1) BMSとは何ですか?
BMSの正式名称はバッテリーマネジメントシステムです。エネルギー蓄電池の状態を監視する装置です。これは主に、個々のバッテリーセルのインテリジェントな管理とメンテナンス、バッテリーの過充電と過放電の防止、バッテリー寿命の延長、バッテリー状態の監視に使用されます。一般に、BMS は回路基板またはハードウェア ボックスとして表されます。
BMS は、バッテリー エネルギー貯蔵システムのコア サブシステムの 1 つで、バッテリー エネルギー貯蔵ユニット内の各バッテリーの動作状態を監視し、エネルギー貯蔵ユニットの安全で信頼性の高い動作を保証する責任を負います。BMS は、エネルギー貯蔵バッテリーのステータス パラメーター (単セル電圧、バッテリー極温度、バッテリー ループ電流、バッテリー パック端子電圧、バッテリー システム絶縁抵抗などを含むがこれらに限定されない) をリアルタイムで監視および収集できます。関連するステータスパラメータに対して必要な分析と計算を実行して、より多くのシステムステータス評価パラメータを取得します。また、特定の保護制御戦略に従ってエネルギー貯蔵バッテリー自体の効果的な制御を実現し、バッテリーエネルギー貯蔵ユニット全体の安全で信頼性の高い動作を保証することもできます。同時に、BMS は、独自の通信インターフェイスおよびアナログ/デジタル入力インターフェイスを通じて他の外部デバイス (PCS、EMS、防火システムなど) と対話し、エネルギー貯蔵電源全体のさまざまなサブシステムの連携制御を形成できます。発電所の安全、信頼性、効率的な系統接続運用を保証します。
2) アーキテクチャ
トポロジ アーキテクチャの観点から見ると、BMS は、さまざまなプロジェクト要件に応じて集中型と分散型の 2 つのカテゴリに分類されます。
一元化されたBMS
簡単に言えば、集中型 BMS は単一の BMS ハードウェアを使用してすべてのセルを収集するため、セルが少ないシナリオに適しています。
集中型 BMS は、低コスト、コンパクトな構造、高い信頼性という利点があり、電動工具、ロボット (ハンドリング ロボット、支援ロボット)、 IOTスマートホーム（お掃除ロボット、電動掃除機）、電動フォークリフト、電動低速車両（電動自転車、電動バイク、電動観光カー、電動パトカー、電動ゴルフカートなど）、軽ハイブリッド自動車。
集中型 BMS ハードウェアは、高電圧領域と低電圧領域に分けることができます。高電圧領域は、単セル電圧、システム総電圧を収集し、絶縁抵抗を監視する役割を果たします。低圧領域には、電源回路、CPU回路、CAN通信回路、制御回路などが含まれます。
乗用車のパワーバッテリーシステムは高容量、高総圧、大容量を目指して開発が続けられているため、分散型 BMS アーキテクチャは主にプラグイン ハイブリッド車や純粋な電気自動車のモデルで使用されています。
分散型BMS
現在、業界では分散 BMS に関するさまざまな用語が存在し、企業によって名前が異なります。パワーバッテリー BMS は、主にマスター/スレーブの 2 層アーキテクチャを備えています。
エネルギー貯蔵 BMS は通常、バッテリー パックのサイズが大きいため、スレーブおよびメイン制御層の上にマスター制御層を備えた 3 層アーキテクチャになっています。
バッテリーがバッテリー クラスターを形成し、さらにバッテリー クラスターがスタックを形成するのと同じように、3 層 BMS も同じ上向きルールに従います。
制御から: 個々のバッテリーから情報を収集するバッテリー管理ユニット (BMU)。
バッテリーセルの電圧と温度を監視します
パッケージ内のバッテリー均等化
情報アップロード
熱管理
異常警報
マスター コントロール: バッテリー クラスター管理ユニット: BCU (バッテリー クラスター ユニット、高電圧管理ユニット HVU、BCMU などとも呼ばれます)、BMU 情報の収集とバッテリー クラスター情報の収集を担当します。
電池クラスタ電流取得、総電圧取得、漏電検出
バッテリー状態異常時の電源オフ保護
