自動車用バッテリーマネジメントシステムのテストのためのPXIソリューションの開発

 

先進国がより「グリーン」なライフスタイルに移行しようとする中で、電気自動車は明らかに自動車の世界でますます重要な存在になりつつあります。電気自動車は、低排出または無排出、電力網からの燃料コストが考えられるほど低いことを約束しつつ、通勤や買い物の往復を安全に運んでくれます。

しかし、彼らの設計は自動車業界にとってパラダイムシフトです－新しい駆動システム、技術…そしてテスト計画。これらの車両は、車両の電子機器の内容が増えるにつれて、業界に新しいテストと検証の課題をもたらしています。

自動車業界は、将来のほとんどのハイブリッド車およびプラグインハイブリッド車にリチウムイオン電池の使用を取り入れています。この電池設計は、長寿命と安全性を確保するために慎重に設計された充電システムを必要とします。つまり、電気自動車で取り組むべき主要な課題のひとつは、車両を推進するために必要な高いエネルギーを蓄える電池の状態を管理する電子機器であるバッテリーマネジメントシステム（BMS）の効果的なテストに関するものです。

BMSのテストを支援するために、DMCエンジニアリング＆ソフトウェアサービスとPickering Interfacesは協力して、バッテリーシステムをエミュレートするPXIモジュールに基づいた主要なメーカー向けのBMSテストソリューションを提供しました。この記事では、実施する必要があるいくつかのテストとその理由について説明します。また、PXIがどのように利用されたか、そしてなぜそれが複雑な問題に対する完璧な解決策であったかも示します。

 

 

BMSの構築とテスト

リチウムイオン電池セルの製造プロセスは本質的に変動が大きいため、より高度で堅牢なBMSが必要です。BMSは、モジュールまたは「スタック」の性能が低下しているセルがあった場合、それぞれのセルの充電状態（SOC）を積極的に監視し、バランスを取ることで補償しなければなりません。バッテリースタックの設計は、良好なセルと不良なセルの無限の組み合わせを持つ可能性があり、さまざまな環境条件にさらされます。これらの変動や使用シナリオは、効果的なバッテリーマネジメントシステムの開発および認証のために、バッテリーパックのシミュレーションを必要とします。また、これは生産環境で使用されるテストの種類にも影響を与える可能性があります。

したがって、BMSはハイブリッド電気自動車（HEV）、電気自動車（EV）、およびプラグインハイブリッド電気自動車（PHEV）の電動駆動システムにおいて重要な構成要素です。典型的なBMSは、バッテリーパックの電圧および電流のモニタリング、個々のセルの電圧測定、セルのバランス調整ルーチン、パックの充電状態計算、セルの温度および健康状態の監視、ならびにパック全体の安全性と最適な性能の確保を含む、エネルギー貯蔵システム（ESS）のすべての機能を制御します。

BMSモジュールおよび関連するサブモジュールは、セルスタックからの電圧と、関連する温度、電流、電圧センサーからの入力を読み取る必要があります。そこから、BMSは入力を処理し、パックの性能を制御し安全を確保するために論理的な判断を行い、さまざまなアナログ、デジタル、および通信出力を通じて入力状態および動作状態を報告しなければなりません。

BMSシステムを効果的にテストするには、主に2つの機能が必要です。(1) 必要なセンサーとバッテリーセルスタックの入力をBMSに正確にシミュレートすること、(2) その入力の結果としてBMSシステムが生成するデジタルおよびアナログ出力を測定、収集、処理すること。

 

なぜBMSチャレンジか

バッテリースタックのBMSの性能を個別に検証する主な理由は2つあり、安全性と寿命が含まれます。

誰もがノートパソコンや携帯電話でリチウムイオン電池が爆発するという恐ろしい話を聞いたことがあるでしょう。良いニュースは、リチウムイオン電池のエネルギー密度は鉛蓄電池の6倍、ニッケル水素電池の3倍であり、さらに適切に設計され維持されたバッテリースタックでは、より多くの充放電サイクルが可能だということです。しかし、より小さなスペースにより多くのエネルギーを詰め込み、使いやすさを向上させるたびに、安全性に関する懸念も高まるでしょう。

