リチウムイオン電池と電池管理システム

 

リチウムイオン電池は、ポータブル電子機器から大規模な産業機器や電気自動車まで、あらゆるものに電力を供給する現代技術の基盤となっています。

 

これらは、エネルギー密度の向上、軽量化、効率の向上、充電機能の高速化、寿命の長いバッテリー管理システム(BMS)など、鉛蓄電池などの古いバッテリー化学に比べて大きな利点を提供します。ただし、この高度なパフォーマンスには固有の感度が伴います。

 

リチウムイオン電池は、特定の電圧、電流、および温度パラメータ(総称して安全動作領域(SOAの).

 

このSOAの範囲外で操作すると、パフォーマンスの低下、寿命の短縮につながる可能性があり、さらに、熱暴走や火災などの重大な安全リスクが生じる可能性があります。

 

これらのリスクを軽減し、リチウムイオン技術の可能性を最大限に活用するには、高度な制御および監視システムであるバッテリー管理システム(BMS)が不可欠です。

 

BMSは、リチウムイオンバッテリーパックの「頭脳」と呼ばれることが多く、バッテリーパックのパフォーマンスと安全性を監視および管理するために設計された統合されたハードウェアとソフトウェアのセットです。

 

その主な目的は、バッテリーパックが安全に動作するようにすること、そのパフォーマンスを最適化すること、そしてその寿命を最大化することの3つです。

 

この記事では、BMSの世界を掘り下げ、その重要な機能を探り、安全性とパフォーマンスの両方にとっての重要性を強調し、その運用原理と主要な技術を説明し、さまざまなシステムアーキテクチャの概要を説明し、その幅広いアプリケーションについて説明し、その開発におけるデータ、診断、および高度な設計技術の役割に触れます。

 

これは、製造の専門家、エンジニア、およびバッテリー技術に関心のあるすべての人に、この重要なコンポーネントについて明確かつ包括的に理解することを目的としています。

 

基本的な役割:BMSの機能

 

BMSは、バッテリーパックを監視するための専用テクノロジーです。「バッテリー」の管理とよく言われますが、実際の監視および制御機能は、より大きなパックアセンブリ内のモジュールと呼ばれる個々のバッテリーセルまたはセルのグループのレベルに適用されます。BMSが提供する監視には、通常、バッテリーの状態の監視、保護の提供、動作状態の推定、パフォーマンスの継続的な最適化、および外部デバイスへのデータの報告が含まれます。

 

一般的なバッテリー管理システムは通常、主要な機能コンポーネントで構成されており、それぞれがリチウムイオンバッテリーを潜在的な問題から保護する上で重要な役割を果たします。これらの機能は、単純なバッテリーバランサーの関数よりもはるかに広範囲です。

 

バッテリー管理システムの主な機能:

 

パラメータ監視:BMSは、バッテリーパックの重要な動作パラメータを常に追跡します。

 

セル電圧監視:バッテリーパック全体の電圧だけでなく、さらに重要なことに、パック内の各セルまたはモジュールの電圧を監視します。セルが過充電(電圧が高すぎる)または過放電(電圧が低すぎる)すると損傷が発生する可能性があるため、これは非常に重要です。これらの電圧制限、特に充電中の上限を超えて操作すると、電圧が急激に上昇し、危険なレベルになる可能性があります。BMS は、これらの制限を認識し、これらのしきい値への近接性に基づいて決定を命令する必要があります。

 

電流監視:BMSは、バッテリーパックに流れる電流(充電)とバッテリーパックに流れる電流(放電)を監視します。リチウムイオン電池には、充電電流と放電電流の異なる制限があり、短時間でより高いピーク電流を処理できますが、連続電流制限はメーカーによって指定されています。BMSはこれらの制限を適用し、急激な負荷変化を処理したり、短絡状態を検出したりするためにピーク電流監視を組み込むことがあります。

 

温度監視:バッテリーパックまたは個々のモジュールの温度を監視することは不可欠です。温度は、リチウムイオン電池の性能、寿命、安全性に大きく影響します。特定の温度範囲外で動作させると、容量が減少し、経年劣化が加速し、極端な場合には熱暴走につながる可能性があります。