BMSの管理下で、その後の充放電管理の基礎となる容量校正とSOC校正を別々に完了できます。
バッテリー アレイ管理ユニット (BAU) は、エネルギー貯蔵バッテリー スタック全体のバッテリーの集中管理を担当します。さまざまなバッテリー クラスター管理ユニットに接続し、他のデバイスと情報を交換して、バッテリー アレイの動作ステータスに関するフィードバックを提供します。
電池アレイの充放電管理
BMS システムの自己チェックおよび故障診断アラーム
電池パック故障診断アラーム
電池アレイのさまざまな異常や故障に対する安全保護
PCSやEMSなど他の機器と通信する
データの保存、送信、処理
バッテリー管理層：個々のバッテリーのさまざまな情報（電圧、温度）を収集し、バッテリーのSOCとSOHを計算および分析し、個々のバッテリーのアクティブ均等化を達成し、個々のバッテリーの異常情報をバッテリーパックユニットレイヤーBCMUにアップロードする責任があります。CAN 外部通信により、デイジーチェーンで相互接続されます。
バッテリー管理層: BMU によってアップロードされた個々のバッテリーからのさまざまな情報の収集、バッテリー パックに関するさまざまな情報 (パック電圧、パック温度)、バッテリー パックの充放電電流の収集、バッテリー パックの SOC と SOH の計算と分析を担当します。 、すべての情報をバッテリー クラスター ユニット層 BAMS にアップロードします。CAN 外部通信により、デイジーチェーンで相互接続されます。
バッテリークラスター管理層: BCMU によってアップロードされたさまざまなバッテリー情報を収集し、RJ45 インターフェイスを介してすべての情報をエネルギー貯蔵監視 EMS システムにアップロードする責任があります。PCSと通信してバッテリーの関連異常情報をPCS（CANまたはRS485インターフェイス）に送信し、PCSと通信するためのハードウェアドライノードを装備しています。さらに、電池システムのBSE（Battery State Estimate）評価、電気システムの状態検出、コンタクタ管理、熱管理、運用管理、充電管理、診断管理、および内部および外部の通信ネットワーク管理を実行します。CANを介して部下と通信します。
3) BMS は何をするのですか?
BMS の機能は数多くありますが、その中核であり、私たちが最も懸念しているのは次の 3 つの側面です。
1つはBMSの基本機能であるセンシング（状態管理）です。電圧、抵抗、温度を測定し、最終的にはバッテリーの状態を感知します。私たちは、バッテリーの状態がどのようなものであるか、バッテリーのエネルギーと容量はどのくらいか、バッテリーがどの程度健康であるか、どのくらいの電力を生成するか、そしてどの程度安全であるかを知りたいと考えています。これがセンシングです。
2つ目はマネジメント（残高管理）です。BMS はバッテリーの乳母だと言う人もいます。それならこの乳母がなんとかしてくれるはずだ。何を管理するのか？バッテリーの状態をできるだけ良くするためです。最も基本的なのはバランス管理と熱管理です。
3つ目はプロテクション（安全管理）です。乳母にも仕事があります。バッテリーに何らかのステータスがある場合は、バッテリーを保護し、アラームを発生させる必要があります。
もちろん、特定のプロトコルを通じてシステム内外にデータを転送する通信管理コンポーネントもあります。
BMS には、動作制御、絶縁監視、温度管理など、他にも多くの機能がありますが、ここでは説明しません。
3.1 認識 - 測定と推定
BMS の基本的な機能は、電圧、電流、温度、状態などの基本パラメータと、SOC や SOH などのバッテリ状態データの計算を含むバッテリ パラメータを測定および推定することです。パワーバッテリーの分野には、SOP (電力状態) と SOE (エネルギー状態) の計算も含まれますが、ここでは説明しません。最初の 2 つのより広く使用されているデータに焦点を当てます。
細胞測定
1) 基本情報の測定: バッテリー管理システムの最も基本的な機能は、個々のバッテリー セルの電圧、電流、温度を測定することです。これは、バッテリー管理システムのすべてのトップレベルの計算と制御ロジックの基礎となります。
