リチウム電池システムに適したシリアルバスの選択

RS-485、CAN、RS-232が実際のバッテリーシステムでどのように動作するか - 設計者とインテグレーターのための実践的なガイダンス

リチウム・バッテリー・システムは単なるセルのスタックではなく、セル・モニター、モジュール・コントローラー、バッテリー管理システム（BMS）、インバーター、充電器、エネルギー管理コントローラーのネットワークです。これらの要素間の信頼性の高い通信は、電気バランスと温度制御と同じくらい重要です。この記事では、RS-485、CAN、RS-232がリチウム電池アプリケーションでどのように使用されているかを説明し、その中でそれぞれの長所と短所を比較し、設計、設置、試運転時に適用できる実践的なアドバイスを提供します。

バッテリーシステムで通信レイヤーが重要な理由

バッテリー・システムは、セル電圧、温度、電流、充電状態 (SoC)、健全性状態 (SoH)、故障フラグ、および制御コマンド (バランスのオン/オフ、充電制限、プリチャージなど) などの安定したテレメトリのストリームを交換します。タイミングがずれたり、破損したメッセージは、バランシング不良、誤アラーム、あるいは安全でない動作を引き起こす可能性があります。適切な物理的および論理的インターフェイスを選択することは、信頼性、安全性、保守性、診断に影響します。

RS-485:長距離運転とエネルギー機器のためのフィールドバックボーン

RS-485は、Modbus RTUなどのアプリケーション・プロトコルで一般的に使用される差動2線式物理層です。バッテリーシステムでは、BMSコントローラー、インバーター、サイトコントローラーを工場全体の距離を越えてリンクするためによく使用されます。

バッテリーシステムの強み

リーチが長く、ノイズに強い。 差動信号は、大きな同相電圧やパワーエレクトロニクスやバスバーからのEMIに耐える。
マルチドロップのトポロジー。 多くのモジュールやデバイスが1本のトランクを共有できるため、分散キャビネットの配線が簡素化されます。
シンプルさ。 Modbusによる実装は、エネルギー機器ベンダーによって広くサポートされている。

見るべき制限

プロトコルは定義されていない。 RS-485は物理層です。堅牢なメッセージプロトコル（アドレス指定、チェックサム、リトライ）を選択し、実装する必要があります。
半二重の制約。 RS-485のセットアップの多くは、送信と受信に1つのペアを使用するため、慎重なタイミングとドライバ制御が必要となる。
慎重な配線が必要。 終端処理、バイアス処理、スター型トポロジーの回避は、反射や偽メッセージを避けるために不可欠である。

使用例

BMSラック、サイトEMS、SCADA間のプラントレベルの遠隔測定。
遠隔地にあるバッテリーキャビネットと中央制御装置間の通信で、距離やノイズの多い環境が懸念される場合。

CAN：モジュールネットワークの決定論的制御と豊富な診断

コントローラ・エリア・ネットワーク（CAN）およびCANopenやSAE J1939のような上位レベルのプロファイルは、モジュール・レベルのEVバッテリー・アーキテクチャで一般的です。

バッテリーシステムの強み

アービトレーションとプライオリティを内蔵。 重要なメッセージ（フォルト、シャットダウンコマンド）は、日常的な遠隔測定を先取りすることがある。
決定論的なタイミング。 予測可能な待ち時間は、セル・バランシングの調整や安全インターロックにとって価値がある。
頑健な診断。 標準化されたエラーカウンタ、CRC、ネットワーク管理機能は、故障の発見に役立ちます。

見るべき制限

実用距離が短い。 CANは電気的には堅牢だが、ラック内や短いキャビネット間リンクに最適である。プラントスパンが長い場合は、リピータやブリッジが必要になる。
プロトコルの複雑さ。 CANを効果的に使用するには、多くの場合、標準プロファイル（CANopen、J1939）を採用し、互換性のあるノードの動作を確保する必要があります。

