パワーリチウムイオンバッテリーパックのメンテナンス方法

リチウムイオン電池のアプリケーションは私たちの生活に統合されています。電動バイク、ポータブル電動工具、プラグインハイブリッド車があります。電気が関係するときはいつでも、リチウムイオン電池があります。リチウムイオン電池パックがこれらの電池の保護回路を設計しているという事実は、かつてないほど重要になっています。

パワーFETは、バッテリー管理システム（BMS）の重要な安全機能であり、その主な目的は、異常な状態でバッテリーパックを負荷または充電器から分離することです。この記事では、ブロックがどのように適用され、Li-Ionバッテリーパックの安全な動作を保証するためにパワーFETにどのように適用されるかについて説明します。

パワーFET機能ブロックは複雑ではないようです。充電器または負荷が接続されているときにFETをオンにします。エラーが発生した場合は、FETをオフにしてください。パワーFETとして適切に機能するには、設計エンジニアは負荷条件、バッテリパックの制限、および機能ブロック回路を理解する必要があります。

バッテリ管理システムでは、パワーFETは、セル電圧、バッテリ電流、温度、負荷、および充電モニタの比較によって制御されます。ファンクションブロックは、システム内で3つの方法で構築されます。（1）ディスクリートコンポーネントを介して、追加のボードスペースが必要であり、設計エンジニアは各サブブロックを深く理解する必要があります。 （2）ほとんどのサブファンクションブロックのパワーFETICを統合し、マルチコアモニター/イコライザーのコンパニオンICとして使用します。パワーFETICは、ソーラーファームやスマートグリッドなどのセル数の多いアプリケーション（「16セル」）で非常に役立ちます。 （3）ISL94202、ISL94203、ISL94208などの完全に統合されたBMSICのパワーFET機能ブロック。これら3つのスキームの機能はほぼ同じです。この記事では、各サブブロックの組み込み関数と、さまざまなアプリケーションの設計上の考慮事項について説明します。

図1の回路構成を検討してください。システムは、エンジンに接続されたハイサイド直列FET構成です。パワーFETのオン状態は、バッテリパックのセル電圧、充電電流と放電電流、温度、およびモニタピンの状態によって異なります。サブブロックによって障害が報告されると、一方または両方のFETがオフになります。

Vcell検出

セルバランシングを考慮しないVcell検出は、過電圧、低電圧、およびオープンセル状態を監視するために使用される電圧測定です。セルが電圧アクティブ領域（acTIveregion）から脱出するのを防ぐために、バッテリパックの無負荷状態を検出するには、低電圧状態が重要です。リチウムイオン電池の有効面積は2.5V〜4.2Vです。リチウムポリマー電池のアクティブエリアは2.5V〜3.6Vです。化学的性質と設計に応じて、セルの制限電圧が全負荷および無負荷セルの制限を決定します。バッテリーを充電するときは、電圧の上限を超えないようにしてください。そうしないと、バッテリーが損傷する可能性があります。ほとんどのBMSICは、バッテリーの充電状態に関係なく、過電圧および低電圧状態を継続的に監視します。

バッテリーパック内のすべてのセルを測定した後、最も強いセルと最も弱いセルの間の合計電圧差を報告すると便利です。バッテリーパックの電圧差が大きいと、オープンセルまたはオープンラインイベントを識別できます。ほとんどのシステムには、測定システムがワイヤーでセルに接続されていることを確認するためのオープンラインテストがあります。オープンラインテストはセル電圧測定ほど頻繁ではなく、セル電圧差の計算結果はシステム障害の早期警告として使用できます。

オープンセルイベントは、内部の開回路または外部接続の損傷です。インシデントの発生は遅い場合もあれば、突然の場合もあります。オープンセルイベントの考えられる原因は、経年劣化、セル製造品質の低下、または過酷な環境での長期運用です。外部接続の損傷は、通常、バッテリーパックの構造が不十分なために発生します。

バッテリーパックを負荷に接続すると、大量の突入電流が発生し、最大セル電圧差の誤警報が発生する場合があります。セルインピーダンスの不一致のために増加する突入電流は、セル電圧の深刻な不一致を引き起こす可能性があります。イベントの報告が遅れるチップもあれば、遅れないチップもあります。

電流検出

電流の測定に使用されるほとんどのバッテリシステムには、放電短絡（DSC）、放電過電流（DOC）、および充電過電流（COC）の3つの電流コンパレータがあります。各コンパレータは、アクションを実行する前に、一定期間、電流が制限を超えることを可能にする遅延を生成します。

負荷は充電器よりも制御されていないため、パワーFETをオフにして、バッテリまたはパワーFET自体の損傷を防ぐために、高速電流放電検出が必要です。 DSCイベントが発生すると、パワーFETが数十から数百ミリ秒の間オフになることがよくあります。 DSC遅延は、タイミング遅延とパワーFETがオフになるのに必要な時間で構成されます。ゲートとソースが絶縁抵抗で接続されている場合、パワーFETはオフになります。抵抗とゲートコンデンサがRC回路を形成し、FETのターンオフ時間を決定します。