2) 絶縁抵抗試験: 絶縁試験は、バッテリシステム全体とバッテリ管理システム内の高電圧システムに対して必要です。
3) 高電圧インターロック検出 (HVIL): 高電圧システム全体の完全性を確認し、高電圧システム ループの完全性が侵害された場合に安全対策を開始するために使用されます。
SOCの計算
SOC は充電状態 (State of Charge) を指し、バッテリーの残容量を指します。簡単に言うと、バッテリーの残量です。
SOC は、他のすべてがそれに基づいているため、BMS で最も重要なパラメータです。したがって、その精度と堅牢性 (エラー訂正機能とも呼ばれます) が非常に重要です。正確な SOC がなければ、バッテリーが保護された状態になることが多く、バッテリーの寿命を延ばすことが不可能になるため、いくら保護機能を備えたとしても BMS を適切に機能させることができません。
現在、SOC推定方法としては、開放電圧法、電流積分法、カルマンフィルター法、ニューラルネットワーク法などが主流となっています。最初の 2 つの方法が一般的に使用されます。後の 2 つの方法には、統合モデルや人工知能などの高度な知識が含まれますが、ここでは詳しく説明しません。
実際のアプリケーションでは、複数のアルゴリズムが組み合わせて使用されることが多く、バッテリーの充放電状態に応じて異なるアルゴリズムが採用されます。
開路電圧法
開路電圧法の原理は、バッテリーを長期間静的に配置する条件下で、開路電圧とSOCの間の比較的固定された関数関係を使用し、開路電圧に基づいてSOCを推定することです。これまで一般的に使用されていた鉛蓄電池電動自転車では、この方法で SOC を推定しています。開回路電圧方式はシンプルで便利ですが、多くの欠点もあります。
1. バッテリーは長時間放置しなければなりません。そうしないと、開回路電圧が短期間で安定することが困難になります。
2. バッテリー、特にリン酸鉄リチウムバッテリーには電圧プラトーがあり、端子電圧と SOC 曲線は SOC30% ～ 80% の範囲でほぼ直線的になります。
3. バッテリーの温度や寿命段階が異なり、開回路電圧は同じでも、実際の SOC の差は大きくなる可能性があります。
下図のように、この電動自転車を使用すると、現在のSOCが100%と表示されている場合、加速すると電圧が低下し、パワーが80%と表示される場合があります。加速を停止すると、電圧が上昇し、出力が 100% に戻ります。そのため、電動スクーターの出力表示は正確ではありません。止まっているときはパワーがあるのですが、発進するとパワーがなくなってしまいます。これはバッテリーの問題ではなく、BMS の SoC アルゴリズムが単純すぎることが原因である可能性があります。
安市積分法
Anshi連続積分法は、SOCの定義を通じてリアルタイムでSOC値を直接計算します。
SOC の初期値が与えられた場合、電池電流が測定できる限り (放電電流が正の場合)、電池容量の変化は電流積分によって正確に計算され、残存 SOC が得られます。
この方法は短期間では比較的信頼性の高い推定結果が得られますが、電流センサーの測定誤差やバッテリー容量の徐々に劣化するため、長期間の電流積算では一定の誤差が生じます。したがって、一般に、精度要件が低い SOC 推定の初期値を推定するために、開回路電圧法と組み合わせて使用されます。また、短期 SOC 予測のためにカルマン フィルター法と組み合わせて使用することもできます。
SOC (State Of Charge) は、BMS のコア制御アルゴリズムに属し、現在の残容量ステータスを表します。これは主に、アンペアアワー積分法と EKF (拡張カルマン フィルター) アルゴリズムと、補正戦略 (開路電圧補正、満充電補正、充電終了補正、さまざまな温度および SOH での容量補正など) を組み合わせることによって実現されます。等。）。アンペアアワー積分法は、電流取得精度を確保する条件下では比較的信頼性がありますが、堅牢ではありません。エラーが蓄積されるため、修正戦略と組み合わせる必要があります。EKF メソッドは堅牢ですが、アルゴリズムが比較的複雑で実装が困難です。国内の主流メーカーは室温で6%未満の精度を達成できますが、高温や低温、バッテリーの減衰などでの推定は困難です。
