はじめに ｜BMSテストがEVに不可欠な理由
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、バッテリーに依存するシステムで重要な役割を果たしている。その主な役割は、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、温度の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、寿命の最適化を通じてバッテリーの効率的で安全な使用を保証します。バッテリーは高価で複雑かつデリケートな部品であるため、BMSが適切に機能することはeモビリティ 不可欠です。
BMSに不具合が生じると、安全上の危険、バッテリー寿命の低下、性能の低下など、深刻な事態につながる可能性がある。そのため、メーカーは製品に搭載するソフトウェアの徹底的なテストと検証を行わなければならない。商用製品やシステムに実装する前に規制への適合を確認することは、eモビリティ 業界にとって現実的な課題である。
検証 ｜BMSアルゴリズムの責任
BMSはバランシング・アルゴリズムを採用し、不均一な充電を防ぎ、バッテリー・セルの電圧安定性を維持します。さらに、限界値を超えないようにSOCを正確に推定し、コンバーター・コントローラーと連携して過電流や深放電からバッテリー・セルを保護します。これらのアルゴリズムの失敗は、バッテリー・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の中心的な部分であるため、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しなければならない。そのため、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遵守が不可欠です。
セキュリティーに関しては、BMSは短絡やケーブルの故障を検出し管理する責任がある。そのため、バッテリー・コンポーネント間の絶縁を常に監視している。さらに、BMSはバッテリー温度を管理し、過熱に応じて充放電プロセスを調整し、熱暴走を防ぎます。
課題 ｜BMS試験における課題
前述したように、BMSには数多くの機能が組み込まれている。そのため、EVの安全な運用を保証するためには、BMSのテストプロセスには幅広い運用シナリオが含まれる必要がある。その結果、企業は確立された試験基準や要件をすべて満たすために、多大な時間と資源を投入している。
BMSのテストにおける主な課題は、バッテリーの充放電サイクルの数にある。推定アルゴリズムは、機械学習モデルを訓練するために過去の運転データに依存するため、このプロセスには多大なエネルギーと時間が必要です。さらに、多様な運転条件下でBMSの最適性能を検証することは、効率を確保するために極めて重要であり、必要な充電サイクルはさらに増加する。
また、BMSの故障検知・管理機能をテストする際、特にセキュリティ上の懸念から、別の課題が生じる。EVバッテリーが高電圧で動作する高エネルギー密度のデバイスであることを考えると、故障のテストは危険でコストがかかる可能性があり、効率的な実行のために適切なインフラを利用できるようにする必要がある。
単一セル・レベルでは、各セルの動作に関する正確な情報を得ることは、実際のバッテリーをテストに使用する際にさらなる障害となる。セル電圧と温度を個別に測定することは現実的ではなく、外部測定が唯一の実行可能な選択肢となります。その結果、さまざまなバッテリー構成に対してBMSの性能をテストすることは困難となり、効果的ではなくなります。
制御およびモニタリング機能に加えて、BMS通信システムのテストにも課題がある。BMSは多数の機器とインターフェースするため、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出現、通信規格の頻繁な更新により、BMS通信テストの要件と頻度は増加しています。
HILのメリット｜HILによるBMSテストの改善
モデル・ベースのテストは、実際のバッテリーを使ったテストに代わるアプローチを提供します。しかし、この場合、個々のバッテリーセルの挙動を正確にエミュレートし、電圧レベルを考慮し、オーバーシュートすることなく電圧変化を正確に制御することが不可欠です。そうでなければ、BMSアルゴリズムの検証は意味のある結果をもたらさない。したがって、試験結果の信頼性とBMS性能検証の有効性は、セルとバッテリーのモデルの精度に大きく依存します。
Typhoon HILツールのようなHILソリューションは、バッテリーセルの電気特性や性能特性を正確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てBMSの開発と検証を加速することができ、コスト削減につながります。バッテリー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テストを並行して実施できます。さらに、HILソリューションは、故障に対するBMSの応答をテストし、バッテリーを保護する能力を評価するための安全な環境を作り出します。
バッテリーの仮想モデルを採用することで、さまざまなシナリオや動作条件のリアルタイムシミュレーションが可能になります。HILによって促進されるデジタル・ツインニング・アプローチは、この機能を可能にします。クラウドの計算能力を活用することで、過去のデータや正確なバッテリーモデルを組み込んだBMS検証の効率が高まります。
クレジット
著者 ｜カシアーノ・F・モラエス、ハイトール・J・テッサロ
ビジュアル ｜カール・ミッケイ
テクニカルエディター｜イゴール・ピンタリック
ブログエディター｜デボラ・サント
