バッテリー管理システム

バッテリー管理システム（BMS ）は、充電式バッテリー（セルまたはバッテリーパック）を管理する電子システムであり、実際のシナリオでバッテリーの安全な使用と長寿命を促進しながら、バッテリーのさまざまな状態（健全性状態や充電状態など）を監視および推定し、^[1]二次データを計算し、そのデータを報告し、その環境を制御し、それを認証またはバランス調整します。^[2] 保護回路モジュール（PCM）は、BMSのよりシンプルな代替手段です。^{[3]外部通信}データバス を備えたバッテリー管理システムと一緒に構築されたバッテリーパックは、スマートバッテリーパックです。スマートバッテリーパックは、スマートバッテリーチャージャーで充電する必要があります。^{[1] [4]}

BMS は、次のようなさまざまな項目で表されるバッテリーの状態を監視できます。

• 電圧: 総電圧、個々のセルの電圧、または周期的なタップの電圧^{[説明が必要]}
• 温度: 平均温度、冷却剤の吸入温度、冷却剤の排出温度、または個々のセルの温度
• 冷却液の流れ: 液冷式バッテリー用
• 電流: バッテリーの電流またはバッテリーから出る電流
• 個々の細胞の健康
• 細胞のバランスの状態

• BMS は、回収されたエネルギー (つまり、回生ブレーキから) をバッテリー パック (通常は複数のバッテリー モジュールで構成され、各モジュールは複数のセルから構成されます) に戻すことで、バッテリーの再充電も制御します。

バッテリーの熱管理システムはパッシブとアクティブのいずれにもすることができ、冷却媒体は空気、液体、または何らかの形の相変化のいずれかです。空冷はシンプルであるという利点があります。このようなシステムは、周囲の空気の対流のみに依存するパッシブと、空気の流れにファンを使用するアクティブの2種類があります。市販されているシステムでは、ホンダインサイトとトヨタプリウスはどちらもバッテリーシステムにアクティブ空冷を使用しています。^[5]空冷の主な欠点は、効率が悪いことです。冷却機構を動作させるには、アクティブ液体冷却よりもはるかに多くの電力を使用する必要があります。^[6]冷却機構の追加コンポーネントによってBMSの重量も増加し、輸送用バッテリーの効率が低下します。

液体冷却は、液体冷却剤の熱伝導率が空気よりも高い傾向があるため、空気冷却よりも自然冷却の可能性が高くなります。バッテリーは冷却剤に直接浸すか、冷却剤をバッテリーに直接接触させずにBMSに流すことができます。間接冷却では、冷却チャネルが長くなるため、BMS全体に大きな熱勾配が発生する可能性があります。これは、システム全体に冷却剤をより速くポンプで送ることで軽減できますが、ポンプ速度と熱の一貫性の間にトレードオフが生じます。^[6]

さらに、BMSは以下のような項目に基づいて値を計算することもある。^{[1] [4]}

• 電圧: 最小および最大セル電圧
• バッテリーの充電レベルを示す充電状態（SoC）または放電深度（DoD）
• 健康状態（SoH）は、バッテリーの残存容量を元の容量の割合として測定するさまざまな定義の測定値です。
• 電力状態（SoP）は、現在の電力使用量、温度、その他の条件を考慮して、定義された時間間隔で利用可能な電力の量です。
• 安全状態（SOS）
• 充電電流制限(CCL)としての最大充電電流
• 放電電流制限（DCL）としての最大放電電流
• 前回の充電または充電サイクル以降に供給されたエネルギー
• セルの内部インピーダンス（開回路電圧を決定するため）
• 配信または蓄積された電荷（この機能はクーロンカウントと呼ばれることもあります）
• 初回使用からの合計動作時間
• 総サイクル数
• 温度監視
• 空冷または液冷バッテリーの冷却液の流れ

BMS の中央コントローラは、セル レベルで動作するハードウェアと内部的に通信するか、ラップトップやHMIなどの高レベル ハードウェアと外部的に通信します。^{[説明が必要]}

高レベルの外部通信はシンプルで、いくつかの方法を使用します: ^[要出典]

