Home / OEM製品向けのカスタムバッテリーBMSおよび通信オプション
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バッテリー管理システムは単なる保護回路以上のものです。カスタムバッテリーパック内のBMSは、バッテリーの動作状況を監視し、セルを保護し、充電と放電を調整し、バッテリー容量を測定し、必要に応じて外部バッテリーデバイスと通信します。
正しいBMS設計は、バッテリーの化学成分、直列構成、作動電流、ピーク負荷、充電器、動作温度、製品制御要件に基づいています。単純な携帯機器には基本的な保護が必要かもしれませんが、医療機器、ロボット、産業用システムには燃料計測、データ記録、リアルタイム通信が必要になることがあります。
バッテリーマネジメントシステムとは何ですか?
BMSはバッテリーパック内の充電セルを制御する装置です。主な役割は、バッテリーを一定の電圧、電流、温度の制限内に保つことです。
用途によっては、カスタムバッテリーBMSには以下が含まれます:
- 過充電保護
- 過放電保護
- 過電流保護
- ショート回路保護
- 温度監視
- セルバランシング
- 充放電制御
- 電荷状態推定
- 健康状態のモニタリング
- サイクルカウント記録
- 故障履歴
- デバイス通信
- バッテリー認証
これらの機能すべてがすべてのプロジェクトに必須というわけではありません。不要な機能がPCBのサイズ拡大、現像、単価コストを引き起こします。BMSは実際の製品要件に基づいているべきです。
基本防護BMS
基本的な保護用BMSは、携帯型電子機器、照明用途、スピーカー、美容機器など、ホストコンピュータとのバッテリーデータ交換を必要としない用途で最も人気のあるBMSタイプです。
通常、以下のデータを監視します:
- 個々のセル電圧
- パックカレント
- バッテリー温度
- 充電および放電の状態
設定された限界を超えると、保護回路は充電または放電線を遮断します。
設定は選択したセルやアプリケーションと同じであるべきです。保護設定が低すぎると、通常のピーク負荷条件で予期せぬシャットダウンが発生する可能性があります。設定が高すぎると、求める保護が得られないかもしれません。
スマートBMS
スマートBMSは、保護機能と監視、計算、保存、通信機能を組み合わせたものです。
ホストデバイスへの情報を含めることができます:
- パック電圧
- 個々のセル電圧
- 充電または放電電流
- 残存容量
- バッテリー割合
- 温度
- サイクルカウント
- 推定上映時間
- 故障状況
- 製造データ
スマートバッテリーパックの一般的な用途には、医療機器、ロボット、AGV、産業用機器、P.O.S/プロフェッショナルポータブルシステムが含まれます。
セルバランシングのオプション
直列に接続されたセル間では、一定期間にわたって電圧と容量の差が生じることがあります。これらの差を最小限に抑え、パックの利用可能な容量を最大化するために、バランスを取ることができます。
受動的バランス
パッシブバランスは、通常、抵抗器を介して高電圧のパワーセルから熱の形でエネルギーを得ます。比較的シンプルでコンパクトで、カスタムバッテリーパックで広く使われています。
アクティブバランス
アクティブバランス – エネルギーを消散させるのではなく、細胞間で移す。効率のバランスが問題となる大型または高価なバッテリーシステムに使用されることがあります。
バランスの種類は、セル数、容量、予想される不均衡、利用可能なスペース、熱設計、プロジェクトコストによって異なります。
燃料計機能
燃料計は残っているバッテリー寿命を推定するのに役立ちます。電圧の測定だけでは不十分です。なぜなら、電圧と電荷の状態は化学、温度、電流、バッテリーの寿命によって異なるからです。
燃料計システムは以下を使用することがあります:
- クーロン計数
- 電圧測定
- 電流測定
- 温度補償
- セルモデルアルゴリズム
- 学習および校正データ
正確なバッテリー残量率や残存動作時間が必要な場合は、製品開発時に燃料計の選択と校正を行うべきです。
