低電圧(12V)バッテリーの実装における安全性への配慮

 

歴史的に内燃機関自動車は、12ボルトの鉛酸バッテリーを搭載して納入されてきた。このバッテリーは、車両のすべての電気システムに電力を供給します。これには、インフォテインメント・システム、ヘッドライト＆インジケーター、燃料噴射＆点火システム、ステアリング・モーター、ブレーキ油圧ポンプなどのシステムが含まれます。

鉛蓄電池は100年以上使用されており、よく理解されており、効率的なサプライチェーンを持っている。例えば、エネルギー密度が低いため比較的重く、充電に時間がかかり、定格容量が放電率に依存し、信頼性がやや低い。信頼性は主にサイクル数の少なさに影響され、通常500～1000サイクルで、寿命が短い。

また、鉛蓄電池は健康にもやや有害である。鉛は多くの生物に毒性があり、特に人間の生殖に影響を与える。これが、世界中の多くの国が多くの製品で鉛の使用を禁止する措置を取っている主な理由です。欧州のREACH規則は、EU域内で使用できる化学物質を規制している。REACHの認可規定は、これらの物質が可能であれば、より有害性の低い代替物質に徐々に置き換えられていくことを保証することを目的としている。この法律のもとでは、鉛蓄電池が禁止される可能性が高く、リチウムイオン電池への置き換えが早ければ2030年に実現する。これはある意味、新型内燃エンジン車の禁止案と同じである。

鉛蓄電池の比較的高い故障率は、デュアル・リダンダント・ビークル12Vパワーネット・アーキテクチャーを使用することである程度軽減される。内燃機関によって駆動されるオルタネーターとバッテリーを併用することで、車両は車両のすべての電気系統に電力を供給する冗長電源を持つことができる。エンジン稼働中にバッテリーが故障しても、少なくともエンジンが停止するまではオルタネーターが車両の電気系統に電力を供給できる。同様に、オルタネーターが故障しても、バッテリーが枯渇するまでの限られた時間だけ電力を供給することができます。すべての故障モードがこのアーキテクチャーによって軽減されるわけではない。例えば、バッテリーかオルタネーターのどちらかがショートすると、12Vパワーネット全体がダウンする可能性がある。

内燃機関を持たない電気自動車には、この冗長性を提供するオルタネーターがありません。これらの車両では、適切な冗長性を提供するための一般的なソリューションは、DCDCコンバータと提携した鉛蓄電池を採用することです。これらのDCDCコンバーターは、内燃エンジン車のオルタネーターに類似していると見なすことができます。

しかし、この解決策は鉛蓄電池の使用によって制限されており、サイクル数が少ないため、自動車の他の要素に比べて故障する可能性がかなり高い。電気自動車はその設計上、摩耗にさらされる可動部品が少なく、信頼性が高い。鉛蓄電池を搭載することで、この車両固有の信頼性が低下し、信頼性／保証の連鎖の中で最も弱いリンクとなる。

このような状況や間近に迫った鉛蓄電池の使用禁止を念頭に、多くの自動車メーカーは現在、鉛蓄電池に代わる堅牢で信頼性の高いソリューションを探しています。さらに、高度に自動化/自律化された車両機能およびx-by-wire機能の安全上重要な機能をサポートするために、高信頼性電源を提供する必要性も生じています。リチウムイオンバッテリー技術は、高い完全性（ASIL D準拠）と信頼性（1万サイクルを超える可能性）を提供する最も魅力的なソリューションです。 自動車メーカーも、トラクション・バッテリーの開発からリチウムイオン技術を経験している。

特に12Vバッテリーは、これまで自動車のタイヤなどの部品と同じように、単なる商品として扱われてきた。費用対効果が高く、完全性の高い設計というニーズは相反するものです。完全性にはコストがかかり、12Vバッテリのユースケースは高電圧トラクションバッテリとは大きく異なります。イートロンはこれらの挑戦を受け入れて、グローバルなセル製造業者およびグローバルな車両製造業者と提携して、今日および将来の車両に要求される機能を提供するのに適した大量、コスト効果的、クラス最高のソリューションを生産している。