• さまざまな種類のシリアル通信。
• CAN バス通信は、自動車環境でよく使用されます。
• さまざまな種類の無線通信。^[7]

低電圧集中型 BMS には、ほとんどの場合、内部通信機能がありません。

分散型またはモジュール型の BMS では、低レベルの内部セル - コントローラ (モジュール型アーキテクチャ) またはコントローラ - コントローラ (分散型アーキテクチャ) 通信を使用する必要があります。これらのタイプの通信は、特に高電圧システムでは困難です。問題は、セル間の電圧シフトです。最初のセルのグランド信号は、他のセルのグランド信号よりも数百ボルト高くなる可能性があります。ソフトウェア プロトコルとは別に、電圧シフト システム用のハードウェア通信には、光アイソレータと無線通信の 2 つの既知の方法があります。内部通信のもう 1 つの制限は、セルの最大数です。モジュール型アーキテクチャの場合、ほとんどのハードウェアは最大 255 ノードに制限されています。高電圧システムの場合、すべてのセルのシーク時間ももう 1 つの制限であり、最小バス速度が制限され、一部のハードウェア オプションが失われます。モジュール型システムのコストは、セルの価格に匹敵する可能性があるため重要です。^[8]ハードウェアとソフトウェアの制限を組み合わせると、内部通信のオプションがいくつか生まれます。

• 絶縁シリアル通信
• 無線シリアル通信

電流による熱による既存のUSBケーブルの電力制限を回避するために、携帯電話の充電器に実装された高電圧をネゴシエートするための通信プロトコルが開発されており、その中で最も広く使用されているのはQualcomm Quick ChargeとMediaTek Pump Expressです。Oppoの「VOOC」（「OnePlus」では「Dash Charge」というブランド名でも知られています）は、電圧ではなく電流を増加させ、高電圧をバッテリーの端子充電電圧に内部変換する際にデバイス内で発生する熱を減らすことを目的としていますが、既存のUSBケーブルとは互換性がなく、それに応じて太い銅線を使用した特別な高電流USBケーブルに依存しています。最近では、USB Power Delivery規格が最大240ワットのデバイス間でのユニバーサルネゴシエーションプロトコルを目指しています。^[9]

BMSは、次のような安全動作領域外での動作を防止することでバッテリーを保護することができます。^{[1] [10]}

• 過充電
• 過放電
• 充電中の過電流
• 放電中の過電流
• 充電中の過電圧。特に鉛蓄電池、リチウムイオン電池、LiFePO4電池では重要。
• 放電中の低電圧、特にリチウムイオンおよびLiFePO4セルにとって重要
• 過熱
• 体温低下
• 過圧（ニッケル水素電池）
• 接地故障または漏電検出（高電圧バッテリーが車体などの触れる可能性のある導電性物体から電気的に切断されているかどうかを監視するシステム）

BMS は、次の方法でバッテリーの安全動作領域外での動作を防止する場合があります。

• バッテリーが安全動作領域外で動作した場合に開く内部スイッチ（リレーやMOSFETなど）を含む
• デバイスにバッテリーの使用や充電を減らすか、あるいは停止するように要求します。
• ヒーター、ファン、エアコン、液体冷却などによる環境の積極的な制御
• 熱を減らすためにプロセッサの速度を下げます。

BMS には、バッテリーをさまざまな負荷に安全に接続し、負荷コンデンサへの過剰な突入電流を排除できるプリチャージ システムが搭載されている場合もあります。

負荷への接続は通常、コンタクタと呼ばれる電磁リレーによって制御されます。プリチャージ回路は、コンデンサが充電されるまで負荷と直列に接続された電力抵抗器のいずれかです。または、負荷と並列に接続されたスイッチ モード電源を使用して、負荷回路の電圧をバッテリー電圧に十分近いレベルまで充電し、バッテリーと負荷回路間のコンタクタを閉じることができます。BMS には、突入電流の発生を防ぐために、再充電前にリレーがすでに閉じているかどうか (たとえば溶接による) を確認できる回路がある場合があります。