一般的なバッテリー通信オプションには、ワイヤー、金属メッシュ、液体電解液があります。
一部の通信プロトコルは特定のデバイスに適しており、一部はそうでない。ホストコントローラーとバッテリーBMSは同じ電圧、データフォーマット、コマンド、コネクタを持つべきです。
UART
多くの組み込み製品において、UARTは非常にシンプルなシリアル通信方式です。パス可能なのは、バッテリー電圧、バッテリー電流、バッテリー温度、バッテリー容量、BMSからホストコントローラーへのバッテリー故障データ、またはその逆です。
UARTは以下の場合に使用できます:
- 通信距離は短い
- このデバイスはシンプルなポイントツーポイント接続を使用しています
- 低い導入コストが重要です
- ホストコントローラは利用可能なUARTインターフェースを備えています
ボーレート、電圧レベル、データフレーム、コマンドフォーマットが正しいかどうかを確認するのはエンジニアの責任です。
I²C
I2Cは2ラインのクロックラインおよびデータライン通信プロトコルであり、短距離内のIC間の通信に広く使われています。
バッテリーとホストコントローラーが近くにある小型電子機器には有用かもしれません。設計上の考慮事項には、アドレス選択、プルアップ抵抗、電圧レベル、電磁干渉が含まれます。
SMBus
SMBusはI²Cプロトコルの一部ですが、システム管理のためのプロトコルの拡張も規定しています。これは一般的にノートパソコン、医療機器、プロフェッショナルなポータブル機器のスマートバッテリーとして知られています。
SMBusを採用するスマートバッテリーは以下の機能を提供します:
- 残存容量
- 満充電容量
- バッテリー電圧
- 現在
- 温度
- サイクルカウント
- 請求
- 警報の状況
バッテリー、充電器、デバイスは互換性のあるコマンドとデータ定義をサポートしなければなりません。
CANバス
CANは、車両、ロボット、AGV、産業機械、エネルギーシステムなどで広く使用されている強力な差動通信システムです。
CANは以下の場合に選択可能です:
- 電気環境にはノイズが含まれています
- 通信距離は長い
- 複数のコントローラーがネットワークを共有しています
- 信頼性の高い誤り検出が求められます
- バッテリーはモーターコントローラーまたは中央制御ユニットと通信しなければなりません
通信方法はCANによって定義されていますが、プロジェクトには互換性のあるメッセージマップ、ボーレート、識別子、アプリケーション層のデータフォーマットが必要です。
RS485
RS485は、長距離および電気的にノイズの多い用途向けの差動物理層標準です。産業システム、固定設備、エネルギー貯蔵製品でよく使用されています。
カスタムコマンド構造やModbusベースの実装などの合意された通信プロトコルも、完全なRS485ソリューションの一部です。
RS485は、複数のバッテリーモジュールがマスターコントローラーと通信する場合に使用できます。
Bluetooth通信
技術者やユーザーはBluetooth経由でモバイルアプリを使ってバッテリー情報にアクセスできます。設計によっては、アプリは電圧、電流、温度、容量、サイクルカウント、故障データを表示することがあります。
Bluetoothを追加する前に、OEMチームは以下のことを考慮すべきです:
- サイバーセキュリティ
- ユーザー権限
- ファームウェアの更新
- モバイルアプリケーションメンテナンス
- ペアリング法
- データプライバシー
- スタンバイ消費電力
製品に監視やサービス要件がなければ、Bluetoothをマーケティングデバイスとして追加すべきではありません。
バッテリー認証
一部の高価または交換可能なバッテリーパックは認証を用いて、デバイスが認可されたバッテリーを検出するのを助けます。
認証は以下をサポートできます:
- アクセサリー互換性
- 偽造防止
- サービストラッキング
- 保証管理
- 製品構成
- 制御された充電パラメータ
