リチウム電池パックはメンテナンスを怠ったエンジンのようなもので、BMSバランス調整機能のないものは単なるデータ収集装置であり、管理システムとはみなされません。アクティブバランス調整とパッシブバランス調整はどちらもバッテリーパック内の不整合を排除することを目的としていますが、その実装原理は根本的に異なります。
分かりやすくするために、この記事では、BMSがアルゴリズムを用いて開始するバランス調整をアクティブバランス調整と定義し、抵抗器を用いてエネルギーを消散させるバランス調整をパッシブバランス調整と定義します。アクティブバランス調整はエネルギーの転送を伴うのに対し、パッシブバランス調整はエネルギーの消散を伴います。
バッテリーパックの基本設計原則
- 最初のセルが完全に充電されたら充電を停止する必要があります。
- 最初のセルが消耗したら放電を終了する必要があります。
- 弱い細胞は強い細胞よりも早く老化します。
- - 最も充電の弱いセルが最終的にバッテリーパックの限界となる'使用可能な容量（最も弱いリンク）。
- バッテリー パック内のシステム温度勾配により、平均温度が高い状態で動作するセルは弱くなります。
- バランス調整を行わないと、最も弱いセルと最も強いセルの間の電圧差は、充放電サイクルごとに拡大します。最終的には、あるセルは最大電圧に近づき、別のセルは最小電圧に近づき、パックの充放電能力が低下します。
時間の経過によるセルの不一致や設置時の温度条件の変化により、セルのバランス調整が不可欠です。
リチウムイオン電池は、主に充電ミスマッチと容量ミスマッチという2種類のミスマッチに直面します。充電ミスマッチは、同じ容量のセルでも充電量が徐々に変化することで発生します。容量ミスマッチは、初期容量が異なるセルを混在させて使用することで発生します。セルは、ほぼ同時期に同様の製造プロセスで製造された場合、一般的に良好なマッチングを示しますが、セルの供給元が不明であったり、製造方法に大きな違いがあったりすると、ミスマッチが発生する可能性があります。
アクティブバランシングとパッシブバランシング
1. 目的
バッテリーパックは多数の直列接続されたセルで構成されており、それらのセルは同一である可能性は低いです。バランス調整により、セル電圧の偏差が想定範囲内に抑えられ、全体的な使いやすさと制御性が維持され、損傷を防ぎ、バッテリー寿命を延ばすことができます。
2. デザインの比較
- パッシブバランシング：通常、抵抗器を用いて高電圧セルを放電し、余剰エネルギーを熱に変換します。この方法では他のセルの充電時間が長くなりますが、効率は低くなります。
- アクティブバランシング：充放電サイクル中にセル内の電荷を再分配する複雑な技術で、充電時間を短縮し、放電時間を延ばします。一般的に、放電時にはボトムバランシング戦略、充電時にはトップバランシング戦略を採用します。
- 長所と短所の比較: パッシブバランス調整はよりシンプルで安価ですが、エネルギーが熱として無駄になり、バランス調整効果が遅くなるため、効率は悪くなります。 アクティブバランシングはより効率的で、セル間でエネルギーを転送することで全体的な使用効率を向上させ、より迅速にバランスを実現します。しかし、構造が複雑でコストが高く、これらのシステムを専用ICに統合することが困難です。
結論
BMSの概念は当初海外で開発され、初期のIC設計は電圧と温度の検出に重点を置いていました。その後、バランス調整の概念が導入され、当初はICに統合された抵抗放電方式が使用されました。このアプローチは現在では広く普及しており、TI、MAXIM、LINEARなどの企業がBMSチップを製造しており、中にはスイッチドライバをチップに統合しているものもあります。
パッシブバランス調整の原理と図から、バッテリーパックを樽に例えると、セルは樽板のようなものです。エネルギーの高いセルは長い板、エネルギーの低いセルは短い板です。パッシブバランス調整では、長い板を「短くする」だけなので、エネルギーの無駄と非効率が生じます。この方法には、大容量パックでは放熱が大きく、バランス調整効果が遅くなるなどの制約があります。
一方、アクティブバランシングは「短い板を埋める」、つまり高エネルギーセルから低エネルギーセルへエネルギーを伝達することで、効率を高め、より迅速にバランスを実現します。しかし、スイッチマトリックスの設計や駆動装置の制御に課題があり、複雑さとコストの問題が生じます。
トレードオフを考慮すると、パッシブ バランシングは一貫性の高いセルに適している可能性がありますが、アクティブ バランシングは差異の大きいセルに適しています。
投稿日時: 2024年8月27日
