EV 用バッテリの性能/寿命/価値の 向上に大きく貢献する【ワイヤレス・バッテリ管理システムによるスマート・バッテリ・ソリューション】

Thought Leadership Article ワイヤレス・バッテリ管理 システムによるスマート・ バッテリ・ソリューション、 EV用バッテリの性能／寿命／価値の 向上に大きく貢献 著者：Stephan Prüfling、AVL バッテリ管理システム担当製品マネージャ Norbert Bieler、アナログ・デバイセズ E-Mobility事業開発担当ディレクタ はじめに 上記のような課題が存在するなか、バッテリのイノベーションに 乗用車／商用車を電動化するという流れは、市場に広く浸透しま 関する報道を見ると、新たなパッケージのコンセプトや、新た した。現在は、新たなフェーズに移行する段階にあると言えるで な素材にスポットが当てられていることがわかります。そうした しょう。実際、技術の実現可能性を実証する段階から、高級車の 新技術によって、いつの日か現在のリチウム技術をベースとする 量産段階に移行したことは明らかです。新たな技術の実用化／商 よりも、多くの電荷を蓄積できるようになる可能性があるからで 用化は、より最適化された手ごろな価格の車両の登場につながり す。しかし、実際には、バッテリの別の側面にも注意を払わなけ ます。 ればなりません。例えば、バッテリの充電状態（SOC：State of Charge）や健全性（SOH：State of Health）を監視するバッテ ただ、最新世代の電気自動車（EV）は従来の内燃エンジン車に リ管理（バッテリ・マネージメント）システム（BMS：Battery 比べると高額です。その意味で、EVはやや魅力に欠けると捉え Management System）は極めて重要な要素です。BMSはバッ ている方は少なからず存在します。商業的に成功し、なおかつ持 テリのイノベーションを支えるものであり、そのイノベーション 続可能な市場の成長を実現するためには、依然としてコストの低 に歩調を合わせた進化が求められます。 下と性能の改善が重要だと言えます。 そうした観点から見た場合、BMSのワイヤレス化を実現する技術 EVにおいて最も重要な要素はバッテリ・システムです。車両の は、注目に値する極めて重要なものであることがわかります。実 ライフサイクル全体を通して、バッテリ・システムのサイズ、重 際、アナログ・デバイセズが開発したwBMS（Wireless BMS） 量、コストは競争優位性に影響を与えます。また、1回の充電に は、General Motors（GM）のモジュール式バッテリ・プラッ よって実現可能な航続距離も重要です。航続距離は、市場におけ トフォーム「Ultium」に採用されました。そして、現在は量産向 るEVの魅力と競争力に多大な影響を及ぼします。 けに提供されている段階にあります。wBMSは、自動車メーカー バッテリについて注目すべき事柄は他にもあります。今後は寿命 に対し、バッテリの寿命の全期間を通した新たな競争力を提供し を迎えるEVの数がどんどん増えていきます。それに伴い、自動 ます。最初にバッテリ・モジュールが組み立てられた時点に始ま 車メーカーは、廃棄される車両から回収されたバッテリのセカン り、EVでの使用を経て、車体が廃棄された後も、必要に応じて ド・ライフへの対応を迫られることになります。つまり、セカン バッテリのセカンド・ライフまで含んだ形で貢献を果たすという ド・ライフのバッテリによって得られる価値をめぐり、競争しな ことです。 ければならない状況にあるということです。 VISIT ANALOG.COM/JP

