バッテリー管理システム（BMS）とは、充電式バッテリーパックを監視・管理するために使用される電子制御システムです。リチウムイオンバッテリーパックの場合、BMSはセル電圧、パック電圧、電流、温度、充電状態、および故障状態を監視することができます。設計によっては、保護機能、セルバランス調整、データ通信、およびバッテリーの状態情報の提供も可能です。.

OEM機器メーカーにとって、BMSの選定は、バッテリーの電圧や容量のみに基づいて行うべきではありません。BMSは、バッテリーセル、パックの構成、充電器、機器コントローラ、動作電流、温度範囲、通信要件、および使用環境と適合している必要があります。.

これは、AGV、AMR、ロボット、電動フォークリフト、床清掃機、船舶用機器、医療機器、電動自転車、その他のバッテリー駆動システムなどの機器において特に重要です。.

このガイドでは、BMSの主な機能、その動作原理、およびOEMエンジニアがリチウムイオンバッテリーパックを開発または選定する際に考慮すべき点について解説します。.

バッテリー管理システム（BMS）とは何ですか？

バッテリー管理システム（通称BMS）とは、充電式バッテリーパックの状態を監視・管理するために設計された電子システムです。.

一般的なリチウム電池用BMSでは、以下の項目を監視することができます：

• 個々の細胞の電位
• バッテリーの総電圧
• 充電電流
• 放電電流
• 細胞温度
• バッテリーパックの温度
• 充電状態（SOC）
• 健康状態（SOH）
• 故障状態

BMSのアーキテクチャによっては、以下の機能も提供される場合があります：

• 過充電保護
• 過放電保護
• 過電流保護
• 短絡保護
• 過熱保護
• 低温保護
• セルバランシング
• 外部機器との通信

OEMバッテリーパックでは、BMSはバッテリーセル、保護部品、筐体、充電器、および機器コントローラと連携して動作します。.

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OEM用バッテリーパックにとって、BMSはなぜ重要なのでしょうか？

OEM機器は、電気的負荷、動作サイクル、環境条件、制御システムなどがそれぞれ異なる場合があります。そのため、バッテリーパックは電圧と容量だけで完全に仕様を決定することはできません。.

例えば、機器メーカーは、次のような仕様を持つバッテリーを要求する場合があります：

• 48V（公称電圧）
• 容量100Ah
• 100Aの連続放電電流
• 150Aのピーク放電電流
• CAN通信
• 温度モニタリング
• 低温時の充電保護

次のような仕様、例えば 48V 100Ah バッテリーシステムに関するすべての要件を規定しているわけではない。.

BMSは、バッテリーセル、直列接続、電流要件、充電器、コントローラ、および通信システムと互換性がなければならない。.

このため、BMSの要件については、機器およびバッテリーの開発段階で検討するのが最も適切です。.

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BMSの主な機能とは何ですか？

1. セル電圧の監視

リチウム電池パックは、複数のセルを直列および並列に接続して作られます。.

充電および放電中、セルごとの特性、温度、充電状態、および動作条件のばらつきにより、個々のセルの電圧に差が生じることがあります。.

BMSは、個々のセルの電圧を監視し、設定された動作範囲外の状態を検知することができます。.

細胞電位のモニタリングは、以下のことを支援します：

• 過充電保護
• 過放電保護
• 細胞電圧の異常検出
• バッテリー状態の監視
• セルバランシング

直列に接続するセルの数は、BMSの設計仕様に合致している必要があります。.

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2. パックの電圧監視

BMSは、個々のセルの電圧に加え、バッテリー全体の電圧も監視します。.

パックの電圧情報は、以下の用途に利用できます：

• バッテリー状態の監視
• SOC推定
• 充電制御
• 排出量の監視
• 故障検出
• 機器コントローラとの通信

バッテリーの総電圧は、直列に接続されたセルの数とセルの化学組成によって決まります。.

例えば、LiFePO4電池とNMC電池ではセル電圧特性が異なるため、BMSのパラメータは選択した化学系に合わせて設定する必要があります。.

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3. 電流監視

BMSは、バッテリーパックの充電電流および放電電流を監視することができます。.

一般的な電流測定方法には、次のようなものがあります：

• 分流抵抗器
• ホール効果式電流センサー

最新情報は、以下の用途に活用できます：

• 過電流保護
• 短絡検出
• SOC推定
• 電力の計算
• 充電・放電状態
• 故障診断

電動フォークリフト、AGV、AMR、産業用車両などの機器については、実際の積載状況に基づいて電流要件を評価する必要があります。.

