高度なバッテリ監視、セルバランシング、およびI/O絶縁機能を活用して、堅牢なBMSコアを設計

再充電式バッテリは、バッテリエネルギー貯蔵システム（BESS）の基本要素であり、さまざまな組成が組み合わされ、数十、数百、数千のセルからなるパックに統合され、より高い電圧でより効率的な動作を実現するために使用されています。バッテリー管理システム（BMS）の設計者にとって、この構成は、最適な性能、効率、信頼性、および安全性を実現するために、数多くの課題を提起します。

たとえば、このアプリケーションの要件を満たすために必要な集積回路（IC）の設計または選択には、バッテリの組成、充電、監視、負荷バランス、絶縁、セキュリティ、および通信技術に関する深い理解が、効果的な実装のための必要です。

これらの課題に対応するため、ベンダーは必要な機能をプロセッサに依存しない専用ICに統合してきました。これらのICの多くは、リチウムバッテリのさまざまな組成に対応するほか、非リチウムバッテリにも対応します。バッテリセルのデータを収集し、最適なリアルタイムのバッテリ管理の決定と実行を行います。また、セルの状態とその状態データをシステムプロセッサに送ります。

この記事では、マルチセルバッテリパックの独自の要件について簡単に解説します。その後、Analog Devicesの高機能でアプリケーションに特化した最適化されたICを紹介し、これらのICがこれらの要件を満たすための活用方法を説明します。

高容量パックによる追加の課題提起

バッテリパックの基本的な配線図は、高い電圧を得るために直列に接続された多数のセルと、より大きな電流を得るために並列に接続されたセルから構成されており、一見単純に見えます。これは、その配置が、管理がほとんど不要な1つまたは数個のセルのパックの拡張に過ぎないという誤解を招きやすい構造になっているためです。これらの高容量パックは、18Vまたは48Vを必要とする電動工具、400Vまたは800Vを必要とする電気自動車（EV）、および通常1,500Vを必要とするBESS（バッテリエネルギー貯蔵システム）など、多様なアプリケーションで使用されます。

これらの大型バッテリパックの現実は、その回路図に示されているものとは比べ物にならないほど、微妙な点や複雑さが存在しています。管理上の課題は、セルとパックの数が増えるにつれて指数関数的に増加します。

まず、個々のセルについて、終端電圧、充放電プロファイル、充電状態（SoC）、温度、および故障の兆候を監視する必要があります。さらに、さまざまなセルをまとめて管理し、その違いを明確に認識し、適切に対応する必要があります。

共通のルールセットが無いことにより、バッテリセルの管理はさらに複雑化しています。適切な戦略は、セルの化学的特性にも依存します。たとえばリチウムイオン（Li-ion）と鉛酸のような主要な組成では異なり、また同じ組成でも、さまざまなLi-ionの配合物などにおいて異なります。したがって、管理するセルの組成に適合した高レベルのBMS戦略を策定する必要があります。

高電圧で大容量のバッテリパックは、多数のセルで構成され、これらのパックが満たさなければならない安全基準が多数存在するため、ローカルなセル監視と管理が、最も現実的なエンジニアリングソリューションです。システムには一般的にホストプロセッサが搭載されていますが、通常はローカルなセル監視に対して高レベルの監視ガイドラインを提供し、バッテリパックの全体的な性能を評価する役割に限られます。個々のバッテリセルの監視と管理は、リアルタイムで行われ、システムレベルのプロセッサをほとんど必要とせずに動作する自律型電子回路によって行われます。

パッシブ型とアクティブ型セルバランシング

セルのバランシングは、マルチセルパックの完全性を維持し、一部のセルが過負荷状態に陥る一方で他のセルが負荷不足にならないように保証するために不可欠です。これにより、バッテリセルとパックが損傷することを防ぎ、性能を最大限に引き出します。バランシングは、パック内のすべてのセルが同時に最大容量に達するようにし、過充電、不均一な充電状態、過放電、および早期劣化を防止し、最終的にバッテリの寿命を延ばします。

バランシングには、アクティブとパッシブの2つの方法があります。アクティブバランシングは、パッシブバランシングよりも正確で高速ですが、実装が複雑です。アクティブバランシングは、バッテリパック内のセル間で電荷を再配分するためのアクティブ回路を使用し、すべてのセルが同じ充電状態を維持するように設計されています。この回路は各セルの電圧を監視し、それに応じて充電電流と放電電流を適切に調整します。

一方、パッシブバランシングはオームの法則とバランス抵抗器を用いて、セルを同じ充電状態に調整します。パッシブバランシングは、アクティブバランシングに比べて精度が低く、動作が遅いだけでなく、高充電量セルから余分なエネルギーを消費（無駄に）します。

