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バッテリー保護ユニット(BPU)

簡単なデザインインを可能にし、安全な充電と放電を保証し、バッテリーの損傷や故障を防ぐソリューション

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概要

リチウムイオン電池はその高出力密度で非常に人気があります。 ただし、危機的な条件下でのリチウムイオン電池は不安定な動作となるため、注意して取り扱う必要があります。 これは、バッテリーの状態を監視し、操作の安全性を確保するために、バッテリー管理システム (BMS) が必要であることを意味します。 そのBMSの一部はバッテリー保護ユニット (BPU) であり、バッテリーセルの損傷やバッテリーの故障を防ぎます。

利点

  • 高性能、低RDS(on)
  • 広い安全動作領域(SOA)
  • 低コストソリューション
  • 低部品点数
  • 効果的な並列化ソリューション
  • 短絡保護
  • 高電流定格能力
  • ターンオンおよびターンオフ時間
  • MOSFET保護、最大600Vの
  • シングルおよびマルチモジュールが利用可能

ブロック図

概要

BMSのバッテリー保護ユニット (BPU)

バッテリー保護ユニット (BPU) は、バッテリーセルの損傷やバッテリーの故障を防ぎ、充電電流、放電電流、およびパックの短絡障害状態からバッテリーパックを保護することで、リチウムイオンバッテリーの耐用年数を延長します。

インフィニオンのバッテリー保護ソリューションは、さらに低いRDS(on) による高性能、さらに広い安全動作領域 (SOA)、さらにコンパクトなBOMと効果的な並列化ソリューションによる低コストソリューション、高いピーク電流レートによる短絡保護、アプリケーションのニーズに合わせたターンオンおよびターンオフソリューション、最大600V MOSFET保護ソリューション (シングルモジュールおよびマルチモジュールを含む) など、さまざまな利点を提供します。

詳細については、このページのブロック図と他のコンテンツをご確認ください。

切断の失敗

危険な状況下でバッテリーの切り離しを怠ると、以下のような問題が発生する可能性があります。

  • 熱暴走 は多くの場合、バッテリーの過充電や過熱が原因です。過熱状態は、周囲温度の上昇、または高電流レートでのバッテリーの充電/放電が原因である可能性があります。 熱暴走はバッテリーセルを損傷し、火災につながる可能性があります。
  • セルの死滅は、バッテリーが規定の閾値を下回って放電することによって起こります。
  • 不適切な突入電流管理または逆極性による負荷デバイスの損傷

これらの故障を防ぐために、インフィニオンは、ストレスの多い条件下でリチウムイオン電池の寿命と効率を向上させる幅広いバッテリー保護ソリューションを提供しています。

バッテリーパックのアーキテクチャ

現在使用されているバッテリーアーキテクチャには、次の2種類があります。

  • シングルモジュールバッテリーは、バッテリー駆動のツール、掃除機、マルチコプター、ロボット、電動スクーター、電動自転車、低電圧テレコム、サーバーUPS など、電圧範囲が150V 以下のアプリケーションに広く使用されています。
  • マルチモジュールバッテリーは、自動車、eフォークリフト、eボート、住宅およびユーティリティサイズのエネルギー貯蔵システム、UPSなど、高電圧バッテリーを使用するアプリケーションに一般的です。

インフィニオンは、両方のアーキテクチャタイプに対応するBPU ソリューションを提供しています。

シングルモジュールバッテリーの詳細
マルチモジュールバッテリーの詳細
保護トポロジー

保護トポロジーに関しては、多くのものが使用されています。

  • ハイサイド保護 : 切断MOSFET は、バッテリーパックのプラス端子と直列に接続されています。
  • ローサイド保護 : 切断MOSFET は、バッテリーパックのマイナス端子と直列に接続されています。
  • ソース to ソース接続の保護回路 : MOSFET は ソース同士が直列接続され、MOSFET のドレイン端子が保護回路の内側と外側に形成されます。
  • ドレイン to ドレイン接続の保護回路 : MOSFET はドレイン同士が直列接続され、MOSFET のソース端子が保護回路の内側と外側に形成されます。
  • 充電ポートと放電ポートを分離: バッテリーチャージャーと負荷ポートが分離されています。 充電電流と放電電流が異なり(充電電流は通常、放電電流よりもはるかに低い)、充電時にバッテリーが負荷から分離されている場合に一般的に使用されます。
BPU短絡保護

