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寿命とバッテリ管理システム


世界中に張り巡らされた高速道路に革命が起きています。1世紀が経過した化石のような燃料燃焼自動車からクリーンで効率の良い電気自動車(EV)への変化です。EV市場は今後10年で10倍に成長することが予想されているため、何百万台もの電気自動車に給電する高性能なバッテリを監視、管理、維持する必要性が高まっています。

今日のバッテリ市場は、コストだけではなく、車両走行距離の増加、充電時間の短縮、機能的安全性に対する需要に後押しされています。このように厳格なバッテリ管理システム要件があるため、できる限り小さい許容誤差で最高水準の基準に従うことが求められます。

電気自動車の販売価格の最大40%はバッテリが占めるため、性能とバッテリ寿命はEVブランドの成功の主な要因となっています。バッテリ管理システム(BMS)のリーダーとして、Analog Devices, Inc.(アナログ・デバイセズ)はお客様と協力して電気自動車を監視および管理するための最適な重要プロセスを見つけ、安全性、生産性、長い寿命を確保しています。

概要

企業/業界

アナログ・デバイセズによるLinear Technologyの買収の結果、アナログ・デバイセズのポートフォリオには、2008年に作成された最初の統合型高電圧バッテリ・スタック・モニタが追加されました。それ以降、アナログ・デバイセズは最高性能のソリューションを提供することに重点を置いています。現在は、第5世代製品に取り組んでいます。

課題

EV市場の成長により、バッテリ・メーカー、サプライ・チェーン、自動車ブランドには高品質で信頼性の高いバッテリ技術を実現して需要に応えることがますます求められています。

アプリケーション

バッテリ監視および管理。

懸念

OEMは、バッテリの安全、コスト、効率、需要に大きな重点を置いています。

目標

安全の確保、信頼性の向上、性能向上、EVバッテリ寿命の延長のため、BMSを強化しています。

バッテリ管理システムの強化に投資する

BMSは、バッテリの寿命が来るまで、バッテリ・システム全体の信頼できる充電と放電を厳密に監視、制御、分配します。バッテリを過充電すると火災や爆発が発生し、放電が足りないと(または完全放電)バッテリが使用不能になる可能性があるため、電流および電圧プロファイルの正確な監視は非常に重要です。バッテリ管理システムの品質は、EVが実現できる充電1回あたりの走行距離に直接影響を与え、バッテリの全体的な寿命が最大限に延びるため、結果として保有コストが低下します。

このような状況では、価格基準の重要性が下がり、長期的な価値が重要な指標となります。バッテリ寿命を通じて性能を少しでも高めようとしているのはこのためです。「精度、そして車両BMS寿命を通じた精度に関して言えば、トレードオフはありません」と、アナログ・デバイセズのBMSジェネラル・マネージャであるMike Kultgenは述べています。「精度が上がれば上がるほど、バッテリ・セルの状態をよく理解して、容量を最大限に活用できるようになり、バッテリ・パックの動作の信頼性が向上します。」バッテリ・パックへの投資について考えると、BMSの性能の価値ははっきりしており、自動車設計者がパックの保証と寿命にかかるコストについて考慮するとき更に明白になります1

バッテリ管理の厳しい要件

battery packs zoomed in

価格、信頼性、安全性など、優先順位の範囲について考慮する必要があるため、バッテリは設計チームにとってプレッシャーになっています。48~800ボルトを供給するEVシステムを扱う場合、まったくリスクを冒すことはできません。

ペダルを踏んで数百キロワット以上のエネルギーを供給することが期待されるバッテリ・システムは、数百ボルトで効率よく動作する必要があります。しかし、リチウム・バッテリ・セルは数ボルトを供給するにすぎません。十分な電力を引き出すため、多くのバッテリ・セルが1つの長いスタックとして直列に接続されています。一般的な電気自動車では、100個のバッテリ・セルが採用されていることがあり、スタック上で350ボルトを供給します。これにより、いくつかの課題が生じます。

長いバッテリ・スタックの1個のセルが故障した場合、事実上すべてのセルが使えなくなります。そのため、車両の寿命を通じて毎日すべてのセルを監視および管理(充電と放電)する必要があります。リチウム・バッテリ・セルは、充電および放電範囲をフルに利用して動作することができません。15%~85%など、かなり限られた範囲で動作する必要があります。そうしないと、セルの能力が低下します。

