自動車電動化に関連するバッテリ管理分野での機能安全に関する検討事項
David Tatman

システム・エンジニア
バッテリ管理システム
テキサス・インスツルメンツ電気自動車 (EV) に搭載するリチウムイオン・バッテリは、		最高の性能と最も安全な動作を実現するには、限定的な		温度範囲と動作電圧範囲内で動作させる必要があります。

概要

ります。
計画されている EV の台数は、増加を続けています。
電事項について考慮します。

格に近付くことになります。

気自動車 (EV) の開発と製造に要するコストを、これらの台数で割って 1 台当たりのコストを削減すると、EV の価格は急速に低下し、石油燃料を燃焼させるエンジンを使用する、従来型

このペーパーは、電気自動車で機能安全の各の内燃機関 (internal combustion engine、ICE) 自動車の価種規格を満たすためのバッテリ・モニタの検討

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乗用自動車 (乗用車) に搭載するバッテリ・システムの安全性

バッテリ管理システムに関連する
EV の要件に関する検討事項には、多くの側面があります。
製造労働者、に関する規格の高度化を推進する材料するために、電気的安全性に関する重要な検討事項が従来か所有者、整備や修理担当のメカニック、自動車のリサイクル業

変化を続ける市場条件は、安全性要件

者を、高電圧との接触や感電から保護し、安全な状態を維持です。

らいくつか存在しています。
バッテリ・セルをパンクや衝撃による損傷から保護するため、またセルから液体や気体が外部へ監視：バッテリ・セルの電圧と温度漏れ出ることを防止するための物理的な検討事項もいくつか存在しています。
バッテリ・パックの設計時に、温度面での安全高精度のバッテリ・モニタは、機能安全 に性に関する検討事項も該当します。
リチウムイオン・バッテリ

関する最も厳格な各種規格を満たすのは、ICE (エンジン) 自動車の中で発生する温度範囲より、制限に役立ちます。

を加えた温度範囲の方が、より安全、また最大の効率で動作す冗長性を考慮した設計るからです。
電気系に関する機能安全の検討事項もいくつか存

現し、バッテリ・パックの状態と安全性のを安全な動作範囲内で維持する目的です。

在します。
これらは、自動車の使用中または充電中に、バッテリ冗長型通信プロトコルは、障害耐性を実取得および確保を確実にします。

バッテリ・セルの電圧と温度の監視

リチウムイオン・バッテリ (図 1 に示す) は、最高の性能と最も安全な動作を実現するには、限定的な温度範囲と動作電圧範囲バッテリ管理システムに関連する EV の要件内で動作させる必要があります。
この範囲は、リチウムイオン・現在、世界中で輸送に関する大幅な変革が進んでいます。
このバッテリのケミストリー (化学薬品) の種類ごとに異なります。

20 年のうちにリチウムイオン・バッテリ・テクノロジーが進歩しこの範囲外の場合、バッテリ内部で望ましくない副反応が発生ラック、バスに電力を供給するという将来像を想定できるよう部の電気的短絡につながる可能性があります。
過度の自己発た結果、電力をバッテリ・パック内に蓄積し、自動車、二輪車、トする可能性があり、過度の自己発熱や、長期的な観点では内になりました。

熱と内部の短絡は、連鎖的な熱暴走や最終的には安全面での危険性に至る最初のステップになる可能性もあります。		

また、世界の多くの地域では、エネルギー経済の分野で脱炭素バッテリ・パックを安全な動作範囲内に維持するために、バッテの優先順位が高くなっています。
自動車のエネルギー生成を、リ監視 ASIC (特定用途向け集積回路) は、電圧、電流、電流に個別の自動車レベルではなく電力グリッドの発電レベルでま関する情報を測定し、バッテリ制御ユニットに送信します。

かなうと、排出物の低減がかなり容易になります。
脱炭素の目

標を達成するには、輸送システムの多くを電動化する必要があ
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2020 年 9 月

