センサフュージョンがバッテリ管理システムの性能とバッテリ寿命を向上させる方法

センサフュージョンは、電気自動車（EV）、家庭用および公共施設規模のバッテリエネルギー貯蔵システム（BESS）、自律型移動ロボット（AMR）などのアプリケーション向けのバッテリ管理システム（BMS）を設計する際に非常に有用なツールとなります。たとえば、バッテリの性能と寿命を最大化するために、充電状態（SoC）と健全性状態（SoH）は、BMSによって監視および管理される必要のある重要な特性です。バッテリのSoCとSoHを把握するには、電圧、電流、温度の測定値をリアルタイムで組み合わせるセンサフュージョン技術を利用することができます。

しかし、最適な結果を得るためには、BMSのセンサは高精度で、環境的に頑丈である必要があります。小さなセンサの誤差でさえ、時間の経過とともに累積的な影響を及ぼし、その結果、SoCとSoHの見積もりが不正確になる可能性があります。さらに、SoCとSoHの計算では、セルの温度履歴とともに、充電と放電の速度を考慮しなければなりません。これらの課題は、センサフュージョンで解決することができます。

SoCとSoHの意味と計算方法について、温度変化が精度に与える影響も含めて簡単に見てみましょう。その後、センサフュージョンがBMSの性能をどのように向上させるかを見ていき、車載および産業用BMS設計に使用できる電圧、電流、温度センサの例をいくつか紹介します。

SoCとSoHとは

SoCとは、簡単に言えばバッテリの充電量のことです。リチウム（Li）電池の放電曲線は非常に平坦で、約80％放電するまで電圧はほぼ一定であるため、出力電圧を測定することはSoCを測定する有効な方法ではありません。SoCを測定するためには、BMSは電流の流れをモニタし、バッテリに出入りする電荷量を測定する必要があります。

SoCが測定された量であるのに対し、SoHはバッテリの新品時の容量に対する現在の容量の割合を示す推定値です。SoHを推定するためのアルゴリズムは数多く開発されており、そのすべてがセンサフュージョンに依存しています。SoHアルゴリズムで使用される一般的なパラメータには、以下のようなものがあります。

• インピーダンス
• 自己放電レート
• 電荷受容能力
• 充放電サイクル数
• バッテリの使用年数
• バッテリの温度履歴
• 充電と放電の累積エネルギー

SoCとSoHのセンサフュージョンは、個々のパックの温度センサ、マルチセルバッテリモニタの電圧や温度センサ、高電圧（HV）配電バスの電流モニタ、メインコントロールユニットの集中型高電圧検出や温度センサなど、バッテリシステム全体に分散配置されたセンサを使用して実行されます（図1）。正確にSoCとSoHを計算するためには、高精度で長期間安定しており、過酷な条件下でも動作可能なセンサが必要です。

図1：BMSのセンサフュージョンをサポートするには、さまざまな温度、電圧、電流センサ（緑のボックス）が必要です。（画像提供：Vishay）

朗報は、 Vishay は、BMS設計活動をサポートする 幅広い部品 を提供していることです。以下のセンサは、ほんの一部に過ぎません。

HVバス電流検出

WSLP シリーズ抵抗器は、HVバス電流検出用シャントとして最適です。温度係数が75ppm/°Cと低く、熱起電力（EMF）が3（µV）/°C以下であるため、高温アプリケーションでの高精度センシングをサポートします。抵抗値は0.0002～0.1オーム（Ω）です。HVバス電流検出バス電流検出のもう一つの選択肢は、 WSBS/WSBM パワーシャントで、25(µΩ)までの抵抗値で、2（kA）以上のパルスに対応できます。さらに、 WSK1216 パワーメタルストリップ抵抗器は4端子設計で、許容差は1%、値は0.0002Ωまでです。

電圧検出

MCA1206MD5004BP500 5（MΩ）デバイスのような薄膜チップ抵抗器は、メインコントロールユニットやバッテリモニタのHV検出に使用できます。この車載グレードデバイスのファミリでは、1Ωから10MΩまでの抵抗値が使用可能です。動作温度範囲は-55～175°Cで、温度係数は±10（ppm/K）と低いです。TNPW 高安定薄膜チップ抵抗器は、高精度と長期安定性が要求される用途向けに設計されています。1000時間の寿命試験後で、抵抗ドリフトは≤0.05%と低いです。

温度センサ

Vishayはまた、表面温度検出アプリケーション用に設計された NTCALUG シリーズラグ温度センサなど、特定のBMSアプリケーションに適したさまざまな温度センサを提供しています（図2）。電気絶縁と固体サーマルコンタクトを兼ね備えており、-40～+150°Cの範囲で正確で信頼性の高い測定が可能です。

バッテリモニタ回路やメインコントロールユニットの設計には、環境保護のためガラスに封止された表面実装NTCサーミスタの NTCS シリーズが有効です。40℃から+150°Cまでの高感度や高精度センシングが可能です。セラミックベースの技術を使用しており、0402、0603、0805の3種類のサイズが使用可能です。

図2：Vishayは、ラグ（左）と表面実装（右）のNTC温度センサを含む、さまざまな温度センサのパッケージングスタイルを提供しています（正確な縮尺ではありません）。（画像提供：Vishay）

まとめ

センサフュージョンはBMSにおいて、電圧、電流、温度を測定し、バッテリのSoCとSoHの正確な決定を可能にし、バッテリ寿命を延ばし、バッテリシステムの性能を最大化するために有用です。このように、Vishayは高性能BMS設計に適した、環境的に堅牢で高精度なセンサやその他の部品を幅広く提供しています。

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