1 BMS アクティブ バランシングとは
BMS アクティブ バランシングは、エネルギー転送を通じて高容量の個々のセルから低容量の個々のセルにエネルギーを転送する方法であり、それによってバッテリー パック内の一貫性が達成され、エネルギー貯蔵システムの性能が向上します。
BMS アクティブ バランシングはパッシブ バランシングとは異なります。パッシブバランシングは一般に、高電圧バッテリーのエネルギーを抵抗を通して放電し、低電圧バッテリーの電力と同等の状態を維持します。この方法には、エネルギー利用効率が低く、熱放散が低く、平衡電流が低く、効果が遅いなどの欠点があります。一方、アクティブバランシングは、木の板の長所と短所を遮断するのと同じように、高エネルギーのバッテリーから低エネルギーのバッテリーにエネルギーを伝達するプロセスです。
現在、アクティブバランシングソリューションにはさまざまなものがありますが、適合ストリング数の少なさや転送の制限により主流になっていないFitキャパシタソリューションのほか、トランスソリューションや半導体メーカーが設計したバッテリー専用のDCDC変換チップなどもあります。市場に導入されてきました。アクティブバランシングの利点は明らかで、高効率、エネルギー伝達、そして小さな割合を占める変圧器のコイル損失だけです。平衡電流は数アンペア、場合によっては 10A レベルに達するように大きく設計でき、平衡効果は高速です。
しかし、積極的均衡は新たな問題ももたらします。まず、構造が複雑であり、特にスイッチ マトリックスとドライバーの設計と制御が困難な変圧器方式では顕著です。これは、アクティブ バランシング機能を専用 IC に完全に統合できない理由でもあります。第二に、コストの問題があります。複雑な構造は必然的に複雑な回路をもたらし、コストと故障率の増加は避けられず、これもアクティブバランシング BMS の推進を制限します。
BMS の場合、バランシング機能に加えて、基礎となるバランシング戦略がさらに重要です。バッテリーセルの濃度差が一定の範囲内にある場合、バッテリー容量と電圧は正の相関関係にあります。しかし、バッテリーの整合性があまり良くない場合、つまりバッテリーが損傷している状態では、電力と電圧の相関はそれほど強くなく、電圧データのみに基づいてバランスの基礎を判断することはできません。バッテリーが臨界状態以下の損傷に気づかず、電圧バランスを維持している場合、特にアクティブ バランスでは、大電流による損傷がパッシブ バランスよりも大きく、実際にバッテリーに損傷を与える可能性があります。
アクティブ バランシングは、ストリング数が多く、大容量の電力タイプのリチウム バッテリー パックのアプリケーションに適しており、パッシブ バランシングは、ストリング数が少なく、ストリング数が少ないリチウム バッテリー パックのアプリケーションに適しています。テスラのバッテリーの安定性は非常に優れており、パッシブバランスで十分です。しかし、中国では電池の原材料や製造プロセスに改善の余地があり、電池の均一性のばらつきが比較的大きい。アクティブバランシングは、パワータイプのリチウム電池パックの用途により適しています。
2 エネルギー貯蔵システムにおける BMS アクティブバランシングの役割
(1) 電池パック全体の性能向上
1. バッテリー パック内の個々のセルの不一致によって引き起こされる電力の不均衡を軽減し、バッテリー パックの全体的な容量と電力性能を向上させます。
エネルギー貯蔵システムでは、材料や製造プロセスの違い、使用環境や経年劣化レベルの違いにより、個々のセル間に化学的および電気的特性に一定の違いがあり、容量、直流内部抵抗、開放値のばらつきとして現れます。回路電圧、充電状態 (SOC)、その他の側面。この不一致により、バッテリー パック内の個々のセル間でバッテリー容量が不均一になり、バッテリー パックの全体的な容量と電力性能に影響を与える可能性があります。 BMS は、エネルギー伝達を通じて、高容量の個々のセルから低容量の個々のセルへのエネルギー伝達のバランスを積極的にとります。これにより、この電力不均衡現象が軽減され、バッテリー パックの全体的な容量と電力性能が向上します。
たとえば、変圧器は、ボトムおよびトップバランシング戦略を通じてバッテリーパック内のエネルギー分布のバランスをとるアクティブバランシングに広く使用されています。コンデンサやインダクタなどのエネルギー貯蔵コンポーネント、または DC-DC コンバータに基づく平衡化方法もあります。これらのエネルギーを消費しないバランス方法は、主に、コンデンサ、インダクタ、または DC-DC コンバータを介して、個々のセル間、または個々のセルとバッテリー パック全体の間でエネルギーを転送します。エネルギーを消費するバランス構造と比較して、それらはより複雑ですが、より高いエネルギー利用効率と柔軟なエネルギー伝達を備え、バッテリーパックの全体的な性能を効果的に向上させることができます。