バッテリーのエネルギーを制御して放出することにより、電流および電圧の形で電力が供給されます。このエネルギーを制御せずに放出すると、有害物質（例：煙）、火災、高圧事象（例：爆発）、またはそれらの組み合わせが発生する可能性があります。すべてのリチウムイオンシステムは可燃性の電解質を使用しており、「熱暴走」を起こしやすい性質があります。この物質を加熱すると、自己発熱を開始する発火温度に達し、火災や爆発に進行します。

制御されていないエネルギーの放出は、粉砕、穿孔、焼損などの重大な物理的損傷によって引き起こされることがあり、これは機械的安全システムや適切な物理設計によって軽減することができます。しかし、電池の短絡、異常に高い放電率、過剰な熱の蓄積、過充電、または連続充電によっても引き起こされる可能性があり、これらはバッテリーを弱めることがあります。これらの原因は、適切に設計され検証された電子的安全および監視システム、すなわちバッテリーマネジメントシステムによって最も効果的に防ぐことができます。

BMSは、バッテリーパックの正確な充電状態（State of Charge, SoC）を追跡する責任もあり、これはバッテリーの使用可能寿命を維持するために非常に重要です。単にパックを過充電したり、過放電したりするだけで、使用可能なバッテリー寿命は大幅に短くなる可能性があります。したがって、BMSには非常に正確な充電推定機能を含める必要があります。バッテリーの充電量を直接測定することはできないため、充電状態のパーセンテージは、電圧、温度、電流、およびその他のメーカー依存の独自のパラメータなど、測定された特性から計算する必要があります。BMSはこれらの測定と計算を担当するシステムです。BMSの充電状態計算の精度を検証することは、パックの性能と寿命にとって非常に重要です。

 

 

バッテリースタックエミュレーション

リチウム鉄リン酸塩カソードとグラファイトアノードを持つリチウムイオン電池は、公称開回路電圧が3.2Vで、通常の充電電圧が3.6Vです。リチウムニッケルマンガンコバルト（NMC）酸化物カソードとグラファイトアノードを持つ電池は、公称電圧が3.7V、最大充電電圧が4.2Vです。自動車用途の典型的なバッテリースタックは、シリーズ接続された96セルで構成され、350Vを超える電圧を生成することが可能です。高電圧は、低電圧システムに比べてより細い配線と低損失で駆動系にエネルギーを転送することを可能にしますが、電子機器への損傷を避けるためには、高電圧の取り扱いには慎重な管理が必要です。実際のバッテリースタックで新しいBMSシステムをテスト・検証することは、エラーが起きた場合に重大な損害を引き起こす可能性があるため、現実的な解決策ではありません。テスト操作者にも危害が及ぶ可能性があります。このテストは繰り返し実行することはできません。信頼性が高い場合にのみ、BMSを実際のバッテリースタックに接続できます。第2の問題は、実際のバッテリースタックのセルの故障や特性を、BMSが対応するよう設計された条件をシミュレートするために変化させることができないことです。特に開発やNPIにおいて、故障を注入することは、ハードウェアやファームウェアの設計を成功裏に検証するために重要です。

DMCは、BMS設計を検証する目的で低電力バッテリースタックをシミュレートできるバッテリーシミュレーターの提供を求めて、Pickering Interfacesに問い合わせました。バッテリースタックは各セルの出力電圧を完全にプログラム可能である必要があり、かつ電流の供給と吸収（充電状態）が可能でなければなりませんでした。

 

