電動モビリティシステムや分散発電システムなどの産業利用のための電化・電動化には，必然的に多くのバッテリーが必要になります．これは，自動車やドローンなどの急成長している運輸分野で顕著であり，より高度に電動化された航空機のエネルギー貯蔵と開発でも重視されています．これらのバッテリーは，スタンドアロン型ではなく，大規模なシステムの複雑な部品として，適切に動作して，安全かつ効率的なエネルギー

利用を実現するものでなければなりません．バッテリー管理システム（BMS）は，充電式バッテリーのリアルタイム監視および制御をハードウェアと組込みソフトウェアの両方で行い，複雑な用途で信頼性の高い電力を供給します．組込みソフトウェアと機能分析に対応するANSYSのソリューションを利用すれば，信頼性が高く安全で効率的なバッテリー動作を実現する BMS を開発することができます．

Managing Large-Scale Battery Systems

Statista 社によれば [1]，電気自動車（EV）が自動車市場全体に占める割合は，2017 年の 1% から，2025 年には 14% まで成長すると見込まれています．大手自動車メーカーはいずれも，この成長市場で戦うために電気自動車の開発に取り組んでいます．自動車の電動化が進むにつれて，大型バッテリーによって自動車のエンジン・空調・暖房・インフォテイメントシステムに電力を供給するようになっており，バッテリーシステムの動作を監視し維持する機能が重要になると思われます．エンジニアは，この複雑なネットワークのスムーズな動作を実現する BMS を開発していますが，そのためには，最先端のソフトウェアツールを使用する必要があります．

BMS の主な機能BMS は，電気自動車の高度なソフトウェア駆動型制御センターです．セルの電圧と温度を監視し，正常な動作状態を維持する役割を果たす BMS は，システム接続性の状態監視，

大規模なバッテリーシステムの管理

Marc Born （ANSYS，CTO）Manzoor Tiwana （ANSYS，ANSYS Twin Builder プロダクトマネージャー）Pierre Vincent（ANSYS，プリンシパルコンサルタント）

マルチフィジックスシステムシミュレーション手法による電動システムのモデリング（英語）ansys.com/electrical-drive

パワーエレクトロニクス（インバーター）

機械的挙動および荷重

組込み制御 電力ケーブル

電源

トラクションモータ

14 I ANSYS ADVANTAGE ISSUE 1 | 2019

自動車

電流の測定，充電状態（SOC）と劣化度（SOH）の計算，セル間における電気入出力の負荷分散，バッテリーとパワートレインまたは充電システム間の接続の確立などさまざまな機能を備えています．

一般に，BMS は他に依存することなく，バッテリー駆動車両を最適な性能条件でスムーズかつ安全に動作させます．このシステムは，リソースを効果的な場所に分散させるとともに，起こりうる問題をオペレーターに事前に知らせます．最悪のケースが発生すると，車両内の乗員を危険に晒す可能性のある破損や致命的な故障を防止するために，BMS がシステム内のバッテリーを物理的に切り離すこともあります．

このような複雑な制御センターを設計することは容易ではありません．ANSYS のソリューションは，エンジニアが開発プロセス全体で BMS の設計を進めるのに役立つだけでなく，動作環境で BMS をリアルタイムに管理するのにも有効です．ANSYS のバッテリー管理ソリューションでは，物理ベースのシミュレーションを実施して，BMS に対応する ANSYS Twin Builder，ANSYS medini analyze，ANSYS SCADE 組込みコードを用いて，バッテリーのシステムレベルビューを作成することができます．

ANSYS medini analyze と SCADE 組込みコードに よって，バッテリーの安全性を確保ANSYS medini analyze では，業界によって異なるさまざまな基準で規定されている重要な安全分析手法

（Hazard and Operability Study[HAZOP]，故障木解析[FTA]，故障モード影響解析 [FMEA]，故障モード影響診断解析 [FMEDA] など）を実行することができます．

自動車システムについては，道路車両を対象とする ISO 26262 機能安全基準を BMS ソフトウェアが満たしているかどうかをチェックすることも可能です．

安全分析では，最初に，BMS の機能と不具合を特定して記述します．不具合を特定した後には，ハザード分析・リスクアセスメント（HARA）を行って，自動車安全性レベル (ASIL) とこれに対応する安全目標と安全要求を決定し，危険事象と，安全に対するその影響を特定します．BMS のいくつかの機能を開発するには，ISO 26262の最も厳しい安全性レベル「ASIL D」に準拠した厳格な開発プロセスが必要になります．

