ワイヤレスBMSの設計とチップセットの選択肢

投稿日五月 28, 2021
更新日七月 1, 2024

これらのバッテリーケーブルやハーネスを捨てて、ワイヤレスのバッテリーマネジメントシステム（BMS）で解決しませんか？

自動車用チップの不足、工場の停止、および自動車用コンポーネントの長いリードタイムにもかかわらず、業界は新しい進歩を進めています。米国では、世界で2番目に大きな温室効果ガスの生産国である車両の電動化が避けられないように見えます。カリフォルニア州は2035年までにガソリン車を禁止する計画を持っており、GMは2040年までに世界中のフリートをゼロエミッションにする計画を持っており、他の米国の自動車メーカーもこれに続く計画を持っています。中国も2035年までにガソリン車を完全に段階的に廃止する計画を持っています。グリーンエネルギー事業に携わっている人にとっては明るい展望です。

電気自動車の重要なサブシステムの一つがバッテリーマネジメントシステム（BMS）です。この電力管理サブシステムは、電気自動車においていくつかの重要なタスクを担当しています：

充電および放電率の監視
複数のセル間での充電分配のバランス調整
セルの健康を予測し、摩耗レベリングを実行
安全上の危険を識別し、警告する

BMSの設計に関する多くのニュースや文献は電気自動車に焦点を当てていますが、複数のバッテリーセルからの充電と放電のバランスを必要とするあらゆるタイプの電化システムでBMSを使用できます。これらのシステムの目標は、単一の充電サイクルにおける全体的なバッテリー寿命と、摩耗を均等に分配することによるバッテリーセルの寿命の両方を最大化することです。

2020年末に、いくつかの企業が消費者市場向けの電気自動車を対象とした新型のワイヤレスBMSの発表を始めました。そして、2021年4月現在、新型GMハマーは、米国の自動車電子部品サプライヤーであるVisteonとの提携でワイヤレスBMSを搭載することになりました。現在、いくつかの主要な半導体企業がワイヤレスBMSチップセットを提供しているため、設計者は新しい車両向けのワイヤレスBMS設計を構築する機会を持っています。これらのシステムは、バッテリーOEMが今後数年間でバッテリー技術の新たな進歩を商業化するにつれて、さらに重要性を増していくでしょう。

この記事では、ワイヤレスBMS設計をサポートする最新のチップセットについて見ていきます。電気自動車が非常に需要の高い分野であるため、主にこの分野に焦点を当てますが、ワイヤレスBMSの適用範囲は消費者および商用自動車をはるかに超えて広がっています。農業、物流、セキュリティ、産業オートメーションなどの分野で使用されるロボット車両、航空機、ドローンもワイヤレスBMSの恩恵を受けることができ、設計者はこれらの分野に革新的なワイヤレスBMS製品を提供することができます。

ワイヤレスBMSの利点

長期的な電動化の成功は、バッテリー寿命の延長に依存しているため、電動化された機器にはBMS（バッテリーマネジメントシステム）が必要です。したがって、「設計に無線機能を追加する利点は何か」と尋ねるのは妥当な質問です。

ケーブルとワイヤーハーネスの削減：車両内のワイヤーハーネスを統合したり、完全に取り除くことができれば、貴重なスペースを節約し、総重量を減らすことができます。これらのシステムで使用されるケーブルも安くはなく、EV内で最も重いコンポーネントの一つなので、これらを排除することは最終購入者に節約をもたらします。
モジュラリティ：無線接続を使用することで、専用のケーブルアセンブリが不要になります。バッテリーシステムの周りのすべてをよりモジュラー化でき、第三者のベンダーがこの分野で革新し、参加することを可能にします。
メンテナンスの簡素化：BMSをバッテリーセルに接続するケーブルが少ない場合、セルや他の電子機器へのアクセス、メンテナンス、必要に応じた交換が容易になります。専用の有線BMSではなく、汎用の無線BMSを使用することで、設計とメンテナンスにプラグアンドプレイのアプローチを可能にします。
市場投入までの時間の短縮：大量のケーブルやワイヤーハーネスを使用するよりも、汎用の無線プロトコルで作業する方が簡単です。これらは、各モデルの各イテレーションに対して再設計される可能性があります。無線にすることでこれを排除し、市場投入までの時間を短縮します。

