バッテリー管理システムの完全ガイド

リチウムイオン電池はさまざまな用途に広く使用されています。リチウムイオンの材料の化学的性質は、過充電、過放電、過電流、短絡、超高温に耐えることができません。特にリチウムイオン電池は、 カスタムリチウムイオンバッテリーパックバッテリーの信頼性と安全性を確保するには、BMS（バッテリー管理システム）が必要です。バッテリー管理システムはリチウムバッテリーの頭脳であり、バッテリーの状態と健全性を報告します。この記事を読んで理解を深めましょう。

BMSシステムとは何ですか?

BMS (バッテリー管理システム) は、バッテリー内の回路保護コンポーネントとして機能します。電圧と電流を継続的に監視および調整し、最適なパフォーマンスと安全性を確保します。

バッテリーBMSの主なコンポーネント:

PCB 通常の PCB ボードの種類には、シングルボード、両面ボード、4 層ボードの 3 つがあります。
リチウム電池に最適な BMS には、価格と品質を決定する有名ブランドの IC を採用する必要があります。
MOSFET は回路内でスイッチとして機能します。ただし、MOSFET のオン抵抗はバッテリーの性能に影響します。高品質のMOSFETはオン抵抗が小さいため、リチウムイオン電池のオン抵抗が小さくなり、負荷が強くなります。さらに、高品質MOSFETは消費電力がほとんどありません。
NTC、リチウムイオン電池の側面温度を測定します。

BMS トポロジ

集中型BMSトポロジー、分散型BMSトポロジー、モジュール型BMSトポロジーの3つは、主要なトポロジータイプです。バッテリー管理システムのトポロジーは、バッテリーパックの監視、制御、保守方法を決定する上で重要な役割を果たします。

集中型 BMS トポロジ

集中型BMSトポロジでは、単一のBMSプリント基板（PCB）に、複数の通信チャネルを用いてすべてのバッテリーセルを監視する制御ユニットが搭載されます。この設計はBMSの規模が大きくなり、柔軟性が低くなりますが、コスト効率とシンプルさから、電動自転車、IoTデバイス、電動工具などの低消費電力アプリケーションで人気があります。

分散BMSトポロジ

分散型BMSアーキテクチャは、各バッテリーモジュールに独立した制御ボードを搭載しています。すべてのモジュールはCANを介して中央マスターコントローラーに接続され、データとコマンドの伝送を実現します。

このアーキテクチャの利点は高い信頼性です。各モジュールには監視機能が搭載されており、1つのモジュールに障害が発生しても他のモジュールに影響はありません。また、モジュールの追加・削除によってシステム規模を調整できる高い拡張性を備えているため、電気自動車や電気船舶に適しています。ただし、複数のハードウェアユニットと通信ネットワークを管理する必要があり、システムが複雑でコストがかかるという欠点があります。

モジュラー BMS トポロジ

モジュラーBMSトポロジでは、モジュールレベルのPCB上に複数のスレーブ制御ユニットが配置され、それぞれが特定のバッテリーモジュールの電圧と温度を監視します。これらの制御ユニットは、マスター制御PCBに統合され、データの統合を担うメイン制御ユニットとCANを介して接続されます。

モジュラーBMSトポロジーは柔軟な拡張性をサポートしますが、通信制御はより複雑であるため、コンテナ型エネルギー貯蔵システムに最適です。同時に、メンテナンスの容易さは、統合コストの増加を補うことができます。

次の表は、3 つのトポロジの説明、利点と欠点、および用途を示しています。

トポロジー	詳細説明	優位性	デメリット	Application
一元化	単一の制御ユニットがバッテリーパック全体を監視および制御します	シンプルで簡単に実装可能	信頼性が低く、配線がかさばる	電動工具、インテリジェントロボット、IoTスマートホーム、電動フォークリフト、電動自転車、電動ゴルフカート。
分散	各バッテリーパックには独自のBMSボードが搭載されています	より信頼性が高く、拡張性に優れている	より複雑で高価	電気自動車、ボートなど
モジュラー	個別のBMSを備えたモジュールに分割されたバッテリーグループ	柔軟性、拡張性	より複雑で、コミュニケーションが必要	コンテナ型エネルギー貯蔵システム（EMS）、エネルギー貯蔵発電所等

バッテリーバランス技術

バッテリーバランシング技術は、マルチセルバッテリーパック内のすべてのバッテリーの充電状態（SOC）を均一化します。この技術は、バッテリーパックの寿命を延ばし、安全な動作を確保します。パッシブバランシングとアクティブバランシングは、バッテリーバランシングを行う一般的な2つの方法です。

パッシブバッテリーバランシング

エネルギー散逸型バランシングとも呼ばれるこの方式は、高容量バッテリーの余剰電力を抵抗発熱によって放出します。充電中に他のセルよりも先に満充電に達した場合、この方式では抵抗を通して余剰エネルギーを放散し、過充電を防ぎます。パッシブバッテリーバランスの利点は、シンプルな回路構成と低コストです。しかし、エネルギー効率が低いため、バッテリーの熱管理に負担がかかります。

