A UAVCAN互換ドローンBMS これは、ノイズに強いバッテリーテレメトリデータを差動CAN 2.0B経由でPX4/ArduPilotオートパイロットに送信するスマート電源管理ボードです。信号損失なく、セル電圧、電流、温度、充電状態（SOC）をリアルタイムで提供します。
ESCモーターのノイズが大きいと、飛行中に標準のI2Cラインがフリーズしてしまうことがよくあります。DroneCAN BMSに切り替えて差動信号を使用することで電磁干渉（EMI）を除去し、この問題を解決できます。フライトコントローラーは毎ミリ秒、クリーンなテレメトリデータを受信します。
現代の大型輸送機には、自律システム用の高密度BMSモジュールが必要です。これらのボードは、グランドループを遮断するガルバニックCAN絶縁と、バッテリー接続時のコネクタの火花による損傷を防ぐアクティブプリチャージ回路を統合しています。
AYAA TECHは、要求の厳しいドローンプラットフォーム向けに産業用スマートBMSハードウェアを製造しています。当社のボードは、主要なオープンソースのフライトコントロールアーキテクチャすべてとシームレスに連携し、一般的な設計でよく見られる5%の誤差に対し、SOC追跡精度を3%以下に抑えます。
UAVCAN互換BMSのコア技術アーキテクチャ
差動CAN 2.0B物理層と従来のSMBus/I2Cの比較
高出力ドローンモーターは、大きな電磁ノイズを発生させます。従来のI2CおよびSMBusインターフェースは、共通グランドに対してシングルエンドの3.3V信号を使用しています。ESCが数百アンペアの電流を切り替えると、これらの信号線に電圧スパイクが大量に発生します。これによりバスがロックアップし、バッテリーテレメトリが失われます。
CAN 2.0Bネットワークは、1Mbpsの速度でツイストペア差動配線を使用します。ノイズは両方のワイヤに均等に伝わります。受信側のCANトランシーバは、コモンモードノイズを無視して、CAN_H線とCAN_L線の間の電圧差を読み取ります。標準の120Ω終端抵抗により、長いフレームケーブルでの信号反射が防止されます。
接地反射を防ぐためのガルバニック絶縁
スロットル操作が急激に増加すると、グランドバウンスが発生します。バッテリーのマイナス端子電圧がフライトコントローラーのグランドに対して変動します。絶縁されていない場合、この電圧差によって信号線に逆電流が流れます。大電流が流れると、アビオニクス機器のポートが瞬時に焼損します。
ガルバニック絶縁により、グランドループは完全に解消されます。産業用基板では、2.5kV RMS定格の絶縁型CANトランシーバーと絶縁型DC-DCコンバータが使用されています。高出力バッテリーのグランドは、繊細な飛行制御ロジックから完全に分離されています。
【技術ノート】
12S～18Sの推進システムで非絶縁CAN接続を使用すると、しばしば致命的な故障が発生します。一時的な接地電圧変動により、フライトコントローラーのCANトランシーバーの最大定格電圧を超え、飛行中に航空電子機器が破壊される可能性があります。
シリコンスタック：MCUとアナログフロントエンド（AFE）の統合
産業用CAN BMSボードは、32ビット車載用MCUとマルチチャネルアナログフロントエンド（AFE）チップを組み合わせたものです。一般的な設計では、NXP S32K MCUとNXP MC33771CまたはMC33772B AFEが組み合わされています。この構成により、メインプロセッサに過負荷をかけることなく、高速アナログサンプリング処理が可能になります。
AFEは個々のセル電圧を±1mVの精度で読み取ります。高精度電流シャントはパックの連続電流を追跡し、サーミスタはセルパック全体の温度を監視します。オンボードMCUはこれらの生データを標準のDroneCAN DSDLフレームにパッケージ化して出力します。
自律システムおよび高電圧ドローン向け高密度BMSモジュール
補助プリチャージ回路：突入電流の抑制
12S～18Sのバッテリーパックを空のESCコンデンサに接続すると、大きな突入電流が発生します。充電されていないコンデンサは、直接短絡状態のように動作します。電流スパイクはマイクロ秒単位で300アンペアを超え、電気的腐食や接触アーク放電を引き起こします。
