パック製造プロセスシリーズ：バッテリーパックBMSのコア機能、システムアーキテクチャ、およびハードウェア構造

パワ​​ーバッテリーパックとエネルギー貯蔵バッテリーパックの両方には、通常、数十個から数百個の内部セルが含まれています。これほど多数のセルを管理するために、バッテリー管理システム（BMS）は不可欠な基盤技術となっています。

BMSはバッテリーパックの「脳」であると言えます。その機能は、人員とバッテリーの安全を確保し、電力またはエネルギー貯蔵の要件を満たし、バッテリー寿命を延ばすことです。

01 BMSのコア機能

BMSのコア機能は、バッテリーの電圧、温度、電流をリアルタイムで監視し、充電状態（SOC）の推定とバランシング制御を通じてバッテリー性能を最適化することです。また、過電圧、過電流、過熱保護などのフォールト保護機能も備えています。

セルの状態を推定することは、BMSのコア機能です。この機能を達成するには、アナログフロントエンド（AFE）チップ（電圧取得用）、ホールセンサー（電流取得用）、NTCセンサー（温度取得用）、その他のセンサー（ガス圧、煙などの取得用）が必要です。

信号を取得した後、それらは電気化学モデルおよび高度な推定アルゴリズム（拡張カルマンフィルター、スライディングモードオブザーバーなど）と組み合わされ、バッテリーの充電状態（SOC）、健康状態（SOH）、電力状態（SOP）、エネルギー状態（SOE）、および安全性状態（SOS）をリアルタイムで推定します。

これらの状態パラメータに基づいて、

a) バッテリーパック自体の場合：

BMSは、バッテリーの充放電電力の最適化を制御および管理し、充放電時間を制限し、制御コマンド、通信、および診断機能を介して対話することで、バッテリーの内部状態の効果的な管理を実現します。

b) 外部システムの場合:

BMSは、通信および診断機能を通じて、車両および充電器に重要なステータス情報と制御コマンドを伝達し、バッテリーと外部システム間の協調動作を保証します。

02 BMSのシステムアーキテクチャ

(1) 集中型および分散型アーキテクチャ

集中型BMSは、セル監視ユニット（CMC）、高電圧監視ユニット（HVMU）、バッテリー管理ユニット（BMU）の3つの機能モジュールを単一の回路基板または統合コントローラーに統合し、「一点制御」アーキテクチャを形成します。

集中型BMSは、コンパクトなシステム構造、配線削減、フットプリント縮小、および比較的低コスト化を実現します。ただし、高電圧モジュールと低電圧モジュールが同じ回路基板上にあるため、電気的絶縁と安全クリアランスに特別な注意を払う必要があります。

分散型BMSは、個々のバッテリーモジュールに取得機能を委譲します。複数のスレーブ制御ユニット（CMC）が分散サンプリングと予備データ処理を実現し、マスター制御ユニット（BMU/BCU）がシステムレベルの管理とスケジューリングを担当することで、「マルチポイント取得、集中処理」アーキテクチャを形成します。これにより、多数の取得チャネルや分散配置されたモジュールなど、大容量バッテリーシステムの要件を満たすことができます。

上記の図からわかるように、いわゆる分散型アーキテクチャは、本質的に中間に管理サブシステムの層を追加するものです。これらの小さなシステムは、主に一部のセルからの情報の収集を担当し、その後、バスを介してBMS制御ボードに報告します。BMS制御ボードは、報告された情報に基づいて、包括的な保護対策、充電状態（SOC）の計算、その他の管理機能を実装します。

簡単に言うと、会社の組織構造に似ています。人数が増えると、大規模なバッテリー管理システムではフラットな管理は信頼性が低下します。そのため、コア管理ボードの負荷を分散するために、一部のサブタスクが特権管理のためにCSCモジュール（セル監視回路）に割り当てられます。

