最新のバッテリー技術では、「バッテリーバランス」という用語がよく使われます。しかし、これは何を意味するのでしょうか?根本的な原因は、バッテリーに使用される製造プロセスと材料にあり、バッテリー パック内の個々のセル間の差異につながります。これらの違いは、温度や湿度など、バッテリーが動作する環境にも影響されます。これらの変動は通常、バッテリ電圧の違いとして現れます。さらに、電池は電極からの活物質の剥離と極板間の電位差により自然に自己放電を起こします。自己放電率は、製造プロセスの違いにより、バッテリーごとに異なる場合があります。
これを例で説明してみましょう。バッテリー パック内で、1 つのセルの充電状態 (SOC) が他のセルよりも高いとします。充電プロセス中、このセルが最初にフル充電に達し、まだフル充電されていない残りのセルの充電が途中で停止します。逆に、1 つのセルの SOC が低い場合は、放電中にそのセルが最初に放電終止電圧に達し、他のセルが蓄えられたエネルギーを完全に放出できなくなります。
これは、バッテリーセル間の違いが無視できないことを示しています。この理解に基づいて、バッテリーのバランスをとる必要性が生じます。バッテリーバランシングテクノロジーは、技術的介入を通じて個々のセル間の差異を最小限または排除し、バッテリーパックの全体的なパフォーマンスを最適化し、その寿命を延ばすことを目的としています。バッテリーのバランスをとると、バッテリー パックの全体的な効率が向上するだけでなく、バッテリーの耐用年数も大幅に延長されます。したがって、エネルギー利用を最適化するには、バッテリーバランスの本質と重要性を理解することが重要です。
定義: バッテリー バランシングとは、バッテリー パック内の個々のセルが一貫した電圧、容量、および動作条件を確実に維持するために、特定の技術と方法を使用することを指します。このプロセスは、技術介入を通じてバッテリーの性能を最適化し、その寿命を最大限に延ばすことを目的としています。
重要: まず、バッテリーのバランスをとると、バッテリー パック全体のパフォーマンスが大幅に向上します。バランスを取ることで、個々のセルの劣化による性能低下を回避できます。次に、バランスをとることにより、セル間の電圧と容量の差が減少し、内部抵抗が低下するため、バッテリーの寿命が効果的に延長されます。最後に、安全性の観点から、バッテリーバランスを実装すると、個々のセルの過充電または過放電を防ぐことができ、熱暴走などの潜在的な安全リスクを軽減できます。
バッテリー設計: 個々のセル間の性能の不一致に対処するために、大手バッテリー メーカーは、バッテリー設計、組み立て、材料選択、生産プロセス制御、メンテナンスなどの分野で継続的に革新と最適化を行っています。これらの取り組みには、セル設計の改善、パック設計の最適化、プロセス制御の強化、原材料の厳密な選択、生産監視の強化、保管条件の改善が含まれます。
BMS (バッテリー監視システム) バランス機能: BMS は、個々のセル間のエネルギー配分を調整することにより、不一致を減らし、バッテリー パックの使用可能な容量と寿命を延ばします。 BMS でバランシングを実現するには、パッシブ バランシングとアクティブ バランシングという 2 つの主な方法があります。
エネルギー散逸バランシングとも呼ばれるパッシブバランシングは、電圧または容量が高いセルから過剰なエネルギーを熱の形で放出することで機能し、電圧と容量を他のセルに合わせて低下させます。このプロセスは主に、過剰なエネルギーを分流するために個々のセルに接続された並列抵抗に依存します。
セルの充電量が他のセルよりも高い場合、過剰なエネルギーは並列抵抗を通じて放散され、他のセルとのバランスが保たれます。パッシブバランシングはそのシンプルさと低コストにより、さまざまなバッテリーシステムで広く使用されています。ただし、エネルギーが有効利用されずに熱として散逸してしまうため、エネルギーロスが大きくなるという欠点があります。エンジニアは通常、バランス電流を低レベル (約 100mA) に制限します。構造を簡素化するため、バランシング工程と回収工程は同一のワイヤーハーネスを共用し、両者を交互に動作させます。この設計により、システムの複雑さとコストが軽減されますが、バランス効率が低下し、顕著な結果が得られるまでに時間がかかることになります。パッシブバランシングには、固定シャント抵抗器とスイッチシャント抵抗器の 2 つの主なタイプがあります。前者は過充電を防ぐために固定シャントを接続し、後者はスイッチングを正確に制御して過剰なエネルギーを放散します。
一方、アクティブ バランシングは、より効率的なエネルギー管理方法です。過剰なエネルギーを放散するのではなく、インダクタ、コンデンサ、変圧器などのコンポーネントを組み込んだ特別に設計された回路を使用して、高容量のセルから低容量のセルにエネルギーを転送します。これにより、セル間の電圧のバランスが保たれるだけでなく、全体的なエネルギー利用率も向上します。
たとえば、充電中にセルが電圧の上限に達すると、BMS はアクティブ バランシング メカニズムを起動します。比較的容量の低いセルを識別し、慎重に設計されたバランサ回路を通じて高電圧セルからこれらの低電圧セルにエネルギーを転送します。このプロセスは正確かつ効率的であり、バッテリー パックのパフォーマンスを大幅に向上させます。
パッシブバランスとアクティブバランスの両方が、バッテリーパックの使用可能な容量を増やし、寿命を延ばし、システム全体の効率を向上させる上で重要な役割を果たします。
パッシブバランシングテクノロジーとアクティブバランシングテクノロジーを比較すると、設計哲学と実行において大きく異なることが明らかになります。通常、アクティブ バランシングには、転送する正確なエネルギー量を計算するための複雑なアルゴリズムが含まれますが、パッシブ バランシングは、過剰なエネルギーを消散するためにスイッチ動作のタイミングを正確に制御することに依存します。
バランシングプロセス全体を通じて、システムは各セルのパラメータの変化を継続的に監視し、バランシング操作が効果的であるだけでなく安全であることを保証します。セル間の差異が事前に定義された許容範囲内に収まると、システムはバランシング操作を終了します。
適切なバランス方法を慎重に選択し、バランス速度と程度を厳密に制御し、バランスプロセス中に発生する熱を効果的に管理することにより、バッテリーパックの性能と寿命を大幅に向上させることができます。