デザインの課題

ピッカリング・インターフェイシズは、すでにモバイル用途向けの単一セルPXIベースバッテリーシミュレータの設計経験を有していました。そのため、問い合わせに続いて、設計の実現可能性調査が行われました。システムをコンパクトで低コストに保つために、可能な限り多くのチャネルを単一モジュールに詰め込む必要があると判断されました。これにより、自動車業界が正当化できる価格でコンパクトなフットプリントが実現しました。
否定的な意見ではありませんが、PXIは高密度の多セルバッテリーシミュレータを設計するための理想的なプラットフォームではありません。可能でないわけではありませんが、モジュール形式は一部の仕様を制限しました。しかし、このテストに対応するためのPXI内の他のすべてのモジュールの利用可能性と、PXIの広範な受け入れにより、PXIソリューションに注力する必要があることが示されました。

明らかに、最終製品は信頼性が高く、コンパクトで、安全に使用できるものでなければなりませんでした。PXIシャーシは通常、最大18のPXI周辺スロットをサポートできるため、設計をコンパクトにする要件は、単一スロット幅の各モジュールがバッテリースタックの6セルをシミュレートすることを要求しました。そのため、96セルのスタックをシミュレートするにはシャーシ内に16個のモジュールが必要となります。この密度は、各セルの設計にいくつかのスペース制約を与えます。この要件はエンドユーザーのプロジェクトスケジュールに間に合わせるため緊急のものであったため、ほとんどの場合、コンポーネントは既製のものを使用する必要がありました。

各セルは最大300mAを供給でき、各セルごとに4.2Vを超える電圧を発生させる能力を持つ必要がありました。これは、シャーシのバックプレーンが各スロットおよびシステム全体に十分な電力を供給するために大きな課題となりました。また、バッテリーをシミュレートするために高速の過渡応答も必要でしたことを覚えておいてください。

PXIバックプレーンは、5V電源で各モジュールに最大6Aまで供給することができ、PXIバックプレーン電源の中では圧倒的に高い能力を持っています。しかし、5Vからの直流変換は悪名高く効率が低いため、設計段階でかなりの損失が予想され、その損失がシャーシの熱負荷に寄与しました。この問題に対する解決策は、セルへの電力を主に+5V電源から供給しつつ、+12Vおよび-12V電源からの電力で補うことでした。

バッテリーシミュレータの各セルは、固定の絶縁型DC-DCコンバータを使用して絶縁された電源を供給し、その後高速リニアレギュレータによって制御されます。高速リニアレギュレータは、出力の電圧制御を悪化させず、過度に大きな出力デカップリングコンデンサを使用せずに、PXI電源から離れた地点でバッテリーを模擬できるようにするために必要です。

線形レギュレーターは、最悪の負荷条件下でかなりの電力を放散する必要がありましたが、明らかにモジュール上の各セルはスペースに非常に制約があり、その結果、レギュレーターを冷却するためのヒートシンクの量も制限されていました。この問題の解決策として、高温に耐え、内蔵の熱保護機能を備え、PCBの銅面を冷却に利用できる、特に自動車用途向けに設計されたレギュレーターを使用することにしました。PXIシャーシ内の効率的な冷却システムにより、これらの銅部分には十分な通気が確保されました。これはPXI標準の特徴であり、特にアクティブデバイスがPXIモジュールの下部に配置される場合、この種の用途に非常に適しています。

安全性と絶縁もまた、重要な設計上の課題を提示しました。バッテリースタックでは、96個のセルが直列に接続されており、各セルが公称4.2Vの出力電圧に設定されている場合、その結果は潜在的に致命的な出力電圧となります。絶縁バリアは、各セルの公称電圧の2倍以上に耐えるように設計されなければならず、それでもバッテリセルのプログラム制御が可能でなければなりませんでした。提案された設計では、PXIバックプレーンへの制御インターフェースを提供するためにデジタルアイソレータを使用し、ユーザーがPXIモジュールの前面からケーブルアセンブリを取り外した場合、そのモジュールまたはシステム内のすべてのモジュールがシャットダウンするようにモジュールを接続できる安全インターロックシステムが定義されました。