自動車の一部のシステムは、機能が失われた場合でも危険に直結しません。
そのようなシステム内で異常が発生した場合、そのシステムの安全状態とは、単純にエレクトロニクスのスイッチをオフにし、ダッシュボード内のライトまたは他のインジケータを使用して、ドライバーにアラートを伝えることです。
一方、自動車の他のシステムは、異常動作が発生した場合や機能が失われた場合、危険な事態につながる可能性があります。
単純にスイッチをオフにするだけの対策を許容できないシス

テムの場合、安全性の目標の 1 つとして、「安全性関連の可用性」という要件を規定することがあります。
その場合、危険な事態を防止するために、システム内で発生した特定の種類の障害を、ある程度の期間にわたって許容することが必須になる

図 1.EV 内のバッテリ・パック。

可能性があります。

この文脈で、「安全性関連の可用性」とは、定義済みの障害条車種などにもよりますが、電気乗用車は、測定対象になるバッ件が存在している状況であっても、規定したある程度の期間にテリ・パックを 16 個、96 個、128 個、またはそれ以上搭載してわたって、システムが機能安全を引き続き実現できる能力を意いることがあります。
バスやトラックのような商用車の場合、合味します。
言い換えると、1 つの障害が発生した場合でも、一定計セルはこれらの数量の 2 倍に達することもあります。
このよの期間にわたって安全性システムはその障害を許容し、引きうな大規模なシステムは、多くのプリント基板 (PCB) との接続き安全性を維持する必要があります (相互に通信する 2 台続を実施しており、バッテリと監視 ASIC の間、または複数ののコンピュータの間で 2 つ 1 組の冗長型通信経路を用意し、ASIC 相互間での通信接続経路で障害が発生する可能性があどちらかの経路が故障した場合でも、冗長性なしで通信を継ります。
ほかに、センサ入力が開路になるか、通信が失われる

続できるのに似た状況)。
この障害耐性により、システムは許可能性もあります。
必要な測定や通信を確保できない場合、容可能な安全性レベルで、より長い期間にわたって機能を継バッテリ制御システムは「何も見えない」状態になり、パック内続することができます。
ISO 26262 の Part 10, Section 12 (第にあるバッテリの状態を何も管理できなくなる可能性もあり10 編、第 12 節) は、安全性関連の可用性という要件に関し、ます。

システム・デベロッパーの皆様向けのガイダンスを掲載してい危険な事態を防止するために、通信障害や、バッテリ・セルとます。

センサの間の接続障害のような異常を検出し、対処することバッテリ監視サブシステムに話を戻すと、バッテリ・セルの電圧は、機能安全の一部です。と温度をセンスする機能を複数の場所に配置し、バッテリ監視機能安全は、各種電子システムの異常動作に起因する潜在的ASIC に接続します。
制御プロセッサは測定情報を頻繁に読みな危険な事態の防止または軽減に関連する、包括的な安全性取り、バッテリの現在の状態を計算で求め、動作が安全な範囲確保の一部です。
自動車業界で、国際標準化機構 (ISO) 26262内にとどまるようにします。
高電圧バッテリ・パックの場合、複の一連の規格は自動車の機能安全向けであり、乗用車、トラッ数の監視 ASIC をスタック構成で配置し、各 ASIC が複数のセク、バス、二輪車の安全関連システムの開発を対象とする、最ルを並行して測定するように構成します。
図 2 に示すように、新の規格と、機能安全のベスト・プラクティスを定義していま絶縁型通信インターフェイスを使用して、ASIC と ASIC の間です。

自動車電動化に関連するバッテリ管理分野での機能安全に関する検討事項

コマンドとデータをストリーム送信します。

32020 年 9 月

Battery modules+ + + + + ++ ++ + + + + ++ +12 V

DC-DC

To CANbus

MCU

Balance and filter components

Balance and filter components

BQ7961x

BQ7961x

BQ79600
NFAULT
UART orSPINFAULT
UART or
SPI

COML

COMH

COML

Isolationcomponents

COMH

COML

COMH

Capactive
level-shifted differential interface

図 2.バッテリ監視と通信の構成。

冗長性を考慮した設計ており、この種の障害に対する障害耐性を実現できます。
その結果、システムはバッテリ・パックの状態と安全性の監視を継駆動中にバッテリ・セルの入力ピンと PCB の間で開路が発続できます。

