BMS機能検証... 15秒で

 

MSLサーキットは、PickeringのPXIバッテリーシミュレータモジュールのモジュール性と柔軟性、および技術サポートのおかげで、EVバッテリーマネジメントシステム（BMS）の性能と安全機能を検証します。

 

MSL Circuitsは、ALL Circuitsの会社であり、フランスを拠点とする著名なエンジニアリング製造サービスプロバイダーで、バッテリーマネジメントシステムの製造および試験に関する入札で勝利しました。この注文は、大手自動車会社からのもので、生産ラインから出てくる各BMSを毎分4台のペースで機能的に検証することを求められていました。テスト方法を考案したMSLは、PXIバッテリーシミュレーションモジュール、シャーシ、およびサポートのために計測機器会社Pickering Interfacesに依頼しました。

 

バッテリーマネジメントシステム（BMS）は、電気自動車（EV）、ハイブリッド車やプラグイン派生車、さらには完全または部分的に電動ドライブトレインを搭載した多くの車種で使用されるバッテリーパック内の中核要素です。

 

バッテリーパックは通常、複数のバッテリーモジュールを含み、それらのモジュールはさらにいくつかのリチウムイオン（Li-ion）セルを含んでいます。最も一般的なセルの形状は円筒型で、セルは伝統的に12個または24個のグループに配置されます。セルとモジュールは直列および並列の組み合わせで接続され、蓄えられた電気エネルギーを放出して、車両に必要な性能を発揮します。

 

BMSにはいくつかの役割があります。これには、車両のECUや他のシステムに対して充電状態（SoC）および健康状態（SoH）のデータを提供することが含まれます。主な管理役割は、バッテリーの性能を最適化し、セルが故障した場合に保護を提供することです。

 

機能検証は、ISO 26262などの業界標準で規定されている安全要件を満たす必要があるため、あらゆるBMSにとって不可欠です。

 

また、EVのバッテリーパックは事実上その車両の主要な構成要素であり、例えば車両の最大航続距離や加速性能を決定するため、信頼性が高く、できるだけ長寿命である必要があります。コストの観点からは、バッテリーパックは車両全体の約3分の1に相当するため、製造（および試験）コストを厳密に管理する必要があります

 

典型的なEVバッテリーパックの電気アーキテクチャに合わせるために、ほとんどのBMSはコントローラーと複数のレスポンダーユニットで構成されています（図1参照）。

図1 – 上図は、その構成要素と機能の観点から見た簡略化されたBMSのアーキテクチャです。

 

コントローラーユニットは下記を範囲とします：

• 全体の電力レベルを監視し、バッテリーパックへのおよびバッテリーパックからの過電流から保護すること。

 

• すべての対応ユニットからの温度測定値/データを受け入れています。

 

• 過温度が発生した場合に隔離する必要がある場合に備え、すべての応答ユニットで安全スイッチ/コンタクタスイッチを制御すること。

 

レスポンダーユニットは以下に責任があります:

• 温度監視。リチウムイオン電池は過充電（効率と寿命を低下させる）や急速放電に敏感であり、どちらも熱暴走や火災を引き起こす可能性があります。

 

• セルバランシング。これは、直列に接続されたセルが同じ充電を受けることを保証します。セルバランシングの最も一般的な方法はパッシブ（またはチャージシャント）で、充電が完了したセルがこれ以上充電を受けないように保護されます。基本的には、保護が必要なセルと並列に抵抗を配置します。すると、ほとんどの電流はそのセルを回避して、直列スタック内の他のセルに届き、充電されます。

「私たちの生産ラインのBMSが正しく機能することを確認するためには、まずモジュール内のレスポンダーユニットの機能を確認する必要があることを理解していました。そしてそのためには、セルが充電、放電…そして故障するシナリオをシミュレートする必要があります」と、MSLサーキットのBMSテストベンチ設計者マヌエル・ドス・サントスはコメントしています。「既知の良好な【機能確認済み】レスポンダーユニットを使用して制御ユニットを検証します。」

 

課題と解決策

MSLサーキットの要件は、コントローラーまたはレスポンダーユニットのいずれかをテストできる8つのBMSテストステーションでした。

 