 

 

バッテリーバランシング(イコライゼーション):

 

これは、マルチセルバッテリーパックにとって重要な機能です。バッテリーセルは、同じ製造バッチであっても、容量にわずかな違いがある場合があります。

 

時間の経過とともに、これらの違いは、自己放電、充放電サイクル、温度の影響、および経年劣化によって悪化し、セル間の充電状態(SOC)の変動につながります。

 

アンバランスパックとは、一部のセルが他のセルよりも先にフル充電または放電制限に達することを意味します。

 

これにより、パックの全体的な使用可能な容量が制限され(パックの容量は最も弱いセルによって制限されます)、BMSが個々のセルの制限に基づいて充電または放電を終了するため、より強いセルの早期老化につながる可能性があります。

 

BMSは、バランシングを使用して、バッテリーパック内のセルの充電状態が等しくなるようにします。

 

充電状態(SOC)の推定:

BMSは、バッテリーの残りの電気エネルギーを推定して追跡し、燃料計のように機能します。これは、パックに出入りするエネルギー量を継続的に追跡し、セル電圧を監視することによって行われます。SOCは直接測定できませんが、BMSはさまざまな手法を使用してSOCを推定します。

 

健康状態(SOH)評価:

BMSは、バッテリーの寿命全体にわたってデータを収集し、バッテリーの全体的な健康状態と劣化レベルを評価するために使用できます。

 

障害の検出と処理:

BMSは、内部短絡や接続の緩みなどの異常な状態を検出し、保護対策を実施できます。

 

外部システムとの通信:

BMSは、充電器、インバーター、負荷機器、ディスプレイ、統合テレマティクスシステムなどの外部デバイスに重要なデータとステータス情報を報告します。

 

BMSの不可欠な重要性

堅牢なBMSの存在は、単に有益であるだけではありません。これは、特に産業機器、電気自動車、大規模なエネルギー貯蔵システムなどの複雑なアプリケーションにおいて、リチウムイオンバッテリーパックの安全性、信頼性、および効率的な操作にとって重要です。

 

安全性の確保:これは、BMSの最重要性として広く引用されています。リチウムイオン電池は、その性能上の利点にもかかわらず、可燃性の液体電解質を含んでいます。

 

狭い安全作業エリア(SOA)の外で操作すると、危険な結果を招く可能性があります。BMSは、これらの危険に対する主要な保護者です。

セルに恒久的な損傷を与え、熱暴走につながる可能性のある過充電と過放電を防ぎます。

 

極端な温度からの保護。過度の熱は、特に急速充電/放電中に劣化を加速し、熱暴走を引き起こす可能性があります。これは、自己持続し、多くの場合、消火不可能な火災です。

 

低温、特に0°C未満では、アノードに金属リチウムめっきが施され、恒久的な損傷を引き起こし、安全上の懸念が高まるため、充電が危険になります。BMSは、温度を積極的に監視および管理します。

 

過電流や短絡に対する保護は、重大な熱暴走リスクをもたらします。

 

危険な状態が検出された場合は、バッテリーのシャットダウンなど、直ちに保護措置を講じます。

 

鉛蓄電池の段階的なフェードとは異なり、リチウムイオン電池が消耗したときの突然のシャットオフ特性は、BMSがセルを有害な低電圧状態から保護する結果です。

 

バッテリーの寿命を延ばし、信頼性を高める: BMS は、バッテリー パックの動作寿命と信頼性を最大化する上で重要な役割を果たします。

 

SOA(電圧、電流、温度制限)の範囲外での動作を防ぐことにより、BMSは細胞を早期老化や劣化を引き起こす状態から保護します。

 

効果的なバッテリーバランスは、ミスマッチによる個々のセルの過度のストレスを防ぎ、パック全体がより均一に経年劣化し、単一の弱いセルによって寿命が制限されないようにします。

 

バッテリーを最適な温度範囲(30〜35°Cなどの「ゴルディロックス領域」と呼ばれることが多い)内に維持すると、パフォーマンスが保護され、寿命が長くなります。

 

