EVバッテリの背後にある 驚くべき技術

Thought Leadership Article EVバッテリの背後にある 驚くべき技術 Greg Zimmer 概要 いる問題は、ICE車の走行可能距離に相当するだけの十分な容量 燃料タンクのような単一のエネルギー貯蔵要素と異なり、電気 のバッテリを搭載できないことです。 自動車（EV）のバッテリ・パックは、数百個のリチウムイオン （Li-Ion）バッテリ・セルを直列につないで構成されています。 課題 慎重に制御された範囲で使用しない限り、これらのバッテリ・ EVのバッテリ・パックは数百個におよぶ個別のバッテリ・セル セルの容量と寿命は減少し、また時間の経過や使用条件によっ から構成されており、直列で動作することによって400Vから て大きく変化してしまいます。バッテリ・マネージメント・シ 800Vの電圧を発生させます。過充電や過放電はセルを損傷させ ステム（BMS）は、安全性と信頼性を確保しながら、これらの たり劣化を早めたりする可能性があり、更にそれが容量の減少や セルから最大限の容量と寿命を引き出す役割を担っています。 寿命の短縮を招いて、最終的にセルを故障させてしまうおそれも このシステムの心臓部がバッテリ・セル・モニタで、これは、 あります。BMSの主な機能は、パックを構成しているこれら多数 各セルの状態を評価するための重要なパラメータである充電状 のセルのSOCやSOHを判定し、制御することです。リチウムイ 態（SOC）と劣化状態（SOH）の判定に使用する、セル測定 オン・セルは、そのSOCの100%まで充電したり0% SOCまで 値を提供します。本稿では、アナログ・デバイセズが提供する 放電させたりすると、容量が低下します。SOCを判定するには ADBMS6815高電圧バッテリ・セル・モニタ・ファミリと、 セルの電圧と温度を測定する必要があり、これらの測定値の精度 オートモーティブ・バッテリ・パックの最大限の容量、安全性、 がいかに良好なSOC管理を実現できるかを直接決定します。要 信頼性、寿命を実現する主要な差別化機能を紹介します。 するに、BMSの電子回路は、EVのバッテリ・システムの最大限 の動作範囲、寿命、信頼性、そして安全を実現する最も重要な部 はじめに 分です。 過去数十年にわたり、自動車産業ではゆっくりと統合化が進み、 その間に技術とブランドの差別化の度合いは低下してきました。 互いに緊密に連係する形で直列に接続されて、高電圧のパックを エネルギーを動きに変換するシステムであるパワートレインは、 構成している多数のバッテリ・セルのすべてを、正確かつ継続的 自動車メーカーの最も重要な知的財産であることはほぼ間違いな に測定するのは簡単なことではありません。測定は、インバータ、 く、その背後には1世紀以上にわたる改善の積み重ねがあります。 アクチュエータ、スイッチ、リレーなどによって生じる電気的ノ このような背景の中で、まったく新しい自動車会社が出現したこ イズの干渉に対して、耐性を備えている必要があります。また、 とは非常に注目すべきことです。パワートレイン技術は多くの課 パックの電圧が高いので、電子回路自体も電気的に絶縁する必要 題を伴うものだからです。 があります。そして最終的には、これらの電子回路は、通常の使 用による損傷、気象条件、そして車両の経年劣化と走行距離の積 内燃機関（ICE）を使用する標準的な車両は15ガロン（約57リッ み重ねの中で、長年にわたり動作できるものでなければなりませ トル）の燃料タンクを搭載しており、これはほぼ500kWhrの電 ん。 気エネルギーに相当します。ICEでは15ガロンのガソリンが375 マイル（約600km）の走行距離に変換され、EVでは500kWhr BMSの心臓部 の電気エネルギーが1450マイル（約2330km）の走行距離に変 集積回路（IC）とソリューションのリーディング・プロバイダと 換されます。効率面におけるこの非常に大きな優位性が、最終的 して、アナログ・デバイセズはバッテリ・マネージメント製品に にはEVに軍配が上がる理由ですが、その過程の最終部分につい おいて次の重要領域に焦点を当てています。すなわち、個々のセ てはまだ明確な像が描けていません。現行世代のEVが直面して ルの測定（セル・モニタ）、パック全体の測定（パック・モニタ）、 VISIT ANALOG.COM/JP