無線BMSアーキテクチャ

以下のブロック図は、無線BMSシステムの一般的なレイアウトを示しています。バッテリーセルとメインBMSシステムコントローラーの間に無線チャネルが存在することがわかります。各バッテリーセルには、BMS制御ユニットにデータを送信し、データを受信する小型モジュールが含まれています。

無線BMSのブロック図とアーキテクチャ。

このアーキテクチャでは、システムの2つの主要な部分があります：各バッテリーパックの監視ユニットと、これらの監視ユニットとインターフェースする中央制御ユニットです。基本的に、各バッテリーはネットワーク上のクライアントであり、情報をメインコントローラーに報告します。BMS制御ユニットは、バッテリーパックからより多くの電力が必要であることを示す可能性のあるデータ（例えば、車両の加速や他の信号）を引き続き受信でき、BMSコントローラーは充放電率をそれに応じて調整できます。

これを、各セルにケーブルを引く必要がある典型的な有線BMSコントローラーと比較してください。これは、バッテリーハウジングの内外に配線の混乱を引き起こします。これは、無線BMSの主な利点の一つを示しています。システムで必要な配線の量を約50％削減しました。これにより、典型的な電気自動車の複雑な構造を通して配線をルーティングする必要がなくなり、制御ユニットとBMSモニターモジュール間のコネクターやフィッティングが不要になります。

無線BMSの課題

無線BMSアーキテクチャは、いくつかのシステムを簡素化し、効率とコストの面で多くの利点を提供することができますが、無線BMSの設計と実装にはいくつかの課題が伴います。これには以下が含まれます：

起動時のネットワーク形成：理想的には、個々のセル上のBMSユニットとBMSコントローラーを接続するために使用される無線ネットワークは、ユーザーによるトラブルシューティングなしで迅速に形成されるべきです。これは設計で選択される無線プロトコルに影響を与えます。ただし、すべてのコンポーネントが同じプロトコルを使用するわけではないことに注意してください。一般的には2.4 GHzプロトコル（例：Bluetooth）です。
低遅延：使用される無線プロトコルに関わらず、応答時間は比較的速くあるべきです。これは、加速中にバッテリーの電力が急速に要求され、バッテリーが急速に放電する可能性がある電化車両では非常に重要です。BMS制御ユニットは、これが発生したときに迅速に知る必要があり、BMS監視ユニットを迅速に設定する必要があります。
マルチパスエラー：無線BMSモジュールが配置されるスペースは非常に狭く、マルチパスエラーや運用中のパケットエラーの可能性を引き起こします。さらに、車両の環境には、さまざまな周波数で干渉する可能性のある複数のノイズ源が含まれています。ノイズ環境は設計時および隔離用のサポートコンポーネントを選択する際に考慮されるべきです。
低消費電力：これは驚くかもしれませんが、BMSモジュールは大きなバッテリーパックに接続されているにもかかわらず、車両が稼働していないときでも電力を消費します。この電力消費は、ネットワークのオーバーヘッドを排除することにより、理想的には最小限に抑えるべきです。

無線BMSチップセット

コントローラー上で

半導体企業が市場に出している他のコンポーネントと同様に、無線BMS製品用のチップは、その典型的な非自動車用ICとそれほど変わりません。ネットワークをホストし、監視データをキャプチャするコントローラーモジュールアーキテクチャには、いくつかのコンポーネントのみが必要です。自動車用無線BMSコントローラーMCUは、業界の需要に基づいてこのように市場に出されていますが、他のMCUでは実装できない特別な機能を実行するわけではありません。ただし、これらのMCUは適切なRFフロントエンドで高度に統合されており、主ECUとのインターフェース用にCANトランシーバーを備えている可能性があります。