パフォーマンスと使用可能な容量の最適化:

 

バッテリーバランスは、リチウムイオンパックの性能を最大限に引き出すための鍵です。

 

BMSは、すべてのセルまたはモジュールで充電状態(SOC)を均等化することにより、パックが設計した最大容量と電力を供給できるようにし、使用可能なエネルギーが最も弱いセルの制限によって制約されるのを防ぎます。

メンテナンスの簡素化:

 

散水、pHチェック、温度制御された均等化などの定期的な手動メンテナンスが必要な鉛蓄電池などのバッテリー技術と比較して、BMSはリチウムイオン電池の多くの監視および保護機能を自動化します。

 

これにより、社内管理の負担が大幅に軽減され、メンテナンスのダウンタイムが最小限に抑えられ、関連する人件費が削減されます。BMSデータは潜在的な問題を示すこともできるため、壊滅的な障害が発生する前に予防的なメンテナンスが可能になります。

 

BMSのしくみ:主要なメカニズム

BMSのコア機能を理解するには、特に電気的保護、熱管理、および容量管理に関して、その動作の背後にあるメカニズムを調べる必要があります。

 

電気的保護(電流および電圧):BMSは、定義された安全動作領域(SOA)制限に対して電流および電圧レベルを常に監視することにより、電気的保護を実装します。

 

充電中に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するか、充電電流を完全に終了する場合があります。

 

同様に、放電中に低電圧制限に近づくと、接続された負荷に電流要求を減らすように要求できます。

 

たとえば、電気自動車では、モーターに使用可能なトルクを減らすことが含まれる場合があります。

 

BMSは、急激なスイッチングや「チャタリング」を防ぐために、電圧閾値付近にヒステリシスを組み込むことがよくあります。

 

電流保護のために、BMSは最大連続電流制限を適用し、短絡によって引き起こされるような極端なピークを検出して反応するために、短時間で電流を統合することができますが、持続時間が過大ではない高いピーク要求にも寛容です。

 

熱管理:温度の管理は、性能、寿命、安全性に影響を与えるため、非常に重要です。

 

暖房：リチウムイオン電池は、他の化学物質よりも低温で優れた性能を発揮しますが、容量は減少し、0°C(32°F)未満での充電は、リチウムメッキによる永久的な損傷のリスクがあるため、特に危険です。BMSは、バッテリーパックの温度を上げるために加熱を制御できます。

 

これは、外部AC電源からのエネルギー、加熱用に指定された別のバッテリー、またはヒーターの引き込みが控えめな場合はプライマリパックからエネルギーを吸い上げることによって行うことができます。

 

熱油圧システムでは、電気ヒーターを使用して、パック内を循環する冷却剤を温める場合があります。

 

BMS設計エンジニアは、容量管理に関連する内部パワーエレクトロニクスをアクティブにして熱を発生させるなどのトリックも採用する場合があります。

 

極寒セルの充電は有害であるため、BMSは充電を許可する前に温度が十分であることを確認します。特に、急速充電は5°C未満に制限される場合があります。

 

冷却：性能の低下を最小限に抑え、過度の熱による早期老化を防ぐには、冷却が必要です。

 

冷却は、周囲の空気の流れ(移動中の電気自動車など)に依存する受動的にすることができますが、対気速度センサーや自動調整エアダムなどの機能で強化できます。

 

アクティブクーリングも一般的で、ファン(パックの温度を周囲温度と等しくすることができる)や、熱交換器とバッテリーモジュールと接触する冷却プレートを通じて冷却水を循環させる熱油圧システムが含まれます。

 

BMSは、パック全体の温度を監視し、加熱および冷却要素(油圧システムの開閉バルブなど)を制御して、バッテリーを30〜35°Cなどの狭い最適温度範囲内に維持します。

 

キャパシティ管理(バランシング):容量管理の中核となるのは、バッテリースタック全体の充電状態(SOC)を均等化することです。

 

セルを直列に接続して形成されるバッテリーパックスタックは、目的のパック全体の電圧を達成するために重要です。

 