アクティブバッテリーバランシング

これはエネルギー転送バランシングとして知られています。バッテリーのアクティブバランスはより柔軟性が高く、充電時には余剰電力を低容量バッテリーに転送し、放電時には余剰電力を高容量バッテリーに転送します。パッシブバランスと比較して、アクティブバランスはエネルギー利用効率が高いですが、回路設計コストも増加します。

バッテリー熱管理システム

バッテリー熱管理システム（BTMS）は、特に電気自動車において、バッテリーの最適な動作温度範囲を維持する上で重要な役割を果たします。これにより、バッテリーの安全性、効率、そして寿命が確保されます。これらのシステムはバッテリー管理システム（BMS）の一部であり、バッテリーパックの冷却と加熱を制御するように設計されています。主な動作プロセスは以下のとおりです。

1.温度監視

バッテリーパック内には複数の温度センサーが配置されており、バッテリー温度をリアルタイムで監視します。これらのセンサーは収集した温度データをバッテリーマネジメントユニット（BMU）に送信します。

2.データ処理と制御

BMUは温度データを受信し、分析・処理を行います。バッテリー温度、充放電状態に基づいて熱管理戦略を策定します。

3.熱管理戦略の実施

空冷戦略：CANはBMUからBMSへ高温データを送信し、BMSはファンなどの空冷装置を作動させて空気の流れを良くし、熱を放散させます。ファン速度の制御とエアダクトの設計により、冷却効率が最適化されます。
液体冷却方式：循環する冷却液がバッテリーモジュールに取り付けられた冷却プレートを介して熱を吸収します。加熱された冷却液はラジエーターを介して外部に熱を放出します。冷却液の流量は、バッテリー温度のリアルタイムモニタリングに基づいて調整されます。
熱の分離と均一化：モジュール間の熱を分離するために断熱材が使用され、熱暴走熱伝達によって引き起こされる温度上昇。熱バランス技術はセル間の温度差を最小限に抑え、バッテリーパック全体の温度分布を均一にします。

4.警告と保護

バッテリー温度が安全範囲を超えると、BMSは警告信号を発し、エンジニアに警告を発します。極端な場合には、BMSはバッテリーの充放電機能を停止するなどの緊急保護モードを起動します。

BMS はどのように機能しますか?

BMS をアクティブ化する

BMS P+ と P- が保護状態で出力しない場合、B+ と B- を短絡することで BMS をアクティブにできます。Dout と Cout は低レベルになります (保護の 2 つのポートは高レベル保護です)。この状態はスイッチが開いていることをサポートします。

料金

P+ と P- は充電器の正極と負極に接続されます。充電電流は MOS を通過してバッテリーを充電します。保護ICのVDD、VSSは電源端子とセル電圧検出端子です。バッテリーセルの電圧は上昇し続けます。電池セルの保護電圧（過充電保護電圧）まで上昇すると、この時点でCOUTがハイレベルを出力し、対応するMOSスイッチがオフし、充電回路もオフになります。、過充電保護後、セル電圧は低下します。 IC の電圧閾値 (過充電保護回復電圧) まで低下すると、Cout はローレベル状態に戻り、MOS 管がオンになります。

Discharge

IC の VDD と VSS は、バッテリが放電したときのバッテリ電圧も検出します。セル電圧が IC のしきい値 (過放電保護電圧) まで低下すると、Dout はランダムに High レベルを出力し、対応する MOS トランジスタをオフします。放電回路が切断されています。過放電保護後はセル電圧が上昇します。しきい値電圧（過放電保護復帰電圧）まで上昇すると、Dout はローレベルに戻り、MOS スイッチがオンします。

過電流と短絡

放電電流が大きくなりすぎると、MOSFET（飽和導通状態）の内部抵抗により、B-端子からP-端子にかけて電圧降下が発生します。保護ICは、抵抗R2を介してV-端子とVSS端子を介してこの電圧を監視します。電圧が過電流検出閾値（通常0.15V）に達すると、ICは応答を開始します。Doutはハイ信号を出力し、MOSFETをオフにして放電回路を直ちに切断し、損傷を防止します。

NTC の作業プロセス

バッテリーはオーバーシュート、過電流、過放電なしで動作します。しかし、長時間の使用によりバッテリーの温度が上昇するため、NTC はバッテリーの温度を監視するためにバッテリーセルの近くに配置されます。温度が上昇すると、NTC の抵抗が増加します。抵抗が設定値まで低下すると、CPU はシャットダウンコマンドを発行してバッテリーの充電を停止し、バッテリーを保護します。

