リチウム電池パックはメンテナンス不要のエンジンのようなものだ。BMSバランス調整機能を持たないシステムは単なるデータ収集装置であり、管理システムとはみなせない。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解消することを目的としているが、その実装原理は根本的に異なる。
分かりやすくするために、本稿では、BMSがアルゴリズムによっ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費するバランス調整をパッシブバランス調整と呼ぶ。アクティブバランス調整はエネルギーの伝達を伴うのに対し、パッシブバランス調整はエネルギーの消費を伴う。
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、充電は停止しなければなりません。
- 放電は、最初の電池が空になった時点で終了しなければならない。
- 弱い細胞は強い細胞よりも早く老化する。
- 最も充電が弱いセルが最終的にバッテリーパックの性能を制限する'使用可能な容量（最も弱い部分）。
- バッテリーパック内部のシステム温度勾配により、平均温度が高いほど動作するセルは性能が低下する。
- 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が、充放電サイクルごとに大きくなります。最終的には、一方のセルが最大電圧に近づく一方で、もう一方のセルは最小電圧に近づき、バッテリーパックの充放電能力が阻害されます。
時間の経過に伴うセル間の不一致や、設置時からの温度条件の変化により、セルバランス調整は不可欠です。
リチウムイオン電池は主に2種類のミスマッチに直面します。充電ミスマッチと容量ミスマッチです。充電ミスマッチは、同じ容量のセル間で充電量が徐々に異なる場合に発生します。容量ミスマッチは、初期容量の異なるセルを一緒に使用した場合に発生します。セルは、製造工程が類似し、ほぼ同時期に製造された場合は一般的に良好なマッチングが得られますが、出所不明のセルや製造工程に大きな違いがあるセルでは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セルが直列接続されて構成されており、それらのセルは必ずしも同一ではありません。バランス調整を行うことで、セル電圧のばらつきを想定範囲内に抑え、全体的な使いやすさと制御性を維持し、損傷を防ぎ、バッテリー寿命を延ばします。
2. デザイン比較
- 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。この方法は他のセルの充電時間を延長しますが、効率は低くなります。
- アクティブバランシング：充電および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あり、充電時間を短縮し、放電時間を延長します。一般的に、放電時にはボトムバランシング戦略を、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： 受動的なバランス調整は、よりシンプルで安価ですが、熱としてエネルギーを浪費し、バランス調整効果が現れるまでに時間がかかるため、効率は劣ります。 アクティブバランシングは、セル間でエネルギーを伝達することで効率を高め、全体的な使用効率を向上させ、より迅速にバランス状態を達成する。しかし、複雑な構造と高コストを伴い、これらのシステムを専用ICに統合する際に課題が生じる。
結論
BMS（バッテリー管理システム）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、バランス制御の概念が導入され、当初はICに組み込まれた抵抗放電方式が用いられました。現在ではこのアプローチは広く普及しており、TI、MAXIM、LINEARといった企業がこのようなチップを製造し、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。
受動バランスの原理と図解から、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。エネルギー密度の高いセルは長い板、エネルギー密度の低いセルは短い板に相当します。受動バランスは長い板を「短くする」だけであり、結果としてエネルギーの無駄と非効率が生じます。この方法には、大容量パックでは大きな熱放散やバランス効果の遅延といった限界があります。
一方、アクティブバランシングは、「エネルギー不足の部分を補う」ように、エネルギーの高いセルからエネルギーの低いセルへエネルギーを移動させることで、効率を高め、より迅速にバランス状態に到達します。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おいて課題が生じ、複雑さとコストの問題が発生します。
トレードオフを考慮すると、受動的バランス調整は一貫性の高い細胞に適している一方、能動的バランス調整は差異の大きい細胞に適していると言える。
投稿日時：2024年8月27日