これにより，ソフトウェアの安全要求も非常に厳しいものになります．

通常，BMS は以下の 3 つのアーキテクチャコンポーネントから成ります．• いくつかの個別のセルを含むバッテリーパック（セル

スタック）• スイッチボックス• ソフトウェアコントローラーなどでバッテリーセルの

電圧，電流，温度を監視する電子制御ユニット（ECU）ANSYS SCADE Suite を使用すれば，ECU の組込み

ソフトウェアを自動的に生成して検証することができます．SCADE 製品ラインは，飛行制御システムやエンジン制御システムなどのクリティカルな組込みソフトウェアに対応するモデルベースの開発環境を提供します．SCADE Suite は，クリティカルな制御アプリケーションの設計を簡単にして，検証，認証基準に準拠した適格なコードの生成，ドキュメント作成を自動化し，プロジェクトの認証コストを大幅に削減します．このツール

「今後，バッテリー電源に依存するシステムが増えれば， BMS の仮想プロトタイピングを迅速に行うために，

これらのシミュレーションツールを組み合わせることが不可欠です．」

ANSYS Twin Builderによるシステムモデリング

マルチドメイン モデルライブラリ

言語ベースの モデリング

3次元物理モデルとの 協調シミュレーション

次数低減モデルの作成

組込みソフトウェアの統合

システムモデルの相互連携

システム モデリングの

業界基準

数千個のビルトイン コンポーネントモデル

ANSYS SCADE サードパーティ製の システムモデリング

ツール

すべてのANSYS 3D 物理シミュレーションとの連携

© 2019 ANSYS, INC. ANSYS ADVANTAGE I 15

を使用すれば，さまざまな業界基準（航空宇宙業界向けの DO-178C level A まで，自動車向けの ISO 26262:2011 ASIL D まで，電子システムの機能安全を対象とするIEC 61508 2010 SIL 3 までなど）に基づいて認証を取得可能な組込みソフトウェアを作成できます．

バッテリーでは，セル電圧，温度，バッテリーパック全体の電圧と電流などの動作状態が ECU によって監視されます．ECU は収集した SOC や SOH（バッテリーの現在の状態と理想的な状態を比較するデータ）などを外部部品に送ります．冷却および加熱情報も，ECU によって送られます．

SCADE Rapid Prototyperによるソフトウェアシミュレーション

バッテリーの最適化を実現するマルチフィジックスシミュレーション現在利用できる最も普及しているバッテリーはリチウムイオン技術を採用していますが，研究者は，エネルギー効率がより高く，過熱と発火が発生しにくい他の材料を常に探索しています．

科学者は，システムを探索するたびに，各材料システムの基本的なプロセスを新たに発掘しなければなりません．材料はそれぞれ独自の熱特性，構造特性，電磁特性，電気化学特性を有しているため，バッテリーシステムを完璧にモデリングするには，ANSYS のマルチフィジックスソリューションが必要です．バッテリーの OEM メーカーとそのサプライヤーは，セルの設計，熱管理，熱暴走に対応する ANSYS Fluent，異なる物性を持つ材料の加熱および冷却によって発生する構造応力 / ひずみに対応する ANSYS Mechanical，バッテリーパックの動作のシステムレベルモデリングをサポートする ANSYS Twin Builder を組み合わせて使用しています．この完全なソリューションは，エンジニアが，バッテリーの設計，製造，動作というライフサイクルで起こるあらゆる物理変化を考慮するのに役立ちます．

Fluent は，マルチスケール多次元（MSMD）法をベースにした 3 次元数値流体力学解析をサポートしています．この手法は，材料（10-9m）から，電極対（10-4m），完成したセルパック（10-1m）までのレベルのCFD シミュレーションという，10 桁に及ぶ範囲をカバーしています．Fluent では，バッテリーシステムの発熱を最適化するために，3 種類の電気化学モデルを用いることができます．

また，Fluent を使用すれば，バッテリーのセルとモジュール間の熱の流れを解析し，さまざまな強制冷却条件下における角柱型 / 円筒形セルバッテリーパックの温度を求めることができます．リチウムイオンバッテリーが過熱して，突発的に燃えだすのを防ぐには，このバッテリーの温度を制御することが不可欠です．

バッテリーのさまざまな部品の温度が動作中に変化すると，各材料が熱膨張率の違いによって伸縮します．この伸縮によって，バッテリーの部品に圧縮応力や引張応力が発生し，これに起因するひずみが特定の材料の限界値を超えると，変形や不具合が生じる可能性があります．Mechanical と Fluent を連成して双方向マルチフィジックスシミュレーションを行えば，温度が構造に与える影響を追跡し，バッテリーの部品がさまざまな熱誘起応力に耐えられるかどうかを確認することができます．