分散型BMSは、さらにスター型分散、バス型分散、デイジーチェーン型分散に細分化できます。

スター型分散：BMUが中央に配置され、各CMCが独立した通信リンクを介してBMUに直接接続されます。この構造は、強力な耐干渉能力を持つ独立した通信リンクを提供します。ただし、バス集中モジュールが必要となり、配線とインターフェース管理が比較的複雑になります。

バス型分散: 複数のCMCがCANバス経由でBMUと通信します（現在最も広く使用されているBMS通信方法）。すべてのCMCがバスを共有するため、ノード間の電力消費は比較的均等になります。ただし、システムはバスの状態に大きく依存しており、バスが故障すると全体的な通信が中断される可能性があります。

デイジーチェーン分散: 複数のCMCがチェーン状に直列に接続され、データはリンクを介してBMUにホップごとに送信されます。この構造は、シンプルな通信リンクを提供し、配線リソースを節約します。多くのモジュールと明確に階層化されたバッテリー構造を持つシステムに適しています。

(2) 機能レイヤリング

モジュール性、スケーラビリティ、および高い信頼性を確保するために、BMSは一般的に以下の図に示すように3つのレイヤーに分割できます。

a) 物理層：バッテリー動作中に直接測定可能な外部状態（電圧、電流、表面温度など）を取得し、上位層にデータサポートを提供する役割を担います。

b) コア層：モデルとアルゴリズムを通じて、SOCや内部セル温度など、バッテリーの内部で直接測定できない状態を推定する役割を担います。これはシステムの重要な部分です。

c) 管理層：コア層が提供する内部状態情報を使用して、バッテリーの充放電の合理的な管理と将来の動作条件の予測を実現し、安全で効率的なバッテリー動作を保証します。

03 BMSのハードウェア構造

BMSのハードウェアアーキテクチャは、そのシステム機能の物理的な基盤です。ハードウェア設計は、システムの精度、信頼性、コストに直接影響します。典型的なBMSハードウェア設計は分散アーキテクチャを採用しており、主にマスターコントロールユニット（BMU）、スレーブコントロールユニット（CSC）、センサーネットワーク、アクチュエーション/保護回路を含みます。

(1) マスターコントロールユニット

メインコントロールMCU：ASIL-D機能安全レベルをサポートする高性能プロセッサ。

メモリ：フラッシュメモリはパラメータ設定とフォルトログを格納し、RAMはリアルタイムデータバッファリングに使用されます。

絶縁電源：DC/DC絶縁モジュールを介してBMUに電力を供給します（入力電圧は通常12V/24V、出力は3.3V/5V）。

通信インターフェース：CANトランシーバー、Ethernet PHYチップ。

(2) スレーブコントロールユニット

AFEチップ：直列接続されたセルを監視するための専用アナログフロントエンドチップ。

電圧サンプリング回路：マルチプレクサスイッチ + 高精度ADC、差動サンプリングによりノイズを低減。

温度取得回路：NTCサーミスタ + 電圧分割ネットワーク、またはデジタル温度センサー。

バランシング回路：パッシブバランシング：MOSFET + 電力抵抗器；アクティブバランシング：双方向DC/DCまたはコンデンサアレイ。

（3）センサー

ホールセンサー：非接触測定、精度±0.5%（総電流検出に使用）。

シャント抵抗器：低コスト電流検出ソリューション、差動アンプと組み合わせることで±0.5%の精度を達成。

温度センサー：セル表面、バスバー、ヒートシンクなどの主要な場所に配置されたNTC/PTCセンサー。

（4）アクチュエーションおよび保護回路

リレーおよびプリチャージ回路:

メインリレー: バッテリーパックの充放電回路を制御する高電圧DCリレー。

プリチャージ回路: プリチャージ抵抗器とコンタクタを使用してソフトスタートを実現し、電源投入時の突入電流を防ぎます。

ヒューズおよび回路ブレーカー:

メインヒューズ: 短絡故障保護用の高速ヒューズ。

二次保護: ローカライズされた過電流を防ぐためのリセッタブルヒューズ（PPTC）。