LiFePO4 BMS：バッテリー管理システムを理解する

「LiFePO4 BMSとは？

LiFePO4バッテリーについて学んでいる間に、BMSという言葉を何度か読んだり聞いたりしたことがあるでしょう。

BMS（バッテリー・マネジメント・システムの略）は、リチウムイオン・バッテリーには欠かせないものだからだ。

リチウムイオンバッテリー、特にLiFePO4バッテリーは、エネルギー貯蔵システムによく使用されますが、適切に扱わなければ危険な場合があります。そのため、バッテリーパックに正しいBMSを使用することが非常に重要です。

この記事では、LiFePO4 BMSを紹介し、その機能を説明します。どのように機能するのか、そしてあなたのバッテリーに合ったLiFePO4 BMSの選び方についても説明します。

LiFePO4 BMSとは？

BMSは、リチウムイオンバッテリーシステムに不可欠な部品であり、バッテリーパック内のセルを健全に保ち、最適な性能を発揮させる役割を担っています。

すべてのバッテリーには、安全に作動できる電圧、電流、温度の指定範囲があります。これらのパラメータの1つ以上が指定された範囲から大幅に変化した場合、バッテリーパックは（部品の劣化により）永久的な損傷を受け、安全上のリスクを引き起こす可能性があります。

ほとんどのバッテリーには、これを防ぐためのBMSが内蔵されている。

しかし、BMSはどのようにしてバッテリーパックの損傷を防ぐのだろうか？

LiFePO4 BMSは、LiFePO4バッテリーパックの放電と充電プロセスを制御します。そのため、これらのプロセス中に何か問題が発生した場合、BMS保護機能が即座に作動し、充電パラメーターを調整するか、バッテリーパックとの間で流れる電力を完全に遮断します。

さらに、BMSはバッテリー・セルをモニターし、それらがすべて正常に動作していることを確認する。また、電圧、電流、温度などのパラメーターを測定し、バッテリーが健康で安全であることを確認する。

このように、BMSはバッテリーの劣化を防ぐのに役立つ：

• オーバーチャージ
• 過電圧
• 過電流
• 温度超過
• 細胞の不均衡
• ライフサイクルの短縮

さらに、BMSはあらゆる充放電プロセスにおいて、バッテリー容量と全体的なパフォーマンスを最適化します。これにより、LiFePO4バッテリーパックの性能と寿命を最大限に引き出すことができます。

LiFePO4 BMSの主な機能

1. 制御動作条件

電圧、電流、温度信号を測定し、これらのパラメーターを制御してセルバランスを達成し、バッテリーの損傷を防ぐ。

2. 診断を行う

セル間の時間変化を監視し、エラーを診断して安全リスクを検出し、ドライバーに警告信号を送る（ドライバーはこの安全リスクを回避するための適切な措置を開始できる）。

3. データの収集と保存

パックと個々のセルの信号を記録し、バッテリーのライフサイクル履歴に関するデータを保存する。

4. 推定パラメータ

充電状態(SOC)や健全性状態(SOH)などのセルとパックのレベルを決定し、セルのバランシングのためにコントローラと通信する。

LiFePO4 BMSの種類

LiFePO4 BMSは、LiFePO4バッテリーのサイズに応じて、様々な形やサイズのものを見つけることができます。

電子部品がすべて露出した回路基板だけのものもある：

逆に、BMSを外部環境から保護するケースに入ったものもある。防水性、防塵性、耐火性などがある。

さらに、Bluetoothモジュールを搭載しているオプションもあり、携帯電話のアプリでバッテリーを制御・監視できる。

LiFePO4 BMSはどのように機能するのか？

LiFePO4 BMSは、充電と放電の状態を監視・制御することでバッテリーパックを保護する機能がプログラムされた、いくつかのハードウェアとソフトウェアの機能ブロックから構成されています。

優れたBMSは、次のような事態を防ぐ：

• 過電圧と不足電圧
• 過電流と過電流不足
• 細胞の不均衡
• 温度の過不足

カットオフ電圧と電流

バッテリー管理システムには、充電器からバッテリーへ、あるいはバッテリーから負荷への電力を遮断することができる電流駆動型と電圧駆動型のカットオフ・トランジスタがある。

これらのトランジスタはスイッチとして機能し、セル電圧モニターがシステムの処理能力を超える電圧を検出するとスイッチがオフになり、バッテリーを過電圧から保護する。

電圧モニターが最低充電電圧または最低放電電圧より低い電圧を検出すると、カットオフ・トランジスタが作動し、この充電電圧がバッテリーに到達するのを止めます。

セル・バランシング

LiFePO4 BMSのもうひとつの主な機能は、パック内のすべてのセルのバランスが正しく保たれていることを確認することです。

バランス型セルとは、各セルの電圧を個別に測定した場合、どのセルも同じ値になることを意味します。これは、バッテリーの充電／放電が不規則になるのを防ぐのに役立ちます。