AYAA TECHのBMSボードは、この問題を解決するために2段階のプリチャージ回路を採用しています。まず補助MOSFETが開き、電流制限抵抗器を通して電流を流します。これにより、主電源MOSFETが閉じる前に、ESCコンデンサを50ミリ秒以内にパック電圧の90%まで安全に充電します。
飛行優先の安全ロジック：即時停止よりも警告を重視
自動車用BMS（バッテリー管理システム）の設計では、バッテリーセルの電圧が3.0Vを下回ると、瞬時にバッテリーへの電力供給が遮断されます。このロジックをドローンに適用すると、揚力が完全に失われ、機体は石のように落下します。
産業用ドローンの動力システムは、「飛行優先」の安全規則に従う。
- 警告状態（空中）BMSはDroneCANパケット内に低電圧警告フラグを設定しますが、パワーMOSFETは完全に閉じた状態を維持します。
- オートパイロットアクション: フライトコントローラーは警告フラグを受信し、オペレーターに警告を発し、自動的な離陸地点への帰還（RTL）を開始します。
- ハードディスコネクト（接地安全）電源は、完全な熱暴走時、またはモーターが地上で停止した後にのみ開きます。
高度なSOC推定：パルス負荷下での精度維持
端子電圧のみからバッテリーの状態を推定する方法は、高負荷時には機能しなくなります。モーターの加速によって一時的な電圧降下が発生するためです。この電圧降下により、正常なバッテリーでも単純な監視回路では完全に放電しているように見えてしまいます。
系統連系型エネルギー貯蔵システムは、ピークカットと長寿命化のためにBMS（バッテリー管理システム）を使用するが、航空機搭載プラットフォームは異なる課題に直面する。ドローンは、最大限のエネルギー密度と厳格な熱暴走防止が求められる。1グラムたりとも無駄にできないのだ。
動的なパルス負荷に対応するため、AYAA TECHは開回路電圧（OCV）テーブルとクーロン計数アルゴリズムを組み合わせています。一般的な市販のBMSユニットは容量追跡ドリフトが5%発生しますが、AYAA TECHはSOC精度を100%以内に維持します。 3%以下これにより、バッテリー残量低下による誤った緊急着陸が防止されます。
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AYAA TECH スマートBMSおよびバッテリーシステム製品カタログDroneCAN BMSプロトコルとフライトコントローラーの統合
プロトコル世代：DroneCAN（v0）対Cyphal（v1）
UAVCANという用語は、2つの異なるプロトコル世代を指します。これらは直接通信しません。
- DroneCAN (v0)現在、商用ドローンにおける主要な運用標準規格です。ArduPilotおよびPX4において、成熟したドライバサポートを提供しています。商用CAN BMS製品の90%以上がDroneCANを採用しています。
- サイファル（UAVCAN v1）複雑なロボット向けに設計された、より新しいパブリッシュ/サブスクライブ型アーキテクチャ。Cyphalは高度なルーティング機能を提供しますが、フライトコントローラーのファームウェアサポートは現在も開発中です。
DSDLデータ構造とMAVLinkプロトコルのマッピング
DroneCANは、バイナリCANフレームをフォーマットするためにデータ構造記述言語（DSDL）定義に依存しています。バッテリーシステムは、 uavcan.equipment.power.BatteryInfo フォーマット（タイプID 1092）。
| uavcan.equipment.power.BatteryInfo | ||
|---|---|---|
| フィールド名 | データ型 | 技術説明 |
| 電圧 | float16 | パック全体の電圧（ボルト） |
| 現在 | float16 | パック消費電流（アンペア） |
| 温度 | float16 | 一次細胞群の温度（ケルビン） |
| 方向 | int2（充電中） | 電力の流れ方向（放電／充電） |
| 充電状態（％） | uint7 | 推定SOC（0%～100%） |
| 容量が失われた | float16 | 総合容量損失（アンペア時） |
| セル電圧 | float16[ | 個々のセル電圧の配列（ボルト） |