スタック内のセル間でSOCが一致しないと、充電中にジレンマが生じます:SOCが最も高いセルが最初に電圧制限に達し、他のセルがいっぱいになる前にBMSがそのセクションの充電を終了することを余儀なくされ、パック容量は最も弱いセルによって制限されます。

 

パッシブバランシング:これはより簡単な方法です。これは、通常は充電サイクル中に、トランジスタスイッチと放電抵抗を各セルと並列に使用して、SOCの高いセルから少量のエネルギーを排出することを含みます。

 

BMSは、セルが充電限界に近づいていることを検出すると、そのセルの周囲に電流をシャントし、そのセルの下にある充電されていないセルが充電電流を受け取り続けることができるようにします。

 

この方法では、すべてのセルを最も弱いセルのレベルまで効果的に下げ、そのポイントから均等に充電されるようにします。実装は簡単ですが、熱としてエネルギーを浪費します。

 

アクティブバランシング:この方法はより複雑です。高SOCセルから余分なエネルギーを単に放散する代わりに、その電荷をSOCの低いセルに再分配します。

 

これは一般的に、パッシブバランシングよりも効率的です。

 

パッシブとアクティブの両方のバランシング方法は、セルまたはモジュールが合計パック電流とは異なる充電電流を見るようにすることを目的としています。これは、最も充電されたセルから電荷を取り除く(他の人に余裕を与える)か、最も充電されたセルの周りに電荷をリダイレクトする(他の人がより長く充電できるようにする)ことによってです。

 

バッテリーパックのサイクル寿命と使用可能な容量を最大化するには、効果的なバランス調整が重要です。

 

BMSとバッテリーバランサー:完全なバッテリー管理システムと単純なバッテリーバランサーを区別することが重要です。

 

一部のリチウムイオン電池、特にラップトップコンピュータのような要求の少ないアプリケーションでは、バッテリーバランサーを使用する場合があります。

 

これらは通常、機能が制限されており、主にセル電圧を最適化し、充電中の基本的な過電流/過電流保護を提供します。

 

その主な目的は、セルが等しい電荷状態を持つようにすることです。ただし、産業機器などのアプリケーションには包括的なBMSが必要です。

 

BMSは、充電中の電圧だけでなく、温度変化や充電の真の状態など、さらに多くの重要なパラメータを監視します。

 

単純なバランサーと比較して、BMSは温度、充電習慣、および充電状態を管理するように設計されており、はるかに広範な保護および管理機能を提供します。

 

BMS システム・アーキテクチャー (トポロジー)

BMSの設計範囲と実装される機能は、バッテリーパックのコスト、複雑さ、サイズ、およびアプリケーションの安全性、寿命、および認証要件と相関しています。

 

バッテリー管理システムは、監視ユニットと制御ユニットをバッテリーセルまたはモジュールにどのように接続するかを決定する物理的および電子アーキテクチャ、またはトポロジーに基づいて分類できます。

 

一元化されたアーキテクチャ:このトポロジでは、バッテリーパックアセンブリに1つのメインBMSユニットがあります。すべてのバッテリーセルまたはモジュールは、この中央ユニットに直接接続されています。

 

利点：このアーキテクチャは、よりコンパクトになる傾向があり、メインシステムが 1 つしかないため、多くの場合、最も経済的なアプローチです。

 

欠点：大型のバッテリーパックの場合、個々のセルやモジュールをすべて1つのポイントに直接接続するには、広範な配線、ケーブル、コネクタが必要であり、組み立て、トラブルシューティング、メンテナンスが複雑になる可能性があります。

 

モジュラーアーキテクチャ:概念は集中型システムと似ていますが、BMS機能はいくつかの重複したモジュールに分割されています。各モジュールは、バッテリースタックの隣接する部分に割り当てられ、ワイヤと接続の束があります。これらのサブモジュールは、ステータスを監視し、外部と通信するプライマリ BMS モジュールの監督下で動作する場合があります。

 

利点：モジュール性により、完全に集中化されたシステムと比較して、トラブルシューティングとメンテナンスが簡素化されます。また、このアーキテクチャをより大きなバッテリー パック用にスケーリングするのも簡単です。