費用対効果の高いソリューションを設計することは重要ではありませんが、第一の課題は、高い完全性を備えた安全な製品を提供することです。現在のところ、自動車用途における電気化学デバイスの安全性に関するガイドラインは最小限にとどまっている。現在の自動車安全規格ISO 26262は、電気・電子システムの誤作動の緩和に関するもので、その製品は車両レベルで特定の制御・作動機能を持ち、ドライバーによる制御可能性を考慮することができる。機械的および電気化学的コンポーネント（またはサブコンポーネント）に関する危険は「その他の技術」に分類されるため、指針はほとんど示されていない。バッテリーは本質的に受動的に制御される電気化学装置であり、バッテリー管理システムを介してパワーネットに接続したり、パワーネットから切り離したりする以外に、車両レベルの制御や作動能力はほとんどない。この標準化の欠陥は理解されており、自動車業界は現在、「安全な」バッテリーの開発を支援するための新しいガイドラインISO/TR 9968を起草している。このガイドラインは、主にトラクションバッテリーのアプリケーションに焦点を当てていますが、パワーネットバッテリーのコンセプト開発をサポートするために調整することも可能です。

パワーネット・バッテリーの安全関連特性は、保護と利用可能性を考慮した2つの異なる、時には相反する領域に分類される。これらの特性は、電池の危険性に関連するリスクを管理または軽減するために規定される安全目標として記述される傾向がある。

保護安全目標は、バッテリーのアウトガスと火災の防止に関するものである。熱暴走による電気自動車バッテリーの火災と、それに先立つ有毒化学物質のアウトガスに関連する危険はよく知られている。これらの危険性を管理するために採用されている一般的な安全コンセプトは、危険な事象につながる状態を防ぐことに依存しています。これは、火災やアウトガスが発生した後にそれを止めることができる実行可能なコンセプトがないためです。また、より穏やかな熱特性を持つ固体電池技術の研究も進められている。リチウムイオンバッテリーを考慮する場合、トラクションバッテリーの場合、熱現象がもたらす結果は、小型のパワーネットバッテリーに関連するものよりもはるかに劇的である。とはいえ、パワーネット・バッテリーの位置は乗員室内であるため、同様の重大度評価とそれに続く危険事象評価（ASIL）につながる可能性があり、通常はASIL BまたはASIL Cと評価される。

サーマルイベントの根本原因は、バッテリーの内部と外部に分類される。外部的な原因としては、例えば、電池の充放電による高い周囲温度や大電流などの環境条件が、過度のセル温度、ひいては発火につながることが考えられます。内部的な原因としては、例えば、電池が過度に放電され、その後充電されることにより、リチウムめっき、デンドライト成長（NMC電池の銅デンドライト成長を含む）、電池内の内部短絡などが考えられます。低温での充電は、同様の短絡熱影響を及ぼす可能性があります。これらすべての使用ケースにおいて、典型的な安全コンセプトは、危険が発生する前にバッテリーを刺激から切り離すこと、すなわちバッテリーの充電または放電を停止することです。 トラクション・バッテリーの遮断メカニズムは、典型的な高サイクル・レートと大電流流のため、機械式コンタクターとして実装される傾向がありますが、この技術にはコンタクターの溶接など、独自の危険な故障モードがあります。このため、プラス端子とマイナス端子の両方にコンタクターが必要であり、さらに車両衝突のような極端な故障シナリオでも確実に切断できるようにパイロヒューズも必要です。パワーネット・アプリケーション用の切断機構は、サイクル・レートが低く、電流の流れが少ないため、このレベルの保護を必要としない傾向があり、通常は単純なリレーまたはMOSFETSが使用されます。

トラクションバッテリーの場合、保護コンセプトは、通常ASIL Bで評価される加速の喪失や回生ブレーキの喪失に関連する緊急ハザードを持つことができます。保護コンセプトの評価（ASIL）を行う際には、特に安全機構の誤検知を考慮する場合には、これらの緊急ハザードを考慮する必要があります。例えば、可用性要件が ASIL D で評価されている場合、保護機能に関する誤検出がこれらの可用性要件に違反する可能性があるため、保護機能を ASIL B から ASIL D に格上げする必要があります。