有線接続のバッテリ・モジュール／セル ワイヤレス接続のバッテリ・モジュール／セル モジュール モジュール モジュール モジュール モジュール モジュール アナログ検出用の ワイヤ・ハーネス モジュール モジュール モジュール モジュール モジュール モジュール デイジーチェーン・ ハーネス CMC CMC CMC CMC CMC CMC CMC CMC CMC CMC CMC CMC プラットフォーム1 ECU ECU プラットフォーム2 プラットフォーム3 CMC CMC CMC CMC CMC CMC CMC CMC CMC CMC CMC CMC モジュール：12個 wBMSモジュール：12個 ハーネス：24本 ハーネス：0本 コネクタ・ペア：48個 コネクタ・ペア：0個 CMC：12個 ワイヤレス・マネージャ：1個 モジュール モジュール モジュール モジュール モジュール モジュール モジュール モジュール モジュール モジュール モジュール モジュール ECU：電子制御ユニット、CMC：セルの監視用制御ユニット 図1. 有線接続と無線接続の比較。（左）は、複数のコンポーネントで構成される標準的なBMS用有線ネットワークです。 wBMS技術を適用することにより、（右）のようなシンプルな構成を実現できます。 バッテリの有線接続は、 有線のBMSが抱える欠点 コストと重量がかさむ複雑な手法 有線の接続は、多くの技術者にとってなじみ深いものです。十分 アナログ・デバイセズは、なぜwBMS技術を開発するとの考え に理解されているということは、明らかな長所になります。しか に至ったのでしょうか。その発端は、従来型のEV用バッテリ・ し、有線の接続にはいくつかの欠点が存在します。例えば、銅製 パックについて分析を実施したことにありました。専門技術に基 のワイヤ・ハーネスは重量がかさむことに加え、多くのスペース づいて行われた分析の結果、バッテリ・パックで使用される通信 を専有します。もし、そのスペースにバッテリ・セルを配備でき 用のワイヤがEVにおける大きな課題であるとの結論に至ったの るようになれば、その分だけ電力容量を増やすことが可能になり です。アナログ・デバイセズは、ワイヤレス通信の分野において ます。また、ワイヤは、バッテリの筐体構造にしっかりと固定す 市場で最も精度の高いBMS用のICを供給しています。また、世 る必要があります。そのためのコネクタは、振動や衝撃にさらさ 界で最も堅牢な産業環境用のメッシュ・ネットワーク技術を開発 れると機械的な故障に至るおそれがあります。 した実績も有しています。これらの事実も、wBMSの開発を後押 つまり、ワイヤによる接続は、開発作業、製造コスト、重量が増 しする要因になりました。では、バッテリ・パックのワイヤは具 加する要因になります。それだけでなく、機械的な信頼性が低下 体的にどのような問題を抱えていたのでしょうか。 し、使用可能なスペースが減少する原因にもなります。その結果、 従来型のEV用バッテリ・パックにおいて、各セルに関する計測 航続距離を延ばすことが難しくなります。では、ワイヤ・ハーネ はバッテリ管理ICによって行われます。バッテリ管理ICで取得 スを排除することができたとしたら、どのような効果が得られる したデータは、ワイヤを介してバッテリ・パックのECU（電子 のでしょうか。車両を設計する際には、バッテリ・パックのフォー 制御ユニット）に送信されます。この通信に関する要件には、大 ム・ファクタに関連した要件が発生します。ワイヤを排除できれ 型バッテリ・パックの複雑なアーキテクチャが反映されます。通 ば、それらの要件を満たすための柔軟性が新たに得られるように 常、バッテリ・パックは複数のバッテリ・モジュールで構成され なるのです。 ます。そして、各モジュールには複数のバッテリ・セルが含まれ 完成後のバッテリ・パックを見ると、ワイヤ・ハーネスが非常 ています。それらのセルには製造ばらつきが伴います。つまり、 に複雑な状態で張り巡らされていることがわかります。つまり、 各セルは、定められた許容範囲内には収まるものの個々に異なる バッテリ・パックの組み立ても、難易度が高くコストのかかる作 特性を示します。最大限のバッテリ容量、寿命、性能を実現する 業です。有線のバッテリ・パックでは、組み立てと接続の終端を には、バッテリが動作する上で重要な意味を持つパラメータを、 手作業で行わなければなりません。EV用のバッテリ・モジュー モジュールごとに監視／記録しなければなりません。