マルチセル監視から開始する

ESSソリューションは数多く存在しますが、BMSの「現場に近い」2つの重要な機能は、個々のセルの監視とバランシングです。ADES1830CCSZ（図1）のようなICは、16チャンネル、マルチセル、マルチ組成バッテリ監視用として、これらの機能を実装し、システム設計と運用を簡素化およびサポートする多くの重要な機能を追加しています。

図1：マルチセル、マルチ組成対応のADES1830CCSZバッテリセルモニタは、包括的なBMSの基盤となる基本構成要素として機能します。（画像提供：Analog Devices）

このマルチセルバッテリスタックモニタは、全温度範囲においてLTME（lifetime total measurement error）が2mV未満で最大16個の直列接続されたバッテリセルを測定します。一方、ほぼ同様の仕様のADES1831CCSZは、LTMEが5mVとやや大きくなっています。測定入力範囲が-2Vから5.5Vであるため、ADES1830とADES1831はほとんどのバッテリ組成に対応可能です。

大容量のセルを監視する際の安定性を確保するため、デュアル内蔵A/Dコンバータ（ADC）を使用して、すべてのセルを同時にかつ冗長に測定可能です。これらのADCは、4.096メガサンプル/秒（MSPS）の高サンプリングレートで連続的に動作し、外部アナログフィルタの削減とエイリアシングのない測定結果を得ることができます。必要に応じて、追加のノイズ低減は、後のプログラム可能な無限インパルス応答（IIR）フィルタにより実現可能です。ADES1830とADES1831は、個々のパルス幅モジュレーション（PWM）デューティサイクル制御によるパッシブバランス機能を搭載し、各セルあたり最大300ミリアンペア（mA）の放電電流に対応します。

ADES1830またはADES1831デバイス単体では、直列接続された16個のセルのみをサポートしますが、複数のデバイスを接続することで、長距離および高電圧のバッテリストリングを構成するセルを同時に監視できます。このIC間接続を容易にするため、各デバイスには、高速、RF耐性、長距離通信に対応した絶縁型シリアルポートインターフェース（isoSPI）が搭載されています。この絶縁はユーザーが選択可能なコンデンサまたはトランスによって実現できます。

これにより、単一のホストプロセッサ接続でデータを読み取り、全体のスレッドを監視することができます。このシリアルポートリンクは双方向通信が可能であり、通信経路に障害が発生した場合でもその完全性を確保します。

これらのマルチセルモニタの適用範囲を評価するために、Analog DevicesはEV-ADES1830CCSZ評価ボード（図2、左）を提供しています。より現実的な再現性を実現するため、複数の評価ボードをisoSPIインターフェースを介して接続し、スタック内の長いセル列を監視することができます（図2、右）。

図2：ADES1830およびADES1831用のEV-ADES1830CCSZ評価ボード（左）には、セル電圧測定用のマルチチャネル入力、セルバランシング回路、およびisoSPIポート接続機能（右）が搭載されています。（画像提供：Analog Devices）

セルバランスの強化による最適性能

大規模なマルチセルパックの性能を最適化するには、セルバランシングを強化する必要があります。この課題に対応するため、Analog DevicesはADES1754GCB/V+（図3）を提供しています。これは、高電圧対応の14チャンネルマルチ組成対応バッテリバランシングICデータアクイジッションシステムで、高電圧と低電圧の両方のバッテリモジュールを管理するように設計されています。

図3：ADES1754GCB/V+ 14チャネル、高電圧マルチ組成データアクイジッションICは、高度なバッテリバランシング技術をサポートします。（画像提供：Analog Devices）

このシステムは、162マイクロ秒（μs）で14個のセル電圧と6つの温度の組み合わせを、完全に冗長化された測定エンジンで測定可能です。または、ADC測定エンジンのみで全入力を99μsで評価可能です。

アクティブセルバランシングのため、300mAを超えるセルバランス電流に対応した14個の内部バランススイッチが搭載されており、これらのスイッチを切り替えることで、広範な内蔵診断機能をサポート可能です。これらのスイッチを使用することで、ICは個々のセルタイマまたはセル電圧に基づいて自動バランシングを実装するように設定可能です。ICには緊急放電モードも搭載されています。

最大32台のこのデバイスをデイジーチェーン接続することで、最大448個のセルを管理し、192個の温度を監視できます。セルとバスバーの電圧は、-2.5V～+5Vの範囲で、65Vのコモンモード電圧範囲内で差動計測され、標準的な精度は100μVです。堅牢な通信を実現するため、システムはAnalog Devicesのバッテリ管理UARTプロトコルを採用し、外部デバイスの管理用にI²Cコントローラインターフェースをサポートしています。