BMSがどのようにバッテリーパックのバランスをとるかというと、以下のいずれかの方法で、パック内の1つまたは複数の個々のセルの充電電流を変更し、パック電流と異なるようにする：

最も充電されたセルから電荷を取り除くことで、過充電を防ぐための追加充電電流のための「スペース」を提供し、より充電されていないセルはより多くの充電電流を受けることができる。

充電電流を（部分的または全体的に）充電度の低いセルに振り向け、セルバランスが整うまで長期間充電電流を受けられるようにする。

温度管理

温度センサーがバッテリーの温度信号をBMSの監視ユニットに送ります。潜在的に危険な充放電温度が検出された場合、BMSは自動的にバッテリーへの電力を遮断し、温度の過不足による安全上のリスクを防ぎます。

BMSには多くの保護ストラテジーがプログラムされている。しかし、その目的はすべて同じです。電圧、電流、温度、短絡、セルの不均衡など、起こりうるあらゆる極限状態からバッテリーを保護することです。BMSを使用することで、バッテリーの寿命と性能を最大限に引き出すことができます。

BMSなしでLiFePO4バッテリーを充電できますか？

はい、BMSなしでLiFePO4バッテリーを充電することはできます。しかし、そうすることは危険ですので、この方法はお勧めできません。

バッテリーパックに推奨以上の充電電圧や電流を供給すると、熱暴走を起こし、火災や爆発につながる恐れがあります。

重大な安全問題の発生を防ぐため、LiFePO4バッテリー（または他のバッテリー）を充電する場合は、少なくとも電圧、電流、温度などの充電条件を注意深く監視する必要があります。

これには電圧計とアンペア計、そしてバッテリーセルの温度センサーが使える。

こうすることで、バッテリーに負担がかかっているかどうかを知ることができ、それに応じてコンディションを調整することができる。

さらに、BMSを使用しないことで、バッテリーの寿命に悪影響を及ぼします。このように、最適化された作動条件を保証するBMSがあれば、バッテリーはそれほど長持ちしません。

重要：LiFePO4バッテリーの充電にはBMSの使用をお勧めします。そうしない場合は、少なくとも電気系統の監視の経験が必要です。

LiFePO4バッテリーに適したBMSを選ぶには？

LiFePO4バッテリーは大きな利点がありますが、かなり高価です。そのため、DIYでLiFePO4を作ることを検討しているかもしれません。

その場合、LiFePO4バッテリーに適したBMSを使用することが、バッテリーパックを安全かつ正しく機能させるために重要です。

適切なLiFePO4 BMSの選択は、バッテリーシステムのサイズ、特に定格電圧と容量に大きく依存します。

LiFePO4バッテリーパックに適したBMSを選択するための要件をよりよく理解するために、まず電圧、アンペア数、容量、C定格など、関連するバッテリーの特性をいくつか確認してください。

電圧

電圧は、回路内の2点間の電位差である（電圧の単位はボルト、V）。

言い換えれば、電圧とは、電流が電気回路を移動する際の力／圧力である。

バッテリーパックは複数のセルの集合体です。バッテリーパックに含まれるセルの数（およびその化学組成）によって、公称電圧が決まります。

個々のLiFePO4セルの公称電圧は3.2Vです。このように、4つのLiFePO4セルを直列に接続すると、公称電圧12.8Vのバッテリーパックになります。

アンペア数

アンペア数とは、電流の流量の尺度である。略してアンペアと呼ばれることもある。一定時間に回路のある点を通過する電子の数を表す。言い換えれば、電子が回路内を流れる速度である。

バッテリー容量

電池容量はアンペア時（小型電池はmAh）で測定される。これは、バッテリーの電圧がバッテリーの種類ごとに決められた値（カットオフ電圧）まで低下するまでの1時間に供給できる電流の総量を示しています。

Cレート

Cレートは、バッテリーの定格容量に対する放電（または充電）率を測定する。

1Cレートとは、放電電流が1時間でバッテリー全体を放電させることを意味する。したがって、定格100Ahのバッテリーの場合、1Cレートは100Aを1時間供給することを意味する。逆にCレートが0.5Cであれば、50Aを2時間供給することになる。

最終的な感想

BMSはバッテリー・システムの重要なコンポーネントで、バッテリー・セルをモニターし、バッテリー・パック内ですべてのセルが適切に機能していることを確認する。

また、電圧、電流、温度などの充放電パラメーターを測定し、バッテリーが正しく安全に動作していることを確認します。

いずれかのセルが誤動作を始めた場合、BMSは問題を解決するために行動を起こし、バッテリーシステムを完全にシャットダウンすることもある。

このため、適切なBMSを選択することが、バッテリーパックのライフサイクルと全体的な性能に大きく影響します。

出典：climatebiz.com 文：アナ・レイトマン