なぜ抵抗分圧方式は高電圧直列バッテリーパックで精度が低下するのでしょうか。また、バッテリー試験にはどのような代替セル電圧測定方法がありますか。

抵抗分圧による測定は、スタック電圧が上昇するにつれて精度が低下します。これは、測定回路が各セルの電圧を、ますます大きくなる共通モード電圧の上に重ねて処理しなければならないためです。 直列パックでは、最も低いセルがグラウンド付近にある一方、最も高いセルは、その下にあるすべてのセルの電圧を合計した位置にあります。そのため、分圧器の許容差、漏れ電流、絶縁限界、ADCの同相除去性能、干渉などにより、スタック上部に近いセルほど誤差が段階的に大きくなります。

抵抗分圧器は電圧の大きさを下げますが、セルに存在する高い共通モード電位を取り除くことはできません。高精度な高電圧セル試験には、フローティング方式のスイッチング測定、または各セルをローカルでデジタル化し、絶縁されたデータとして送信する分散型測定モジュールを使用してください。

高電圧直列パックで精度が低下する理由

セルごとに基準電位が異なる

セル電圧は、信号とグラウンド間ではなく、隣接する直列ノード間で測定されます。最初のセルはグラウンドに近い場合がありますが、それより上位の各セルは、先行するすべてのセルの電圧に相当する電位で電気的に「フローティング」しています。

たとえば、最上位セルの差動電圧は数ボルトにすぎない場合でも、その両端子はシステムグラウンドから数百ボルト高い位置にあることがあります。

セルの位置に応じて共通モード電圧が上昇する

抵抗分圧器はグラウンドを基準に電圧を縮小しますが、検出回路はスタック上部に向かうほど上昇する共通モード電圧で動作し続けます。したがって、分圧器は信号範囲を変換するだけで、信号を取り巻く高電圧環境を取り除くことはできません。

これが、多数の直列セルに対して共通グラウンド基準のADCを使用する際の根本的な制約です。

スタック上部ほど誤差の影響が大きくなる

抵抗の許容差、漏れ電流、基板の汚染、入力バイアス電流、寄生結合はいずれも分圧された信号に影響します。ノードの絶対電圧が上昇すると、これらの影響によって電圧誤差が大きくなり、チャネル間のばらつきも増加する可能性があります。

その結果、精度が低下し、通常はスタック上部のセルで最も深刻になります。測定システムは下位セルでは正確に見えても、パックの正極端子付近では値が明らかに劣化して報告される場合があります。

ADCおよび信号調整回路には有限の限界がある

グラウンド基準のADCには、一般に入力範囲と共通モード範囲の制限があります。分圧器によって公称信号をADCの入力範囲内に収められる場合でも、測定アンプ、フィルター、保護回路、絶縁バリアは、関連する共通モード電圧に耐えなければなりません。

共通モード除去性能や絶縁性能が不十分だと、共通モードの外乱が見かけ上のセル電圧誤差に変換される可能性があります。

バッテリー試験で重要となる理由

測定誤差によって弱いセルが隠れる可能性がある

直列接続されたセルは、同じようには劣化しません。容量が低いセルや抵抗が高いセルはより早く消耗し、充電または放電時に制限セルとなる可能性があります。

測定誤差が健全なセルと弱いセルの電圧差に匹敵する場合、試験システムがセルの状態を誤って判定したり、初期の劣化を検出できなかったりする可能性があります。

上位セルの誤差はバランシングと保護を損なう可能性がある

セル電圧データは、過電圧、低電圧、アンバランス、異常動作の特定に使用されます。スタック上部付近での不正確な読み取りは、誤ったバランシング判断や保護動作の遅れにつながる可能性があります。

そのため、測定アーキテクチャは研究室での精度だけでなく、パック評価や生産時の品質管理においても重要です。

パック全体の電圧は別途測定する必要がある

実際のあらゆる状況において、パック全体の電圧が測定したセル電圧の合計と等しいと考えてはいけません。直列接続部の抵抗、接触抵抗、配線による電圧降下、内部ヒューズの状態によって、セル電圧から算出した合計値と、パック端子に実際に存在する電圧との間に差が生じる可能性があります。

したがって、システム動作の評価や故障検出に必要な場合、完全な試験システムでは個々のセル電圧とパック全体の電圧の両方を測定する必要があります。

代替となるセル電圧測定方法

ソリッドステートリレーによるスイッチング

一般的な代替方法として、ソリッドステートリレーまたはMOSFETで制御するスイッチング回路を使用し、一度に1つのセルを測定回路へ接続します。スイッチングネットワークが対象セルを選択し、共通グラウンド領域から必要な電気的絶縁を確保します。

この方式では、すべてのセルチャネルが高い共通モードノードに恒久的に接続されることを防げます。ADCは各チャネルで蓄積されたスタック電圧を直接処理するのではなく、制御された信号経路を介して選択されたセルを測定できます。

フローティングマルチプレクサ測定

関連するアーキテクチャとして、フローティングスイッチまたはマルチプレクサを使用して隣接するセル端子を選択し、その差動電圧を測定する方法があります。測定フロントエンドは、選択されたセルまたはセルグループとともにフローティングするよう設計されます。

この方法は、セルごとに絶縁ADCを1個使用する場合と比べてハードウェアコストを削減できますが、スイッチング部品、絶縁、セトリング時間、漏れ特性を慎重に管理する必要があります。

