できます。12個のセルすべての測定は290μs以内に完了し、ノイズを大幅に低減するために低いデータ取得レートを選択できます。LTC6811は0V ～ 5Vのバッテリー測定範囲を備えており、ほとんどのバッテリー化学アプリケーションに適しています。複数のデバイスをデイジーチェーン接続して、非常に長い高電圧バッテリー スタックを同時に監視できます。このデバイスには各セルのパッシブ バランス調整機能が含まれており、システム コントローラによってコンパイルされたデータ交換が絶縁バリアの両側で行われます。コントローラーは、SOCの計算、バッテリーバランスの制御、SOHのチェック、システム全体が安全限度内に留まるようにする役割を担います。
さらに、複数のLTC6811デバイスをデイジーチェーン接続できるため、長い高電圧バッテリ スタックを同時に監視できます。各LTC6811には、高速かつRF耐性のあるリモート通信用のisoSPIインターフェイスが搭載されています。LTC6811-1を使用する場合、複数のデバイスがデイジーチェーンで接続され、すべてのデバイスが1つのホスト プロセッサ接続を共有します。LTC6811-2を使用する場合、複数のデバイスがホスト プロセッサに並列に接続され、各デバイスは個別にアドレス指定されます。
LTC6811は、バッテリー パックまたは独立した電源から直接電力を供給でき、各バッテリー セルのパッシブ バランス調整機能と、各セルの個別のPWMデューティ サイクル制御機能を備えています。その他の機能としては、内蔵5Vレギュレータ、5つの汎用I/Oライン、スリープ モード (消費電流が4μAに低減) などがあります。
セルバランスはバッテリー容量と性能を最適化するために採用されています
セルバランスはバッテリーのパフォーマンスに大きな影響を与えます。正確な製造と選択を行っても、セル間に微妙な違いが生じる可能性があるためです。セル間の容量の不一致は、バッテリー パックの全体的な容量の低下につながる可能性があります。明らかに、スタック内の最も弱いセルがバッテリー パック全体のパフォーマンスを左右します。セルバランシングは、バッテリーが完全に充電されたときにセル間の電圧とSOCを均等にすることで、この問題を克服するのに役立つ技術です。
セルバランシング技術はパッシブ型とアクティブ型に分けられます。パッシブバランスを使用する場合、1つのセルが過充電されると、余分な電荷は抵抗器に放散されます。通常は、抵抗器とスイッチとして使用されるパワーMOSFETで構成されるシャント回路が使用されます。セルが過充電されると、MOSFETが閉じられ、余分なエネルギーが抵抗器に放散されます。LTC6811は内蔵のMOSFETを使用して各監視対象セルの充電電流を制御し、監視対象の各セルのバランスをとります。統合されたMOSFETによりコンパクトな設計が可能になり、60 mAの電流要件を満たすことができます。より高い充電電流が必要な場合は、外部MOSFETを使用できます。このデバイスには、バランス調整時間を調整するためのタイマーも備わっています。
一方、アクティブ バランシングでは、余剰エネルギーをモジュール内の他のセル間で再分配します。このアプローチにより、エネルギー回収と発熱量の低減が可能になりますが、より複雑なハードウェア設計が必要になるという欠点があります。
ADIは、バッテリーのアクティブ バランスを実現するためにLT8584を使用したアーキテクチャを導入しました。このアーキテクチャは、充電電流をアクティブにシャントし、エネルギーをバッテリー パックに戻すことで、パッシブ シャント バランサーに関連する問題に対処します。エネルギーは熱として放散されるのではなく、スタック内の残りのバッテリーを充電するために再利用されます。このデバイスのアーキテクチャは、スタック全体の容量が枯渇する前にスタック内の1つ以上のセルが低い安全電圧しきい値に達し、その結果実行時間が短くなるという問題にも対処します。アクティブ バランシングだけが、より強いセルからより弱いセルに電荷を再分配し、より弱いセルが負荷に電力を供給し続け、バッテリー パックからより高い割合のエネルギーを抽出できるようにします。フライバック トポロジにより、バッテリー パック内の任意の2つのポイント間で電荷を行き来させることができます。ほとんどのアプリケーションでは、電荷はバッテリー モジュール (12セル以上) に戻されますが、他のアプリケーションでは、電荷はバッテリー スタック全体または補助電源レールに戻されます。
LT8584は、高電圧バッテリ パックのアクティブ バランス調整用に特別に設計されたモノリシック フライバックDC/DCコンバータです。スイッチモード レギュレータの高効率により、達成可能なバランス電流が大幅に増加し、同時に熱放散が低減されます。さらに、アクティブ バランシングにより、不適合バッテリーのスタックの容量回復が可能になります。これは、パッシブ バランシング システムでは実現できない機能です。一般的なシステムでは、バッテリー総容量の99% 以上を達成できます。
LT8584には6A、50V電源スイッチが内蔵されており、アプリケーション回路の設計の複雑さを軽減します。このデバイスは放電するセルに完全に依存して動作するため、外部電源スイッチを使用するときに通常必要となる複雑なバイアス方式は不要です。イネーブル ピン (DIN) は、LTC680xシリーズのバッテリ スタック モニターICとシームレスに連携するように設計されています。さらに、LTC680xシリーズのデバイスと組み合わせて使用すると、LT8584は電流や温度の監視などのシステム テレメトリ機能を提供します。無効にすると、LT8584は通常、バッテリーから合計20nA未満の静的電流を消費します。
結論
低排出ガス車の鍵は電動化にありますが、エネルギー源（リチウムイオン電池など）のスマートな管理も必要です。不適切な管理によりバッテリーパックの信頼性が低下し、車両の安全性が大幅に低下する可能性があります。アクティブおよびパッシブの両方のバッテリーバランス調整は、安全で効率的なバッテリー管理に貢献します。分散型バッテリー モジュールはサポートが容易で、有線または無線の手段を介してBMSコントローラーにデータを確実に送信できるため、信頼性の高いSOCおよびSOHの計算が可能になります。ADIは、BMS開発の加速を支援し、電気自動車バッテリーの運用効率と安全性をより効率的に管理できる包括的なBMSコンポーネントを提供しています。