 

欠点：ハードウェアの重複により、通常、全体的なコストはわずかに高くなります。また、すべてのアプリケーションで十分に活用されていない重複した機能が存在する可能性もあります。

 

プライマリ/従属(マスター/スレーブ) アーキテクチャ:これは概念的にはモジュラートポロジーと似ていますが、明確な階層と分業があります。従属ユニットまたは「スレーブ」ユニットは、主にセルまたはモジュールからの測定情報の中継に重点を置いています。中央のプライマリユニットまたは「マスター」ユニットは、メインの計算、制御ロジック、および外部システムとの通信を処理します。

 

利点：スレーブユニットはより単純(主に測定)であるため、完全なモジュラーシステムよりも全体的なコストを低く抑えることができます。また、この構造では、オーバーヘッドや未使用のフィーチャを減らすこともできます。

 

分散アーキテクチャ:このトポロジは大きく異なります。セルに配線されたワイヤの束を持つ中央または半中央のユニットの代わりに、電子ハードウェアとソフトウェアは、監視対象のセルまたはモジュール上またはセル内に配置された制御ボードに直接統合されます。

 

利点：このアプローチにより、配線の大部分が大幅に削減され、隣接する分散BMSモジュール間に必要なセンサーと通信ワイヤはわずかです。各ユニットはより自己完結型で、ローカルな計算と通信を処理します。

 

欠点：多くの場合、シールドされたモジュールアセンブリの奥深くに存在する統合型の性質は、トラブルシューティングとメンテナンスを潜在的に問題にする可能性があります。また、バッテリーパック構造全体に個々のBMSユニットが多いため、コストも高くなる傾向があります。

 

トポロジの選択は、バッテリーパックの特定の要件とその目的のアプリケーション、サイズ、コスト、パフォーマンスのニーズ、メンテナンスの容易さなどのバランス要因に大きく依存します。

 

多様な業界にわたるアプリケーション

BMSテクノロジーは、安全性、性能、寿命において重要な役割を果たしているため、リチウムイオンバッテリーを幅広い業界やアプリケーションに成功裏に展開するために不可欠です。

 

産業機器:BMSを動力源とするリチウムイオン電池は、カウンターバランスフォークリフト、3輪フォークリフト、狭通路フォークリフト、エンドライダー、センターライダー、ウォーキーパレットジャッキなどのマテリアルハンドリング機器でますます一般的になっています。また、製造や物流で使用される無人搬送車(AGV)や自律移動ロボット(AMR)にも不可欠です。これらのアプリケーションのBMSは、予防保守のためのデータを提供し、使用パターンを追跡し、潜在的な問題を早期に発見するためのリモート監視を可能にすることで、フリート管理を簡素化します。

 

電気自動車(EV):乗用車から商用車、プッシュバックトラクター、ベルトローダー、荷物運搬車などの空港地上支援装置(GSE)まで、BMSは基本です。バッテリーパック、モーター、充電システム間の複雑な相互作用を管理し、ダイナミックな運転および充電条件下での安全性を確保し、航続距離を最適化します。温度管理、特に熱油圧冷却は、高出力EVバッテリーパックでは特に重要です。

 

再生可能エネルギー貯蔵システム:BMSは、住宅用オフグリッドシステム、大規模な産業用ソーラー設備、バッテリーエネルギー貯蔵システム(BESS)の両方で、リチウムイオン電池を太陽光や風力などの再生可能エネルギー源と統合するために不可欠です。これらのシステムには、非常に高い電圧と電流のパックが含まれる場合があり、BMSによって管理される機能安全が最優先事項になります。

 

モバイルおよびレクリエーションアプリケーション:BMSを備えたリチウムイオン電池は、RV、バン、およびヨット、トローリングモーター、カヤックなどのさまざまな海洋アプリケーションで人気があります。BMSは、潜在的に厳しい環境条件で、信頼性の高い電力供給とさまざまなソースからの安全な充電を保証します。

 