フライトコントローラーはこのメッセージを読み取り、フィールドを直接MAVLinkにマッピングします。 バッテリー状態（#147） パケット。QGroundControlのような地上管制ステーションは、セル電圧、温度アラート、および残りの容量を自動的に表示します。
フライトコントローラーの段階的な設定
AYAA TECHのスマートBMSボードは、主要なオープンソースのフライトコントローラーすべてとネイティブに統合できます。AYAA TECHボードをArduPilotオートパイロットに接続するには、次の4つの簡単な手順が必要です。
- CAN_H、CAN_L、およびグランドをオートパイロットのCAN1ポートに接続します。
- セット
CAN_P1_DRIVER = 1そしてCAN_D1_PROTOCOL = 1ミッションプランナー内。 - セット
バッテリーモニター = 8パラメータツリー内の (DroneCAN)。 - フライトコントローラーを再起動して、リアルタイムのテレメトリストリーミングを開始してください。
ネイティブスマートBMSと外部DroneCAN BMSアダプタノードの比較
統合型電源パックを構築するには、内蔵のBMSハードウェアと外部プロトコルコンバーターノードのどちらかを選択する必要があります。
以下の表は、主なエンジニアリング上のトレードオフをまとめたものです。
| 技術パラメータ | 統合型ネイティブスマートBMS | DroneCANブリッジアダプタノード |
|---|---|---|
| システムアーキテクチャ | セルとCAN出力を管理する単一基板 | SMBus/UARTをCANに変換する外部ノード |
| 重量の影響 | 最小限の構成。外部コンバータボードは不要。 | 配線とハウジングの追加重量が15g～45gになります。 |
| フットプリント | バッテリーケース内に収まる | ドローンフレームに取り付けスペースが必要です |
| セルテレメトリ | 最大18S+までの直接AFEサンプリング | 従来のBMS出力機能によって制限される |
| 対象アプリケーション | 新しいOEMスマートバッテリーパック設計 | 既存の旧型バッテリー在庫の改修 |
統合型ネイティブスマートBMSアーキテクチャ
統合型スマートBMSボードは、セルAFE、パワーMOSFET、CANプロセッサを1枚の基板上に統合しています。この方式により、軽量化、余分なケーブルの削減、信頼性の向上を実現します。カスタム電源パックを製造するOEMドローンメーカーにとって最適な選択肢です。
外部DroneCAN BMSアダプタノード
ブリッジノードはプロトコル変換器として機能します。従来のSMBusまたはUART BMSポートからデータを読み取り、そのテレメトリをDroneCANパケットとして再送信します。アダプタノードを使用すると、オペレーターは古いバッテリーを再利用できますが、ケーブルが増え、重量が増加し、故障箇所も増えます。
マルチパック並列カスケード接続と動的ノードID
大型産業用ドローンは、飛行時間の延長や電源冗長性確保のため、複数のバッテリーパックを並列接続して稼働させることが多い。1つのCANバスを共有する複数のBMSボードは、アドレスの衝突を回避する必要がある。
DroneCANはこの問題を解決するために、固有の128ビットハードウェアUUIDに基づいた動的なノードID割り当てを採用しています。起動時に、フライトコントローラは各バッテリーパックに固有のノードID（ノード11、ノード12など）を割り当てます。これにより、単一の2線式CANバスを介して個々のバッテリーパックを監視できます。
調達およびコンプライアンス評価チェックリスト
主要な安全および輸送関連の認証
スマートバッテリーを調達するチームは、国際輸送に関する法令遵守を必ず確認しなければなりません。認証を受けていないリチウムイオンバッテリーアセンブリは、税関を通過したり、貨物機に合法的に積み込んだりすることはできません。
- UN38.3高度（T1）、熱（T2）、振動（T3）、衝撃（T4）、短絡（T5）、衝突（T6）、過充電（T7）、および強制放電（T8）条件下での安全性を検証します。
- MSDSおよびUN3480 / UN3481国際航空貨物輸送に必要な安全関連書類。
