バッテリー管理システムの概要

電源設計でバッテリー管理システム（BMS）が果たす役割と、その基本機能に必要なコンポーネントの概要を学びます。

今日、リチウムイオン電池は、最大265 Wh / kgのエネルギー密度で最高の地位を占めています。しかし、彼らは、過度のストレスを経験した場合に、そのすべてのエネルギーを時折破裂させて燃やすという評判があります。そのため、管理下に置くためにバッテリー管理システム（BMS）が必要になることがよくあります。

この記事では、BMSの概念の基本について説明し、典型的なBMSを構成するいくつかの基本的な部分について説明します。

基本的なBMS構成

図1に、主要なバッテリーの誤動作を防止する機能を果たしながら、BMSがどのように見えるかについての基本的なブロックを示します。

図1。 典型的なBMSブロック図

この例のBMSは、4つのLiイオンセルを直列に処理できます。セルモニターはすべてのセル電圧を読み取り、それらの間の電圧を均等にします。この機能はバランシングと呼ばれます（これについては後で詳しく説明します）。これは、テレメトリデータ、およびスイッチの操作とバランシング戦略を処理するMCUによって制御されます。

実際には、市場は、図2に示すように、バランシングやMCUのない単一セルを含む、より単純な設計のためのさまざまなソリューションを提供しています。

図2。 シンプルなバッテリーマネージャー。テキサスインスツルメンツの好意により使用された画像

これらの単純なシステムの欠点は、設計者がカスタマイズなしで、特定の部品が提供するもの（たとえば、ハイサイドスイッチまたはローサイドスイッチ）に拘束されることです。

より多くのセルを使用する場合は、バランシングシステムが必要です。図3に示すように、MCUがなくても機能する単純なスキームが存在します。

図3。 MCUに依存しないセルバランサー。テキサスインスツルメンツの好意により使用された画像

より大きなバッテリーパックや、直列のセルや燃料計の計算が必要なものを使用する場合は、MCUが必要です。最も統合された（したがって低コストの）ソリューションは、図4のソリューションです。

図4。 商用BMS。画像はルネサスの厚意により使用されました

これは、関連するすべてのバッテリー関連機能を実行する独自のファームウェアを備えたMCUを使用するBMSです。

ビルディングブロック：バッテリー管理システムコンポーネント

図1を振り返って、BMSに不可欠な基本的な部分の概要を確認してください。次に、図4の主要部分をもう少し詳しく見て、BMSブロック図に含まれるさまざまな要素を理解しましょう。

ヒューズ

激しい短絡が発生した場合、バッテリーセルを迅速に保護する必要があります。図5では、セルフコントロールプロテクター（SCP）ヒューズと呼ばれるものを見ることができます。これは、過電圧の場合に過電圧制御ICによって飛ばされ、ピン2をグランドに駆動することを意味します。

図5。 SCPの融合と商用BMSの制御

MCUは、切れたヒューズの状態を伝えることができます。そのため、MCUの電源はヒューズの前にある必要があります。

電流検出/クーロンカウント

ここでは、MCUへの直接接続を可能にするローサイド電流測定が実装されています。

図6。 商用BMSの典型的な低電流センス

時間基準を維持し、時間の経過とともに電流を積分して、クーロンカウンターを実装し、バッテリーに出入りする総エネルギーを取得します。つまり、次の式を使用して、充電状態（SOC、システムオンチップと混同しないでください）を見積もることができます。

ここで

• $$ SOC（t_0）$$は初期SOC（Ah）です
• $$ C_ {rated} $$は定格容量（Ah）です
• $$ I_b $$はバッテリー電流です
• $$ I_ {loss} $$は細胞反応の損失を考慮に入れます
• τは電流サンプルの平均化周期です

サーミスタ

温度センサー（通常はサーミスタ）は、温度モニターと安全介入の両方に使用されます。

図7に、過電圧制御ICの入力を制御するサーミスタを示します。これにより、MCUの介入なしにSCP（図5に示すヒューズ）が人為的に飛ばされます。

図7。 深刻な熱問題が発生した場合、サーミスタはSCPを制御できます

図8は、テレメトリ用の2つの追加サーミスタを示しています。

図8。 ファームウェアで使用されるサーミスタ

メインスイッチ

スイッチとして機能するには、MOSFETのドレイン-ソース間電圧が$$ V_ {ds} \ leq V_ {gs} --V_ {th} $$である必要があります。線形領域の電流は$$ I_d =k \ cdot（V_ {gs} --V_ {th}）\ cdot V_ {ds} $$であり、スイッチの抵抗は$$ R_ {MOS} =1 /になります。 [k \ cdot（V_ {gs} --V_ {th}）] $$。

それに応じて$$ V_ {gs} $$を駆動して、抵抗を低くし、損失を低くすることが重要です。

図9。 バッテリーパックのメインスイッチ（NMOS、ハイサイド）

通常、NMOSタイプは、$$ R_ {MOS} $$が低いため、チャージポンプを介したハイサイドスイッチでも使用されます。

バランサー

バッテリーセルには、容量とインピーダンスに許容誤差があります。したがって、サイクルを重ねるごとに、直列のセル間で電荷の差が蓄積する可能性があります。

セルのセットが弱いと容量が少なくなると、直列の他のセルに比べて充電が速くなります。したがって、BMSは他のセルの充電を停止する必要があります。そうしないと、図10に示すように、弱いセルが過充電されます。

図10。 容量の小さいセルは、パックの完全充電を妨げます。アナログ・デバイセズの好意により使用された画像

逆に、セルはより速く放電される可能性があり、セルが最小電圧を下回るリスクがあります。この場合、図11に示すように、バランサーのないBMSは電力供給を早期に停止する必要があります。

図11。 フルパックエネルギーの使用を妨げる容量の小さいセル。アナログ・デバイセズの好意により使用された画像

図12のような回路は、図10に示すように、直列の他のセルのレベルで、より高いSOC（充電状態）でセルを放電します。これは、チャージシャントと呼ばれる受動的なバランス調整方法を使用して実現されます。

図12。 パッシブバランシング戦略の例

電流はオン状態でトランジスタを流れ、Rを介して消費されるため、また電圧リファレンスはCELL1（負極）であるため、そのようなセルのみが過剰なエネルギーを放電します。

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この記事は、バッテリー管理システムの基本的な概念を紹介し、それらの設計で使用される基本的なコンポーネントを紹介することを目的としています。うまくいけば、バッテリー管理システムが何を達成することを意味し、それを電力設計でどのように使用できるかについて、よりよく理解できたと思います。

BMS設計に関してさらに知りたい追加の概念がある場合は、以下にコメントを残してください。