BMS には、過充電、放電、短絡、および温度保護の保護機能があります。

スマートバッテリー管理システムとハードウェアバッテリー管理システムの違い

ハードウェア BMS のテクノロジーは、スマートバッテリー管理システムよりも安定しています。ソフトウェアエンジニアは、バッテリパックのステータスを管理または監視するハードウェア BMS をコーディングします。 BMS はリチウムイオン電池の頭脳です。当社はBMSの設計・開発だけでなく、リスクの検証も得意としています。バッテリー管理システムは、リチウムイオンバッテリーのパフォーマンスを管理します。スマート BMS には、UART、I2C、CANBUS、rs232、および rs485 通信プロトコルがあります。スマート BMS は、ハードウェア BMS よりも安全かつスマートです。

CMB エンジニアリングチーム は、リチウムイオン充電式バッテリーパックとBMSの信頼性と優れたパフォーマンスを常に追求しています。

バッテリー管理システムの主な機能

過充電防止

過充電保護とは、リチウム電池の充電中に電圧が適正範囲を超えて上昇すると、不確実な危険をもたらすことを意味します。保護ボードの過充電保護機能は、バッテリーパックの電圧をリアルタイムで監視することです。安全な電圧範囲の上限まで充電されると、電源を遮断して電圧が上昇し続けるのを防ぎ、保護の役割を果たします。

充電中、保護ボードはバッテリーパックの各ストリングの電圧をリアルタイムで監視します。ストリングの 3.75 つが過充電保護値 (デフォルトの充電電圧は 0.05V±XNUMXV) に達している限り、保護ボードはバッテリーパックの各ストリングの電圧をリアルタイムで監視します。電源が遮断され、リチウム電池セット全体の充電が停止します。

過放電保護

過放電保護とは、リチウム電池の放電過程において電圧が低下すると、電気が完全に放電されてしまうと、リチウム電池内部の化学物質が活性を失い、充電不能になったり、容量が低下したりする現象を指します。保護基板の過放電保護機能は、電池パックの電圧をリアルタイムで監視し、電池電圧が最低電圧まで放電されると、電源を遮断して電圧の低下を防ぎ、保護的な役割を果たします。

放電中、保護ボードは、ストリングの 2.7 つが過放電保護値 (0.1 値のデフォルトの過放電電圧は 2.2V±0.1 です) に達している限り、バッテリーパックの各ストリングの電圧をリアルタイムで監視します。 V、鉄-リチウムのデフォルトの過放電電圧は XNUMXVV±XNUMXV)、保護ボードが電源を遮断し、リチウム電池のセット全体が放電を停止します。

過電流保護

過電流保護とは、リチウム電池が負荷に電力を供給するときに、電圧と電力の変化に応じて電流が変化することを意味します。電流が大きいと、保護基板やバッテリー、機器が焼損しやすくなります。保護ボードの過電流保護機能は、充電および放電プロセス中にバッテリーパックの電流をリアルタイムで監視することです。過電流保護回路は、電流が安全範囲を超えると電流の流れを遮断し、バッテリーや機器を損傷から保護します。

充電および放電中、保護ボードはバッテリーパックの電流をリアルタイムで監視します。設定された過電流保護値に達すると、保護ボードが電源を遮断し、リチウム電池全体の充放電が停止します。

短絡保護

バッテリーのプラス端子とマイナス端子が負荷なしで直接接続されると、短絡が形成されます。短絡はバッテリーやデバイスに損傷を与える可能性があります。

リチウム電池が誤って短絡（誤配線、誤配線、水の浸入など）を起こした場合、保護基板がごく短時間（0.00025秒）で電流の流れを遮断し、安全な役割を果たします。保護効果。

温度保護

温度制御保護: ハードウェア保護ボードの温度制御プローブは保護ボード内のメインボードに溶接されており、差し込むことはできません。温度制御プローブは、バッテリーパックや作業環境の温度変化をリアルタイムで監視できます。バッテリーパックの温度制御保護システムは、温度が設定値（デフォルト：充電 -20 ～ 55 °C、放電 -40 ～ 75 °C）を超えると充電と放電を切断します。温度が適切な範囲に戻ると、システムは充電と放電を再接続します。

バランス保護

パッシブイコライゼーションとは、バッテリーストリング間に電圧の不一致がある場合、充電プロセス中に保護ボードが各ストリングの電圧を調整して一貫性を保つことを意味します。

保護ボードがリチウム電池列間の電圧差を検出したとき。保護基板は、充電時に高電圧ストリングの数が平衡値(LiNiCoMnO30: 35V、LiFePO2: 4.13V)に達すると、バランス抵抗を介して高電圧ストリングから約4〜3.525mAを放電(消費)します。他の低電圧ストリングは満充電になるまで充電を続けます。

バッテリー BMS はバッテリーパックの心臓部です。バッテリー管理システム (BMS) は、リチウムイオンバッテリーパックのバッテリー状態とパフォーマンスを報告します。これは明らかであり、BMS ソリューションをリチウムイオンバッテリーに適合させるという電子的要求を明確に確認します。 CMB 労働 バッテリー管理システム設計 包括的な監視を提供します カスタムリチウムイオンバッテリーパックこれには、セル電圧の追跡、セルバランス、アプリと PC 経由の詳細な健康状態の読み取りが含まれます。