EV が衝突事故に巻き込まれるなどの極端なケースでは，バッテリーの熱暴走が懸念されます．最初に，構造破壊が発生し，その結果，衝撃を受けたバッテリー領域の接触抵抗が低下します．ANSYS Mechanicalでは，こうした状況で起こる構造破壊をシミュレーションして，新しい設計が破壊を防止できるかどうかを確認することができます．次に，ダメージを受けたバッテリーの電気化学反応によって，熱が発生します．この発熱量が放熱量を上回ると，熱暴走が生じる可能性があります．エンジニアが Fluent を使用してシミュレーションを行えば，こうした熱暴走に耐えられるバッテリーを設計することができます．この場合もまた，予期せぬ衝突状況で起こる急激な変化に対するバッテリーの構造・熱・電気化学応答の全体像を捉えるために，Mechanical と Fluent のマルチフィジックス連成が必要になります．

最後に，バッテリーシステムのすべての部品を接続する準備が整ったら，ANSYS Twin Builder を用いて，これらの部品がどのように連携して最大限の効率を発揮するかをシミュレーションすることができます．ただし，部品を適切に設計したからといって，最適なシステムになるとは限りません．こうした部品を統合システムにまとめて同時に給電，監視，制御を行った場合には，これらの部品が，スタンドアロン部品としてテストしたときと異なる動作を示すことがあります．Twin Builder を使用すれば，接続されたシステム全体をカバーする閉ループテストを実施して，部品の弱点を検出および修正し，最大限の効率で動作するバッテリーシステムを製造することができます．

16 I ANSYS ADVANTAGE ISSUE 1 | 2019

Battery Systems (続き)

BMS はこれらのデータを用いることで，（1）バッテリーが，自己破損することなく動作すると期待できる電圧および電流条件として定義される安全動作領域（SOA）内で確実に機能するよう動作パラメータを調整したり，（2）衝突時にバッテリーを緊急に切り離したりすることができます．また，BMS は SOC や SOH が所望の限界値を超えていると判断すると，警告を発し，システムを安全な状態に移行させます．

完全なシステムシミュレーションを実現する ANSYS Twin Builder最終段階では，ANSYS Twin Builder を使用して，バッテリーパックの完全な閉ループシステムレベルシミュレーションを実施し，すべての部品が設計通りに連携して機能するかどうかを確認します．エンジニアは Twin Builder を利用することで，マルチフィジックスモデルを作成して，バッテリーの電気および熱挙動などのさまざまな物理的効果をシミュレーションし，バッテリーセルのシステムモデルの設計と妥当性確認を行うことができます．

Twin Builder を使用すれば，エンジニアはバッテリーシステムの最大出力電力，バッテリーの充電率と放電率，動作による発熱量，発熱が電気性能に与える影響などの重要な設計パラメータを求めることができます．Twin Builder には，SOC と温度に依存するバッテリー等価回路モデル（ECM）でバッテリーの性能を予測できる 4 つのテンプレートを含む Modelica ベースのライブラリが用意されています．

Twin Builder では，ANSYS の物理ソルバーを利用して，バッテリーの電気回路の集中パラメータモデルだけでなく，次数低減モデル（ROM）も作成することができます．ROM は，フルスケールの 3 次元モデルを非常に小さな規模で表現したものであり，精度を犠牲にすることなく，数分または数秒でシミュレーションを完全に実行できるため，システムレベルのモデリングに最適です．Twin Builder では，バッテリーパックの熱 ROM をECM と連成して，電気性能に対する熱の影響を求めることができます．

ANSYS が提供する完全な BMS ソリューションANSYS medini analyzeで，BMS設計の安全性を確保し，ANSYS SCADE Suite で，組込み制御ソフトウェアを作成して検証し，さらに ANSYS Twin Builder で，EVの電気システム全体の効率および信頼性のテストと妥当性確認を行うことができます．バッテリー電源に依存するシステムが増えていく将来，BMS の仮想プロトタイピングを迅速に行うために，これらのシミュレーションツールを組み合わせることが不可欠となるでしょう．

References:[1] Statista. Projected U.S. electric vehicle market share

between 2017 and 2025. statista.com/statistics/744946/us-electric-vehicle-market-growth/ (01/31/2019)

ANSYS Twin Builderを使用した閉ループテスト

「BMS は他に依存することなく， バッテリー駆動車両を最適な性能条件で

スムーズかつ安全に動作させます．」

ビルトインモデルライブラリ サードパーティとの連携

システムシミュレーション

環境条件 ANSYS 3D 物理シミュレーション

入力 ANSYS SCADE Suite

高忠実度の 物理モデリング

制御でループを 閉じる

システム性能の 妥当性確認と

最適化

© 2019 ANSYS, INC. ANSYS ADVANTAGE I 17