参考資料

EV (電気自動車) バッテリ管理における有線通信とワイヤレス通信の比較

Taylor Vogt,
Applications Engineer,
Battery Management Systems,
Texas Instruments電気自動車 (EV) の需要増加に伴い、メーカーは安全かつコスト効率の優れた方法で性能を向上させる手法を探し求めています。
し、開発中の EV 設計で最適なオプションを選択できるよう解

概要説していきます。

EV 内の分散型バッテリ管理システム

このホワイト・ペーパーは、電気自動車 (EV) で採用する有線各種電動化自動車アプリケーションで、内部バッテリ・パックとワイヤレスのバッテリ管理システムを設計する際の検討事

は電圧を 800V またはそれ以上の値まで上昇させることが可項について考慮します。

能であり、AC モーターの負荷上昇をこの方法でサポートすることができます。この電圧を実現するために、自動車のシャーEV 内の分散型バッテリ管理システム EV 内の分散型バッテリ管理システム

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シ内部で 100 個以上のリチウムイオン・セルを直列接続する可能性があります。このような高電圧パックは、安全、適切な高電圧 EV バッテリ・パックは、セルの電圧、温度、その時間枠、信頼性の高い方法でセルの診断結果を報告するた他の診断を送るために複雑な通信システムを必要とします。

めに、より洗練されたテクノロジーを必要とすることになります。分散型バッテリ・パック・システムを実装するために使用されている一般的な設計手法の 1 つは、セル数の多いパックを有線とワイヤレスの各ソリューションの比較と評価テキサス・インスツルメンツの有線とワイヤレスそれぞれの BMS プロトコルの比較サポートするために、個別のプリント基板 (PCB) に搭載した高精度バッテリ・モニタを多数相互接続する方法です。

高精度のバッテリ・モニタは、有線またはワイヤレスの方式を使用して通信を実施し、関連するセル・パックのデータをホストに送り返すことができます。分散型バッテリ・システムを使用する場合、設計に関するいくつかの検討事項とトレードオフが存在します。

有線 BMS ソリューションの場合、ツイストペア・ケーブルを使用してこれらのモニタをデイジーチェーン接続し、バッテリ・セルに対応する各モジュールから収集したデータを伝搬することになります。有線とワイヤレスそれぞれの BMS ソリューションの間にある違いとは、後者がデイジーチェーン・ケーブル配

有線またはワイヤレスの環境でテキサス・インスツルメンツのバッテリ・モニタを活用して開発を推進 EV 内の分散型バッテリ管理シス
テム線ではなく、ワイヤレス通信を使用することです。図 1 に、
400V～800V の EV 向けの典型的な分散型バッテリ・パック・システムを示します。

テキサス・インスツルメンツ独自のバッテリ管理システ
ム (BMS) プロトコルは、有線とワイヤレス両方の BMS構成で、高い信頼性、高いスループット、短い待ち時間を達成する通信方式を実現します。

特に関心の高い分野の 1 つが、バッテリ管理システム (BMS)の改善です。EV に搭載している個別のバッテリ・セルの性能をリアルタイム監視するのがその目的です。EV のマイコンは、各バッテリ・セルを効果的に監視することで、すべてのバッテリ・セルが正常に動作していると保証し、負荷共有のバランスを維持することができます。このホワイト・ペーパーは、有線とワイヤレスそれぞれの BMS ソリューションの違いを検討

EV (電気自動車) バッテリ管理における有線通信とワイヤレス通信の比較

図 1. 分散型 BMS の例。

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図 2. 有線 BMS の例。

図 1 には、ホスト・マイコン (MCU) を搭載しているサブシステ

図 2 で提示している有線ソリューションは、バッテリ管理ユニムが 1 個あります。このサブシステムは、CAN バス経由で自ットまたはバッテリ・モニタ・ユニット (BMU) ボードを左側に配動車の制御ユニットとのインターフェイスを確立します。次に、置しています。このボードは、ホスト・マイコンと、通信ブリッマイコンのプロセッサは複数のバッテリ・モニタ・デバイスを制ジ・デバイスである BQ79600-Q1 を搭載しています。この御しますが、これらのデバイスは接続先のバッテリ・モジュー

BMU は、このマイコンと、他の BQ796xx モニタ・デバイスのルを通じてバッテリの電圧と温度をセンスします。バッテリ・モ間のインターフェイスとして動作します。これらの BQ796xx

ニタがサポートしているチャネルの数にもよりますが、高電圧は、図の右側にあるセル・モニタ・ユニット (CMU) に搭載済みパックをサポートするために任意の数のデバイスが存在してで、接続先は、複数を組み合わせて使用している実際のバッいる可能性があり、それらすべてに関する情報をホスト・マイテリ・セルです。これらの CMU はツイストペア・ケーブルを使コンに送り返す必要があります。監視と通信を実施する必要用して、各バッテリ・モニタ・デバイスのハイサイドとローサイドのあるシステムの他の一般的な要素として、高電圧の中継制の両方をデイジーチェーン形式で相互接続してあります。ま

