バッテリー管理システム

導入

バッテリー管理システム（BMS）は、バッテリーまたはバッテリーパックの監視と管理を担うシステムです。BMSの目的は、バッテリーが安全動作領域外で動作すること（過電圧、低電圧、過熱、低温など）を防ぐことです。BMSのもう一つの重要な機能は、バッテリーのバランス調整を行い、各セルの寿命を延ばし、バッテリーパック全体の容量を向上させることです。制御および監視機能は、バッテリーパック内の個々のバッテリーセルに適用されることに留意してください。

このモデルを紹介するチュートリアル ビデオは、ビデオ チュートリアルセクションにあります。

モデルの説明

このモデルは、電力段（充電器に接続されたバッテリーパックで構成）、バッテリー管理システム、および充電器の電圧制御という3つの主要部分で構成されています。モデルの電力段を図1に示します。

バッテリーパックには、直列に接続された 8 つのバッテリーセルコンポーネントが含まれています。これらの各コンポーネントは、並列に接続された 2 つのセルで構成されており、これはコンポーネントのプロパティで構成可能なパラメーターです。すべてのバッテリーはリチウムイオンで、同じパラメーター化されています。また、すべてのバッテリーの温度 (バッテリーセルの入力) は同じで、専用の SCADA 入力を使用してシミュレーションで変更できます。各セルの初期充電状態 (SOC) は 50% に設定されています。健全性ベクトルは 0 に設定されており、これはバッテリー健全性の影響がこのモデルでは考慮されていないことを意味します。バッテリーパックの電圧の公称値は 33.2 V です。バッテリーセルコンポーネントの実行速度は 100 µs に設定されており、これは以前の状態と現在の入力に基づいてセル端子電圧を計算するための計算サイクル時間を定義します。バッテリーセルの詳細については、ドキュメントを参照してください。

BMSはC関数コンポーネントを使用してモデル化されています。BMSサブシステムの主な入力は、各セルで測定された端子電圧と温度です。さらに、バランス閾値、想定バランス期間、最小および最大バランス電圧、過電圧、不足電圧、過温度、および不足温度閾値など、いくつかのSCADA入力が定義されています。フラグのリセットやメインコンタクタの接続などのコマンドも、SCADA入力を介してBMSに発行できます。

充電器は、抵抗器と直列に接続された信号制御電圧源としてモデル化されています。充電器はバッテリーパックの充電と放電の両方を行うことができます。充電器の電圧は、閉ループ電流制御に基づいて、それぞれのサブシステムで定義されます。BMSと充電器制御ロジックは、信号処理コンポーネントを使用して完全に実装されています。これらのサブシステムを図2に示します。

BMS操作

このモデルに実装されたBMSは、すべてのセルの測定、保護、パッシブバランス調整機能を提供します。また、メインコンタクタを制御し、必要に応じてバッテリーパックを負荷から切断します。

BMSは、各バッテリーセルの測定電圧と設定温度に基づいて、メインコンタクタを開き、過電圧、低電圧、過熱、低温などの様々な障害状態を示すフラグを立てることで、バッテリーパックを保護します。さらに、BMSはバッテリーセルのバランスを監視し、バッテリーパック全体の電圧を調整します。

BMSは、各セルの電圧と温度の測定値を定義された閾値と比較することで保護機能を実行します。測定値が定義済み範囲外の場合、適切なフラグが立てられ、充電器とバッテリーパックを接続するメインコンタクタが開きます。コンタクタを再び閉じるには、バッテリーパックの動作が許容可能な電圧と温度値の状態に戻り、障害がリセットされる必要があります。電圧と温度が通常の動作範囲内であれば、メインコンタクタを手動で開閉することもできます。

BMSは、バッテリーセル入力に適切な信号を送信することで、各バッテリーセルのバランス調整手順を開始/停止します。パッシブセルバランス調整は、バッテリーセルモデルに組み込まれたコンタクタを介してバランス調整抵抗器を接続/切断することで開始/停止します。コンタクタ制御信号はBMSから提供され、各バッテリーセルコンポーネントの入力に送信されます。パッシブバランス調整機能を備えたバッテリーセルモデルを図3に示します。

BMS は各セルの電圧測定値を受け取り、定義された実行速度で最小および最大のセル電圧を計算します。特定のセルの電圧が最小セル電圧とバランシングしきい値 (デフォルト値は 20 mV) の合計よりも大きい場合、または定義された最大バランシング電圧よりも大きい場合、そのセルのバランス調整手順がアクティブになり、そのセルのバランス調整カウンターが開始されます。バランス調整カウンターは BMS のバランス調整期間入力によって定義され、セルのバランス調整のターンオフ遅延を決定します。測定されたセル電圧が定義された最小バランシング電圧よりも小さい場合、またはバランシングカウンターがゼロになった場合、そのセルのセルバランス調整は停止します。バランス調整期間で定義された時間が経過した後、他のバランシング条件が存在しない場合は、バランス調整は停止します。

このモデルでは、一部の市販BMSと同様に、バランス調整がアクティブでない場合にのみセル電圧が測定されます。さらに、バランス調整プロセス中は、バランス調整抵抗が定期的にオン/オフされます。

注記： このモデルで使用されている非常に詳細なバッテリーコンポーネントの非線形特性により、バッテリーパックの充放電中に、バランス調整が自発的にオンになる場合があります。充放電中、セル間の電圧差は最終的にバランス調整閾値を超え、バランス調整プロセスが起動することがあります。充電状態と開回路電圧（温度25℃）の関係は、図に示されています。 図4ここで、充電状態と開回路電圧の間の非線形依存関係を確認できます。