代表的なパ ルは、高電圧で充電された状態で供給されます。そのため、組み ラメータとしては、電圧、充電電流、放電電流、温度などが挙げ 立ての工程にはコストがかかるだけでなく、危険が伴います。製 られます。この監視／記録を実現するために、EV用のバッテリ 造ラインの作業者の安全性を確保するためには、安全に関する厳 には各モジュールまたはセルからのデータを転送するための手段 格なプロトコルを適用しなければなりません。 が必要になるのです。つまり、電圧や温度を測定し、その結果を ECUのプロセッサに転送しなければなりません（図1）。従来、 このような理由から、自動車メーカーは新たなEV用バッテリ・ その転送を実現するためには有線の接続が用いられていました。 システムのプラットフォームに堅牢なワイヤレス技術を適用した いと考えています。ただ、ワイヤレス化が求められている理由は 他にもあります。 2 ワイヤレス・バッテリ管理システムによるスマート・バッテリ・ソリューション、EV用バッテリの性能／寿命／価値の向上に大きく貢献

図2. バッテリ・パックの製造作業。wBMSを採用すれば、BMSの信号の伝送に使われるワイヤ・ハーネスが排除されます。 そのため、ロボットによるバッテリ・パックの自動生産が可能になります。 wBMSは、新たなスマートなアプローチ には、故障しているモジュールを容易に取り外して交換するこ アナログ・デバイセズのwBMSは、求められるあらゆる機能を とが可能です。ワイヤレスであることから、バッテリ・システ 備えたソリューションです。しかも、自動車メーカーはバッテリ・ ムに新しいモジュールを取り付ける作業が容易になります。 パックの設計に容易に組み込むことができます。wBMSは、主に X セカンド・ライフ： EV の数が増えるにつれ、バッテリのセカ 2つの要素で構成されています。1つは、各バッテリ・モジュー ンド・ライフの市場が新たに登場しました。セカンド・ライフ ル用のwCMC（Wireless Cell Monitoring Controller）ユニッ というのは、廃棄された車両からバッテリを回収し、再生可能 トです。もう1つは、ワイヤレス・マネージャ・ユニットです。 エネルギー用のストレージ・システムや電動ツールなどのア 後者のユニットは、複数のバッテリ・モジュールをECUにワイヤ プリケーションで再利用するという意味です。wBMS を採用 レスで接続する通信ネットワークを制御する役割を果たします。 していた場合、セカンド・ライフのアプリケーションにもバッ 各wCMCユニットは、ワイヤレス通信用の回路に加え、バッテ テリを容易に組み込むことができます。EV のメーカーは、廃 リの様々なパラメータを非常に正確に測定するためのBMSを内 棄された EV が搭載していたバッテリのリサイクルや、廃棄に 蔵しています。各パラメータの値を取得することにより、BMSア 関する責任を負わなければなりません。バッテリの再利用は、 プリケーションの処理ユニットはバッテリのSOCとSOHを分析 EV メーカーにとって新たな価値の源泉になります。 することが可能になります。 X 廃棄： バッテリ・パックに含まれるリサイクル可能な金属と潜 wBMS技術は、ワイヤ・ハーネスの設計と組み立ての工程が抱え 在的な有害物質は、規則に基づく承認された廃棄方法に従っ ている問題を排除します。そのことによって、両工程には大きな て処理する必要があります。wBMS を採用した場合、通信用 メリットがもたらされます。それだけでなく、バッテリのライフ のワイヤ・ハーネスが存在せず、接続が単純になります。そ サイクルにおける各段階に対しても多くのメリットをもたらしま のため、有線方式のバッテリよりも容易かつ迅速にバッテリ・ す。以下、wBMSを採用することによって、各段階にどのような モジュールを取り外すことができます。 効果が現れるのかをまとめます。 X データの管理： wBMS 技術を適用すると、各インテリジェン ト・モジュールからバッテリに関する重要なデータを読み出す X バッテリの組み立て： wBMSを採用すれば、バッテリ・モジュー のが容易になります。