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4. 温度監視

温度は、リチウム電池の管理において重要なパラメータです。.

BMSは、以下の項目を監視する場合があります：

• 細胞温度
• バッテリーパックの温度
• MOSFETの温度
• その他の重要な構成部品の温度

NTC温度センサーは、バッテリーの温度測定に広く用いられています。.

温度情報を利用することで、あらかじめ定義されたパラメータに基づいて充電および放電を制御することができます。.

例えば、一部のリチウムイオン電池システムでは、低温時の充電が制限される場合があります。また、高温時には、BMSの設定によっては、電流制限や保護動作が発生する場合もあります。.

センサーの設置場所も重要な要素です。PACKの開発にあたっては、有用な測定値が得られるよう、温度センサーをどこに配置すべきかをエンジニアは検討する必要があります。.

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5. 過充電防止機能

リチウム電池には、所定の充電電圧範囲が定められています。.

セルまたはバッテリーパックが設定された電圧しきい値に達した場合、BMSはシステムの設計に従って保護措置を講じることができます。.

過充電保護のパラメータは、以下の要因によって異なります：

• 電池の化学組成
• 細胞の分化決定
• シリーズ構成
• 充電器の出力
• BMSの設計

LiFePO4電池とNMC電池は電圧特性が異なるため、それぞれのBMSパラメータを互換性があるものとして扱うべきではありません。.

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6. 過放電保護

バッテリーの放電中、セル電圧は徐々に低下します。.

電圧が設定された下限値に達した場合、BMSはその保護戦略に従って放電を制限または停止させることができます。.

過放電保護機能により、バッテリーが規定の電圧範囲外で動作し続けるのを防ぎます。.

長期間使用されない機器については、OEMのエンジニアは、BMSの待機時消費電力やバッテリーの保管状態についても考慮すべきです。.

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7. 過電流保護

機器の起動時、加速時、持ち上げ時、登坂時、またはその他の高負荷状態では、バッテリーの電流が大幅に増加することがあります。.

BMSは、以下の用途に応じて異なる電流パラメータを使用する場合があります：

• 連続放電電流
• ピーク放電電流
• ピーク電流の持続時間
• 充電電流
• 過電流保護

例えば、機器が通常は80Aで動作しているものの、起動時に短時間だけ120Aに達する場合、BMSは両方の状態を考慮する必要があります。.

機器からの実際の電流測定値は、エンジニアがBMSを適切に設定するのに役立ちます。.

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8. 短絡保護

短絡が発生すると、電流が急激に増加することがあります。.

そのアーキテクチャに応じて、BMSは異常な電流状態を検知し、電流経路を遮断または制限することができます。.

ただし、短絡保護はBMSのみの機能であると考えてはならない。.

また、バッテリーパック一式には、以下のものが必要になる場合があります：

• ヒューズ
• コンタクタ
• MOSFET
• バスバー
• ケーブル
• コネクタ
• 断熱
• 機械的保護

したがって、短絡保護については、PACKシステム全体として検討すべきである。.

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9. セルのバランス調整

直列に接続されたセルでは、時間の経過とともに電圧や充電状態に差が生じることがあります。.

セルバランス調整は、こうした差異の一部を調整するために用いられます。.

一般的なアプローチは2つあります。.

パッシブ・バランシング

パッシブバランスでは、通常、抵抗器を用いて、選択されたセルから少量のエネルギーを放散させます。.

この方式は回路構成が比較的単純であり、多くのバッテリー管理システムで採用されています。.

アクティブ・バランシング

アクティブ・バランシングは、エネルギーを主に熱として放散させるのではなく、細胞間でエネルギーを移動させます。.

回路設計はより複雑であり、適切なアプローチは、バッテリー容量、セル数、用途要件、BMSのアーキテクチャなどの要因によって異なります。.

OEMのエンジニアは、BMSを選定する際に、バランス調整方法とバランス調整電流を確認する必要があります。.

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SOCとSOHとは何ですか？

充電状態（SOC）

SOCは、バッテリーの推定充電レベルを表します。.

簡単に言えば、次のような概念です：

SOC = 利用可能電荷 / 基準バッテリー容量 × 100%

しかし、SOCは電圧だけで必ずしも正確に判定できるとは限りません。.

BMSでは、以下の組み合わせを使用する場合があります：

• 電圧
• 現在
• クーロン計数法
• 温度
• バッテリーモデル
• 過去の運用データ

SOCの算出方法は、BMSの設計によって異なる場合があります。.

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健康状態（SOH）

SOHは、定義された基準状態に対するバッテリーの状態を表します。.