- CE / FCC認証搭載されているスイッチングレギュレータが、搭載されているGPSやテレメトリリンクに無線干渉を引き起こさないことを確認します。
ベンダー評価：ツールチェーン、ファームウェア、ライフサイクル
BMSハードウェアの調達には、ソフトウェアのサポート状況とコンポーネントの入手可能性を確認する必要があります。
- フィールドファームウェアのアップデートBMSがDroneCAN GUIツールなどのオープンユーティリティを使用してCANブートローダーのアップデートに対応していることを確認してください。ファームウェアを書き込むために、密閉型バッテリーケースを分解する必要は決してありません。
- コンポーネントのライフサイクルAFEおよびMCUが、明確な長期供給契約を有するティア1サプライヤーから供給されていることを確認してください。
- カスタムファームウェアオプションベンダーが、ソリッドステート電池やLiFePO4電池などのカスタムバッテリー化学に合わせて、プリチャージタイミングやDSDLパラメータを調整できるかどうかを確認してください。
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よくある質問
DroneCAN BMSは、固有の128ビットMCU UUIDに基づいた自動ノードID割り当てアルゴリズムを使用します。複数のBMSユニットが同じCANバスに接続されると、フライトコントローラは起動時に固有のノードIDを割り当てます。DroneCAN GUIツールを使用して、静的ノードIDをロックすることもできます。
モーター電流の急激な上昇は、バッテリーのマイナス端子とフライトコントローラーのグランド間でグランドバウンスを引き起こします。絶縁型CANトランシーバーは、最大2.5kV RMSの信号線を絶縁し、グランドループによるフライトコントローラーの電子部品の焼損を防ぎます。
DroneCANは、現在のArduPilotおよびPX4リリースでネイティブにサポートされている成熟した標準規格です。Cyphalは、複雑な分散ネットワーク向けに設計された新しい仕様です。現在、市販のCANバッテリーハードウェアの90%以上がDroneCANで動作しています。
セット バッテリーモニター = 8 ミッションプランナーで（DroneCAN）を有効にします。 CAN_P1_DRIVER = 1 そして CAN_D1_PROTOCOL = 1フライトコントローラーを再起動すると、バッテリーテレメトリの受信が自動的に開始されます。
産業用UAVCAN BMSは、メインパワーMOSFETを遮断する代わりに、テレメトリフレーム内に低電圧警告フラグを設定します。フライトコントローラはこのフラグを読み取り、自動的な離陸地点復帰（RTL）手順を開始します。
プリチャージ回路は、初期電力を電流制限抵抗を通して50～100ミリ秒間供給します。これにより、メインパワーMOSFETが閉じる前にESC入力コンデンサを安全に充電し、接触による火花損傷を防ぎます。
はい。DroneCAN規格への準拠には、ブートローダーのサポートが含まれています。エンジニアは、USB-CANアダプタとDroneCAN GUIツールを使用して、2線式CANバス経由でBMSファームウェアをアップデートできます。
当社のエンジニアにご相談ください
AYAA TECHの技術エンジニアリングチームにお問い合わせください。参考文献
- DroneCANプロトコル仕様: uavcan.equipment.power.BatteryInfo メッセージ定義
- ArduPilot開発ドキュメント: DroneCAN セットアップとバッテリーモニターの設定 (
バッテリーモニター = 8） - PX4オートパイロットユーザーガイド: DroneCANバスと電源システムの統合
- NXPセミコンダクターズ リファレンスデザイン: RDDRONE-BMS772：自動車および産業用UAVバッテリー管理システムリファレンス設計仕様
- ISO 11898-2規格: 道路車両 ― コントローラエリアネットワーク（CAN） ― パート2：高速中速アクセスユニット国際標準化機構。
- 国連試験基準マニュアル: 第38.3項：リチウム金属電池およびリチウムイオン電池の輸送国連危険物輸送勧告。