御機能を挙げることができます。その結果、自動車を使用してた、オプションでリング・ケーブルを取り付けることも可能で、いないときは高電圧を安全な方法で確実に接続解除することその場合は 1 箇所のケーブル破損が発生した状況でも、破ができるほか、電流センシング機能を使用して充電状態とバ損が発生していないもう 1 つの方向から送信を実施する能力

ッテリ・パック自体の状態を計算で求めることができます。

を確保できます。この有線ソリューションは、デイジーチェーン
接続ケーブルのどちらかの側で絶縁部品を必要とします。そ有線 BMS とワイヤレス BMS の比較と検討事項の結果、ノイズの多い環境で信頼性の高い通信を確実に実

このホワイト・ペーパーが注目するのは、パック内で接続され施し、電磁干渉 (EMI) と電磁適合性 (EMC) に関する自動車ている各バッテリ・モニタ・デバイスとホスト・マイコンの間の通分野の厳格な制限に耐えることができます。

信インターフェイスです。どちらの例も、BQ796xx モニタ・ファ

もう一方のワイヤレス・ソリューションは、ワイヤレス・インターミリを使用します。典型的な有線ソリューションは、複数のバッフェイスを使用し、UART (universal asynchronous receiver-テリ・モジュールの間をツイストペア・ケーブルで接続し、多数transmitter、汎用非同期トランシーバ) のデータをワイヤレのバッテリ・モニタをデイジーチェーン方式でケーブル接続しス・トランシーバ・デバイス経由でホスト・マイコン宛に送信しまます。一方、ここで取り扱うワイヤレス通信方式は、データをす。

送信するためにワイヤレス・マイコンである CC2642R-Q1 を使用します。

EV (電気自動車) バッテリ管理における有線通信とワイヤレス通信の比較

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図 3 は、CMU を 図 1 より簡略化した形式で提示していますが生じます。表 1 に、有線とワイヤレスそれぞれのバッテリ管が、ワイヤレス・レシーバ・ノードを追加し、セルのデータをワ

理ソリューションに関する他の検討事項の概略を掲載していイヤレス形式でホストに送り返すのに使用できる追加のデバます。

イスを CMU が使用できることを示しています。この結果、図

テキサス・インスツルメンツの有線とワイヤレスそれぞれの BMS プロトコルの比較

2 に示した 2 個の CMU を自然な方法で互いに絶縁することができます。

両方のソリューションで使用しているテキサス・インスツルメン
ツのプロトコルをもう少し詳細に観察すると、有線ソリューションは、差動、双方向、半二重のインターフェイスを使用しているので、ハイサイドとローサイド両方の通信インターフェイスでトランスミッタ (TX) とレシーバ (RX) を実装し、デフォルトではローサイドからハイサイドに情報を伝搬します。これらの TX機能と RX 機能は、デバイスのベースまたはスタックを検出す
図 3. ワイヤレス BMS の例。

るハードウェアを基盤とする自動的な制御で動作し、各モジュこれら両方のソリューションの間での大きな違いは、有線ソリール宛にデータを伝搬するときに、データのリクロック (クロッューションのツイストペア・ケーブル配線をワイヤレス・ソリュクとの再同期) を実施します。BQ796xx デバイスの RX トポーションが各 BMU に搭載している CC2642R-Q1 デバイス

ロジーは RS-485 に似ていますが、自動車環境で一般的にで置き換えたことです。

見受けられるノイズの多い条件下で発生する高い同相電圧を減衰させるために設計上のメカニズムを追加している点が異一見すると、余分なデバイスを追加した結果、ケーブル配線なります。各バイトを 2MHz (パルスごとに 250ns、または 2方式に比べて複雑度とコストが上昇する可能性が生じるようつ 1 組ごとに 500ns) のレートで送信します。図 4 に示すように思える可能性もありますが、次の点を考慮してください。まに、各バイト間の時間は、UART のボーレート (通常動作時はず、ケーブル配線にもコストが発生し、重量が増加します。次1Mbps) によって異なりますが、バイトごとの時間は常に一定に、通信の信頼性を確保するために、高性能の絶縁部品をツです。

