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バッテリーバランスとバッテリー再分配とは、複数のセル（通常は直列接続）で構成されるバッテリーパックの利用可能な容量を向上させ、各セルの寿命を延ばす技術を指します。 [ 1 ]バッテリーバランサーまたはレギュレーターは、バッテリーパック内のバッテリーバランスを行う電気デバイスです。[ 2 ]バッテリーパックの再充電中にセルの電荷をバランスさせる設計を含む回路は、アクティブまたはパッシブのいずれかの設計で、最もよく見られるのはリチウムイオンバッテリーです。[ 4 ]例えば、ノートパソコン、電気自動車など。
バッテリーパック内の個々のセルは、当然ながら容量が多少異なるため、充放電サイクルを繰り返すうちに、充電状態（SOC）が変化する可能性があります。容量のばらつきは、製造上のばらつき、組み立てのばらつき（例えば、ある製造ロットのセルが他のロットのセルと混ざるなど）、セルの経年劣化、不純物、または環境への曝露（例えば、一部のセルはモーターや電子機器などの近くの熱源から追加の熱を受ける可能性があるなど）によって生じ、バッテリー管理システム（BMS）によく見られるセル監視回路などの寄生負荷の累積効果によって悪化する可能性があります。
マルチセルパックのバランス調整は、各セルの容量の違いを考慮しつつ、可能な限り広い範囲で各セルの充電状態を均一に保つことで、パックの容量と耐用年数を最大化するのに役立ちます。バランス調整が必要なのは、直列接続された複数のセルを含むパックのみです。並列接続されたセルは互いに直接接続されているため自然にバランスが取れますが、並列接続されたセルを直列接続したグループ（並列直列配線）では、セルグループ間でバランス調整を行う必要があります。
安全な動作を確保し、危険な状態を防止するため、バッテリー管理システム（BMS）は、個々のセルレベルで温度や電圧などの重要なパラメータを継続的に監視し、故障につながる可能性のあるあらゆる異常を検出します。電流は通常、性能を最適化するためにパックレベルで監視されますが、BMSには、短絡やその他の故障状態など、異常に高い電流が発生した場合にセルを迅速に遮断するための、セルレベルでのワンショット保護機構が含まれている場合があります。
通常の動作では、他のセルにまだかなりの電荷が残っている場合でも、いずれかのセルの充電が最初になくなった時点で放電を停止する必要があります。同様に、いずれかのセルが安全な最大充電電圧に達した時点で充電を停止する必要があります。これらのいずれかを怠ると、セルに永久的な損傷を与える可能性があり、極端な場合には、セルが逆極性になったり、内部ガス発生、熱暴走、その他の壊滅的な故障を引き起こす可能性があります。セルのバランスが取れておらず、高カットオフと低カットオフが少なくとも最も容量の低いセルの状態と一致していない場合、バッテリーから取り出してバッテリーに戻すことができるエネルギーは制限されます。
リチウム化学は柔軟な膜構造を可能にすることが多いため、リチウム電池は柔軟でありながら密閉された袋に収めることができ、バッテリーパック内の充填密度を高めることができます。リチウム電池が不適切な扱いを受けると、分解生成物（通常は電解液の化学物質または添加剤）の一部がガス化します。このような電池は膨張し、故障に向かっている状態になります。密閉型円筒形リチウムイオン電池では、同様のガス化によってかなり大きな圧力（800psi以上が報告されています）が発生し、圧力解放機構が備えられていないと爆発する可能性があります。さらに危険なのは、多くのリチウム電池の化学には炭化水素化学物質（その正確な性質は通常企業秘密）が含まれており、これらは可燃性であることです。したがって、電池の不適切な扱いによる爆発の危険性に加えて、爆発性のない単純な漏れでも火災を引き起こす可能性があります。
ほとんどの電池の化学組成は、それほど劇的ではなく、危険性も低い故障モードを示します。ほとんどの電池に含まれる化学物質は、ある程度毒性がありますが、爆発性や可燃性はほとんどありません。多くは腐食性があるため、電池が機器内に長時間放置されると液漏れして機器を損傷する可能性があるため、電池を機器内に長時間放置しないように注意喚起されています。鉛蓄電池は例外で、充電時に水素ガスが発生し、着火源（例えば、火のついたタバコ）にさらされると爆発する可能性があり、その爆発によって硫酸が四方八方に飛散します。硫酸は腐食性があり、失明の原因となる可能性もあるため、これは特に危険です。
バランス調整はアクティブまたはパッシブで行うことができます。[ 3 ]アクティブバランス調整では、バランサー回路によってバッテリーの異なるセル間で電荷の移動が可能になります。つまり、充電量の多いセルから充電量の少ないセルへエネルギーを移動させます。[ 4 ]
バッテリーレギュレータという用語は、通常、受動的なバランス調整を行うデバイスのみを指します。完全なBMSには、能動的なバランス調整、温度監視、充電、およびバッテリーパックの寿命を最大化するためのその他の機能が含まれる場合があります。[ 5 ]
バッテリーバランス調整は、DC-DCコンバータを用いて、以下の3つのトポロジーのいずれかで行うことができます。
通常、各DC-DCコンバータが扱う電力は、バッテリーパック全体が扱う電力よりも数桁低い。
パッシブバランス方式では、最も充電されたセルからエネルギーが引き出され、通常は抵抗器を通して熱として放散されます。
パッシブバランシングは、充電状態をある一定のポイントで均一化します。通常は、すべてのセルが同時に100% SOCに達する「トップバランス」、またはすべてのセルが同時に最小SOCに達する「ボトムバランス」のいずれかです。これは、充電状態の高いセルからエネルギーを抜き取る（例えば、抵抗器やトランジスタを介した制御された短絡）か、充電サイクル中にセルと並列の経路にエネルギーを分流させることで、セルが消費する（通常は一定の）電流の量を減らすことによって実現できます。パッシブバランシングは本質的に無駄が多く、セル間の充電状態を均一化するためにパックのエネルギーの一部が熱として消費されます。また、廃熱の蓄積は、バランシングの速度を制限する可能性もあります。
アクティブバランシングでは、最も充電されたセルからエネルギーを取り出し、コンデンサベース、インダクタベース、またはDC-DCコンバータを介して最も充電されていないセルに伝達することができます。[ 6 ]
アクティブバランシングは、満充電状態のセルから充電状態の低いセルへエネルギーを再分配する技術です。充電状態の高いセルからエネルギーを抜き取るには、セルに接続されたリザーバーコンデンサを切り替え、その後コンデンサを切り離して充電状態の低いセルに再接続するか、パック全体に接続されたDC-DCコンバータを使用します。効率の悪さから、エネルギーの一部は熱として無駄になりますが、その量は少なくなります。明らかな利点があるにもかかわらず、アクティブバランシング方式はコストと複雑さが増すため、用途によっては必ずしも採用するメリットがあるとは限りません。
電動自転車のバッテリーパックで時折用いられる別の方式では、各ノードに抵抗器とダイオードを直列に接続したマルチピンコネクタを使用します。電圧降下が既知であるため、充電器は適切な放電電流を流すか、または負荷端子電圧がすべて同じになるまで弱いセルを充電します。この方式の利点は、パックの重量をわずかに軽減し、寄生電流を低減できるだけでなく、多点バランス調整も可能になることです。
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