2023年7月12日

HILによるEV BMSテストの加速

所要時間 | 5分

BMSテストは、安全かつ効率的なバッテリー使用を保証するため、EVにとって極めて重要です。しかし、多様なシナリオや充電サイクルに対するテスト、故障の検出、通信の改善など、複数の技術的課題も生じます。Typhoon ソリューションTyphoon 制御テストにおいて正確なエミュレーション、コスト削減、安全性の向上を実現します。仮想モデルとクラウドコンピューティングを活用するリアルタイムシミュレーションは、履歴データと正確なバッテリーモデルを用いてBMS検証の効率を高めます。

はじめに | EVにとってBMSテストが不可欠な理由

バッテリー管理システム（BMS）は、電気自動車（EV）やエネルギー貯蔵システム（ESS）などのバッテリー依存システムにおいて重要な役割を果たします。その主な機能は、バッテリーの充電状態（SOC）と健全性状態（SOH）を監視し、電圧、電流、温度に関するデータを収集することです。この情報を活用することで、BMSは監視、保護、管理、寿命最適化を通じて効率的かつ安全なバッテリー使用を確保します。バッテリーは高価で複雑かつ繊細な部品であるため、BMSの適切な機能はeモビリティ極めて重要です。

BMSのいかなる不具合も、安全上の危険、バッテリーの寿命短縮、性能低下といった深刻な結果を招く可能性があります。したがって、メーカーは自社製品のソフトウェアに対して徹底的なテストと検証を実施しなければなりません。商用製品やシステムへの実装前に規制への準拠を確保することは、eモビリティ真の課題です。

検証 | BMSアルゴリズムの責任範囲

BMSは、充電の不均一を防止し電池セルの電圧安定性を維持するため、バランス調整アルゴリズムを採用しています。さらに、限界値超過を回避するためにSOCを正確に推定し、コンバータ制御装置と連携して電池セルを過電流や過放電から保護します。これらのアルゴリズムの故障は、電池セルの健全性と性能を損なう可能性があります。

バッテリーはEVの中核部品であるため、BMSアルゴリズムは制御ユニット、充電ステーション、モーターコントローラーなどの他のコンポーネントと常に通信する必要があります。したがって、相互運用性を確保し正確な情報を交換するためには、効果的な通信とプロトコルの順守が極めて重要です。

セキュリティに関して、BMSは短絡やケーブル故障の検出と管理を担当します。したがって、バッテリー構成部品間の絶縁状態を常時監視しています。さらに、BMSはバッテリー温度を管理し、過熱に応じて充電・放電プロセスを調整し、熱暴走を防止します。

課題 | BMSテストにおける課題

前述の通り、BMSは数多くの機能を備えている。このため、EVの安全な運転を確保するには、その試験プロセスは幅広い動作シナリオを網羅しなければならない。結果として、企業は確立された試験基準と要件を全て満たすために、膨大な時間とリソースを投入している。

BMSのテストにおける主な課題は、バッテリーの充電・放電サイクル数にある。推定アルゴリズムは機械学習モデルの訓練に過去の運用データに依存するため、このプロセスには膨大なエネルギーと時間を要する。さらに、効率性を確保するためには、多様な動作条件下におけるBMSの最適性能を検証することが不可欠であり、これにより必要な充電サイクル数がさらに増加する。

BMSの故障検出および管理機能をテストする際には、特にセキュリティ上の懸念から別の課題が生じる。EVバッテリーは高エネルギー密度デバイスであり、高電圧で動作するため、故障テストは危険かつコストがかかる可能性がある。効率的な実行には適切なインフラの整備が不可欠である。

単一セルレベルでは、実電池を用いた試験において各セルの動作に関する正確な情報を取得することは追加的な障壁となる。セル電圧と温度を個別に測定することは非現実的であり、外部測定が唯一の実行可能な選択肢となる。その結果、異なる電池構成におけるBMS性能の試験は困難かつ非効率的となる。

制御および監視機能に加え、BMS通信システムのテストにも課題が生じる。BMSは多数のデバイスと接続するため、テストでは標準通信プロトコルの正しい利用を保証しなければならない。しかし双方向充電やワイヤレス充電の登場、通信規格の頻繁な更新に伴い、BMS通信テストの要件と頻度は増加している。

HILの利点| HILによるBMSテストの改善

モデルベーステストは実電池を用いたテストに代わる手法を提供する。ただしこの場合、電圧レベルを考慮し、オーバーシュートなしに電圧変化を精密に制御することで、個々の電池セルの挙動を正確にエミュレートすることが不可欠である。さもなければBMSアルゴリズムの検証は有意義な結果をもたらさない。したがって、テスト結果の信頼性とBMS性能検証の有効性は、セルおよび電池モデルの精度に大きく依存する。

Typhoon HILソリューションは、電池セルの電気的特性と性能特性を精密に再現する方法を提供します。これにより、正確なシミュレーションを通じたBMSの開発と検証が加速され、コスト削減につながります。電池がエミュレートされるためエネルギーコストが大幅に削減され、十分な計算能力があれば並列テストの実施が可能です。さらに、HILソリューションは故障時のBMS応答をテストし、バッテリー保護能力を評価するための安全な環境を構築します。