テストの核心は、複数のセルを同時にシミュレートする能力でありながら、テストステーションをできるだけコンパクトにすることでした。また、テストの精度と速度も高くなければならず、この点において、製造ラインから出たBMSごとに15秒のテスト時間がベンチマークとして設定されました。解決策を探す中で、MSLはPXIフォームファクターが最適であると認識しました（LXIやGPIB通信は遅すぎるため）、そしてPickering Interfacesに連絡してシャーシとモジュールについて相談しました。後者に関しては、PickeringのPXI 6チャネルバッテリーシミュレータモジュール、モデル41-752-001（図2参照）が明白な選択肢でした。

図2 – 上図、（左）Pickering InterfacesのPXI 6チャンネルバッテリーシミュレータモジュールおよび（右）その機能ブロック図。

このシミュレーターは実質的に6つの絶縁出力を持つ電源モジュールであり、それぞれが最大7VDC、最大300mAまで供給することができます。各チャンネルは電流を吸い込むこともできるため、充電されているバッテリーセルと同様に負荷として動作します。

また、各チャネルは接地および隣接チャネルから完全に絶縁されており、積層アーキテクチャのセルをシミュレートするために直列に接続することが可能です。750Vの絶縁バリアにより、このモジュールは車両の駆動に使用されるバッテリースタックを代表する低電力バージョンとして使用することができます。

各チャンネルは独立した電源およびセンス接続を提供し、バッテリーシミュレーターがリモート負荷を検知し、配線損失を補正できるようにします。バッテリーシミュレーターは動的負荷に応じて応答するよう設計されており、負荷側での局所デカップリングコンデンサの必要性を最小限に抑えます。

ユーザーコネクタ上の制御ラインにより、ユーザーは1つの信号で全てのバッテリーシミュレータチャンネルを停止することができます。複数の制御ラインを連結することで、複数の直列接続モジュールを使用する際に出力を簡単に抑制する方法を提供します。これにより、コネクタが取り外されたときに自動的にシャットダウンする手段も提供されます。

「当社のPXI 6チャンネルバッテリーシミュレータモジュールは、標準製品として2010年に発売されました。私たちは長年にわたり、バッテリーマネジメントが必要とされるさまざまな分野にサービスを提供してきました」と、Pickering Interfacesフランス支社の営業ディレクター、マイケル・クレスピンは述べています。「しかし、MSLは当時の当社製品の標準精度よりも高い精度を求めていました。具体的には、MSLは出力電圧のエミュレーション精度を±2.5mV、読み取り精度を±10mVにすることを希望していました。」

MSLの要件を満たすために、英国にあるPickering Interfacesの経験豊富な製品開発チーム—ハードウェアおよびソフトウェアのエンジニアと製造の専門家で構成されるチーム—は、新しい電圧および電流の読み取り回路を追加しました。印象的なことに、この製品改訂はわずか6か月で行われ、チームの他の作業と並行して実施されました。注：Pickering Interfacesは通常、年間に5～10の新しい製品ファミリーを発売しており、同じ期間中に既存製品への同様の数のアップグレードも行われています。

シャーシに関しては、MSLは当初、標準のPXIバージョンを希望していました。しかし、Pickering Interfacesは、PXIまたはPXIeモジュールを搭載できるハイブリッドシャーシ（モデル42-925-001）を推奨しました。推奨の主な理由は入手可能性であり、ハイブリッドシャーシの方が納期が短いためです。しかし、このソリューションにより将来的にMSLはより柔軟性を持つこともできます。

 

テスト環境

前述の通り、MSLの目標は、コントローラーとレスポンダーユニットの両方を検証できる汎用BMSテストステーションを持つことでした。この目的のために、MSLはVirginia Panel Corporation（VPC）と協力して、図3に示すステーションと、コントローラーユニット用の1つの治具、およびレスポンダーユニット用の1つの治具を作成しました。

図3 – 上はMSLのBMSテストステーションのバックエンドです。ここにはバッテリーセルシミュレータモジュールが含まれており、Pickering Interfacesによって強化され、出力電圧のエミュレーション精度は±2.5mV、読み取り精度は±10mVです。

 

フロントエンドのフィクスチャは、BMSコントローラユニット（最大4台まで）またはレスポンダユニット（最大10台まで - 図4に示す通り）のいずれかを検証するために設定することができ、VPCはこれを可能にするためのシャーシのアーキテクチャおよび統合に大いに貢献しました。