これは、バッテリの状態を個別に判定で ルに必要な接続は電力端子だけになります。これであれば、高 きるということを意味します。それらのデータからは、モジュー 度に自動化された工程によって簡単に組み立てられます。組 ルの SOC や SOH などに関する情報を得ることが可能です。 み立て時の手作業とテストの作業を排除することにより、組み それらの情報と、そのモジュールが最初に製造されたときの 立てラインの作業者にとっての安全上のリスクも排除できま データを組み合わせることにより、セカンド・ライフのアプリ す（図 2）。また、モジュールについては、バッテリの中に組 ケーションにおいてそのモジュールを最適な形で再利用する み込む前にテストとマッチングの確認を行うことができます。 ことができます。加えて、モジュールを販売する際に、それぞ X 点検／修理のサービス： 安全なワイヤレス機能を備えている れの詳細な仕様セットを提供することも可能になります。それ ということは、認定修理工場で診断装置を使うことにより、バッ らのデータを直ちに使用できる状態にあれば、モジュールを テリ・パックに手を触れることなくその状態を容易に分析でき 再販する際の価値を高められます。 るということを意味します。機能面の不良が検出された場合 VISIT ANALOG.COM/JP 3

アナログ・デバイセズのwBMSは た構成の設定に基づき、システム全体がアナログ・デバイセズの 完全なソリューション 技術によって処理されることになります。 アナログ・デバイセズのwBMSには、ワイヤレス・ネットワーク・ wBMS技術を支えている技術の1つに、アナログ・デバイセズの プロトコルが実装されています。そのプロトコルは、ネットワー BLIS（Battery Lifecycle Insight Service）があります。これは、 ク規模の時間同期技術に基づいています。また、あらゆる動作条 エッジ・ベース／クラウド・ベースでデータ処理用のソフトウェ 件の下で、自動車業界で求められる信頼性、安全性、セキュリティ アを提供するというものです。それらのソフトウェアは、トレー に関する要件を満たします。GMが量産しているEVにwBMSが サビリティ、製造の最適化、ストレージの監視、運搬時の監視、 採用されているという事実は、非常に過酷な環境でも高い信頼性 早期の故障検出、寿命の延長を支援します。wBMS技術とBLIS が得られるということを証明しています。wBMSを適用したバッ 技術の組み合わせによって、自動車メーカーはバッテリ・パック テリは、これまでに100台以上のテスト車両に搭載されました。 の開発／製造における投資回収率を高めることができます。また、 それらの車両は、砂漠や極寒の地域などの非常に厳しい条件下で EVに関するビジネス戦略において経済性を改善することも可能 数十万km以上のオンロード／オフロード走行を達成しています。 になります。加えて、パーソナル・モビリティにおける二酸化炭 アナログ・デバイセズは、wBMSを提供することによって、機 素の排出量を削減することができます。更に、持続可能な未来に 能安全規格であるISO 26262への適合に向けた自動車メーカー 向けた市場の移行を加速することが可能になります。 のプログラムを支援します。その無線技術とネットワーク・プロ wBMSを採用したバッテリ・ソリューションを設計し、活用する トコルは、ノイズの多い環境にも耐えられるシステムを実現しま ためには何が必要になるのでしょうか。まずは、システムに関す す。また、高度な暗号化技術を使ってモニタリング・ユニットと る知識を得ることが重要です。また、ここまでに説明した技術の マネージャの間で安全な通信を実現できるように設計されていま 利用や設計をサポートする手法やツールも必要になります。AVL す。このようなセキュリティ面の対策により、ワイヤレス・ネッ は、お客様と共にそうしたイノベーションを確実に推進し、それ トワーク上で伝送されるデータが犯罪者やハッカー（クラッカー） を連続生産に適用できる形にして市場に投入すべく取り組みを進 などに傍受されることを防ぎます。