はじめに：BMSにおける電流検出の重要性
世界の新エネルギー自動車産業の急成長に伴い、バッテリー管理システム（BMS）は電気自動車の安全性、航続距離、寿命を左右する重要な技術となっています。BMSの中核機能の1つとして、正確な電流検出はバッテリーの状態推定（SOC）、健全性評価（SOH）、電力状態予測（SOP）の精度に直接影響します。
パワーバッテリーシステムでは、-40℃から85℃までの過酷な温度環境下で高精度の測定を維持しながら、ミリアンペアからキロアンペアまでの広い範囲をカバーする電流検出が必要です。この技術的課題は、さまざまな電流検出ソリューションの開発と競争を生み出しました。シャントとホールセンサーは、現在市場で最も主流となっている2つの技術ルートです。
I. BMS電流検出の技術要件
1.1 精度の要件
GB/T 38661-2020「電気自動車用バッテリー管理システム技術条件」によると、BMSの電流検出精度は±1%FS（フルスケール）以上に達する必要がある。これは、電流積算がSOCを計算する主な方法の一つであり、長期間蓄積された小さな測定誤差でもSOCの大幅な偏差につながる可能性があるためです。
1.2 動的応答
電気自動車のバッテリー電流は、急加速やエネルギー回収などの運転条件下で急激に変化することがあります。例えば、緊急ブレーキ時には、エネルギー回収電流が0Aから数十ミリ秒で数百アンペアに跳ね上がることがあります。そのため、電流センサーには、このような過渡的な変化を正確に捉えるのに十分な帯域幅（通常10kHz以上）が必要です。
1.3 温度安定性
パワー・バッテリー・パックの動作温度範囲は非常に広く、寒冷地では-40℃から夏の高温では85℃までが通常の動作に要求されます。電流検出素子は全温度範囲にわたって安定した測定精度を維持する必要があり、抵抗温度係数（TCR）はこの性能を評価するための重要な指標となります。
スプリッター技術の原理と特徴
2.1 動作原理
シャントは、オームの法則に基づく電流測定素子である。抵抗値が既知の精密抵抗に電流が流れると、抵抗の向こう側に電流に比例した電圧降下が発生する。
シャントのコアは、マンガン銅やコン銅などの特殊合金で作られた精密抵抗器本体です。これらの合金は温度係数が非常に低く（TCRは±5ppm/℃と低い）、長期安定性に優れているため、厳しい使用条件下でも抵抗値を一定に保つことができます。
2.2 マンガン-銅合金の利点
マンガン-銅合金（マンガニン）は、最も一般的に使用されるシャント用抵抗材料であり、代表的な組成はCu-12%Mn-2から4%Niの範囲である：
- 温度係数が非常に低い：TCRは0~100℃の範囲で±10ppm/℃以内に制御できる。
- 熱ポテンシャルが低い：銅の熱電位は0.5μV/°C以下。
- 高い安定性：年間ドリフト率を0.01%以内に制御可能
- 加工性が良い：溶接と成形が容易
2.3 BMSにおけるシャントの応用
EV BMSアプリケーションでは、シャントは通常、ローサイド検出方式を使用して、バッテリーパックの高電圧負端子（HV-）に配置される。一般的なシャント抵抗値は25μΩから100μΩの範囲で、電力損失を許容範囲内に抑えながら、大電流で測定可能な電圧降下（通常50mVから150mV）を生じさせる。
高精度測定のために、シャントは24ビットまたはそれ以上の分解能のシグマ・デルタADCと共に使用されることが多い。これらのADCは、シャント上の小さな電圧信号を正確に抽出するために、優れたノイズ除去と高い同相信号除去比（CMRR）を持つ。
III.ホールセンサー技術の原理と特徴
3.1 動作原理
ホールセンサーはホール効果を利用して電流を測定する。導体に電流が流れると、その周囲に電流の大きさに比例した磁界が発生する。この磁界の中に置かれたホール素子は、磁界の強さに比例した電圧信号を出力するため、間接的に電流を測定することができる。
3.2 オープン・ループおよびクローズド・ループ・ホール・センサー
動作モードによって、ホールセンサーはオープンループとクローズドループに分類される：
オープンループ・ホールセンサシンプルな構造で低コストだが、精度が比較的低く（通常±1%～±2%）、温度の影響を大きく受ける。