パワーネットバッテリーの可用性要件は、トラクションバッテリーの要件よりもはるかに複雑な場合があります。パワーネット・バッテリーは、高度に自動化/自律化された車両やx-by-wire車両の安全上重要な機能をサポートするために電力を供給する必要があります。また、運転者が自動運転機能から適切に引き継ぐことができるように、バッテリーが将来的に特定の時間電力を供給できるかどうかを予測する必要がある場合もあります。前述したように、車両の可用性コンセプトは通常、トラクションバッテリーのDCDCコンバーターとパワーネットバッテリーの両方によってサポートされます。しかし、DCDCコンバータは通常、より低いASIL、通常はASIL AまたはQMで開発されます。これはおそらく、DCDCコンバータが既存の産業用実装からさらに開発されたものであるか、もともと車両内で高いASIL機能をサポートするために開発されたものではないからです。この場合、パワーネットバッテリーとDCDCコンバータの両方を使用してより高いASIL定格機能をサポートする分解戦略が採用されるのが一般的です。これには、可用性の即時完全喪失を引き起こす可能性のある単一点故障がないことに関連する追加的な利点があり、故障が発生した場合、車両は劣化した可用性戦略を採用することができますが、ASILは低くなります。

パワーネットバッテリーに対する別の利用可能要件は、トラクションバッテリーが切り離された状態で車両が施錠され無人になっている場合など、車両が低電力モードにある場合でも、常に「オン」であり、パワーネットに適切な電力を供給することである。常に「オン」である理由の1つとして、キーレスエントリー機構などの車両エントリーシステムに電力を供給することが考えられます。このユースケースの課題は、バッテリーの可用性をできるだけ長くするために、この動作モードの静止電流を非常に低くすることです。そして、これらの低い静止モードで保護機能を提供する必要性もあります。イートロンはこれらの低パワーモードをサポートするために非常に効率的なハードウェア設計を保証するためにマイクロコントローラ製造業者およびバッテリー特定ASICベンダーと提携しました。

トラクション・バッテリーの場合、通常、低静止モードは必要なく、パワーダウン前にセル・バランシングとバッテリー温度制御をスケジュールすることができます。また、一旦バッテリーがパワーダウンすると、バッテリーはすでに切り離されているため、アクティブな保護を提供する必要はないでしょう。

パワーネット・バッテリーの可用性要件には、それ自体が潜在的に危険なものもある。一般的なコンセプトは、アベイラビリティ・ウィンドウをできるだけ長くするために、バッテリーを完全に放電させることです。ひどく放電したパワーネット・バッテリーでは、車両を安全に運転できる可能性は低いが、パーク・ブレーキ・システムを解除して車両を移動させることはできる。このような状況では、火災やアウトガスの原因となるような後続の充電を防ぐことも重要である。また、バッテリーは寿命に達するため、保証の要素も考慮する必要がある。これは、バッテリーを常に充電可能な状態に保つことを目的とする一般的なトラクション・バッテリーのコンセプトと比較すると、異なるユースケースである。

結論として、パワーネットバッテリーのユースケースと動作モードは、トラクションバッテリーとは大きく異なる。高い完全性の12Vバッテリーを提供することによって, 自動車製造業者は高度に自動化された自律的な特徴を持つ車両を安全に配備することができます。リチウムイオン技術はイートロンが高完全性バッテリマネージメントシステムを設計および提供する専門知識を提供する最も実行可能なソリューションである。

https://eatron.com/12v_bms/。イートロンの12Vバッテリー・マネージメント・システムについてもっと知ることができます。

ガレス・プライス、イートロン・テクノロジーズの保証・安全部長。

イートロンでは、エッジとクラウドの両方で展開することができるインテリジェントなバッテリー管理ソフトウェアソリューションを開発します。これらについてもっと学ぶことに興味があるならば'専門家に話す'をクリックしてコンタクトフォームに記入するかまたは直接info@eatron.com。