電源の監視と管理

アナログ・デバイセズのBMSは、パックの製造時から廃棄時まで正確なセル測定を行います。電子回路はスタック内の各セルに直接配置されており、セルの電流に合わせて調節された電圧と温度が報告されます。システムにより、充電の状態と正常性の状態が算出されます。各セルの電流と温度は、中央処理装置で複雑なアルゴリズムを使用して監視される必要があります。アナログ・デバイセズでは、モジューラ設計(アーキテクチャ)を認めると同時に、堅牢な通信インターフェースを組み込んでいます。また、多様なお客様に合わせて自由に拡張できます。

「BMSはセルを絶えず監視するため、どのような時間、温度、動作条件でも、信頼性が高い測定精度を得ることができます。一瞬一瞬に何が起きているかを把握し、アナログ・デバイセズ・チップから受け取った情報を100%信頼します。」

Mike Kultgen

General Manager of BMS, ADI

主な価値:精度、信頼性、安定性

アナログ・デバイセズのバッテリ管理システム・エキスパートと密接に連携するメリットは、部品と製品の広範なポートフォリオを利用できるだけではありません。システム・レベルの専門知識、深いドメイン知識、何年にも及ぶ実践的なBMS設計経験へのOEMアクセスも可能です。OEMは、充電1回あたりの走行距離の効率向上、バッテリ寿命の延長、安全性の確保、ブランドの信頼性向上も実現できます。

アナログ・デバイセズのAUTGヴァイス・プレジデントであるPatrick Morganは、「お客様は、当社製品を使用する際に信頼性が必要であると述べています。そのため、お客様のサイトまたは当社の向上で技術サミットを開催し、当社の主要な設計者やアプリケーション・エンジニアとミーティングを行っています。1日か2日をかけて当社のロードマップ、解決が必要な問題を確認し、具体的な問題へのアプローチ方法について話し合います。コラボレーションを重視することで信頼を築いています。」

問題の解決、ソリューションの特定

「アジアを拠点とするクライアントから、古いバッテリ管理システムをベースに新しいバッテリ管理システムを設計するよう依頼がありました」と、アナログ・デバイセズのアプリケーション・マネージャであるCuyler Latorracaは述べています。「クライアントの前提条件、システム要件、動作環境を調べました。業界でよくある問題ですが、その設置方式を通じて系統的測定の誤差が生じていることがわかったため、この誤差をなくす手順を実行しました。」

ハイパーカーのパワーを支えるアナログ・デバイセズの高性能BMS

Shiny white and blue Ferrari sports car with doors open in a garage
Rimac C_Twoは、出力1,914馬力、0~60mph加速1.85秒、最高速度258mphを誇る高性能ハイパーカーです。Rimacの技術力を示すために作られたこの純電気式のハイパーカーは、6,960個のリチウム・マンガン・ニッケル・セルで構成されるバッテリ・パックを使用しているのが特徴で、真の革新的なアイデアと情熱が解き放たれて可能となったものです。

21歳の発明家がクロアチアのガレージで設立してから10年に満たないRimac Automobiliは、600名の従業員を擁するハイテク企業に成長しました。今日、Rimacは、電気式ハイパーカーと、世界中の自動車会社向け高性能電化システムの設計、開発、製造を行っています。

アナログ・デバイセズの高精度BMS集積回路(IC)がもたらす非常に正確なバッテリ・セル測定によって、RimacのEVはバッテリから最大限のエネルギーと容量を引き出すことができます。その高度な診断機能は、システムがセルの特性、電圧、および温度をモニタして、任意の時点における充電状態を決定することを可能にしました。アナログ・デバイセズのオートモーティブ・エレクトリフィケーションおよびインフォテイメント部門のヴァイス・プレジデントであるPatrick Morganは次のように述べています。「高精度であるということは、短い充電時間でバッテリの容量と持続時間を最大限に延ばすことに直結します。」