使用例

キャビネット内のセルモニター、モジュールコントローラー、メインBMS間の通信。
タイミングと故障の優先順位が重要なEVおよびモバイルエネルギーアプリケーション。

RS-232：簡単だが制限あり - 試運転に最適

RS-232は、コンフィギュレーション、診断、またはレガシー・デバイス接続用のローカルなポイント・ツー・ポイント・オプションとして有用です。

強み

シンプルでどこにでもある。 ローカル・メンテナンス・コンソール、ファームウェア・フラッシュ、エンジニアリング・アクセス・パネルに便利。
実装のオーバーヘッドが少ない。

制限事項

短距離と単一ポイント・ツー・ポイントのみ。 分散システムやノイズの多い環境には適さない。
シングルエンド信号。 グランドディファレンシャルや干渉の影響を受けやすい。

使用例

インバータまたはBMSのローカル・デバイス・プログラミング、コミッショニング、サービス・ポート。

バッテリー・プロジェクトのための実践的選定ガイダンス

モジュール間およびキャビネット内の制御には、CANを選択してください。 そのアービトレーションとタイミングにより、内部BMSネットワークに最適です。
ラック間またはプラントレベルの遠隔測定には、Modbus RTU付きRS-485をご検討ください。 距離に応じてスケールアップし、エネルギー機器によって幅広くサポートされる。
RS-232は、ローカルでの試運転とサービスのみに使用してください。 運用上のリンクに依存することは避ける。
両方の長所が必要な場合は、ゲートウェイを利用する。 CAN-to-RS-485またはCAN-to-Ethernetゲートウェイにより、決定論的なモジュール・ネットワークを維持しながら、集約されたテレメトリをサイト・コントローラーに公開できます。

配線、安全性、信頼性チェックリスト（バッテリー別）

必要に応じて隔離する。 危険なグランドループを防ぐため、高電圧バッテリパックと制御回路間はガルバニック絶縁を使用してください。
適切なケーブルの選択。 電源ケーブルの近くに配線する場合は、RS-485およびCAN用にツイストペア、シールドケーブルを使用してください。
正しく終端し、バイアスする。 トランクの両端に終端抵抗を配置し、フェイルセーフ・バイアス抵抗を使用して、誤ったアラームの引き金となるフローティング・バス状態を避ける。
スター結線は避ける。 長いスタブはシグナルインテグリティを劣化させる。
サージから保護する。 外部露出や雷リスクがある場合は、過渡電流抑制（TVSダイオードなど）を追加する。
アースとケーブル配線。 シールドを単一の接地点に結びつけ、インバータやDC-DCコンバータなどの高周波スイッチング源から通信ケーブルを遠ざける。
診断の計画を立てる。 バス監視ポイントを含めるか、アナライザを使用し、試運転中にオシロスコープでチェックできるようにサービスポートにアクセスできるようにしておく。

統合と試運転のヒント

プロトコルの詳細 配線前にボーレート、パリティ、バイトオーダー、スケーリング係数、BMS、インバータ、EMS間のレジスタマップを確認してください。データフォーマットの不整合は、最も一般的な統合の問題である。
ツールで検証する。 オシロスコープまたはバスアナライザーを使用して、信号の形状と終端を検査し、ノイズや反射がないか確認する。
保守的なタイムアウトを設定する。 バッテリー制御では、メッセージを短時間失うことが安全でない動作につながるべきではありません。タイムアウトは保守的であるべきで、ウォッチドッグ・ロジックと組み合わせるべきです。
ノードのアドレスとワイヤーの色を記録する。 明確なラベリングは、トラブルシューティングを迅速化し、メンテナンス時のヒューマンエラーを低減します。

最終勧告

高速で決定論的なモジュール・ネットワークにはCANを使用し、長時間の運転やプラント・テレメトリにはRS-485を使用し、ローカル・アクセスにはRS-232のみを使用します。配線のベストプラクティス（終端、バイアス、絶縁、配線）に注意を払い、適切なツールと保守的なタイムアウトで実装を検証する。疑問がある場合は、最初にネットワークの小さなセグメントを試作し、通常のテレメトリと故障シナリオの両方を演習して、通信アーキテクチャが安全で予測可能なバッテリ動作をサポートしていることを確認します。