SOC補正
電流の変動により、推定された SOC は不正確になる可能性があり、さまざまな修正戦略を推定プロセスに組み込む必要があります。
SOHの計算
SOH は、バッテリーの現在の健康状態 (またはバッテリーの劣化の程度) を示す健康状態を指します。通常、0 ～ 100% の値で表され、80% 未満の値は一般にバッテリーが使用できなくなったことを示すと考えられます。電池容量や内部抵抗の変化で表すことができます。容量を使用する場合、現在のバッテリーの実際の容量はバッテリーの動作プロセスからのデータに基づいて推定され、これと定格容量の比率が SOH になります。正確な SOH は、バッテリーが劣化しているときの他のモジュールの推定精度を向上させます。
業界では、SOH には 2 つの異なる定義があります。
容量フェードに基づく SOH の定義
リチウムイオン電池は使用していると徐々に電池内部の活物質が減少し、内部抵抗が増加して容量が低下します。したがって、SOH はバッテリー容量から推定できます。バッテリーの健全性状態は、初期容量に対する現在の容量の比率として表され、SOH は次のように定義されます。
SOH=(C_standard-C_fade)/C_standard ×100%
ここで、 C_fade はバッテリーの損失容量です。C_standard は公称容量です。
IEEE 規格 1188-1996 では、電源バッテリーの容量が 80% に低下したらバッテリーを交換する必要があると規定しています。したがって、通常、バッテリーの SOH が 80% 未満の場合は利用できないと考えられます。
電力減衰 (Power Fade) に基づく SOH の定義
ほぼすべての種類のバッテリーが劣化すると、バッテリーの内部抵抗が増加します。バッテリーの内部抵抗が高いほど、利用可能な電力は低くなります。したがって、SOH は電力減衰を使用して推定できます。
3.2 管理 – バランスの取れたテクノロジー
それぞれのバッテリーには独自の「個性」があります
バランスについて話すには、バッテリーから始めなければなりません。同じメーカーの同じバッチで生産されたバッテリーであっても、独自のライフサイクルと「個性」があり、各バッテリーの容量がまったく同じであることはできません。この不一致には 2 つの理由があります。
一つは細胞生産の不均一性です。
1つは電気化学反応の不一致です。
生産の不一致
生産上のばらつきは理解しやすいです。たとえば、製造プロセス中に、ダイヤフラムの不一致や、カソードとアノードの材料の不一致により、バッテリー全体の容量の不一致が発生する可能性があります。標準の 50AH バッテリーは、49AH または 51AH になる場合があります。
電気化学的不一致
電気化学の不一致とは、バッテリーの充電と放電のプロセスにおいて、2 つのセルの製造と処理が同一であっても、電気化学反応のプロセスにおける熱環境が決して一貫できないことです。たとえば、バッテリーモジュールを作成する場合、周囲のリングの温度は中央の温度よりも低くなければなりません。その結果、充電量と放電量の間に長期的な不一致が生じ、バッテリーセルの容量の不一致につながります。バッテリーセル上の SEI フィルムの充電電流と放電電流が長期間にわたって一定しない場合、SEI フィルムの経時変化もばらつきます。
※SEIフィルム：「固体電解質界面」（固体電解質界面）。液体リチウムイオン電池の最初の充放電プロセス中に、電極材料は固液相界面で電解質と反応して、電極材料の表面を覆う不動態層を形成します。SEIフィルムは電子絶縁体であると同時にリチウムイオンの優れた伝導体でもあり、電極を保護するだけでなく電池の機能にも影響を与えません。SEI フィルムの劣化はバッテリーの状態に大きな影響を与えます。