2. バッテリーパック内の個々のセルの状態を検出することにより、バランス方法を使用して、個々のセル間の電圧または充電状態を特定の範囲内に維持します。
BMS アクティブ バランシング システムは、各バッテリー セルの電圧、電流、温度などの重要なパラメータを継続的に監視することで、バッテリーの動作状態を評価します。個々のバッテリー間の電圧または充電状態の違いが検出されると、バランス方式が作動します。たとえば、バランシング主回路として双方向フォワードDC-DCコンバータを使用すると、高電圧側から低電圧側へエネルギーを伝送する際、特定の駆動信号導通タイミングに従って4つのスイッチングトランジスタが動作し、高電圧側から低電圧側への双方向のエネルギー伝送を実現します。ユニットの低電圧側 U1 から高圧側 U2 へ、ユニットの高圧側 U2 から低電圧側 U1 へ、それによってユニット電池間の電圧または充電状態を一定の範囲内に維持します。
同時に、バランシング システム全体の中核となるマイクロコントローラー制御回路は、CAN バスを介して電圧取得モジュールを制御し、バッテリー モジュール内の個々のセルの電圧を収集します。バッテリー情報は要約され、バランス計画の作成に使用されます。スイッチアレイはバランスをとる必要があるセルを選択するために使用され、その後バランスコマンドがバランス制御回路に送信されて、バッテリーパック内の個々のセルの状態が適切な範囲内にあることが保証されます。
(2) 電池パックの寿命を延ばす
1. バッテリーセル間の一貫性の発生を抑制し、バッテリーのばらつきがバッテリーパックの寿命に与える影響を軽減します。
使用時間の増加とともにバッテリーセル間の不均一性が徐々に蓄積され、バッテリーセル間の電気量の不均衡が形成され、バッテリーパックの全体的な容量と出力性能に影響を与えるだけでなく、バッテリーの寿命も制限されます。パック。 BMS は、エネルギー伝達を通じて、高容量の個別セルから低容量の個別セルへのエネルギー伝達のバランスを積極的にとり、それによってセル間の一貫性の発生を抑制します。
たとえば、アクティブ バランシング技術を採用すると、個々のセルの不一致によって引き起こされる一部のバッテリーの早期劣化を回避できます。 Shenzhen Kelie Technology Co., Ltd.が開発した「アクティブバランシングとワイヤレス伝送」というコアテクノロジー機能を備えたBMS製品は、個々のバッテリーのエネルギーを正確に監視し、個々のバッテリー間の効率的なエネルギー伝達を積極的に実現し、バッテリー間のエネルギーバランスの目標を達成します。個々のバッテリーの性能を大幅に向上させ、バッテリーセル間のばらつきの発生を抑制し、バッテリーのばらつきがバッテリーパックの寿命に及ぼす影響を軽減します。
2. バッテリーシステムの利用可能な容量が増加し、サイクル寿命が大幅に向上します。
BMS アクティブ バランシング テクノロジーは、エネルギー伝達を通じてバッテリー セル間の容量の不均衡の問題を効果的に排除し、バッテリー パック全体のパフォーマンスを向上させます。 Kelie が独自に開発した双方向 DC-DC アクティブ バランシング チップを採用し、従来のバランシング チップと比較して、革新的な組み込みの高度なインテリジェント アルゴリズムが、エネルギー転送を通じてバッテリー パックによって生成される差異を迅速かつ効果的に補償し、バッテリーの一貫性を確保し、耐用年数を延長します。バッテリーパックの平均故障間隔を短縮し、製品ライフサイクル全体の経済的メリットを効果的に改善します。長期サイクルテストデータによると、このアクティブバランシング技術により、バッテリーシステムの利用可能な容量が10%以上増加し、サイクル寿命が20%以上改善され、直列接続が増えるほど改善効果が大きくなることが示されています。
3 BMS アクティブバランシングの動作原理
(1) 平衡系の構成
BMS アクティブ バランシング システムは、主に直列バッテリー モジュール、12 V バッテリー パック、スイッチ アレイ、バランシング主回路、電圧取得回路、およびマイクロコントローラー制御回路で構成されています。
1. スイッチアレイ:
スイッチ アレイは、バッテリー セル ゲート スイッチとバッテリー極性ゲート スイッチで構成され、バランスをとる必要があるセルのゲートを実現できます。たとえば、7- セル直列接続バッテリー パックの場合、さまざまなバッテリーを選択するための特定のスイッチの組み合わせがあります。バッテリー 1 とバッテリー 2 の選択を例にとると、バッテリー 1 が選択されると、スイッチ K1、K2、KP3、KP4 がオンになり、他のスイッチはオフになり、特定の充放電回路が形成されます。バッテリー 2 を選択すると、スイッチ K2、K3、KP1、KP2 がオンになり、他のスイッチがオフになり、対応する充放電回路が形成されます。奇数セル ゲーティングはバッテリー 1 のゲーティング スイッチの組み合わせを参照することができ、偶数セル ゲーティングはバッテリー 2 のゲーティング スイッチの組み合わせを参照することができます。
2. バランス主回路:
双方向フォワードDC-DCコンバーターを採用し、双方向のエネルギー伝送を実現します。このトポロジーは主に、トランス T、2 つのサンプリング抵抗 R1 および R2、2 つのフィルタリング コンデンサ C1 および C2、クランプ コンデンサ C3、フィルタリング インダクタ L、および 4 つのスイッチング トランジスタ Q1 ～ Q4 を含みます。
(2) 作業モード
1. エネルギーは単一ユニットの低圧側から高圧側に伝達されます。
2. エネルギーは単一ユニットの高圧側から低圧側に伝達され、4 つの段階に分割されます。エネルギーの伝達と放出は、スイッチ チューブの伝導と切断によって行われます。
ステージ 1: 時刻 t1 から t2 まで、スイッチング管 Q2 と Q3 がオンになります。このとき、トランスの高圧側巻線の同端子に入力電流I1が流れ込み、トランスの低圧側巻線の同端子から出力電流I2が流出します。高電圧側 U2 は、エネルギーを低電圧側 U1 とインダクタ L に同時に転送します。
ステージ 2: 時刻 t2 から t3 まで、スイッチ Q2 と Q3 がオフになり、スイッチ Q1 と Q2 のボディ ダイオードによって I2 が継続され、IT2 が徐々に減少し、IQ1 が徐々に増加し、インダクタ L に蓄積されたエネルギーと残留磁気エネルギーが減少します。低圧巻線の一部が低圧側に解放されます。
ステージ 3: 時刻 t3 から t4 まで、スイッチ Q1 がオンになり、スイッチ Q1 によって I2 が継続され、インダクタ L に蓄積されたエネルギーが低電圧側 U1 に放出されます。
ステージ 4: 時刻 t4 から t5 まで、スイッチ Q1 がオフになり、スイッチ Q1 のボディ ダイオードによって I2 が継続され、インダクタ L に蓄積されたエネルギーが低電圧側 U1 に放出され続けます。このうち、ステージ 2 とステージ 4 は両方ともデッド ゾーン ステージで、Q2 と Q3 が導通しているときに Q1 が低電圧巻線を短絡するのを防ぎます。スイッチＱ４は、クランプコンデンサＣ３と直列に接続され、アクティブクランプおよびトランス磁気リセットのためにスイッチＱ３の両端に並列接続される。
4 エネルギー貯蔵システムにおける BMS アクティブバランシングの現在の適用状況
(1) 市場参加企業
現在、エネルギー貯蔵システムにおける BMS のアクティブ バランシングには、主に 3 つのタイプの市場参加者がいます。車両メーカー、パワー リチウム電池メーカー、および独立系 BMS メーカーです。
自動車メーカーが生産するBMSの設置容量は全体の約21.3％、動力用リチウム電池工場が生産するBMSの設置容量は約45.4％、専門のBMSメーカーがシェアの約33.3％を占めている。自動車メーカーや電池メーカーは依然として重要な地位を占めていますが、技術の進歩と分業の流れにより、BMSの専門メーカーが台頭して商用車分野で優位に立っており、エネルギー分野でも大きな影響を与えることが期待されています。保管フィールド。
たとえば、CATL と BYD は、電力用リチウム電池の分野で大きな市場シェアを保持している一方、エネルギー貯蔵 BMS 市場にもある程度の影響力を持っています。ゼネラルモーターズ、テスラ、BYD、華亭電力などの自動車メーカー、BYD、サムスン、CATL、新旺達、徳彩電池、拓邦有限公司、北京格子などの電池メーカーもエネルギー貯蔵に積極的に参加している。 BMS市場。さらに、Hangzhou Gaote Electronics、Xieneng Technology、Sci Tech Electronics などの BMS 専門メーカーも、エネルギー貯蔵 BMS の分野を常に模索しています。