家電：より単純なバランサーを使用する場合もありますが、ラップトップなどのより高度なパーソナル電子機器には、充電の監視、残量ゲージ情報の提供、および基本的な保護を提供するために、ある程度のバッテリー管理が組み込まれていることがよくあります。このような小さなフォーマットでも、管理ミスは重大な損害や火災につながる可能性があります。

 

これらすべてのアプリケーションにおいて、BMSはリチウムイオン化学の固有のエネルギー密度と性能を実用的で信頼性が高く、安全な電源ソリューションに変換します。

 

高度な側面:データ、診断、設計

BMSは、その中核的な保護および管理機能を超えて、重要なデータソースとしても機能し、高度なエンジニアリング技術によってサポートすることができます。

 

データ収集と診断:包括的なBMSは、すべてのバッテリーセルとパック全体からのデータを継続的に監視し、ログに記録します。

 

電圧、電流、温度、SOC、使用パターンに関する詳細な情報を含むこの豊富なデータセットは、非常に貴重です。

 

これは、BMSがリアルタイム制御(バランシングアルゴリズムや状態推定など)のために内部的に使用されますが、外部診断、潜在的な問題のトラブルシューティング、およびバッテリーの経時的な動作の理解にも重要です。

 

このデータは、予知保全戦略に情報を提供し、問題が壊滅的になる前に特定するのに役立ちます。

 

外部システムとの統合とリモートモニタリング:BMSをテレマティクスユニットなどの外部システムと組み合わせることで、収集されたデータにリモートで、多くの場合、クラウド経由でアクセスできるようになります。

 

これにより、フリート全体または分散型エネルギーシステムのバッテリーの状態とステータスをリアルタイムで監視できます。

 

リモートモニタリングにより、機器の使用パターンと充電習慣に関する洞察が得られ、運用マネージャーは情報に基づいた意思決定を行い、使用の最適化、コストの削減、稼働時間の最大化を行うことができます。

 

BMS開発におけるシミュレーションと設計:BMS設計の複雑さと安全性の重要性には、厳密なエンジニアリングプロセスが必要です。

 

シミュレーションツールは、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上の課題を探求し、対処する上で貴重な味方です。

 

リチウムイオン電池の正確なモデルと提案されたBMSアーキテクチャを使用することで、エンジニアは「仮想プロトタイプ」を作成できます。

 

これにより、さまざまなBMS監視機能を簡単に調査し、物理的なハードウェアが構築されるずっと前に、困難なエッジケースや最悪の条件を含むさまざまなバッテリーおよび環境動作シナリオに対してシステムをテストできます。

 

シミュレーションは、実装の問題を早期に発見して調査し、パフォーマンスと機能安全を検証し、開発時間を短縮し、最初のハードウェアプロトタイプが堅牢で信頼性が高いという信頼性を高めるのに役立ちます。

 

高度なシミュレーション・プラットフォームは、電気、デジタル、制御、熱・油圧コンポーネントのモデルの広範なライブラリと、統計解析、応力解析、故障解析のためのツールを提供します。

 

必要不可欠な脳

リチウムイオン電池管理システムは、単なる保護回路をはるかに超えています。洗練された「頭脳」により、高性能リチウムイオン技術は無数のアプリケーションで実行可能で安全です。

 

主要なパラメータの継続的な監視、状態の正確な推定、セルエネルギーのバランス調整、熱条件の管理、障害の検出、外部システムとの通信を行う能力は、リチウムイオン化学の固有の感度を軽減するための基本です。

 

BMSは、安全な範囲内での動作を確保し、充電と放電のプロセスを最適化し、セルバランスを維持することで、バッテリーパックの安全性に直接貢献し、その性能と使用可能な容量を最適化し、動作寿命を大幅に延ばします。

 

産業用車両や電気自動車への電力供給から、再生可能エネルギーの貯蔵やポータブルデバイスの実現まで、リチウムイオン電池の信頼性と安全性は、ほぼ完全にバッテリー管理システムの有効性に依存しています。

 

リチウムイオン技術が進化し続け、新たな用途が見出されるにつれ、BMSの役割と洗練度は高まる一方であり、不可欠なコアコンポーネントとしての地位はさらに強固なものとなるでしょう。

 

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