バッテリーの容量を最大限に高め、局所的な充電不足や過充電を防ぐために、BMS はバランス調整によって、バッテリーを構成するすべてのセルが同じ電圧または充電状態に保たれるように積極的に確保します。BMS は、次の方法でセルのバランス調整を行うことができます。

• 最も充電されたセルを負荷に接続して（パッシブレギュレータなどを介して）エネルギーを消散させる
• 最も電荷を帯びたセルから最も電荷を帯びていないセルへエネルギーをシャッフルする（バランサー）
• 充電電流を、完全に充電されたセルに損傷を与えない程度に低いレベルまで下げる一方で、充電量が少ないセルは充電を継続する（リチウム化学セルには適用されません）

一部の充電器は、各セルを個別に充電することでバランス調整を行います。これは多くの場合、BMS によって実行され、充電器 (通常はバルク充電電流のみを提供し、セル グループ レベルでパックとやり取りしません) によって実行されるわけではありません (例: e-bikeやホバーボードの充電器)。この方法では、BMS はより低い充電電流を要求するか (EV バッテリーなど)、バランス調整が有効な間はトランジスタ回路を使用して充電入力を遮断します (ポータブル エレクトロニクスで一般的) (セルの過充電を防ぐため)。

BMS テクノロジーは複雑さとパフォーマンスが異なります。

• シンプルなパッシブレギュレータは、セルの電圧が一定レベルに達したときに充電電流をバイパスすることで、バッテリーまたはセル間のバランスを実現します。セル電圧は、セルのSoCの指標としては不十分です（LiFePOなどの特定のリチウム化学では、
  ₄（これはまったく指標にはなりませんが）したがって、パッシブ レギュレータを使用してセル電圧を均等にすることは、BMS の目的である SoC のバランスをとることにはなりません。したがって、このようなデバイスは確かに有益ではありますが、その有効性には大きな制限があります。
• アクティブ レギュレータは、適切な場合に負荷をインテリジェントにオン/オフして、バランスを実現します。アクティブ レギュレータを有効にするパラメータとしてセル電圧のみを使用する場合は、パッシブ レギュレータの場合と同じ制約が適用されます。
• 完全な BMS はバッテリーの状態をディスプレイに報告し、バッテリーを保護します。

BMS トポロジは次の 3 つのカテゴリに分類されます。

• 集中型: 単一のコントローラーが多数の配線を介してバッテリーセルに接続されます。
• 分散型：各セルにBMSボードが設置され、バッテリーとコントローラー間の通信ケーブルは1本のみ
• モジュール式: 少数のコントローラがそれぞれ一定数のセルを処理し、コントローラ間で通信を行う

集中型 BMS は最も経済的ですが、拡張性が低く、配線が多数必要になります。分散型 BMS は最も高価ですが、インストールが最も簡単で、組み立ても最も簡単です。モジュラー型 BMS は、他の 2 つのトポロジーの機能と問題点を妥協したソリューションです。

モバイル アプリケーション (電気自動車など) と固定アプリケーション (サーバー ルームのスタンバイ UPS など) における BMS の要件は、特にスペースと重量の制約要件が大きく異なるため、ハードウェアとソフトウェアの実装を特定の使用に合わせて調整する必要があります。電気自動車やハイブリッド自動車の場合、BMS はサブシステムにすぎず、スタンドアロン デバイスとしては動作できません。少なくとも充電器 (または充電インフラストラクチャ)、負荷、熱管理、緊急シャットダウン サブシステムと通信する必要があります。したがって、優れた車両設計では、BMS はこれらのサブシステムと緊密に統合されています。一部の小型モバイル アプリケーション (医療機器カート、電動車椅子、スクーター、フォークリフトなど) には外部充電ハードウェアが搭載されていることがよくありますが、オンボード BMS は外部充電器と緊密に設計統合されている必要があります。

さまざまなバッテリーバランス調整方法が使用されており、その一部は充電状態理論に基づいています。

• バッテリーバランス
• スマートバッテリー
• バッテリー充電器
• 充電コントローラ

• 大型バッテリーパックの性能を向上させるためのセルレベル連続バランス調整のモジュール式アプローチ、国立再生可能エネルギー研究所、2014 年 9 月