BMSは、電池が充電されている状態をシミュレートする必要もありました。単純な電源は一方向性であり、電流を供給するか吸収するかのどちらかであり、両方はできません。BMSは両方を行う能力が必要でしたが、必要な吸収電流は供給電流よりもはるかに少なくて済む場合があります。この問題は、BMSが「充電」されているときに電源が依然として電流を供給するように、プログラム可能な電流負荷を設計に統合して電源を事前負荷することで解決されました。

これらすべての課題と解決策が評価され、Pickering InterfacesがDMCに設計・供給する新しい6チャンネルバッテリーシミュレーターの提案がまとめられました。設計の変更に関するアイデア交換や期待される性能を明確にするための質問の後、完全なバッテリースタックエミュレーターの注文が行われました。

 

テストシステムにおけるピッカリングの設計と実装

ピケリング・インターフェイシズは、設計を実施し最初のモジュールを構築することに急速に進展し、これがモデル41-752 PXIバッテリーシミュレータモジュールとなりました。課題は単にハードウェア設計に限られるものではありませんでした。41-752をテストして使用するには、ハードウェア設計チームと並行して作業するソフトウェアサポートチームの支援が必要でした。その目的は、まずモジュールハードウェアをテストできるソフトウェアを作成し、次に各モジュールの各セルをユーザーが制御するための手動ソフトフロントパネルを含むソフトウェアを提供することでした。

このモジュールの性能が満足のいくものであることが示された後、残りのモジュールが製造されてDMCに出荷されました。DMCはソリューションをテストシステムに統合し、最終ユーザーへの出荷準備を行いました。試験が成功し、設計にごくわずかな調整を加えた後、ユーザーはモジュールの納品を受け入れ、41-752は商業的に発売されました。

PXIをプラットフォームとして使用することで、このアプリケーションには多くの困難な課題が生じましたが、PXIによって可能な設計の柔軟性とスピードは、設計の進行の速さによって示されました。バックプレーン電源、PCI制御バス、シャーシの換気システム、そしてPCベースのソフトウェアはすべて、設計を高い進行速度で進めることを可能にしました。41-752の場合、注文の配置から最初のシステムの出荷までわずか8週間しかかからず、これは他のハードウェアプラットフォームでは不可能だった偉業です。

41-752は現在市販されており、最大7Vの電圧および最大300mAの電流に対応した6チャンネルのバッテリーエミュレーションを提供します。750V定格の高絶縁バリアにより、Dタイプのユーザーコネクタ上に複数のセルを直列に配置することが可能です。柔軟な安全インターロックシステムにより、本質的に安全に使用できるシステムを接続することができます。高出力モジュールをサポートするために使用されたPickering 40-923 PXIシャーシは、最大108セルのバッテリースタックをエミュレートするために必要な電力と電流を供給できることが示されました。

PXIバッテリーシミュレータモジュール（モデル41-752）の機能図

 

PXIシャーシ（モデル40-923）でサポートされる16チャンネルバッテリーシミュレータモデル

 

 

PXIを使用したその他のテスト

バッテリーシミュレーターに加えて、PXIモジュールは温度センサー、アナログおよびデジタルI/O、バッテリスタック出力の高電圧スイッチング、およびCANポートを介したBMSとの通信のシミュレーションをサポートしました。システムは二つのPXIシャーシといくつかの外部回路で構成されていました。システム全体は1.5メートルの深さのラックに収まるコンパクトなユニットで、すべての顧客の期待を満たしていました。

 

結論

今後数年間で、ハイブリッドであれ完全電気自動車であれ、道路上でますます多くの電気自動車を見ることになるでしょう。バッテリーの寿命を長くし、システムを損傷から保護するために、BMSは非常に賢明なサブアセンブリとなります。顧客の期待が満たされることを保証するために、テストは非常に重要です。コンパクトなサイズ、コスト、および柔軟性の目的で、PXIテストシステムはこれらの課題に対応するのに役立ちます。

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