生した場合、バッテリ監視システムの機能が失われる可能

図 3 に、双方向のリング構成を使用した BQ79616-Q1 の接続性があり、その場合、危険な事態につながる可能性もあります。
TI (テキサス・インスツルメンツ) の BQ79606A-Q1 とを示します。
この構成で、2 個のバッテリ監視 ASIC の間で障に対応する機能に加え、バッテリ電圧測定の冗長パスを搭載し相互に交換する方向を切り替える方法で、すべてのバッテリ監害、開路、短絡のいずれかが発生した場合、メッセージングを

BQ79616-Q1 というバッテリ監視 ASIC ファミリは、
リング通信

Battery modules+ + + + + ++ ++ + + + + ++ +

12 V

DC-DC

To CANbus

MCU

Balance and filter components

Balance and filter components

BQ7961x

BQ7961x

BQ79600
NFAULT
UART orSPINFAULT
UART orSPI

COML

COMHCOML

自動車電動化に関連するバッテリ管理分野での機能安全に関する検討事項

COML

COMH

Capactive
level-shifted differential interface

Isolation
components

図 3.BQ79616 を使用した双方向のリング構成。

COMH

Optional ring connection

42020 年 9 月

視 ASIC との通信を継続します。
通常の通信で障害が発生している間も、このシステムはリング通信機能の障害耐性を使用しDeviceて、冗長性を維持することができます。
バッテリ・モジュールから到着した電圧と温度の情報が失われることはありません。

TI の BQ79606-Q1 と BQ79616-Q1 の別の機能は、バッテリ・セルに接続した複数のバッテリ入力ピンを使用する、A/D コン

RVC+RCB

バータ (ADC) の冗長測定パスです。
図 4 に、バッテリ・セルからVC と CB の各入力ピンへの接続を示します。
通常、複数セルいる間、メイン・パスである VC ADC と冗長パスである CB ADC

VC
RCB+パスの両方をバッテリ・セルに接続し、バッテリ・セルの電圧をRCB障害が発生した場合でも、CB ADC パスがバッテリ・セルの電耐性を使用して、冗長性を維持することができます。
バッテリ・

CB ADCCB

VCと PCB の接続の開路または RVC 抵抗の開路のような 1 つの発生している間も、このシステムは ADC 冗長パス機能の障害

VC ADC

RVC測定することができます。
この機能が存在していると、VC ピン圧測定を継続することができます。
通常の電圧測定で障害がCB

RVCの電圧のバランスを維持するために、CB ピンを使用してセルの DC 電流負荷を有効にします。
通常の測定動作を実施してVC

CB

図 4.バッテリ・セルから VC と CB の各入力への接続。

モジュールから到着した電圧と温度の情報が失われることはまとめ

これらのリング通信と冗長パス機能と、EV のバッテリ・セルのが始まったときと同様、現在は社会により多くの便益をもたらありません。

電圧と温度のセンシングを実施している間に通信と接続の障害を検出するための多様な診断安全性メカニズムの組み合わせを、
TI BQ79606-Q1 と BQ79616-Q1 両方のデバイスで構成されたファミリは搭載しており、ASIL (Automotive SafetyIntegrity Level、車載セーフティ・インテグリティ・レベル) D までに対応できるシステム・レベルの安全性能力を実現できます。

20 世紀初頭に、動物がけん引する馬車からモーターへの移行すために自動車の多様なソリューションの開発が進んでいます。
電動化輸送システムにとって、安全性の要件は不可欠です。

その他のリソース：• TI の機能安全テクノロジーのページ• BQ79606A-Q1 Daisy Chain Communication Timing(英語)• BQ7961x-Q1 データシート

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