実装はセキュリティICまたはデジタルキー/チャレンジレスポンス方式を通じて行われます。認証要件の要件を最初から定義することは重要であり、バッテリーやホストデバイス開発の作業に影響を与えます。
適切なBMSの選び方
OEMチームがBMSを開発する前に、以下の情報を確認してください。
- バッテリーの化学
- 直列および並列構成
- 公称電圧と最大電圧
- 連続放電電流
- ピーク電流と持続時間
- 充電電流
- 動作温度
- 温度センサーの数と位置
- バランス要件
- 燃料計の精度
- 通信プロトコル
- コネクタのピン配置
- 故障応答
- 睡眠電流ターゲット
- 認証要件
さらに、BMSは実際のデバイス内でテストする必要があります。電流の急上昇は標準的な検査では起こらないかもしれませんが、モーター、ワイヤレスモジュール、ヒーター(およびその他の負荷)では発生することがあります。
カスタムBMS開発プロセス
典型的なカスタムBMSプロジェクトには以下が含まれます:
- バッテリーとデバイスの要件を確認してください
- 保護および監視のコンポーネントを選択してください
- 電圧、電流、温度の制限を定義してください
- 通信プロトコルを確認
- 回路図とPCBの設計
- 必要に応じてファームウェアを開発してください
- 試作基板の製作
- サンプルバッテリーパックの組み立て
- テスト保護および通信機能
- デバイス内のバッテリーを確認しましょう
- 承認されたハードウェアとファームウェアのバージョンを凍結してください
- パイロット版と量産開始
サンプルと生産バッテリー間の一貫性を維持するために、すべての重要な設定は記録されるべきです。
GLOFLUXによるカスタムバッテリーサポート
GLOFLUXはリチウムイオン、リチウムポリマー、LiFePO4バッテリーパック向けの柔軟なBMS統合ソリューションを提供しています。これには、保護回路、バランスシステム、燃料計測、監視システム、通信やバッテリーエンクロージャーの統合などが含まれます。
用途には以下が含まれます:
- 医療機器
- サービスロボット
- AGVとAMR
- 産業システム
- POS端末
- スマートデバイス
- 携帯照明
- 交換可能なバッテリーモジュール
顧客は、技術評価のためにデバイス仕様書、通信文書、コネクタ定義、または既存のバッテリーサンプルを提出することができます。
結論
すべてのバッテリー管理システムが同じではなく、機能が最良のものとは限りません。選択されたセル、動作電流、充電器、デバイスコントローラー、サービス要件を安全に搭載するものです。
シンプルな携帯型保護で十分な場合もあります。医療機器や専門機器にはスマートモニタリングやSMBusの利用が適しているかもしれませんが、ロボットや産業システムにはCANやRS485の方が適しているかもしれません。要件は事前に特定されており、ハードウェアの競合やファームウェアの遅延、予期せぬ製品停止を避けています。
よくある質問
1. すべてのカスタムバッテリーはBMSが必要ですか?
一般的に、充電式マルチセルバッテリーパックは適切な保護と管理が必要であり、その回路設計は充電式電池の化学、構成、用途によって異なります。
2. スマートバッテリーに最適な通信プロトコルは?
正解は一つではありません。UARTやI²Cは短距離オンボード配線に適しており、SMBusはスマートバッテリー用途、産業用システムではCANやRS485がよく使われます。
3. BMSは残りのバッテリー残量を表示できますか?
はい。スマートBMSと適切な燃料計システムにより、SoCを計算し、その結果をホストデバイスに伝達できます。
4. GLOFLUXは既存の通信プロトコルに適合できるか?
古いコマンド、メッセージマップ、バッテリーサンプルを分析し、適切なカスタマイズBMSを作成できるかどうかを確認できます。
5. サンプリング後にBMSの設定を変更することは可能ですか?
プロトタイプテスト中に設定を変更することは可能ですが、認証や量産前にハードウェア、ファームウェア、保護パラメータは固定されるべきです。
