セル・バランス：これだけは知っておきたいアナログ用語

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セル・バランス

　セル・バランスとは、複数個の2次電池セルを直列に接続した電池パックにおいて、それぞれの電池セルのエネルギー容量を均一化する機能のこと。Li（リチウム）イオン2次電池を採用するハイブリッド車や電気自動車、電動アシスト自転車、電動工具などでは必須の機能だ。現在、テキサス・インスツルメンツ（TI）など、複数のアナログ半導体メーカーがセル・バランスICを製品化している。

能力を引き出せない

　セル・バランスICが必要な理由は、直列に接続したLiイオン電池セルそれぞれの動作環境の違いや製造バラツキが存在するためだ。例えば、熱源に近い電池セルは早く劣化してしまうが、熱源から離れた電池セルは劣化が遅い。さらに、電極の巻き取り時のテンション（引っ張り力）など、製造時のバラツキでも、電池セルの劣化速度に差が出る。

　こうした理由によって発生するエネルギー容量のバラツキは、電池の能力を十分に生かせなくなる事態を招く。なぜなのか。3つの電池セルを直列に接続した電池パックにおいて、1セルだけ劣化が進んだと仮定する。この電池パックを放電させると、劣化の進んだセルは、ほかの2セルに比べていち早く放電終止電圧に達する。これ以上、放電させると過放電状態に陥る。Liイオン電池は過放電状態になると、発煙や発火に至る危険性がある。このため放電を止めざるを得ない。従って、2セルに残ったエネルギーは使えなくなる。

　電池パックを再び使える状態に戻すために充電を開始すると、劣化の進んでいない2セルが充電終止電圧に先に達する。劣化が進んだセルは、まだ満充電に達していない。しかしこれ以上、充電を続けると2セルは過充電状態に陥る。この状態も過放電と同様に非常に危険だ。これ以上、充電は続けられない。従って、劣化の進んだ1セルは満充電に達することなく、充電が終わってしまう。

　つまり、電池セル間のエネルギー容量のバラツキが発生すると、充電時と放電時ともに、Liイオン電池の能力をすべて使い切れないことになる。

パッシブとアクティブがある

　こうした問題を解決するのがセル・バランスICである。セル・バランスICには、大きく4つの機能が搭載されている。すなわちセル電圧の測定機能、AD変換機能、ホスト・マイコンとの通信機能、セル・バランスを確保する機能である。

　セル・バランスICは常時、直接に接続された各電池セルの端子電圧を測定する。その結果は、ADコンバータでデジタル値に変換して、ホスト・マイコンに送る。ホスト・マイコンでは、各電池セルの電圧値を解析し、電池セル間のエネルギー容量のバラツキが発生しているかどうか、すなわちセル・バランスが崩れているかどうかを監視する。セル・バランスが崩れている電池セルを発見した場合は、セル・バランスICに対して、セル・バランスを確保する命令を出す。

　セル・バランスを確保する方法は2つある。パッシブ方式とアクティブ方式である。パッシブ方式は、放電の対象となった電池セルを、IC内部に集積したMOSFET、もしくは外付けしたMOSFETを介して放電させる。こうしてセル・バランスを確保する。この方式は、システムがシンプルというメリットがある一方で、余剰エネルギーを強制的に放電させるためエネルギー効率が低いというデメリットがある。

　アクティブ方式は、ある電池セルの余剰エネルギーを、ほかの電池セルに移すことで均等化するというものだ（図1）。システムが複雑になるためコストが上昇するものの、エネルギー効率を高められる。

図1　アクティブ方式を採用したセル・バランス機能のリファレンス・デザイン
テキサス・インスツルメンツ（TI）のリファレンス・デザイン「TIDA00239」である。最大14セルを直列に接続したLiイオン電池パックに対応する。絶縁通信機能も備える

関連リンク

■アクティブ・セル・バランス・バッテリ・マネージメント・リファレンス・デザイン
■ハイブリッド車/電気自動車パワートレイン・システム
■電池管理ソリューション
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