BMSによっては、SOHの算出において以下の要素が考慮される場合があります：

• 容量の低下
• 内部抵抗
• 充電・放電履歴
• バッテリーの使用状況
• その他のバッテリーパラメータ

BMSメーカーによって、SOHを算出するために異なるアルゴリズムが採用されている場合があります。.

OEMコントローラがSOHデータを読み取る必要がある場合は、システム開発の段階で、その算出方法および通信仕様を確認しておく必要があります。.

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BMS通信プロトコル

最新のバッテリー駆動機器では、バッテリーと機器のコントローラーとの間で通信が必要となる場合があります。.

一般的な通信インターフェースには、次のようなものがあります：

CAN

CANは、以下の分野で広く利用されています：

• 無人搬送車
• AMR
• 電動フォークリフト
• 産業用車両
• ロボット
• 床清掃機
• その他の産業用機器

CANを採用したBMSは、次のような情報を送信することができます：

• 電圧
• 現在
• SOC
• 温度
• 障害状況
• 充電状況

具体的なCANメッセージの構造は、機器の制御システムに応じて定義する必要があります。.

RS485

RS485は、産業用バッテリーシステムでも使用されています。.

用途に応じて、Modbus RTUなどの通信プロトコルと組み合わせることができます。.

UART

UARTは、BMSと外部コントローラ間の通信や、設定およびデバッグに使用できます。.

CAN FD

CAN FDは、従来のCANよりも高いデータ伝送容量を備えており、機器の通信アーキテクチャがこれをサポートしている場合には、その採用を検討することができます。.

通信インターフェースは、単に利用可能であるという理由だけでプロトコルを選ぶのではなく、コントローラの実際の要件に基づいて選択すべきである。.

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スマートBMSとは何ですか？

基本的なBMSは、電圧、電流、温度の監視および保護機能に重点を置いている場合があります。.

スマートなBMSには、次のような追加機能があります：

• SOC報告
• SOHレポート
• データロギング
• 障害記録
• コミュニケーション
• パラメータの設定
• バッテリー状態の監視
• システムによっては、リモートでのデータアクセスが可能

AGV、AMR、ロボット、産業用車両、清掃機などの機器については、通信機能により、機器のコントローラがバッテリー情報を受信できるようになります。.

ただし、すべての用途でスマートBMSが必要というわけではありません。必要な機能は、機器のアーキテクチャに基づいて決定されるべきです。.

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OEM用バッテリーパック向けのBMSの選定方法

OEMのエンジニアは、BMSを選定する際に、いくつかのパラメータを評価する必要があります。.

BMSは、バッテリーシステム全体の一部として評価されるべきである。.

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BMSはどのようにバッテリーセルをマッチングさせるのか？

BMSは、バッテリーセルとは独立して選択することはできません。.

例えば、バッテリーパックにLiFePO4セルが使用されている場合、BMSはLiFePO4セルの電圧範囲、直列接続構成、充電パラメータ、放電要件、および温度制限に対応している必要があります。.

バッテリーにNMCセルが使用されている場合、NMCセルの仕様に応じて、対応するBMSパラメータを設定する必要があります。.

基本的な関係は次のとおりです：

電池セル → BMS → 充電器 → コントローラ → 機器

これらの部品は、互換性のある電気的および制御上のパラメータの範囲内で動作する必要があります。.

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BMSは充電器とどのように連携するのですか？

充電器とBMSは、それぞれ異なる機能を持っています。.

充電器は必要な充電電圧と電流を供給し、BMSはバッテリーの状態を監視するとともに、バッテリーシステムの設計に基づいて保護機能や制御機能を提供します。.

OEMのエンジニアは、以下の点を確認する必要があります：

• 充電電圧
• 最大充電電流
• 充電プロファイル
• BMSの充電制限
• 充電コネクタ
• 通信要件
• 充電温度の制限

充電器とBMSが相互に通信を行う場合、開発の段階で通信プロトコルとデータ定義を確認する必要があります。.

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OEMプロジェクトにおけるBMS設計の一般的な課題

バッテリー容量のみに基づいてBMSを選択する

例えば、こうだ：

“「バッテリーは48V 100Ahなので、100AのBMSが必要になります。」”

このアプローチでは、十分な情報が得られません。.

BMSの電流仕様は、実際の充放電要件、セルの性能、保護要件、および動作条件に基づいて設定する必要があります。.

バッテリー容量とBMSの定格電流は、異なるパラメータです。.

ピーク電流を無視する

機器の平均消費電力は中程度であっても、以下の状況では短時間の電流が上昇する場合があります：

• モーターの起動
• 加速
• リフティング
• クライミング
• 高負荷運転

したがって、機器の設計段階において、ピーク電流を測定または推定する必要があります。.