モニター上で

電動自転車などの一部のバッテリー管理システムでは、セル監視およびバランシングチップは通常、制御コンポーネントの残りの部分と同じボードに取り付けられます。車両では、バッテリーパックが十分に大きいため、ケーブリングの観点から、これらをバッテリー上に直接配置する方が理にかなっています。

典型的なバッテリー監視/バランシングチップは、複数のセルをサポートできるバージョンで利用可能であり、メインコントローラー上で標準アルゴリズムを実行します。しかし、2021年半ばの時点で、他のマイクロコントローラーで見られる同じレベルの統合はまだ見られていません。ただし、これらのモジュールのサイズと重量をさらに削減するために、この分野で活動している企業が、軽量処理とRFフロントエンドを統合した自動車用バッテリーバランサーICを生産することを期待しています。

以下に示すように、各エリアの最新コンポーネントを見てみましょう：

Texas Instruments, BQ79616-Q1

Texas Instrumentsは、アクティブセルバランシングとパッシブセルバランシングの両方に対応したBMSbチップファミリーで既によく知られています。Texas InstrumentsのBQ79616-Q1は、他のソリューションよりも高いバランシング電流を必要とする大規模なバッテリーアレイを対象としたバッテリーマネジメントチップです。このチップは、16シリーズセルで最大240 mAのバランシング電流を実現できますが、複数のチップを使用してセル数を増やすことでスケールアップすることができます。BQ79616-Q1をワイヤレスBMSの一部として使用する場合は、外部のMCUとRFセクションが必要であることに注意してください。最も重要なことは、このコンポーネントは自動車システムにおいて、ASIL-DコンプライアンスとISO 26262コンプライアンスを支援することです。

BQ79616-Q1 BMSモニタリング/バランシングチップとウェイクアップコントローラーとしてのBQ79616-Q1のブロック図。出典: BQ79616-Q1データシート。

Infineon, CYW89820

InfineonのCYW89820は、自動車システム向けに特別に設計された低コストのBluetooth対応MCU SoCです。このコンポーネントは、BR、EDR @ 2 Mbpsおよび3 Mbps、およびeSCO、BLE、LE @ 2 MbpsをサポートするBluetooth 5.0コア仕様をサポートしています。このコンポーネントは、統合電源レギュレータ（バックコンバーター + LDO）、統合ADC、および電源管理制御ユニットを提供します。最後に、このコンポーネントはオーバーザエアファームウェアアップデート、最大11.5 dBmまでのプログラマブルTXパワー、および–94 dBmまでの受信感度（BLE @ 1 Mbps）を提供します。

CYW89820 Bluetooth 5.0 SoCのブロック図。出典: CYW89820データシート。

Texas Instruments, SimpleLink MCUs (CC26xx)

Texas InstrumentsのCC26xx MCUsには、自動車アプリケーションで認定される可能性のある2.4 GHz対応MCUの範囲が含まれています。このラインの最新製品であるCC2662R-Q1はまだプレビュー中ですが、自動車認定コンポーネントになる予定であり、2.4 GHzで動作するワイヤレスBMSに理想的です。以前の製品であるCC2652Rも、統合PAを備えたマルチプロトコルサポートを提供するため、ワイヤレスBMS設計で使用できます。

車両電力管理に必要なその他のコンポーネント

車両および関連分野での電力管理には、バッテリーモニタリングを超えたさまざまなコンポーネントが必要です。これらのシステムは、車両の他のシステムと統合するための独自の電力調整およびインターフェースコンポーネントを必要とします。ワイヤレスBMS製品に必要な他のコンポーネントをいくつか見てみましょう：

自動車やロボティクスの無線BMSを設計している場合でも、Octopartの高度な検索とフィルタリング機能でシステムに必要なモニターとコントローラチップを見つけることができます。Octopartの電子部品検索エンジンを使用すると、最新のディストリビュータ価格データ、部品在庫、部品仕様にアクセスでき、すべてがユーザーフレンドリーなインターフェースで自由に利用可能です。統合回路のページをご覧ください必要なコンポーネントを見つけてください。

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