(2) 既存の問題点
1. 中国のエネルギー貯蔵 BMS は比較的遅れて開始され、基準が不完全で統一された制御戦略もありませんでした。枠組みの標準は整備されていますが、高電圧ボックスやエネルギー貯蔵ワイヤーハーネスに対する要件は各社で異なるため、設置コストや試運転コストが高くつき、障害が多発し、エネルギー貯蔵システムの運用やメンテナンスが困難になります。国の関連部門は業界関連の標準を策定しており、標準化と拡張を通じてBMS業界をさらに規制し、バッテリーの安全性と耐用年数を確保し、エネルギー貯蔵システムのコストを削減することが期待されています。
2. アクティブバランシング技術の信頼性はさらに向上する必要があり、コストもさらに削減する必要があります。現在のところ、アクティブ平衡の構造は複雑であり、コストはパッシブ平衡の構造よりもはるかに高くなります。たとえば、DC-DC充放電にトランスを使用する一般的なアクティブ・バランシングの方法は、構造が複雑で、スイッチ・マトリックスとドライバの設計と制御が難しいため、アクティブ・バランシング機能を専用ICに完全に統合することも制限されます。さらに、複雑な構造は複雑な回路を必然的にもたらし、コストと故障率の増加が避けられず、これもアクティブバランシングBMSの推進を制限します。
3. エネルギー貯蔵 BMS アルゴリズムは始まったばかりで、進捗状況、アルゴリズムの収束性、堅牢性の推定にはまだ改善の余地があります。特にバッテリー警告アルゴリズムはエネルギー貯蔵システムにおいて非常に重要ですが、中国の業界ではまだ空白に近い状態です。全体として、エネルギー貯蔵分野の BMS 業界は全体的なレベルが低く、BMS 生産企業は多岐にわたり、製品の品質にはばらつきがあります。一部の企業はエネルギー貯蔵システムについての理解が不十分です。これにより、BMS はエネルギー貯蔵システム全体のコンポーネント故障ランキングで常に上位にランクされることになります。
5 エネルギー貯蔵システムにおけるBMSアクティブバランシングの開発動向
(1) アクティブバランシング技術が将来のトレンドになる
エネルギー貯蔵システムの性能要件が継続的に向上するにつれて、アクティブバランシング技術の利点がますます顕著になってきています。これにより、バッテリーパックの一貫性が効果的に向上し、エネルギー貯蔵システムの全体的なパフォーマンスが向上します。実際の応用では、アクティブバランシング技術は、木の板の長所と短所を遮断するのと同じように、高エネルギーバッテリーから低エネルギーバッテリーにエネルギーを伝達し、バッテリーパック内のエネルギーバランスを実現します。この技術は、高効率で低損失であるだけでなく、バランスのとれた電流が大きく、結果が迅速に得られます。したがって、アクティブバランシング技術はエネルギー貯蔵電池管理システムに広く適用され、将来の開発トレンドになるでしょう。
(2) 主要コンポーネントのローカリゼーション
国内 BMS 産業の発展は、主要コンポーネントのローカリゼーションに焦点を当てる必要があります。現時点では、中国のエネルギー貯蔵BMSの開始は比較的遅く、主要コンポーネントは輸入に依存しているため、コストが増加するだけでなく、供給が不安定になるリスクに直面する可能性がある。独立した研究開発能力を向上させ、主要コンポーネントの現地化を達成することは、中国の BMS 産業の競争力を強化するために重要です。例えば、中国国際資本公司（CICC）が発表した調査報告書では、バッテリー管理チップの現地化率には改善の余地が大きく、現地メーカーは大きなビジネスチャンスに直面していると指摘している。国内の下流市場スペースの成長と地元の下流メーカーのシェアの増加に伴い、地元のバッテリー管理チップメーカーが新たな機会をもたらすことが期待されています。
(3) 製品統合の向上
将来的には、バッテリーステータスアルゴリズムとクラウドベースのビッグデータの組み合わせが主流となり、人工知能アルゴリズムもBMSに広く適用されるでしょう。これにより、システムの信頼性とセキュリティが向上します。たとえば、西安星源博瑞新エネルギー技術有限公司が申請した「エネルギー貯蔵コンバータおよびエネルギー貯蔵システム」の特許は、設計を簡素化し、システムの複雑さとコンポーネントの数を削減し、設計を大幅に削減します。コストと統合の難しさ。同時に、制御ユニットの設計により、デバイスが電力をインテリジェントに割り当てられるようになり、エネルギー貯蔵システムの運用効率が向上します。技術の継続的な進歩により、BMS の製品統合は向上し続け、エネルギー貯蔵システムの開発をより強力にサポートします。