したがって、バッテリーパックの不均一性 (または離散性) は、バッテリー動作の避けられない兆候です。
なぜバランスが必要なのか
電池が違うので同じにしてみたらどうでしょうか？不整合はバッテリーパックの性能に影響を与えるためです。
直列のバッテリーパックはショートバレル効果に従います。直列のバッテリーパックシステムでは、バッテリーパックシステム全体の容量は最小の単一ユニットによって決まります。
3 つのバッテリーで構成されるバッテリー パックがあるとします。
過充電と過放電はバッテリーに重大な損傷を与える可能性があることを知っています。したがって、充電中にバッテリー B が満充電になった場合、または放電中にバッテリー B の SoC が非常に低下した場合は、バッテリー B を保護するために充放電を停止する必要があります。その結果、バッテリー A とバッテリー C の電力を十分に発揮できなくなります。活用されている。これはにつながります：
バッテリ パックの実際に使用可能な容量が減少しました。バッテリ パックの空き容量を使用できたはずのバッテリ A とバッテリ C は、バッテリ B を収容するために使用できなくなりました。これは、2 人が 3 本足で縛り付けられているようなものです。背が高い人は大きな一歩を踏み出すことができません。
バッテリー寿命の減少: 歩幅が小さくなると、より多くの歩数が必要になり、足がより疲れやすくなります。容量が減少すると、充放電サイクルの回数が増加し、バッテリーの劣化が大きくなります。たとえば、単一セルは 100% DoD で 4000 サイクルを達成できますが、実際の使用では 100% に達することはできず、サイクル数は確実に 4000 に達しません。
*DoD、放電深度は、バッテリーの定格容量に対するバッテリーの放電容量の割合を表します。
電池のばらつきは電池パックの性能低下につながります。電池モジュールのサイズが大きい場合、複数の電池列が直列に接続され、単一の電圧差が大きいとボックス全体の容量が減少します。直列に接続されたバッテリーの数が増えるほど、失われる容量も大きくなります。ただし、当社のアプリケーション、特にエネルギー貯蔵システムのアプリケーションでは、次の 2 つの重要な要件があります。
1 つ目はバッテリーの長寿命で、運用とメンテナンスのコストを大幅に削減できます。エネルギー貯蔵システムには、バッテリー パックの寿命に対する高い要件があります。国産のほとんどは15年設計です。年間 300 サイクルと仮定すると、15 年で 4500 サイクルになりますが、それでも非常に高いです。電池パック全体の総寿命が設計寿命にできるだけ達するように、各電池の寿命を最大化し、電池のばらつきによる電池パックの寿命への影響を軽減する必要があります。
2 番目の深いサイクル、特にピークカットのアプリケーション シナリオでは、さらに 1 kWh の電力を放出することで、さらに 1 ポイントの収益がもたらされます。つまり、80％DoDか90％DoDをやるということです。エネルギー貯蔵システムにディープサイクルを採用すると、テール放電時の電池のばらつきが顕著に現れます。したがって、深充電および深放電条件下で各単セルの容量を確実に最大限に解放するには、エネルギー貯蔵BMSに強力な均等化管理機能を要求し、電池セル間の不整合の発生を抑制する必要があります。 。
これら 2 つの要件は、バッテリーの不安定性とはまったく逆です。より効率的なバッテリー パック アプリケーションを実現するには、バッテリーの不整合による影響を軽減する、より効果的なバランシング テクノロジが必要です。
平衡技術
バッテリー均等化技術は、異なる容量のバッテリーを同じにする方法です。一般的なイコライゼーション方法には、エネルギー散逸一方向イコライゼーション (パッシブ イコライゼーション) とエネルギー伝達双方向イコライゼーション (アクティブ イコライゼーション) の 2 つがあります。
(1) パッシブバランス