Unidirectional/ Precision Serial Bidirectional Analog-to-Digital Serial Port B Isolated Converter(s) Interface Serial Daisy-Chain Next 12-Cell Port A Communication Pack Above Interface Comms Monitor I2C/SPI Devices Temperature (EEPROM, ETC) 12-Cell Current Sensor(s) Battery String Temperature Additional Sensors Signal Monitoring and Control Signals Control Precision Voltage ETC Reference(s) Cell Discharge Next 12-Cell Circuitry Pack Above 図1. マルチセル・バッテリ・モニタの簡略図 各種デバイスを相互に接続するための通信ネットワーク（有線ま アナログ・デバイセズのBMS通信技術 たは無線ネットワーク）、そしてこれらのデバイスを制御するため ADBMS6815ファミリのセル・モニタは、isoSPI™と呼ばれる2 のソフトウェアです。これらの電子回路の目標は、すべてのバッ 線式通信インターフェースを使用するデイジーチェーン接続用に テリ・セルを最大容量まで安全に充電できるようにして、パック 設計されています。これは堅牢性とEMI耐性を備え、電気的に絶 全体に保存できるエネルギーをできるだけ大きくし、車体の走行 縁されたネットワークで、BMSのマイクロコントローラからアナ 距離を最大限に延ばすことにあります。 ログ・デバイセズの複数のBMSデバイスを同期させて、操作、 ポーリング、制御を行うことを可能にします。これにより、アナ 最も重要なデバイスが高電圧セル・モニタICであることは、ほぼ ログ・デバイセズのパック・モニタ・デバイスを使い、パック電 間違いのないところです。セル・モニタICは、直列に接続された 流およびパック電圧と同期させて、パック内のすべてのセルを測 バッテリ・セルの電圧と温度を測定します（通常は1個のモニタ 定できます。このデイジーチェーンは、各デバイスに対し1つの あたり12個のセル）。セルの電圧と温度は重要なパラメータであ パスで動作させるか、ループ構成にして2つのパスで動作させる り、その測定の精度と同時性は重要な特性です。 ことができます。ループ構成では、ワイヤやコネクタに障害が生 つまり、この情報は、セルにストレスをかけることなく、BMSが じた場合でも、すべてのセル・モニタ・データにアクセス可能です。 セルの安全動作範囲を最大限に生かしてセルを動作させること isoSPIの詳細については、このビデオをご覧ください。 を可能にします。したがって、これらのセル・モニタの性能は、 BMSが最大限の車両走行距離、コストと重量の低減、そして信 ADBMS6815ファミリはワイヤレスBMS（wBMS）での動作も 頼性の向上を実現する上で、非常に重要です。測定誤差はバッテ サポートしており、その場合は有線接続のデイジーチェーンが、 リ・マネージメントの効果を低下させるので、アナログ・デバイ セル・モニタの2.4GHzワイヤレスBMSノードに置き換えられま セズのBMS製品は、常に業界最高の精度を備えた測定能力を提 す。 供します。 アナログ・デバイセズが最近販売を開始したADBMS6815ファ 安全性 ミリの高精度セル・モニタでは、優れた安全、性能、コスト効果 BMSのすべての目標の中で、バッテリ・パックの安全を確保する を実現する各種の機能が理想的な形で組み合わされています。こ ことが最も重要です。IC内の故障の可能性を認識してそれを是正 のファミリは3つの基本的なデバイスで構成されており、それぞ するには、組み込みのセルフテスト機能と冗長性が必要です。こ れモニタできるセルの数が異なります。ADBMS6816は6個の れらの機能には、冗長測定パス、入力信号間の同期改善、セルフ バッテリ・セルをモニタし、ADBMS6817は8個の直列バッテ テスト機能、その他様々な機能が含まれます。 リ・セルを、そしてADBMS6815は12個の直列バッテリ・セル ADBMS6815ファミリのデバイスは、ISO 26262のASIL-D規 をモニタします。この3つの異なるセル・モニタ数は、広範なバッ 格をサポートするように設計されています。 テリ・パック構成の様々なセル構成に対応することを可能にしま す。更に、これらのデバイスをうまく組み合わせることで、最適 ISO 26262は世界的に導入されている自動車用の機能安全規格 な数のセル・モニタ・チャンネルを作り出すことができます。こ で、自動車用電気機器およびシステムのライフサイクルを通じて、 れらのデバイスの動作環境には非常に強い電気的ノイズが含まれ その安全性を確保できるように構成されています。ASIL-Dはこ るので、デバイスにはこのノイズを低減する調整式のローパス・ のISO規格におけるリスク分類の1つで、システムが自動車の安 フィルタも組み込まれており、高忠実度の測定が確保されていま 全に関して最も高いレベルを実現していることを表します。アナ す。 ログ・デバイセズのコンポーネントは、ASIL-Dに対応することを 目標に設計され認証を受けているため、これらのコンポーネント を使用する自動車メーカーは、この重要目標を確実に達成できま す。 2 EVバッテリの背後にある驚くべき技術 Battery Cell Input Voltages

