電池モニターは電気自動車のバッテリー性能を最大化します

BMSは電気自動車のバッテリーの運用効率を向上させることができます

高度なBMSは、電気自動車が運転中にバッテリーパックから効率的に充電を抽出するのを支援することができます。また、バッテリー残量（SOC）を正確に測定することで、バッテリーの稼働時間を延長したり重量を減らしたりできます。さらに、バッテリーの安全性を向上させるためには、深放電、過充電、過電流、熱的ストレスなどの形態での電気的過負荷を回避することが含まれます。   BMSの主な機能は、バッテリーの運転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各セルが安全動作領域（SOA）内に収まるように保証することです。充電および放電電流、個別のセル電圧、全体的なバッテリーパックの温度を監視します。これらの値を基に、バッテリーの安全な運転を確保するだけでなく、バッテリー残量（SOC）および健康状態（SOH）の計測を支援します。   BMSが提供するもう一つの重要な機能は、セルバランシングです。バッテリーパック内では、所望の容量や動作電圧（最大1kV以上）を得るために、個々のセルが並列または直列に接続される場合があります。バッテリー製造業者は、バッテリーパックに均一なセルを提供しようと試みますが、完璧な均一性を物理的に実現することは現実的ではありません。わずかな違いでも充電や放電レベルに差が生じる可能性があり、バッテリーパック内の最も弱いセルが全体の性能に大きく影響を与えることがあります。正確なセルバランシングは、バッテリーシステムを最大容量で安全に運転するためのBMSの重要な機能です。

ワイヤレスBMSが通信配線を排除し、複雑さを軽減

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で構成されています。96セルを直列に接続した典型的なバッテリーパックは、4.2 Vで充電した場合に400 V以上を生成します。バッテリーパック内のセルが多いほど、達成される電圧は高くなります。すべてのセルで充放電電流は同じですが、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、複数のバッテリーセルはしばしばいくつかのモジュールに分割され、車両の利用可能な全ての空間に分散配置されます。典型的なモジュールは10から24セルで構成されており、さまざまな車両プラットフォームに合わせて異なる構成で組み立てることが可能です。モジュール設計は、大型バッテリーパックの基盤となり、バッテリーパックをより広いエリアに分散させることで、空間利用を効果的に最適化することを可能にします。   電動/ハイブリッド車の高EMI環境において分散型モジュール構成を支援するためには、強固な通信システムが不可欠です。この環境では、アイソレートされたCANバスがモジュール間の接続に適しています。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接続するための包括的なネットワークを提供しますが、追加のコンポーネントが多数必要であり、コストや基板スペースの増加につながります。さらに、現代のBattery Management Systems (BMS)が有線接続を採用する場合、重大な欠点を伴います。配線は異なるモジュールにルーティングする必要があるため、重量と複雑さが増加します。加えて、配線はノイズを拾いやすく、追加のフィルタリングを必要とします。   Wireless BMSは通信配線を不要にする新しいアーキテクチャです。Wireless BMSでは、各モジュール間の接続は無線接続によって実現されます。複数のセルを持つ大型バッテリーパックにおける無線接続は、配線の複雑さを軽減し、重量を削減し、コストを削減し、安全性と信頼性を向上させます。しかしながら、無線通信は過酷なEMI環境やRFシールド金属コンポーネントによる信号伝播の障害といった課題に直面します。

組み込み型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®組み込み型ワイヤレスネットワークは、産業用IoT（インターネット・オブ・シングス）アプリケーションでの現場検証を受けています。経路と周波数の多様性を利用することで冗長性を達成し、産業や自動車などの厳しい環境において99.999%を超える信頼性のある接続を提供します。
 
ワイヤレスメッシュネットワークは、複数の冗長接続ポイントを作ることで信頼性を向上させるだけでなく、BMSの機能を拡張します。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の柔軟な配置が可能になり、バッテリーのSOC（充電状態）およびSOH（健全性状態）の計算が改善されます。これは、従来配線が不適だった場所にセンサーを設置し、より多くのデータを収集することで実現されます。また、SmartMeshは各ノードから時間相関のある測定結果を提供し、より精密なデータ収集を可能にします。
 
ADIはLTC6811バッテリースタックモニターとSmartMeshネットワーク技術を統合し、これは重要な進展といえます。この統合により、電気およびハイブリッド車の大型多セルバッテリーパックの信頼性を向上させ、コスト、重量、および配線の複雑性を軽減する可能性があります。
 