受動的均等化の原理は、各バッテリー列に切り替え可能な放電抵抗を並列接続することです。BMS は放電抵抗を制御して高電圧セルを放電し、電気エネルギーを熱として放散します。たとえば、バッテリ B がほぼ完全に充電されると、スイッチが開き、バッテリ B の抵抗器が過剰な電気エネルギーを熱として放散できるようになります。その後、バッテリー A と C も完全に充電されるまで充電が続けられます。
この方法では高電圧セルのみを放電でき、低容量セルを再充電することはできません。放電抵抗の電力制限により、均等化電流は一般に小さくなります (1A 未満)。
パッシブイコライゼーションの利点は、低コストで回路設計が簡単であることです。欠点は、均等化の際に最も低いバッテリー残量に基づいて行われるため、残存容量が低いバッテリーの容量を増やすことができないことと、均等化された電力の 100% が熱の形で無駄になることです。
(2)アクティブバランス
アルゴリズムを通じて、複数のバッテリー列がエネルギー貯蔵コンポーネントを使用して高電圧セルのエネルギーを低電圧セルに転送し、高電圧バッテリーを放電し、放出されたエネルギーを使用して低電圧セルを充電します。エネルギーは散逸するのではなく、主に伝達されます。
このようにして、充電中、最初に 100% の電圧に達したバッテリー B が A と C に放電し、3 つのバッテリーが一緒に完全に充電されます。放電中、バッテリー B の充電残量が低すぎる場合、バッテリー A と C が B を「充電」し、セル B が放電をすぐに停止するための SOC しきい値に達しないようにします。
アクティブバランシングテクノロジーの主な特長
(1) 高電圧と低電圧のバランスをとってバッテリーパックの効率を向上させます。充放電中および休止中は、高電圧バッテリーを放電し、低電圧バッテリーを充電できます。
(2) 低損失エネルギー伝送: エネルギーは単に失われるのではなく、主に伝送されるため、電力利用効率が向上します。
(3) 大きな平衡電流: 一般に、平衡電流は 1 ～ 10A であり、平衡状態はより速くなります。
アクティブイコライゼーションには、対応する回路とエネルギー貯蔵デバイスの構成が必要であり、それが大容量化とコストの増加につながります。これら 2 つの条件を総合すると、アクティブ イコライゼーションの推進と適用が容易ではないことがわかります。
さらに、アクティブ均等化充電および放電プロセスにより、バッテリーのサイクル寿命が暗黙的に延長されます。バランスをとるために充電と放電が必要なセルの場合、追加の作業負荷により通常のセルの寿命を超え、他のセルとのパフォーマンスの差が大きくなる可能性があります。
一部の専門家は、上記の 2 つの式が散逸平衡と非散逸平衡に対応すると考えています。それが能動的であるか受動的であるかは、平衡プロセスを引き起こすイベントによって決まるはずです。システムがパッシブでなければならない状態に達した場合、システムはパッシブになります。人間が設定する場合、バランスをとる必要がないときに平衡プログラムを設定することをアクティブ平衡と呼びます。
たとえば、放電が終了したとき、最も電圧の低いセルは放電終止電圧に達していますが、他のセルにはまだ電力が残っています。このとき、できるだけ多くの電気を放電するために、エネルギーの高いセルの電気をエネルギーの低いセルに移し、すべての電力が放電されるまで放電プロセスを継続します。これはパッシブイコライゼーションプロセスです。電力がまだ 40% 残っているときに、放電の終わりに不均衡が生じるとシステムが予測すると、アクティブな均等化プロセスが開始されます。
アクティブイコライゼーションは、集中型と分散型の方法に分けられます。集中均等化方式では、バッテリーパック全体からエネルギーを取得し、エネルギー変換装置を使用して少ないエネルギーでバッテリーにエネルギーを補充します。分散型均等化には、隣接するバッテリー間のエネルギー貯蔵リンク (インダクターまたはコンデンサーなど) が含まれ、隣接するバッテリー間でエネルギーを流すことができます。
電流バランス制御戦略では、セル電圧を制御対象パラメータとする案もあれば、SOCをバランス制御対象パラメータとする案もある。セル電圧を例に挙げます。
