FoxBMS にインスパイアされたアーキテクチャを備えた BMS

導入

バッテリー管理システム（BMS）は、バッテリーシステムの安全性と充電状態を監視する上で重要であり、電気自動車（EV）、エネルギー貯蔵システム（ESS）、民生用電子機器など、幅広い用途で使用されています。ほとんどのバッテリーシステムは、ストリング状に配列されたバッテリーセルで構成されるバッテリーモジュール、プリチャージ回路、そして危険な状態が発生した場合にバッテリーを遮断するスイッチで構成されています。

BMSは、システムオペレータやバッテリーが連携する他のシステムとの通信を担う重要なユニットです。そのため、開発サイクルの様々な段階を通してユニットをテストすることが重要です。この例では、ソフトウェアインザループ（SIL）アプローチを用いてその様子を示しています。この場合、BMSロジックは信号処理コンポーネントを使用してモデル内に実装されています。モデルは必要な情報を監視システム（SCADAパネル）と交換し、監視システムはバッテリーシステムと連携するための一連のオプションを提供します。このパネルから、バッテリーの充電状態（SOC）、バッテリーセルの電圧、電流、温度特性を監視できます。BMSは個々のセルの電圧も監視し、それに応じてセルのバランスを調整します。

参考までに、このアプリケーションノートでは、モジュール内の個々の項目を以下の用語で表します。個々のバッテリーセルはセルと呼ばれます。コンタクタを介して直列に接続されたセルの総数はストリングと呼ばれます。すべてのストリングが完全なバッテリーモジュールを構成します。このアプリケーションノートでは、BMSモジュールと、バッテリーモジュールを定義するためのスタッカー機能について詳しく説明します。

モデルの説明

図1は、設計したバッテリーシステムの実装レイアウトを示しています。このシステムはバッテリーセルコンポーネントに基づいて構築されています。ベースモデルとリファレンスSCADAパネルは、2つのストリングを並列に接続し、ストリングごとに3つのバッテリーセルを備えたシステムを想定しています。しかしながら、このシステムはモジュール式であり、バッテリースタックとBMSパラメータを変更することで、様々な構成を検討することができます。

BMSは、バッテリースタックに加え、モデル内のプリチャージ回路および正極側コンタクタとも通信を行います。プリチャージコンタクタは100Ωの抵抗と直列に接続されており、初回充電時にバッテリーセルに流れる電流を低減します。バッテリーシステムの放電または充電電流をシミュレートするために、電流源が使用されます。数値安定性を確保するために、モデルには追加の抵抗が含まれています。

BMS でパラメータ化できる重要な安全性パラメータがいくつかあります。

• 最大セル電圧
• 深放電電圧
• 弦あたりの最大電流
• 最大モジュール電流
• 最高気温
• 最低気温

さらに、必要なプリチャージ時間を定義できます。BMSは、バッテリーセルコンポーネントでサポートされている両方のバランス調整方法（パッシブ入力と直流入力）に対応しており、ストリング間のバランス調整のみを行う類似の別モデルも用意されています。

図2は、 3つのセルで構成されるバッテリースタックモジュールのレイアウトを示しています。バッテリースタックのプロパティでは、実行レート、SOCベクトル、温度ベクトル、開回路電圧（OCV）ベクトル、内部抵抗（IR）、クーロン効率（CE）など、バッテリーセルの主要パラメータを直接変更できます。これらの値は個々のバッテリーセルに伝播します。バッテリーセカンダリは、制御ネットワーク上のローカル制御チップとして機能し、セルの状態をBMSに送信し、BMSからコマンドを受信します。「セカンダリ出力」ベクトルは、バッテリーセル数の3倍のサイズを持つ配列で、以下のようになります。

出力=[[T 1 , …, T n ],[i 1 , …, i n ],[v 1 , …,v n ]]

ここで、nはセル数、T _j 、i _j 、v _{j は}それぞれj^番目のセルの温度、電流、電圧です。ベクトル「secondary in」には、各バッテリーセルのコンタクタ、バランス調整、温度入力が含まれます。

BMSモジュールは、図3に示すように、複数の独立したステートマシンとC関数コンポーネントで構成されています。全体的なアーキテクチャは、オープンソースプロジェクトFoxBMS®に着想を得ています。BMSサブシステムに含まれるモジュールは以下のとおりです。

• SECONDARY - BMS による処理のためにスタックからデータを準備します
• 安全性 - 重要な安全性パラメータに対して細胞データを評価します
• DIAG - 安全状態またはユーザー入力がトリガーされたときにBMSに通知します
• BAL - バランスモジュールは、どのセルのバランス調整が必要かを決定します。
• CONT - コンタクタモジュールはバッテリーパックのコンタクタを管理します
• SOC - セルのクーロンカウントを実行してSOCを監視します
• STRING - バッテリースタックモジュールのベクトルデータを準備し、必要な文字列の数に合わせて出力を自動的に更新します。
• BMS - BMSの全体的な状態マシンを維持します

シミュレーション

このアプリケーションには、あらかじめ構築されたSCADAパネル（図4 ）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主要なユーザーインターフェース要素（ウィジェット）が用意されています。ニーズに合わせて自由にカスタマイズできます。

デフォルト設定でシミュレーションを実行することで、BMSの通常動作を監視できます。画面左上では、電流源の設定値を設定し、バッテリーパックの充放電速度を制御できます。この状態では、「診断」、「バランス」、「セルデータ」の各グループから、セルと各サブシステムのステータスに関する通常の情報が報告されます。「自動テストパネル」グループはBMSのエラー状態をトリガーするために使用でき、「コンタクタモジュール」グループはストリングを手動で切断または再接続するために使用できます。

2つのストリングとストリングあたり3つのバッテリーセルを備えたデフォルトモデルは、HIL402およびVHIL+でテストされ、動作が実証されていますが、すべてのHILシステムで動作するはずです。前述のように、テストパネルはBMSの安全性の範囲内で様々なエラー状態をトリガーします。それらは以下のとおりです。

• 最小および最大電流・電圧テストは、充電状態と電流設定を変更し、安全設定をトリップさせます。エラー状態をリセットする前に、電流を安全な電流レベルと方向に戻すことをお勧めします。
• 強制バランステストは、2つのストリング間の充電状態（SOC）に不均衡を作り出し、セルバランスを強制的に調整します。このテストは、充電状態の差が許容範囲に戻るまで、前後に切り替わります。BMSはSOC推定に電流カウント方式を使用しているため、SCADAによるSOCの変更は、HIL SOCパネルで監視する必要があります。
• 充電と放電のサイクルにより、セルは SOC 10% まで放電され、その後 90% まで再充電されます。
• 温度の下限値と上限値により、バッテリーセルの温度がBMSの制限値を大幅に超え、故障状態が発生します。この場合、安全な動作を行う前に温度をリセットする必要があります。
• さらに、コンタクタモジュールを使用してストリングを接続または切断できます。切断されたストリングではバランス調整は無効になります。

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。

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

このモデルとアプリケーションノートは、フラウンホーファー太陽エネルギーシステム研究所ISE（Digital Grid Lab www.digital-grid-lab.com ）の活動の一環として作成されました。詳細なご質問は、以下をご覧ください。

1. ベルンハルト・ヴィレ・ハウスマン博士、フラウンホーファーISE、グリッド運用・計画部門責任者、 bernhard.wille -haussmann@ise.fraunhofer.de

2. Samuel Kane、Fraunhofer ISE、科学アシスタント、 samuel.kane@ise.fraunhofer.de