短絡状態の間、MOSFETは電流の上昇に耐えるだけでなく、ターンオフ中のアバランシェの可能性にも耐える必要があります。 障害を検出してバッテリーまたは負荷を切断するMOSFETおよび回路は、eFuseと呼ばれます。 eFuseは、短絡中にMOSFETをすばやくオフにする必要があるため、アバランシェが発生する可能性があります。 短絡時バッテリーパックと負荷を接続するワイヤーと負荷自体によって生成されたインダクタンスに短い大電流パルスが流れ込みます。 寄生インダクタンスは、MOSFETのアバランチを引き起こすのに十分な電圧を誘導し、負荷のインダクタンスを電圧発生器に変え、保護回路両端の電圧を最大許容電圧を超えて上昇させる可能性があります。

インフィニオンのOptiMOS™および StrongIRFET™ MOSFET技術は、広い安全動作領域 (SOA) と堅牢なリニアモードデバイスを提供し、安全で信頼性の高いeFuse機能を実現します。 さらに、インフィニオンのデバイスはΔVGSthが低いため、スイッチオンおよびスイッチオフのトランジェント時に並列MOSFET間で等しい電流を分担することができます。

BPU負荷突入電流保護

突入電流は、ターンオン時、主にバッテリーが最初に負荷に接続されたときに発生します。 突入電流は、保護ヒューズを溶断させるか、過電流または短絡誤検出により保護MOSFETのスイッチをオフにさせるのに十分なほど高くなる可能性があります。 突入電流制限回路は、ターンオン段階の突入電流を制限し、バッテリーと負荷の両方を保護します。

  • プリチャージ回路は、次のいずれかの条件に当てはまる場合に必要です。
  • 負荷の入力容量が大きいため、突入電流によって損傷します
  • ターンオン電流がヒューズの制限を超えると、メインヒューズが吹き飛びます
  • コンタクターが存在する場合は、突入電流によって損傷します
  • バッテリーセルの定格が突入電流に対応していない
  • MOSFET は突入電流に対する定額がありません
  • プリチャージ回路は、多くの場合、高抵抗経路のMOSFET で構成されています

BMSのバッテリー保護ユニット (BPU)

バッテリー保護ユニット (BPU) は、バッテリーセルの損傷やバッテリーの故障を防ぎ、充電電流、放電電流、およびパックの短絡障害状態からバッテリーパックを保護することで、リチウムイオンバッテリーの耐用年数を延長します。

インフィニオンのバッテリー保護ソリューションは、さらに低いRDS(on) による高性能、さらに広い安全動作領域 (SOA)、さらにコンパクトなBOMと効果的な並列化ソリューションによる低コストソリューション、高いピーク電流レートによる短絡保護、アプリケーションのニーズに合わせたターンオンおよびターンオフソリューション、最大600V MOSFET保護ソリューション (シングルモジュールおよびマルチモジュールを含む) など、さまざまな利点を提供します。

詳細については、このページのブロック図と他のコンテンツをご確認ください。

切断の失敗

危険な状況下でバッテリーの切り離しを怠ると、以下のような問題が発生する可能性があります。

  • 熱暴走 は多くの場合、バッテリーの過充電や過熱が原因です。過熱状態は、周囲温度の上昇、または高電流レートでのバッテリーの充電/放電が原因である可能性があります。 熱暴走はバッテリーセルを損傷し、火災につながる可能性があります。
  • セルの死滅は、バッテリーが規定の閾値を下回って放電することによって起こります。
  • 不適切な突入電流管理または逆極性による負荷デバイスの損傷