まず、均等化を開始および終了するための 1 対のしきい値を設定します。たとえば、バッテリーのセットでは、単一セルの極値電圧とセットの平均電圧の差が 50mV に達すると均等化が開始され、 5mVに達するとイコライゼーションは終了します。
BMS は、固定の取得サイクルに従って各セルの電圧を収集し、平均値を計算し、各セルの電圧と平均値の差を計算します。
最大差が 50mV に達すると、BMS はイコライゼーション プロセスを開始する必要があります。
等化プロセス中、差分値がすべて 5mV 未満になるまでステップ 2 を継続し、その後等化を終了します。
すべての BMS がこのステップを必要とするわけではなく、その後の戦略はバランス方法に応じて異なる場合があることに注意してください。
バランス技術はバッテリーの種類にも関係します。一般に、LFP はアクティブ バランスに適しており、三元電池はパッシブ バランスに適していると考えられています。
BMS における激しい競争の段階は、主にコストと信頼性によって支えられています。現在のところ、アクティブバランシングの実験的検証はまだ達成されていません。機能安全のレベルは ASIL-C および ASIL-D に移行すると予想されますが、コストは非常に高くなります。そのため、現在の大企業は積極的なバランス研究には慎重だ。一部の大規模工場では、燃料自動車のメンテナンスと同様に、バランシング モジュールをキャンセルして、すべてのバランシングを外部で実行したいとさえ考えています。車両は一定の距離を走行するたびに、外部バランス調整のために 4S ストアに行きます。これにより、車両 BMS 全体のコストが削減され、対応する 4S ストアにも利益がもたらされます。これはすべての当事者にとって有利な状況です。なので、個人的にはこれがトレンドになるのは理解しています！
3.3 保護 - 故障診断と警報
BMS 監視は電気システムのハードウェアと一致しており、バッテリーのさまざまな性能条件に応じてさまざまな故障レベル (軽度の故障、重大な故障、致命的な故障) に分類されます。警告、電力制限、または直接高電圧遮断など、障害レベルごとに異なる対応措置が取られます。障害には、データ取得と合理性の障害、電気的障害 (センサーとアクチュエーター)、通信障害、およびバッテリー状態の障害が含まれます。
一般的な例としては、バッテリーが過熱した場合、BMS は収集したバッテリー温度に基づいてバッテリーが過熱していると判断し、このバッテリーの回路を切断するように制御し、過熱保護を実行し、EMS などの管理システムにアラートを送信します。
3.4 コミュニケーション
BMS の通常の動作は、その通信機能から切り離すことができません。バッテリーマネジメントにおけるバッテリーの制御や、バッテリーの状態を外部に送信したり、制御指示を受信したりする際には、安定した通信が求められます。
パワーバッテリーシステムでは、BMS の一端はバッテリーに接続され、もう一端は車両全体の制御システムおよび電子システムに接続されます。全体的な環境では CAN プロトコルが使用されますが、バッテリー パックの内部コンポーネント間で内部 CAN を使用することと、バッテリー パックと車両全体の間で車両 CAN を使用することには違いがあります。
対照的に、エネルギー貯蔵BMSと内部通信は基本的にCANプロトコルを使用しますが、その外部通信（外部とは主にエネルギー貯蔵発電所配電システムPCSを指します）にはインターネットプロトコル形式のTCP/IPプロトコルやModbusプロトコルが使用されることがよくあります。
4) エネルギー貯蔵BMS
エネルギー貯蔵 BMS メーカーは通常、パワーバッテリー BMS から発展したため、多くの設計や用語には歴史的な起源があります。
例えば、パワーバッテリーは一般的にBMU（バッテリーモニターユニット）とBCU（バッテリーコントロールユニット）に分けられ、前者はデータを収集し、後者はデータを制御します。