+ Daisy-Chain Interface Cell Monitor Cell Monitor Cell Monitor Daisy-Chain Interface Cell Monitor Cell Monitor Cell Monitor – 図2. 有線BMSの概要 + wBMS Node Cell Monitor Cell Monitor Cell Monitor wBMS Node wBMS Node wBMS Node Daisy-Chain wBMS Node wBMS Node wBMS Node Interface Cell Monitor Cell Monitor Cell Monitor – 図3. 通信線を無線に置き換えるwBMS 更に、ISO 26262規格に適合することにより、一般に設計者は、 アナログ・デバイセズがこの問題をどのように解決するのかにつ IEC 61508といった他の機能安全規格にも対応し、オートモー いては、LPCMを説明したこのビデオをご覧ください。 ティブ・アプリケーション以外の要求を満たすことができます。 柔軟性、機能、およびコスト効果 低消費電力セル・モニタリング ADBMS6815ファミリは、広範な要求事項に対応する機能の理 自動車に電力を供給するために安定した予測可能な信頼性の高い 想的な組み合わせを提供することによって、既に概要を説明した エネルギー源を確保することに加えて、BMSには、セル自体の 安全性、信頼性、性能を補完します。これらのデバイスは同じパッ 安全性を確保することも求められます。発生することは稀ですが、 ケージとピン配列を使用しているので、設計者は、異なるチャン バッテリ・セルの異常は時間の経過と共にセルを短絡させて熱暴 ネル数（各デバイスで6、8、12個のバッテリ・セルをモニタ） 走を起こし、破滅的な結果を招くことがあります。このような理 を組み合わせて汎用設計を行い、これを適用することでより広範 由から、BMSは何らかの問題の兆候を示す状態をモニタします。 なバッテリ・パック構成やセル・モジュール構成に対応できます。 これらのデバイスには、デジタル入力、デジタル出力、またはア バッテリ・セルは、使用していないからといって不活性な状態に ナログ入力として使用できる汎用I/Oも含まれています。アナロ ある訳ではありません。電気化学的装置として、バッテリ・セル グ入力として使用した場合は、プライマリ・セル測定と同じ精度 は未使用時であっても時間と共に変化します。言葉を変えると、 で、5Vまでの任意の電圧を測定できます。更に、温度や電流と セルの不具合の進行は、車両を使っていないときでも続く可能性 いったこれらの補助測定機能を個々のセル測定と同期させれば、 があります。車両がキーオフ状態にある間もバッテリ・パック内 より正確なSOC計算を行うことができます。これらのI/Oピン にあるセルのモニタリングを継続するために、アナログ・デバイ はI2CやSPIなどのサブノード・デバイスも制御できるので、アナ セズは低消費電力セル・モニタリング（LPCM）を開発しました。 ログ入力を拡大するためのマルチプレクサ追加や、キャリブレー LPCMは、バッテリ・セルの重要パラメータを定期的かつ自律的 ション情報を保存するためのEEPROM追加といった、より複雑 にチェックする、先進的なセル・モニタリング機能です。セル・ な機能を実現することができます。最後に、これらのデバイスに モニタはこのLPCM機能を使用し、問題の可能性を検出した場合 はバランシング機能が含まれており、それにより任意のセルに最 はアラートを発し、BMSをウェイク・アップさせて適切なチェッ 大300mAの電流を放出させることができます。これは、システ クを行うよう指示します。また、セル・モニタが定期的な肯定的 ムがパック内のすべてのセルのSOCを均等化して、それを維持 確認を行えなかった場合も、BMSにアラートが発せられます。 VISIT ANALOG.COM/JP 3 Software Software BMS Controller BMS Controller Pack Monitor Pack Monitor