これらの故障を防ぐために、インフィニオンは、ストレスの多い条件下でリチウムイオン電池の寿命と効率を向上させる幅広いバッテリー保護ソリューションを提供しています。

バッテリーパックのアーキテクチャ

現在使用されているバッテリーアーキテクチャには、次の2種類があります。

  • シングルモジュールバッテリーは、バッテリー駆動のツール、掃除機、マルチコプター、ロボット、電動スクーター、電動自転車、低電圧テレコム、サーバーUPS など、電圧範囲が150V 以下のアプリケーションに広く使用されています。
  • マルチモジュールバッテリーは、自動車、eフォークリフト、eボート、住宅およびユーティリティサイズのエネルギー貯蔵システム、UPSなど、高電圧バッテリーを使用するアプリケーションに一般的です。

インフィニオンは、両方のアーキテクチャタイプに対応するBPU ソリューションを提供しています。

シングルモジュールバッテリーの詳細
マルチモジュールバッテリーの詳細

保護トポロジー

保護トポロジーに関しては、多くのものが使用されています。

  • ハイサイド保護 : 切断MOSFET は、バッテリーパックのプラス端子と直列に接続されています。
  • ローサイド保護 : 切断MOSFET は、バッテリーパックのマイナス端子と直列に接続されています。
  • ソース to ソース接続の保護回路 : MOSFET は ソース同士が直列接続され、MOSFET のドレイン端子が保護回路の内側と外側に形成されます。
  • ドレイン to ドレイン接続の保護回路 : MOSFET はドレイン同士が直列接続され、MOSFET のソース端子が保護回路の内側と外側に形成されます。
  • 充電ポートと放電ポートを分離: バッテリーチャージャーと負荷ポートが分離されています。 充電電流と放電電流が異なり(充電電流は通常、放電電流よりもはるかに低い)、充電時にバッテリーが負荷から分離されている場合に一般的に使用されます。

BPU短絡保護

短絡状態の間、MOSFETは電流の上昇に耐えるだけでなく、ターンオフ中のアバランシェの可能性にも耐える必要があります。 障害を検出してバッテリーまたは負荷を切断するMOSFETおよび回路は、eFuseと呼ばれます。 eFuseは、短絡中にMOSFETをすばやくオフにする必要があるため、アバランシェが発生する可能性があります。 短絡時バッテリーパックと負荷を接続するワイヤーと負荷自体によって生成されたインダクタンスに短い大電流パルスが流れ込みます。 寄生インダクタンスは、MOSFETのアバランチを引き起こすのに十分な電圧を誘導し、負荷のインダクタンスを電圧発生器に変え、保護回路両端の電圧を最大許容電圧を超えて上昇させる可能性があります。

インフィニオンのOptiMOS™および StrongIRFET™ MOSFET技術は、広い安全動作領域 (SOA) と堅牢なリニアモードデバイスを提供し、安全で信頼性の高いeFuse機能を実現します。 さらに、インフィニオンのデバイスはΔVGSthが低いため、スイッチオンおよびスイッチオフのトランジェント時に並列MOSFET間で等しい電流を分担することができます。

BPU負荷突入電流保護

突入電流は、ターンオン時、主にバッテリーが最初に負荷に接続されたときに発生します。 突入電流は、保護ヒューズを溶断させるか、過電流または短絡誤検出により保護MOSFETのスイッチをオフにさせるのに十分なほど高くなる可能性があります。 突入電流制限回路は、ターンオン段階の突入電流を制限し、バッテリーと負荷の両方を保護します。

  • プリチャージ回路は、次のいずれかの条件に当てはまる場合に必要です。
  • 負荷の入力容量が大きいため、突入電流によって損傷します
  • ターンオン電流がヒューズの制限を超えると、メインヒューズが吹き飛びます
  • コンタクターが存在する場合は、突入電流によって損傷します
  • バッテリーセルの定格が突入電流に対応していない
  • MOSFET は突入電流に対する定額がありません
  • プリチャージ回路は、多くの場合、高抵抗経路のMOSFET で構成されています

ドキュメント

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デザイン リソース

パートナー ソリューション

開発者コミュニティ

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