クローズド・ループ・ホール・センサー(一次電流によって発生した磁界を検出した後、二次コイルによって一次磁界を打ち消す補償電流を発生させ、磁気回路が常にゼロ磁束状態を維持する方式。この方式では、測定精度（最大±0.5%）と帯域幅（最大200kHz）が大幅に向上しますが、その分コストが高くなります。
3.3 新しい磁気抵抗技術
近年、トンネル磁気抵抗効果(TMR)と巨大磁気抵抗効果(GMR)センサは、BMS分野における新世代の電流検出素子としてますます注目を集めている。従来のホール素子と比較して、TMRセンサーは温度ドリフトが小さく（最大0.1~0.2%）、高感度、低消費電力であり、将来的にホールセンサーの一部のアプリケーションを置き換えることが期待されています。
IV.シャント・センサとホール・センサの比較分析
4.1 精度の比較
| パラメーター | 高精度スプリッター | クローズド・ループ・ホール・センサー |
|---|---|---|
| 標準精度 | ±0.1%~±0.5% | ±0.5%~±1% |
| 温度係数 | ±5~±50ppm/°C | ±100~±500ppm/°C |
| ドリフト年率 | <0.01% | <0.1% |
精度の面では、特に広い温度範囲での安定性という点で、シャントが明らかに有利である。
4.2 セキュリティと分離
ホールセンサの大きな利点は、一次側と二次側の間に存在する自然な電気的絶縁であり、これは高電圧システムにおいて重要な安全機能です。一方、シャントは回路内で直接直列に接続されるため、信号の絶縁を達成するために絶縁手段（絶縁アンプなど）を追加する必要があります。
4.3 消費電力と発熱量
シャントは大電流で大きな電力損失を発生させる。例えば、100μΩのシャントは500Aで25Wを消費し、システム効率に影響を与えるだけでなく、熱的な問題も引き起こす。これとは対照的に、ホール・センサの消費電力は主に電子回路によるもので、通常はわずか数十ミリワットである。
4.4 コスト比較
高精度シャントとそれに付随するADCソリューションは比較的低コストであるのに対し、クローズドループ・ホール・センサは通常、シャント・ソリューションの2～3倍高価である。このため、シャントはコスト重視のアプリケーションでより競争力を発揮します。
V. 選考の推奨と開発動向
5.1 選考上の考慮事項
電流検出ソリューションを選択する際、エンジニアは以下の要素を考慮する必要がある：
- 精度の要件：スプリッターソリューションは、高精度が要求される場合に適しています。
- 現在のレンジ超大電流（>1000A）アプリケーション用ホールセンサーを検討する
- 隔離の必要性：ホールセンサーは、電気的絶縁が必要な場合に有利である。
- 放熱条件：放熱が制限されている場合、シャントの熱的影響を評価する必要がある。
- コスト予算：コスト重視のアプリケーションに適したスプリッターソリューション
5.2 デュアルセンサー冗長設計
機能安全（ISO 26262）の要求が高まるにつれ、シャント＋ホールセンサの二重冗長設計を採用するBMSが増えています。原理の異なる2つのセンサーを相互に校正することで、システムの信頼性と安全性を向上させることができます。
5.3 今後の動向
将来を見据えて、シャント技術はより低い抵抗値、より高い電力密度、より優れた温度特性に向かって発展していくだろう。新しい合金材料と高度な溶接プロセスの適用により、シャントの性能境界はさらに強化される。同時に、統合ソリューション（例えば、シャント＋ADC＋MCU統合モジュール）も、システム設計を簡素化し、全体的なコストを削減するための重要な開発方向となるだろう。
結語
電流検出技術はBMSの核心基盤であり、電気自動車の安全性とユーザー体験に直接影響する。高精度、高安定性、低コストという利点を持つシャントは、BMS電流検出の分野で重要な位置を占めている。新エネルギー自動車産業の絶え間ない発展に伴い、電流検出の精度と信頼性に対する要求も向上し続け、シャント技術の絶え間ない革新と進歩も促進される。
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