LTC6811は多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個の直列接続セルの電圧を測定でき、総測定誤差は1.2mV未満です。12セルすべての測定は290μs以内で完了し、高ノイズ抑制を目的としてより低いデータ取得率を選択できます。LTC6811は0Vから5Vのバッテリー測定範囲に対応しており、ほとんどのバッテリー化学応用に適しています。複数のデバイスをデイジーチェーン接続することで、非常に長い高電圧バッテリースタックも同時に監視することが可能です。このデバイスには各セル向けのパッシブバランス機能を備え、隔離バリアの両側でデータ交換が行われ、システムコントローラーによって取りまとめられます。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の確認、そしてシステム全体が安全限界内に収まるよう管理する役割を果たします。
 
さらに、複数のLTC6811デバイスをデイジーチェーン接続することで、長い高電圧バッテリースタックを同時に監視することが可能です。各LTC6811にはisoSPIインターフェイスが搭載されており、高速かつRF耐性のあるリモート通信を提供します。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接続され、各デバイスが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隔離された電源から直接電力供給することができ、各バッテリーセル向けのパッシブバランス機能、および各セルの個別PWMデューティサイクル制御機能を備えています。他の特徴として、内蔵5Vレギュレーター、5つの汎用I/Oライン、および消費電流を4μAに減少させるスリープモードが挙げられます。

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使用されます

セルバランシングはバッテリーの性能に大きな影響を与えます。正確な製造と選択が行われたとしても、セル間には微妙な差異が現れる場合があります。セル間の容量の不一致は、バッテリーパック全体の容量を低下させる原因となります。スタックの中で最も弱いセルがバッテリーパック全体の性能を支配することは明らかです。セルバランシングは、バッテリーが完全に充電された際にセル間の電圧とSOCを均一化することで、この問題を克服する技術です。   セルバランシング技術は、受動型と能動型のタイプに分類できます。受動バランシングを利用する場合、あるセルが過充電された場合には、余分な電荷が抵抗に放散されます。通常、抵抗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。セルが過充電された場合、MOSFETが閉じられ、余分なエネルギーが抵抗に放散されます。LTC6811は内蔵MOSFETを使用して、監視されている各セルの充電電流を制御し、各セルのバランスを取ります。統合されたMOSFETによりコンパクトな設計が可能で、60mA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を使用することができます。また、タイマーによりバランシング時間の調整を可能にします。   一方、能動バランシングは、余分なエネルギーをモジュール内の他のセルに再分配する方法です。この方法はエネルギーの回収と低熱生成を可能にしますが、欠点はより複雑なハードウェア設計を必要とする点です。   ADIはLT8584を使用してバッテリーの能動バランシングを実現する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能動的にシャントし、エネルギーをバッテリーパックに戻すことで、受動シャントバランサーに関連する問題を解決します。エネルギーが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再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、スタック内のセルの一部または複数が、スタック全体の容量が尽きる前に低安全電圧しきい値に達し、稼働時間が短縮されるという問題にも対応します。能動バランシングのみが強いセルから弱いセルに電荷を再分配し、弱いセルが負荷に電力を供給し続けることを可能にし、バッテリーパックからより多くのエネルギーを取り出すことを可能にします。フライバックトポロジーにより、バッテリーパック内の任意の2ポイント間で電荷が前後することが可能になります。ほとんどの用途では、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、その他の用途では、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ることがあります。   LT8584は高電圧バッテリーパックの能動バランシング専用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、バランシング電流の実現可能性が大きく向上し、熱放散が減少します。また、能動バランシングは容量の異なるバッテリーで構成されたスタックでの容量回収を可能にします。典型的なシステムでは、バッテリー総容量の99%以上が達成可能です。   LT8584は統合された6A、50Vパワースイッチを備えており、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しているセルを完全に依存して動作し、外部パワースイッチ使用時に典型的に要求される複雑なバイアススキームを排除します。有効ピン（DIN）は、LTC680xシリーズバッテリースタックモニタICとシームレスに調整するように設計されています。さらに、LTC680xシリーズデバイスと組み合わせて使用する場合、LT8584はシステムのテレメトリ機能（電流および温度監視を含む）を提供します。無効状態の場合、LT8584はバッテリーからの総静的電流を通常20nA以下に抑えます。

結論

低排出量車両の鍵は電化にありますが、それにはリチウムイオンバッテリーなどのエネルギー源をスマートに管理することも必要です。不適切な管理は、バッテリーパックを信頼性の低いものにし、車両の安全性を著しく低下させる可能性があります。アクティブおよびパッシブなバッテリーバランシングの両方が、安全で効率的なバッテリー管理に寄与します。分散型バッテリーモジュールはサポートが容易で、有線またはワイヤレスのいずれの手段でも信頼性の高いデータ伝送をBMSコントローラに可能にし、信頼できるSOCおよびSOHの計算を実現します。ADIは包括的なBMSコンポーネントを提供しており、これによりお客様がBMS開発を加速できるよう支援し、電気自動車バッテリーの運用効率と安全性のより効率的な管理を実現します。