ADES1830およびADES1831と同様に、Analog Devicesはデザインイン体験の向上とセットアップ期間の短縮を目的としたADES1754EVKIT#（図4左）評価ボードを提供しています。基板の物理レイアウト（図4右）は、複数のバッテリセルへの効率的な接続と、絶縁されたプロセッサのI/Oを最適化しています。

図4：ADES1754EVKIT#（左）はADES1754のデザインインプロセスを加速します。その物理レイアウト（右）は、複数のバッテリセルへの効率的な接続および絶縁されたプロセッサI/Oを最適化しています。（画像提供：Analog Devices）

このキットは、ICの機能と性能、および電気的パラメータの評価に便利なプラットフォームを提供します。キットの垂直通信コネクタと、スナップアンドロック式バッテリパックコネクタにより、ユーザーは最大32台のデイジーチェーン接続されたデバイスで構成されたシステムを迅速に構築し、評価できます。

通信と安全絶縁によるBMSのコア機能の達成

高電圧のバッテリパックに関連する安全上の問題から、BMSコントローラと個々のバッテリ監視デバイス間の通信リンクには、ガルバニック（オーミック）絶縁が必須です。一部の測定および監視用ICには、この絶縁機能が備えられていますが、多くのICにはありません。

この要件を回路の構成要素として組み込まれていない場合に対応するため、Analog DevicesはシングルチャンネルのADBMS6821（図5、左）とデュアルチャンネルのADBMS6822を提供しています。これらのドロップイン互換性があり、AEC-Q100規格に準拠したICは、双方向isoSPI通信を実装しており、各データリンクごとに単一のツイストペア接続を使用してデバイスを絶縁します（図5、右）。

図5：シングルチャネルのADBMS6821（左）とデュアルチャネルのADBMS6822は、双方向isoSPI通信を実現するために必要な機能ブロックを内蔵しており、これらのデバイスは、ツイストペアケーブル上の双方向ループと容易にインターフェース可能です（右）。（画像提供：Analog Devices）

動作時、各トランシーバは論理状態を信号に変換し、絶縁バリアを介して別のトランシーバに送信します。受信デバイスは送信信号をデコードし、周辺バスを適切な論理状態に駆動します。

トランシーバは、BMSマイクロコントローラのSPIポートと個々のバッテリパック監視のisoSPIポート間の橋渡し役として機能します。標準のSPI信号（CS、SCK、PICO、およびPOCI）を、ツイストペアケーブル上で双方向送信可能なパルスに変換します。

これらのデバイスは、2メガビット毎秒（Mbits/s）のデータ転送速度と100メートル（m）のケーブル長に対応し、電磁波干渉（EMI）の影響を受け難い性質と放射特性を備えています。設計者は、必要な電圧定格、利用可能なスペース、規制上の問題、その他の技術的要因に応じて、絶縁バリアにコンデンサまたはトランスのいずれかを選択できます。

さらに、トランシーバはAnalog DevicesのADBMSファミリに属する他の高度なスタック監視ソリューションと組合わせて使用可能で、BMSコントローラが電源オフ状態でもセル電圧とセンサ監視を可能にします。これにより、低消費電力セル監視（LPCM）設計を実現します。

他のBMSデバイスと同様、評価ボードは設計者が機能の調査、検証、および確認を行うための貴重な補助ツールです。これらのトランシーバには、フル機能の評価ボードであるEVAL-ADBMS6822DEC（図6）が用意されています。これは、デュアルSPIから2ワイヤisoSPIアダプタとして機能し、デュアルチャネルのADBMS6822を搭載していますが、シングルチャネルのADBMS6821とも使用可能です。

図6：EVAL-ADBMS6822DECは、SPIから2線式isoSPIへのデュアルアダプタとして、BMSプロセッサと個々のセル監視デバイス間の絶縁リンクの開発と評価を容易にします。（画像提供：Analog Devices）

この評価ボードを使用すると、複数のADBMS68xxバッテリ監視をデイジーチェーン接続でリンクすることができます。このボードには、周辺機器との冗長通信経路を可能にするリバーシブルisoSPIポートも搭載されています。プリント回路基板（プリント基板）、コンポーネント、コネクタは、低EMI感度と低放射を最適化しています。

まとめ

大容量バッテリセルを多数搭載し、高電圧を伴うバッテリパックの適切な、効果的かつ効率的な管理は、多くの設計上の細部が求められる複雑な課題です。Analog Devicesが提供する最適化されたアプリケーション専用ICは、必要な技術的および規制要件を満たすための多様なソリューションを提供します。