低温時の充電を無視する

アウトドア用品は、寒冷な環境下で使用される場合があります。.

低温環境でバッテリーを充電する必要がある場合は、バッテリーの開発段階で許容される充電温度範囲を考慮する必要があります。.

バッテリーの設計に応じて、BMSは、測定された温度が指定範囲外になった場合に充電を制限するように設定することができます。.

コミュニケーションの定義が遅すぎた

機器コントローラにCAN通信が必要な場合、通信仕様は、バッテリーの開発が完了する前に定義しておくことが望ましい。.

関連情報には、次のようなものが含まれます：

• CAN ID
• データ長
• シグナルの定義
• SOC形式
• 電圧データ
• 最新のデータ
• 気温データ
• 故障コード

これらの要件を早い段階で明確にしておくことで、プロトタイプテスト時の統合作業を軽減することができます。.

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OEM用バッテリーパック向けのBMS開発プロセス

一般的なOEM向けBMSの開発プロセスには、以下の段階が含まれることがあります。.

ステップ1：機器の要件を定義する

収集：

• バッテリー電圧
• 定員
• 連続電流
• ピーク電流
• 稼働時間
• 動作温度
• 充電器の仕様
• コントローラの仕様
• 通信要件

ステップ 2：バッテリーセルを選択する

セルの選択にあたっては、以下の点を考慮することができます：

• 化学
• 定員
• 放電電流
• 温度範囲
• PACKの寸法
• 想定される稼働サイクル

ステップ3：BMSを選択する

BMSは以下の要件を満たす必要があります：

• セル系列の個数
• 充電電流
• 放電電流
• 温度モニタリング
• 保護要件
• 通信要件

手順 4：BMS パラメータの設定

パラメータには、次のようなものがあります：

• 過充電保護
• 過放電保護
• 過電流保護
• 温度保護
• セルバランシング
• SOCの算出
• 通信設定

ステップ5：バッテリーパックの組み込み

バッテリーセル、BMS、筐体、コネクタ、ケーブル、バスバー、および保護部品は、バッテリーパックに統合されています。.

手順 6：バッテリーの動作確認

テストには、次のようなものがあります：

• キャパシティ・テスト
• 充放電テスト
• BMS保護機能の試験
• 温度試験
• 通信テスト
• 振動試験
• エージング試験
• アプリケーションのテスト

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BMSはどのようにテストすべきか？

BMSの試験では、通常の動作条件に加え、定義された異常条件についても対象とすべきである。.

耐電圧試験

テストでは、以下の点を確認できます：

• 過充電保護
• 過放電保護
• 細胞電位のモニタリング
• 細胞電圧の異常検出

現在実施中の試験

テストでは、以下の項目が評価される場合があります：

• 充電時の過電流
• 放電過電流
• 短絡保護
• 連続電流の挙動

温度試験

テストによって以下を確認できます：

• 高温保護
• 低温保護
• 低温時の充電制限

通信テスト

通信機能を備えたBMSの場合、テストによって以下の点を確認できます：

• CANデータ
• RS485データ
• SOC
• 電圧
• 現在
• 温度
• 故障コード

アプリケーションテスト

実際の機器にバッテリーを取り付けることで、エンジニアは代表的な動作条件下におけるBMSの挙動を評価することができます。.

例えば、AGVのバッテリーは、走行中、加速時、停止時、充電中、および待機中に試験を行うことができます。.

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BMSとリチウム電池の安全性

BMSは、リチウム電池の安全設計の一要素に過ぎません。これを唯一の安全対策として扱うべきではありません。.

バッテリーの安全性を確保するための包括的な設計には、以下のような要素が含まれます：

• 細胞の選択
• 細胞の一貫性
• PACK構造
• 電気絶縁
• ヒューズ
• コンタクタ
• コネクタ
• ケーブル
• 熱管理
• 添付資料
• ビーエムエス
• 充電器
• 製造プロセス
• 試験手順

OEM向けバッテリープロジェクトにおいては、これらの要素を総合的に考慮する必要があります。.

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OEM機器向けのカスタムBMSを開発する方法

カスタムバッテリーパックを開発する際、OEMのエンジニアは機器に関する詳細な情報を提供する必要があります。.