図4 – 上は、BMSコントローラユニットを、すでに機能検証テストに合格したリファレンスレスポンダユニット（この場合は12台）に対して検証するためのフロントエンド装置です。各レスポンダユニットは2台の6チャンネルバッテリーシミュレータモジュールに接続されており、合計で144セルがシミュレートされています。

「専用のBMSレスポンダーユニットテストでバックエンドを作る方が、もっと簡単で安価だったでしょう」とドス・サントスは振り返ります。「しかし、最初から私たちはモジュール性、柔軟性、そして異なる設備を接続できる能力を求めていました。エミュレートされたセル接続は、設備に搭載されたバッテリーモデルに特有のものです。このようにして、テストステーションは汎用性を保ち、合計144の独立したバッテリーシミュレータモジュールが利用可能です。」

すべてのテストは、Marvin Testの人気ソフトウェアであるATEasyで作成されました。これはテストシーケンサーとして使用されました。Pickering Interfacesは、MSLにライブラリ、ドライバ、およびソフトウェアフロントパネル（SFP）を提供し、EMSがプロジェクトの初期段階でテストを開発・検証できるようにしました。また、Pickering Interfacesのソフトウェアはマルチスレッドに対応しており、4つのバッテリーシミュレータモジュール（つまり24セルをシミュレート）を同時に駆動することが可能です。

 

実施されているテストについては、BMSレスポンダユニットテストは次の通りです：

• セル測定。これには、すべてのシミュレーターに異なる電圧が設定されます。これらはBMSレスポンダーによって読み取られ、UARTを介してBMSコントローラーに伝達されます。その後、CANバス経由で接続されたPCが、記録された電圧を基準電圧と比較します。これは比較的簡単な合否テストですが、セルとBMSレスポンダーのCANバスインターフェースの間のすべてが正しく機能していることを確認します。

 

• セルバランス。これには、すべてのシミュレータカードのチャンネル出力を再び異なる電圧に設定します。その後、BMSコントローラーからのコマンドがレスポンダーユニットに送信され、セルバランスを開始します。バランス電流はテストステーションで読み取られます。

 

• セル温度。各電源モジュールには複数のサーミスタが含まれています。これらを（周囲温度／室温条件下で）読み取る応答装置の能力が確認されます。

 

前述の通り、マルチスレッディングにより、4枚のカードを同時に駆動することが可能です。これは、1つの機器が複数の被試験デバイスに同じテストを実施する場合に理想的です。この場合、テストソフトウェアはわずか数ミリ秒で120個のシミュレートされたセルとやり取りできますが、シングルスレッドのテストやより遅いバス（例えばLXIやGPIB）を使用する場合は数十秒かかります。

 

フル充電

執筆時点で、Pickering Interfacesは8つのテストステーション用のハードウェアを納品しています。MSLはそのうち4つをBMSコントローラユニットのテスト用に、残りの4つをBMSレスポンダユニットのテスト用に設定しました。

すべての試運転作業は完了しており、MSLは少量生産に入り、2023年初頭には大量生産が予定されており、その時点で全てのBMS試験ステーションは24時間稼働している予定です。

上は、MSLサーキットの生産ラインから出てきたバッテリーマネジメントシステムのテストエリアです。

テスト対象時間についてはどうでしょうか？フルBMS（つまり、コントローラユニットとすべてのレスポンダーユニット）を機能的に検証するには約60秒かかります。テストステーションが4台利用可能であれば、生産ラインを出てくるBMSを1分間に4台（1台あたり15秒）のペースでテストすることが可能です。

マヌエル・ドス・サントスは次のように締めくくっています：「これは素晴らしいプロジェクトであり、多くの関係者の協力に恵まれました。特に印象的だったのは、Pickering Interfaces がすでに標準製品として専用のバッテリーシミュレーター・モジュールを持っていたことと、私たちのニーズに合わせてそれを改造するスピードの速さでした。」

要約すると、MSLサーキットは、BMSコントローラおよびレスポンダーユニットの機能を検証するための非常に高精度で極めて高速なソリューションを提供しています。また、このソリューションは、Pickering InterfacesのハイブリッドPXIeシャーシを使用しているため、将来にも対応可能です。

 

システムインテグレーションサービス

ペリテックは、各種センサ、信号変換モジュール、リレー、通信機器などを活用し、お客様の計測・制御システムを最適に構成します。機器単体の提供にとどまらず、以下を含む一貫したシステムインテグレーションサービスを提供します。

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