また、RimacのCEOであるMate Rimacは次のように語っています。「Rimacは高性能電気自動車分野の技術企業です。私たちは、世界中の多数の自動車会社向けに重要な電化システムの開発と製造を行い、自社開発のハイパーカーによって高性能EVのレベルを向上させています。バッテリ管理システムの当社での用途は世界で最も要求が厳しく、極めて高い精度、非常に短い時間スケールでの大量の電流と高い電圧の供給、バッテリ管理制御システム内での迅速なダイナミック調整などが求められます。当社は、アナログ・デバイセズのバッテリ管理ICのポートフォリオを、すべての製品ラインに全面的に採用することにしました。私たちは市場に流通しているこのようなICの評価を一定の基準に従って行い、車両の全寿命期間にわたる極めて高い測定精度と製品の信頼性に基づいて、アナログ・デバイセズを選択したのです。」

未来を見据える

「高電圧バッテリ・システム技術は、絶えず変化しています」と、アナログ・デバイセズのBMSマーケティング・マネージャであるGreg Zimmerは述べています。「容量と寿命の強化に関する多くのプレッシャーを受けています。業界はこれをどのように達成しているでしょうか。バッテリを10年間使用できるようにしながらバッテリ・パックからより多くの電力を引き出し、走行距離を伸ばすだけでなく、高速充電に対応して、集中型モジュラ設計を開発するには、どうすればよいでしょうか。

アナログ・デバイセズは、お客様の現在の問題だけでなく、将来を見据えた継続的な改善プロセスに焦点を当てています。充電1回あたりの走行距離を最大限に伸ばして、総重量を減らし、バッテリ・システムの総コストを削減するソリューションにより、業界をリードし続けます。当社は、システム・レベルの深い経験と広範な部品ファミリ(IC 1個を搭載した3~18セルにより、競合製品より多くのセル・カウント・オプションがサポートされます)によって差別化されています。

BMSのクライマックスには達していない

OEMと連携しているアナログ・デバイセズの構造イノベーションにより、電力密度、精度、重量の課題が将来解決およびコミュニケーションされる方法が改善されます。当社はイノベーションを続けており、第5世代のBMSが来年自動車に搭載されるよう順調に開発されています。

BMS:アナログ・デバイセズの長所

アナログ・デバイセズは、安全で高品質かつ高性能なEV市場向けバッテリの高まる需要を満たしながら、バッテリ管理システムをリードしてきました。お客様は、システム・レベルの深い経験と最も広範な部品を有するパートナーを利用できるようになりました。

  • 業界をリードする優れた精度と安全性
  • 単一の部品と合理化された設計によるASIL Dのフル・サポート
  • 故障状態時の冗長性を備え、電気的に絶縁された、高速、耐EMI、低コストのデイジーチェーン
  • 4世代の製品が現役の大規模な製品設置基盤
  • システム・レベルのソリューションを提供するBMS製品ファミリ

IMPACT ON INDUSTRY, ENVIRONMENT, AND GLOBAL HEALTH

A common misconception among the average consumer is that electric vehicles are not high performance and could never match the performance being delivered by combustion engines. Together, ADI and RIMAC have demolished this fallacy, and today are helping to redefine what high performance electric vehicles are capable of achieving. The RIMAC C Two high performance hypercar, tapping into ADI’s high performance BMS, boasts an amazing 1914 horsepower, an acceleration of 0 to 60 mph in 1.85 seconds, and a top speed of 258 mph.

ADI and RIMAC have not only set a precedent for the high performance community, but helped to ignite consumer excitement, as well as the user adoption rate of both high performance electric vehicles and electric vehicles overall.

According to the World Health Organization, air pollution is a silent killer, responsible for 4.2 million deaths each year, while reducing life expectancy by 1.8 years. Through our work with RIMAC and other electrical vehicle providers, ADI is not only breaking down barriers but enabling a cleaner and more sustainable environment through the reduction of carbon emissions.

As part of our continuing effort to create a greener environment and improve the health of people across the globe, Analog Devices’ BMS products saved 60 million tons of CO2 from entering the atmosphere in 2019, and will continue to reduce CO2 vehicle emissions by 30% year over year. To put that into perspective, 60 million tons of CO2 is equivalent to approximately 70 million acres of mature forest.



1膨大な数のバッテリ・パックの製造が予想されていることは、リサイクルが必要な使用済みパックも膨大な数供給されることを意味します。バッテリ・セルが寿命を通じて適切に管理されている場合、使い切ったからといって使い古されたとは限りません。車両以外での電力貯蔵向けに再利用できるかどうか(セカンド・ライフとも呼ばれます)を総所有コストの一部として考慮する必要があります