電気的要件

• 動作電圧
• モーター出力
• 最大電流
• ピーク電流
• 必要な実行環境
• 充電電圧
• 充電電流

機械的要件

• バッテリー寸法
• 設置位置
• 取り付け方法
• コネクタの種類
• ケーブルの長さ
• ケーブルの配線

ソフトウェア要件

• 通信プロトコル
• CAN ID
• データ形式
• SOC要件
• 故障コード
• コントローラのロジック

環境要件

• 動作温度
• 充電温度
• 湿度
• 振動
• ほこりや水へのさらされ

この情報は、バッテリー開発チームがセル、BMS、電気的保護機能、およびPACK構造を選定するための根拠となります。.

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認証およびコンプライアンスに関する考慮事項

BMSの設計は、バッテリーの規制対応の一部に過ぎません。.

要件は、電池の化学組成、用途、輸送方法、および販売先市場によって異なる場合があります。.

プロジェクトによっては、OEMメーカーは以下の点を評価する必要がある場合があります：

• UN 38.3 輸送試験
• 適用されるIEC規格
• 地域ごとの安全要件
• 電磁両立性に関する要件
• 環境要件
• 適用される機器に関する規制

欧州市場に投入される電池については、以下の要件が適用されます。 EU電池規則（EU）2023/1542 バッテリーの分類および使用目的に応じて評価すべきである。.

コンプライアンス要件は、バッテリーの設計が完了してから検討するのではなく、製品開発の段階で特定しておくべきである。.

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よくある質問

バッテリー管理システムとは何ですか？

バッテリー管理システム（BMS）とは、充電式バッテリーパックを監視・管理するために用いられる電子システムです。電圧、電流、温度、SOC、および故障状態を監視することができ、その設計に応じて保護機能を提供します。.

リチウム電池にはBMSが必要ですか？

多セルリチウムイオン電池パックには、一般的に適切なバッテリー管理・保護システム（BMS）が必要です。具体的なBMSのアーキテクチャは、電池の設計や用途によって異なります。.

BMSはバッテリーの寿命を延ばすことができますか？

BMSは、電圧、電流、温度を所定の範囲内に収め、バッテリーの動作を管理するのに役立ちます。ただし、バッテリーの耐用年数は、セルの特性、充電条件、動作温度、放電深度、使用頻度、その他の要因にも左右されます。.

BMSは充電器を制御できますか？

バッテリーシステムによっては、BMSが充電プロセスと通信したり、それを制御したりできるものもあります。また、充電回路の管理に電気的保護部品を用いるシステムもあります。具体的な構成は、バッテリーや充電器の設計によって異なります。.

すべてのBMSにCAN通信は必要なのでしょうか？

いいえ。すべてのバッテリーにCAN通信が必要というわけではありません。機器のコントローラがSOC、電圧、電流、温度、または故障情報などのバッテリーデータを必要とする場合は、CANまたはその他の適切な通信インターフェースの採用を検討することができます。.

LiFePO4電池とNMC電池に、同じBMSを使用することは可能ですか？

LiFePO4電池とNMC電池の間で、BMSが直接互換性があるとは想定すべきではありません。電圧制限、充電パラメータ、保護設定、その他のパラメータは、電池の化学組成やセル構成に合わせて設定する必要があります。.

OEMエンジニアは、いつBMSを定義すべきでしょうか？

BMSの要件は、理想的には、バッテリーおよび機器の開発段階で、バッテリーセル、充電器、コントローラー、電流要件、通信プロトコルとともに定義されるべきである。.

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結論

バッテリー管理システム（BMS）は、リチウムイオンバッテリーパックの重要な構成要素ですが、その役割は基本的なバッテリー保護にとどまりません。BMSは、セル電圧、パック電圧、電流、温度、SOC、SOH、および故障状態を監視することができます。設計によっては、セルバランス調整、通信、および用途に応じた保護機能もサポートします。.

OEMエンジニアにとって、BMSの選定は、バッテリー容量のみではなく、機器全体の要件に基づいて行う必要があります。セルの化学組成、直列接続方式、充電電流、連続放電電流およびピーク放電電流、温度範囲、通信プロトコル、設置スペース、および動作環境など、あらゆる要素を考慮に入れる必要があります。.

次のような用途では AGV、AMR、ロボット、電動フォークリフト、床洗浄機、船舶用機器、医療機器、電動自転車、および産業用機器, 、BMSは、バッテリーシステム全体の一部として開発・試験されるべきである。.

体系的な開発プロセスには、以下のようなものが含まれる。 セルの選定、BMSの選定、パラメータ設定、PACKの統合、試作機の試験、通信試験、およびアプリケーションの検証.

OEMの開発プロセスの早い段階でBMSの要件を定義することで、エンジニアは、製品設計全体の一環として、バッテリーの監視、保護、通信、およびシステム統合に関する要件に対応することができます。.