伝送されたデータは、内容に めています。そのために必要な、あらゆる種類のシミュレーショ 変更を加えられることなく意図した受信者に届きます。更に、受 ン、テスト、設計能力、経験を提供しています。AVLが目指して 信者はメッセージの送信元を正確に把握することができます。 いるのは、バッテリの寿命の延伸と性能の改善です。それに向け て、データの分析手法、バーチャル開発の利用に支えられた予測 全寿命期間にわたり、バッテリの価値を管理する 機能、車両とバッテリに関するデータをベースとし、バッテリを バッテリの全寿命期間は、最初に組み立てられたときから、EV 取り巻くエコシステム向けのソリューションを実現すべく注力し での運用、回収を経て、セカンド・ライフに至ります。バッテリ・ ています。 パックに組み込まれたwBMSの機能により、自動車メーカーと 所有者は、その全期間を通してバッテリの状態を簡単に追跡する アナログ・デバイセズとAVLは、それぞれの強みを組み合わせる ことができます。また、性能と安全性を維持しつつ最大限の価値 ことにより、更にスマートなBMSソリューションを世界中のお客 を得ることが可能になります。バッテリ・モジュールのセルの監 様に提供することを目指しています。 視用ユニットとECUの間のやり取りを含めて、メーカーが定義し 4 ワイヤレス・バッテリ管理システムによるスマート・バッテリ・ソリューション、EV用バッテリの性能／寿命／価値の向上に大きく貢献

著者について EngineerZone® Stephan Prüfling氏は、AVLでバッテリ管理システムを担 オンライン・サポート・コミュニティ 当する製品マネージャです。入社は2016年で、製品マネー アナログ・デバイセズのオンライン・サポート・コミュ ジャとして電動モータやパワー・エレクトロニクスなどの ニティに参加すれば、各種の分野を専門とする技術者と 電動駆動装置（eドライブ）を担当。現在は、主にバッテリ の連携を図ることができます。難易度の高い設計上の問 管理ソリューションの製品管理と、この分野の先進的なイ 題について問い合わせを行ったり、FAQを参照したり、 ノベーションの実現を目指すプロジェクトに取り組んでい ディスカッションに参加したりすることが可能です。 ます。主にE-Mobilityとエネルギー供給網を対象として生 産工学と電気工学を学び、理学修士号を取得しました。 Norbert Bielerは、アナログ・デバイセズのE-Mobility Visit ez.analog.com 事業開発担当ディレクタです。自動車メーカー、ティア1 サプライヤ、戦略的パートナー向けの新技術やイノベー ションを定義するE-Mobil i tyプロジェクトの開発、事業 ＊英語版ソート・リーダーシップ記事はこちらよりご覧いただけ 開発、事業戦略を牽引しています。マイクロエレクトロニ ます。 クスを専門とする電気技術者として、インテリア、シャー シ、パワー・トレイン向けの電子機器を含む自動車向けの システム、アーキテクチャ、機能を担当。ここ15年間は ドライブ・トレイン全体のハイブリッド化と電動化に注力 しています。Siemens VDO Automotive、Continental Automotive、アナログ・デバイセズで、25年にわたり、 車載分野のマネージメントを担当してきました。 VISI T A N A L O G . C O M /JP お住いの地域の本社、販売代理店などの情報は、analog. ©2022 Analog Devices, Inc. All rights reserved. com/jp/contact をご覧ください。 本紙記載の商標および登録商標は、各社の所有に属します。 Ahead of What’s Possibleはアナログ・デバイセズの商標です。 オンラインサポートコミュニティEngineerZoneでは、アナ ログ・デバイセズのエキスパートへの質問、FAQの閲覧がで きます。 T24035-9/22