することを可能にします。この均等化プロセスは周期を指定した 路上で実証された多くの世代のバッテリ・モニタICに続くもので セットアップが可能で、プログラムした閾値に達した時点で自動 あり、オートモーティブ・アプリケーションと工業用アプリケー 的に停止できます。これは、バッテリ・セル・モニタがスリープ・ ションの環境、信頼性、および安全性に関する要求を上回る性能 モードになっているときでも、長期間にわたってバランシングを を実現できるように設計されています。これらの製品は、各種の 行うことを可能にします。 EV車や大規模エネルギー・ストレージ・システムに対して新た に出現する困難な要求に、効率的に対応し続けています。設計者 共通機能 は、市場をリードするその技術が、今日実現しうる最高レベルの BMSを提供し、明日に向かってとどまることのない革新を基礎と X ADBMS6815（12チャンネル） して最先端システムへの道を確立するのだという自信を持って、 X ADBMS6817（8チャンネル） アナログ・デバイセズを選択することができます。 X ADBMS6816（6チャンネル） 更に詳しい情報については、アナログ・デバイセズのバッテリ・ ■ 自動車安全水準D（ASIL-D）をサポート マネージメント・グループまでお問い合わせください。また、 ■ 最大寿命期間での最大測定誤差：1.5mV analog.com/jp/BMSをご覧ください。 ■ 高電圧バッテリ・パックに適したスタック可能アーキテク チャ 著者について ■ 304µsでシステム内のすべてのセルを測定 Greg Zimmerは、アナログ・デバイセズのバッテリ・マ ■ プログラマブル・ノイズ・フィルタを備えた16ビット ネージメント・システム・グループのマーケティング・マ ADC ネージャでした。また、広範な高性能シグナル・コンディ ショニングICの製品マーケティング経験を有しています。 ■ プログラマブルPWM制御を備えたチャンネルあたり 300mAのパッシブ・セル・バランシング その経歴には、マーケティング、テクニカル・マーケティ ング、アプリケーション・エンジニアリング、アナログ回 ■ 電気的に絶縁された2MbpsのisoSPI通信 路設計などがあります。カリフォルニア大学バークレー校 ■ 2本のワイヤと2個のコンデンサまたはトランスのみを使 で電気工学とコンピュータ・サイエンスの学士号を、同じ 用 くカリフォルニア大学サンタ・クルス校で経済学の学士号 ■ 双方向通信がリングトポロジをサポートしており、通信パ を取得しました。 ス沿いに障害が発生した場合でも通信が可能 ■ 7本の汎用インターフェース・ピンはアナログ入力、デジ タル入力、またはデジタル出力として使用可能。温度セン EngineerZone® サーをサポートしており、I2CまたはSPIメインとして設定 オンライン・サポート・コミュニティ 可能 アナログ・デバイセズのオンライン・サポート・コミュ ニティに参加すれば、各種の分野を専門とする技術者と ■ 5.5µAのスリープ・モード電源電流 の連携を図ることができます。難易度の高い設計上の問 ■ 48ピン7mm×7mm LQFPパッケージ 題について問い合わせを行ったり、FAQを参照したり、 ディスカッションに参加したりすることが可能です。 まとめ 今後30年間で、世界の乗用車はICEからEVへ移行すると見込ま れています。限りある資源から製造されるガソリンを極めて非効 率的に使用しているという現実は、この変化を確実なものとする Visit ez.analog.com でしょう。地政学的および環境的な懸念は、この傾向を加速する ものに過ぎません。未来にあるのは電気自動車であり、BMSは ＊英語版技術記事はこちらよりご覧いただけます。 その重要な実現技術です。 ADBMS6815ファミリのような最先端のBMS製品は、この未来 を実現します。これらのICはISO 26262のASIL-Dに適合するこ とが証明されており、バッテリ・セルの電圧および温度測定に関 して業界最高の精度を備えています。ADBMS6815ファミリは、 VISIT A N A L O G . C O M / J P お住いの地域の本社、販売代理店などの情報は、analog. ©2022 Analog Devices, Inc. All rights reserved. com/jp/contact をご覧ください。 本紙記載の商標および登録商標は、各社の所有に属します。 Ahead of What’s Possibleはアナログ・デバイセズの商標です。 オンラインサポートコミュニティEngineerZoneでは、アナ ログ・デバイセズのエキスパートへの質問、FAQの閲覧がで きます。 T23838-4/22