合計DSCターンオフ時間遅延を設定する際に考慮すべき多くの要因があります。 DSCターンオフ時間は、負荷がアクティブ化または接続されたときに突入電流が通過できる時間と比較して、バッテリーと回路が損傷した時間によって決定されます。 DSCターンオフ時間は、FETのターンオフ時間とバランスを取る必要があります。 FETのターンオフ速度が速すぎると、セル測定ピンに大きな過渡電圧が発生する可能性があります。パワーFETに最も近いピンは、大きな過渡電圧の影響を最も受けやすくなっています。これらの過渡イベントは、パワーFETとバッテリ間のトレースに蓄積された誘導エネルギーです。これは、バッテリパックが負荷から突然切断されたときに発散する場所がないためです。インダクタのエネルギーは、接続された回路のESDダイオードをアクティブにするのに十分な電圧が上昇するまで、開放負荷に発散します。エネルギーが十分である場合、コンポーネントは過度の電気的ストレスにさらされます。トレースに蓄積されるエネルギー量は、トレースのインダクタンスと負荷に流れる電流の積です。トレースに蓄積されたエネルギーは、放電短絡状態で最も多くなります。セル電圧ピンでのフィルタリングは、EOSイベントの可能性を減らすのに役立ちます。実際には、トレースはできるだけ短く、できるだけ広くする必要があります。負荷とパワーFET間のケーブルのサイズと長さも慎重に選択する必要があります。これは、高電圧の過渡イベントを引き起こす可能性のあるもう1つの要因です。

FETゲートとFET制御ピンの間の絶縁抵抗値を大きくすると、FETのターンオフ時間が長くなるため、過渡電圧の大きさが減少します。同時に、これにより、パワーFETのターンオン時間がFET容量を含むRC時定数だけ延長されます。どちらの場合も絶縁抵抗があることに注意してください。

パワーFETのシャットダウン速度が遅すぎると、パワーFETが損傷したり、電源が切れたりする可能性があります。図2に示すように、ほとんどのパワーFET製品のデータシートには、FET電流とVDSおよび持続時間の関係のグラフが記載されています。短絡電流が100Aの20Vバッテリーパックを考えてみましょう。次の図は、この条件下でFETが1ミリ秒動作し続けることができることを示しています。

実際には、DSC制限は通常、突入電流の持続時間とバランスが取れています。突入電流は、動作電流の100倍以上になる場合があります。図3は、270Aの突入電流ピークと8Aの動作電流消費を伴う突入電流過渡イベントの例を示しています。突入電流がDSC制限を突破できる場合、FETはオン状態とオフ状態を切り替えます。

過電流制限と遅延の放電は、損傷した負荷またはシステム（損傷後も実行中）または誤った負荷がバッテリーパックに接続されていることを識別する2次制限です。 DOC条件ははるかに長く存在し、DSCよりも考慮する必要のある要素が少なくなります。

過電流制限は、バッテリーが過充電され、間違った充電器でバッテリーパックを充電するのを防ぎます。 COC遅延により、調整されていない電荷が短時間でバッテリーに流れます。図5は、スクーターの負荷曲線を示しています。電流が負の場合、エンジンはバッテリーを充電します。エンジンからの回生電流は、充電電流よりも大幅に大きい場合があります。間違った充電器でバッテリーを充電するのを防ぐために、COC制限設定は充電器電流に近いです。ほとんどの回生電流は持続時間が短いです。図5では、250秒後に記録された回生電流は、モーターサイクルが下り坂を走行している場合です。約280秒の回生電流は、モーターサイクルが惰走停止する場合です。このバッテリーパックの充電電流は2Aです。

充電電流の設定には多くの要素が関係します。主な要因は、セル自体の電荷受容です。その他の要因には、充電時間、セルの加熱、バッテリーの経年劣化などがあります。

温度チェック

セル温度を検出する主な理由は、バッテリーが熱暴走に達しないようにするためです。熱暴走を引き起こす可能性のある状態は、セルの過充電、バッテリーパックへの短絡、またはセル自体の内部短絡です。一部の化学電池は、熱暴走の影響を比較的受けやすくなっています。

熱暴走検出に加えて、熱検出は、バッテリーが安全に充電または放電されているかどうかを判断するためにも実際に使用されます。ほとんどのリチウム電池は、推奨される充電/放電温度範囲を提供します。ノートブックコンピュータなどのアプリケーションでは、許容される唯一の放電温度ゾーンで充電することが望ましい場合があります。 JEITAはリチウム電池の充電規格です。標準では、セルがあまり安定していないか、充電を受け入れることができない温度ゾーンで充電電流を減らすことを提唱しています。

スタンドアロンBMSICの場合、作業領域でアクティビティを実行する機能ブロックとパワーFETを理解することが重要です。一部のICは、充電FET（CFET）と放電FET（DFET）の両方がオンのときに充電を許可します。他のICはCFETをオフにします。セル温度プロファイルで放電領域のみが動作できる場合は、直列パワーFET構成でCFETをオフにしないでください。 CFETがオフのときに負荷を実行すると、CFETのボディダイオードに電流が流れるようになります。これにより、FETの消費電力が増加し、FETの温度が上昇します。回路レイアウトやヒートシンクの使用など、FETから発生する熱を除去するための対策を講じないと、コンポーネントが損傷する可能性があります。直列構成で動作している場合のCFETのシャットダウンは、アプリケーションのパフォーマンスに影響を与える可能性のある負荷電力消費も削減します。

ほとんどの中小規模のバッテリーパックは、温度を監視するために2つのサーミスタを使用します。サーミスタの1つはバッテリーパックの中央にあり、バッテリーセルから分離されているため、ここの温度は高くなっています。これらのセルは、動作温度が高いため、より早くエージングします。 2番目のサーミスタはバッテリーパックの外側にあり、主に周囲温度を測定するために使用されます。適切な温度検知により、バッテリーが熱的に逃げるのを防ぎ、安全に充電または放電できるようにします。

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