イストペア・インターフェイスのどちらかの側に配置する必要
有線 BMS

検討事項
重量

設計のフレキシビリティと保守性

測定時

信頼性

ワイヤレス BMS•

標準的な信頼性規格•

自動車全体の重量と複雑さが減少•

自動車全体の重量と複雑さが増大•

全体のフットプリント大型化に伴うフレキシビリティの低下•

フットプリントの小型化により、設計のフレキシビリティが向上し、車両内での配置が•保守がより困難になる•ケーブルを取り外した後はモジュール構造•

保守がいっそう容易•

電圧と電流の時間同期型の測定は、上下に伝播する必要があり、読み取•

ワイヤレス・システムの場合、自然に実施可能な時間同期型の測定りの間に遅延が生じる•

同期型をいっそう強化したセンシング機能を追加する能力にも対応

よりフレキシブルになる•

意図的な遅延型測定機能を使用した性能向上が可能•

配線は信頼性が高く、機能安全基準を満たしているが、時間の経過ととも•保守対象の配線が存在しないに断線する可能性がある•設計では、過酷な車載用無線周波数の環境や非視線方向の課題を克服する必要•

リング・アーキテクチャには、双方向の冗長ケーブルが内蔵されている•修理の複雑度が増す可能性がある

EV (電気自動車) バッテリ管理における有線通信とワイヤレス通信の比較

4がある

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有線 BMS

検討事項
セキュリティ

•ワイヤレス BMS•

配線内で通信が完結し、全面的に安全なシステム通信

セキュリティ・プロトコルが欠けている設計が不十分なシステムは、侵入される可能性がある

表 1. 有線 BMS とワイヤレス BMS の比較と検討事項。

図 4. BQ796xx のバイト・レベルの通信。

図 5. 有線の絶縁型回路の例。

有線インターフェイスは、EMC/EMI の仕様に関する自動車ータを送信する能力があります。また、機能安全に関連する分野の厳格な制限の中でも信頼性を維持できるように、静電プロトコルを使用します。

容量性または誘導性の絶縁をサポートする設計を採用してい機能

目標値

安全性重視の応答時間 (遅延時間)

最大 100ms (安全性)

データ・スループット

ワイヤレス・デバイスごとに最大 400 バイト

リンクの信頼性99.9999%

セキュリティ

セキュリティを確保した暗号化済みメッセー
ジスケーラビリティ

最大 32 台以上のワイヤレス・デバイスマルチクラスタをサポート

あり

機能安全

システム・レベルで ASIL-D / ASIL-C に対応

消費電力

プライマリ・ノードで <1mA (平均)、セカンダリ・ノードで <1mA (平均)とし、2.4GHz の周波数帯で動作する独自のワイヤレス BMS

リンク・バジェット>95dBプロトコルを開発しました。表 2 に、テキサス・インスツルメン

ネットワーク形成時間<600msツのワイヤレス BMS プロトコルの特長を示します。スター・ネ

表 2. テキサス・インスツルメンツのワイヤレス BMS システムのターゲット。

ます。図 5 に、複数のコンデンサと複数のチョークを使用する
1 つの例を示します。設計者の皆様は、各バッテリ・モニタのPCB の間に位置する回路を設計することになります。最大64 台のデバイスすべてが 1 つのスタック内に存在し、可変サイズである自動車のバッテリ・モジュールをサポートすることになります。
次期 EV を開発する際に、ティア 1 メーカーと OEM (自動車メーカー) から課されると思われる要件を満たせるように、テキサス・インスツルメンツは Bluetooth® Low Energy をベース

ットワーク構成に対応し、集中型ユニットごとに最大 32 個のノードをサポートします。高いスループットと短い待ち時間でデEV (電気自動車) バッテリ管理における有線通信とワイヤレス通信の比較

5October 2020

これら 2 つのプロトコルの間の主な違いは、デイジーチェーン接続したツイストペア配線を使用してマイコンからすべての最上位モニタへ、またその逆にデータを伝搬するか、それともワイヤレスのスター・ネットワーク構成を使用し、個別のモジュールが互いに独立した形でホスト・プロセッサとの通信を実施し、データを送り返すか、という点です。どちらのソリューションも、複数の仕様を規定しています。これらの仕様は、車載システムが、関連するバッテリ・パックの大量のデータを迅速、安全、かつ信頼性の高い方法で送受信するうえで重要です。

まとめ
EV (電気自動車) に搭載する高電圧バッテリ・パック向けに、安全、高信頼性、かつ低コストのソリューションを実装するには、高品質の通信プロトコルが必要です。そのプロトコルは、ノイズの多い環境に耐えると同時に、パック内でのセル・モジュールの多様な配置方法に対応できるように、システムのフレキシビリティを確保できることが求められます。BQ7961xQ1 製品ファミリは、システムが求める有線またはワイヤレスの通信をサポートするための手段を提供します。
以下の付加的なリソースを参照すると、有線またはワイヤレスの BMS 設計を効率化することができます。
• 『車両電動化のためのバッテリ管理における機能安全に関する検討事項』ホワイト・ペーパー• BQ7961x-Q1 データシート

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