シミュレーション

このアプリケーションノートで詳述するサンプルモデルには、図5に示すような、あらかじめ構築されたSCADAパネルが付属しています。このパネルには、実行時にシミュレーションを監視および操作するための様々なウィジェットが含まれています。ニーズに合わせて自由にカスタマイズできます。

シミュレーション開始時に、バッテリーパックは充電器に接続されます。メインコンタクタの状態はメインスイッチディスプレイに表示され、バッテリーパックの状態はバッテリーパック状態ディスプレイに表示されます。バッテリーパックには、充電中（充電器の正電流）、放電中（充電器の負電流） 、アイドル（充電器とバッテリーパック間で電力がやり取りされていない）の3つの状態があります。保護サブパネルでは、さまざまな保護しきい値を変更でき、障害状態を示すフラグも表示されます。

充電器の電流と温度は、対応するスライダーを使用して変更できます。BMSによって測定されたバッテリーパック全体の電圧は、 Vbattpackゲージで確認できます。すべてのセルのセル電圧は、セル電圧トレースグラフで確認できます。各バッテリーセルには専用のサブパネルがあり、図6に示すように、SOCとセル電圧のグラフが表示されます。

さらに、各セルのバランスは、パネル ルート内の対応する LED によって示されます。

SCADA パネルには、BMS のさまざまな保護機能とバランス機能をエミュレートするために使用される複数のサブパネルが含まれています。

単一セル（セル5）の電圧増加と電圧減少サブパネルでは、2つのバランス調整シナリオのいずれかを開始できます。各シナリオを開始すると、適切な時間間隔でキャプチャプロセスがトリガーされます。そのため、このサブパネルの機能を実行する前に、キャプチャ/スコープを開いておくことをお勧めします。これらの2つのシナリオのいずれかを実行すると表示されるバランス調整キャプチャプリセットでは、最初のウィンドウに測定されたセル電圧が表示され、2番目のウィンドウに各セルのバランス調整フラグが表示されます。3番目のウィンドウでは、デルタV （測定電圧が最大セルと最小セルの差）がバランス調整しきい値と比較されます。

最初のシナリオでは、セル5の電圧がバランス調整閾値を超えて上昇します。BMSはこれを検出し、そのセルのバランス調整がオンになります。これは図7に示されています。

図7に示す結果を再現するには、バッテリーパックがアイドル状態のときにIncreaseコマンドを発行する必要があります。Increaseボタンをクリックすると、設定された20秒間のキャプチャ手順が開始されます。

図 7の最初のウィンドウでわかるように、セル 5 の電圧はバランシングしきい値を超えて上昇しています。BMS はこの状態を検出し、2 番目のウィンドウに示すように、対応するバランシング フラグが立てられます。拡大表示されている 3 番目のウィンドウでは、デルタ Vが突然増加しているのがわかります。バランシング プロセスが開始されると、セル 5 の電圧が低下し、デルタ Vも減少していることがわかります。最終的に、デルタ V は設定されたしきい値を下回ります。シミュレーションで定義されたとおり、バランシング プロセスのターンオフ遅延 (デルタ V がバランシングしきい値を下回るとターンオフ条件が満たされる) は 5 秒であることがわかります。

2つ目のシナリオでは、セル5の電圧がバランス調整閾値を下回ります。BMSはこの状態を検出し、パック内の他のすべてのセルのバランス調整がオンになります。これは図8に示されています。

図8に示す結果を再現するには、バッテリーパックがアイドル状態のときにDecreaseコマンドを発行する必要があります。Decreaseボタンをクリックすると、設定された40秒間のキャプチャ手順が開始されます。

最初のウィンドウ（図 8 ）でわかるように、セル 5 の電圧はバランシングしきい値を下回っています。 BMS はこの状態を検出し、2 番目のウィンドウに表示されているように、セル 5 以外のすべてのセルに対して対応するバランシング フラグが立てられます。 拡大表示されている 3 番目のウィンドウでは、 delta Vが突然増加しているのがわかります。 バランシング プロセスが開始されると、セル 5 以外のすべてのセルの電圧が低下し、 delta V も減少していることがわかります。 最終的に、 delta V は設定されたしきい値を下回ります。 ここでも、バランシング プロセスのターンオフ遅延（ delta V がバランシングしきい値を下回るとターンオフ条件が満たされる）は、モデルで定義されているとおり 5 秒であることがわかります。

Delta VはΔVcell表示ウィジェットにも表示されます。

「低電圧」サブパネルの「低電圧」ボタンをクリックすると、低電圧状態を発生させることができます。BMSはこれに反応し、適切なフラグを立ててメインコンタクタを開きます。また、 「過熱・低温保護」サブパネルのオプションを使用して、過熱または低温状態を発生させることもできます。BMSはこれに反応し、適切なフラグを立ててメインコンタクタを開きます。

「通常状態」サブパネルの「通常」ボタンをクリックすると、進行中の障害シナリオがすべて無効になります。BMSはシステムを初期状態に戻すために必要なアクションを実行し、すべてのフラグがリセットされます。充電器の電流は0に設定され、すべてのバッテリーのSOCは公称値の50%に戻ります。最後に、メインコンタクタが閉じられます。

テスト自動化

この例のテスト自動化はまだありません。ご協力いただける場合はお知らせください。アプリケーションノートへの署名を喜んで承ります。

ビデオチュートリアル

このサンプルモデルのデモは、こちらでご覧いただけます (インターネット接続が必要です)。

要件の例

表1は、モデルをリアルタイムで実行するためのファイルの場所とハードウェア要件に関する詳細情報と、この最小限のハードウェア構成でモデルを実行した場合のHILデバイスのリソース使用率を示しています。この情報は、モデルの実行とカスタマイズを必要に応じて行う際に役立ちます。

著者

[1] ニコラ・ルチッチ