バッテリーセルは電気化学プロセスであるため、複数のバッテリーセルでバッテリーを形成します。各バッテリーセルの特性により、製造プロセスがどれほど正確であっても、時間の経過や環境に応じて、各バッテリーセルに誤差や不一致が発生します。したがって、バッテリー管理システムは、限られたパラメーターを通じてバッテリーの現在の状態を評価するものであり、物理的および化学的分析を必要とする西洋医学ではなく、症状を観察して患者を診断する伝統的な中国医学の医師に似ています。人体の物理的および化学的分析は、大規模な実験装置で測定できるバッテリーの電気化学的特性に似ています。ただし、組み込みシステムでは電気化学の一部の指標を評価するのは困難です。したがって、BMS は昔の漢方医のようなものです。
4.1 エネルギー貯蔵BMSの3層アーキテクチャ
エネルギー貯蔵システムには多数のバッテリーセルが含まれるため、コストを節約するために、BMS は通常、2 層または 3 層の層で実装されます。現在はマスターコントロール/マスターコントロール/スレーブコントロールの3階層が主流です。
4.2 エネルギー貯蔵BMSの詳細な説明
５）現状と今後の動向
BMS を製造するメーカーにはいくつかの種類があります。
最初のカテゴリーは、パワーバッテリー BMS で最も支配的な力を持つエンドユーザー、つまり自動車工場です。実際、海外で最も強い BMS 製造力があるのはゼネラルモーターズ、テスラなどの自動車工場でもあり、国内には BYD、華ティングパワーなどがあります。
2 番目のカテゴリは、Samsung、Ningde Times、Xinwangda、Desay Battery、Topband Co., Ltd.、Beijing Purrad などのセル メーカーおよびパック メーカーを含むバッテリー工場です。
3 番目のタイプの BMS メーカーは、パワー エレクトロニクス技術で長年の経験があり、Eternal Electronics、Hangzhou Gaote Electronics、Xie Neng Technology、Kegong Electronics などの大学または関連企業の出身の研究開発チームを擁するメーカーです。
主に末端自動車メーカーが独占する動力用電池のBMSとは異なり、蓄電池のエンドユーザーはBMSの研究開発・製造に参加する必要性や具体的な行動を必要としないように思われる。また、大規模なバッテリー管理システムの開発に多額の費用とエネルギーを費やす可能性も低いでしょう。したがって、エネルギー貯蔵電池BMS業界には絶対的な優位性を持つ重要なプレーヤーが不足しており、エネルギー貯蔵BMSに焦点を当てている電池メーカーやベンダーにとっては開発と想像力の大きな余地が残されていると考えられます。エネルギー貯蔵市場が確立されれば、バッテリーメーカーや専門のBMSメーカーに多くの開発の余地が与えられ、競争上の抵抗が少なくなるでしょう。
現在、エネルギー貯蔵BMSの開発に注力している専門のBMSメーカーは比較的少数です。これは主に、エネルギー貯蔵市場がまだ初期段階にあり、市場におけるエネルギー貯蔵の将来の発展についてはまだ多くの疑問があるという事実によるものです。したがって、ほとんどのメーカーはエネルギー貯蔵に関連する BMS を開発していません。実際のビジネス環境では、電気自動車用バッテリーBMSをエネルギー蓄電池用BMSとして購入するメーカーも存在します。将来的には、専門の電気自動車 BMS メーカーも、大規模なエネルギー貯蔵プロジェクトで使用される BMS サプライヤーの重要な部分になる可能性が高いと考えられています。
現段階では、さまざまなエネルギー貯蔵システムのサプライヤーが提供する BMS の統一規格が不足しています。メーカーごとに BMS の設計や定義が異なり、互換性のあるバッテリーの種類に応じて、SOX アルゴリズム、イコライゼーション技術、アップロードされる通信データの内容も異なる場合があります。BMS を実際に適用する場合、このような違いは適用コストを増加させ、産業の発展に悪影響を及ぼします。したがって、BMS の標準化とモジュール化も将来の重要な開発方向となります。
投稿日時: 2024 年 1 月 15 日