分散型測定モジュール

分散型バッテリーモニタリングモジュールは、測定用電子回路をセルの近くに配置します。各モジュールがローカルでチャネルの切り替えを行い、アナログのセル電圧をデジタルデータに変換します。

生成されたデータは、すべての高側アナログ信号を共通グラウンドのADCへ戻すのではなく、CANやRS485などの通信バスを介して送信されます。

分散型モジュールが蓄積された共通モード誤差を回避する理由

ローカルの測定回路は、それぞれの限られた電圧領域内でセルを基準にします。その後、適切に設計された通信・絶縁構造を通じて、デジタル情報をパック全体に伝送します。

これにより、単一のグラウンド基準アナログ測定経路にスタック全体の電圧が蓄積されることを防ぎ、長いアナログ配線や線路干渉への影響も低減できます。

絶縁アナログまたはデジタル収集

高電圧パックの測定では、ADCの前段にアナログ絶縁を使用するか、ADCの後段にデジタル絶縁を使用して、絶縁バリアを設けることができます。選択は、収集アーキテクチャと必要な精度によって決まります。

ローカル変換後のデジタル絶縁は分散型測定で一般的に使用されます。一方、ADCを低電圧側に配置する場合は、絶縁アナログ経路を使用できます。

パック全体の電圧を安全に測定する

専用の高電圧分圧器を使用する

全電圧チャネルでは、高抵抗分圧器を介してパックまたはリレー出力の電圧を直接測定します。分圧器によって電圧を信号調整に適したレベルまで下げると同時に、漏れ電流と消費電力を制限します。

抵抗ネットワークは、用途に必要な電圧定格、間隔、許容差、長期信頼性の要件を満たしている必要があります。

フィルタリングと絶縁を追加する

RCフィルターによって、信号が絶縁バリアまたはADCに到達する前に、スイッチングノイズや過渡的な干渉を低減できます。絶縁段はデータ収集用ハードウェアを高電圧パックから保護します。

このチャネルは、個々のセル測定を補完するものであり、置き換えるものではありません。

プリチャージ動作を監視する

リレー出力におけるパック電圧は、インバーターまたは負荷側のプリチャージコンデンサーを監視するためにも使用できます。コンデンサーの電圧が適切に上昇していることを確認することで、プリチャージが完了する前にメインコンタクターが閉じた場合に発生する大きな瞬間突入電流を防ぐことができます。

トレードオフを理解する

スイッチングシステムには慎重なタイミング制御が必要

スイッチング式の測定システムでは、変換前に選択したチャネルが安定する時間を確保する必要があります。スイッチのチャージインジェクション、漏れ電流、オン抵抗、寄生容量は、特に小さなセル電圧差を測定する場合に精度へ影響する可能性があります。

また、スイッチング中にセル間で意図しない導通経路が生じないようにする必要があります。

分散型システムではハードウェアと通信の複雑さが増す

ローカルモジュールによって共通モード性能は向上しますが、パック全体により多くの電子回路を分散配置する必要があります。CANまたはRS485通信には、アドレス指定、絶縁、同期、障害処理、データ整合性に関する要件も伴います。

チャネル数、電圧レベル、精度要件が、共通分圧方式で確実に対応できる範囲を超える場合には、こうした追加の複雑さが正当化されることが多くあります。

絶縁だけで精度が保証されるわけではない

絶縁バリアは低電圧電子回路を保護しますが、その直線性、同相過渡耐性、帯域幅、温度特性は測定品質に影響します。保護部品やプリント基板のレイアウトも同様に重要です。

高電圧の沿面距離、空間距離、絶縁協調、安全な故障動作は、測定精度と併せて設計する必要があります。

適切な役割では抵抗分圧器も有用

抵抗分圧器は、適切な定格を持ち、適切なフィルタリングと絶縁を後段に備えていれば、パック全体の電圧検出に引き続き適しています。抵抗分圧器の弱点は電圧の縮小そのものではなく、多数のグラウンド基準分圧器を使用して、大規模な直列スタック全体にあるフローティングセルを測定しようとする点にあります。

適切な測定アーキテクチャの選択

最適な選択は、スタック電圧、セル数、必要な精度、絶縁要件、サンプリングレート、そしてシステムが研究室での試験用か、稼働中のバッテリーパック用かによって異なります。

• 主な目的がセル電圧の最大精度である場合: 分散型測定モジュールまたは絶縁されたローカルADCチャネルを使用し、蓄積されたスタックの共通モード電圧なしで各セルをデジタル化します。
• 主な目的が中程度のチャネル数の試験治具である場合: 慎重に設計したフローティング測定フロントエンドと、ソリッドステートリレーまたはMOSFETによるスイッチングを使用します。
• 主な目的がパック全体の監視である場合: RCフィルタリングと適切な絶縁バリアを備えた専用の高抵抗分圧器を使用します。
• 主な目的が安全性とパック検証である場合: 配線、接点、ヒューズの状態によって2つの値が異なる可能性があるため、個々のセルとパック全体の電圧を両方測定します。
• 主な目的が生産規模への対応である場合: CANまたはRS485を使用するモジュール式の分散型データ収集を優先し、同期、校正、絶縁、通信障害を管理します。

蓄積された共通モード電圧を取り除く測定アーキテクチャは、高精度な高電圧バッテリー試験における最も信頼性の高い基盤です。

まとめ表:

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