バッテリー管理システム : バッテリーの化学的性質がバッテリーチャージャICの選択に与える影響

PDFのダウンロード

Tweet this article

Share this article

Share this article

役立つ情報を毎月お届けします

購読する

プライバシーを尊重します

リチウムイオン (Li-Ion) 電池

リチウムイオン電池はラップトップ、電動自転車、電気自動車 (EV)、スマートフォンなどのデバイスで一般的に使用されています。これらのバッテリーは、高いエネルギー密度、長い寿命を提供し、充電の合間での寿命をさらに長くする低い放電率を持っています。

リチウムイオン電池が充電されると、リチウムイオンがカソードからアノードに流れます (図1参照)。カソードはリチウム化合物で作られたバッテリーのプラス極であり、アノードはバッテリーのマイナス極であり、通常は炭素で作られています。これらのバッテリーがデバイスに電力を供給しているときに放電すると、逆のことが起こり、リチウムイオンがアノードからカソードに流れます。

図1 : バッテリーの充電 / 放電の概略図

リチウムイオン電池の使用にはいくつかの欠点があります。過充電または過放電すると、性能が低下する可能性があります。極端な温度条件下では、爆発や発火する可能性があり、潜在的に危険です。

リチウムイオンバッテリーチャージャ

リチウムイオンバッテリーチャージャICは、リチウムイオン電池を充電して再利用できるように設計されています。リチウムイオンチャージャは、電流、電圧、温度をモニタして充電プロセスを調整できます。リチウムイオン電池チャージャICには、次のような複数の充電フェーズがあります。

1. トリクル充電 : この段階は通常、バッテリーが深く放電しているか接続されていない場合など、バッテリー電圧 (V_BATT) が低い場合に使用されます。トリクル充電中、チャージャICは小さな電流を供給してバッテリーパックのキャパシタンスを充電します。
2. プリチャージ : この段階では、チャージャICはバッテリーをゆっくりと充電し始めるので、V_BATTは安全な速度でゆっくりと上昇します。
3. 定電流 (CC) 充電 : CC充電は急速充電とも呼ばれ、バッテリーがより大きな電流を安全に処理できる場合です。この段階はV_BATTがフルまたはフローティング電圧に達するまで続きます。
4. 定電圧 (CV) 充電 : この段階では安全な動作が保証されます。チャージャICは、CC充電中のV_BATTをモニタし、V_BATTがパック内のバッテリーセル電圧を超えると、CV充電に切り替わります。
5. 充電終了 : 充電終了は充電が完了したことを示し、V_BATTが減衰し始めます。

図2は、バッテリーチャージャの充電プロファイルを示しています。

図2 : バッテリー充電プロファイル

この充電プロファイルは、本稿に記載されているすべてのバッテリー化学物質およびバッテリーチャージャICを含む、他の種類のバッテリーにも実装できます。

リチウムイオンチャージャICやその他のリチウム関連チャージャには、過電圧保護 (OVP)、短絡保護 (SCP)、バッテリー電圧保護などの保護機能が組み込まれている場合が多くあります。さらに、設定可能な保護しきい値、制限、および値を備えている場合があるため、幅広い BMSアプリケーションに対応できます。

スマートウォッチ、ゲームコントローラ、ドローンとモバイル販売時点管理システム (POS) などのポータブルアプリケーションで使用できる1セルのスイッチングチャージャであるMP2770について考えてみましょう。入力が存在する場合、MP2770は充電モードで動作し、V_BATTを使用して、プリチャージ、CCチャージ、CVチャージの3つのモードのどれかで充電を行います。入力がない場合、MP2770は昇圧モードで動作し、バッテリーから電力を供給できます。

MP2770は、特に、入力電圧(V_IN)、V_BATT、システム電圧 (V_SYS)、およびバッテリー電流 (I_BATT) をモニタできる8ビットのアナログ・デジタル コンバータ (ADC) を統合しています。入力電流制限 (I_{IN_LIMIT})、昇圧電圧 (V_BST)、および保護しきい値などの追加パラメータを柔軟に使用できるように設定できます。

MP2770は省スペースのQFN-18 (3mm x 4mm) パッケージで提供され、システム電力パス管理を提供して、高度に統合されたバッテリー管理システムソリューションを完成させます (図3参照)。

図3 : MP2770の代表的なアプリケーション回路

バッテリーチャージャICに加えて、リチウムイオンおよびその他のリチウム関連バッテリーも、1つのシステム内に接続された複数のバッテリーを含むバッテリーパックの一部として使用できます。このシナリオでは、バッテリーパックとそのバッテリー管理システムは電池残量計とバッテリープロテクタとモニタから利益を得ることができます。

電池残量計 (MPF42791とMPF42793など) がバッテリーモニタ (MP2790とMP2797など) と連携して、充電を最適化し、電流検出抵抗器、個々のセル間のセルバランス、バッテリーの充電状態を伝えるための充電状態 (SOC) モニタリングなど、BMSの他の必要な部品を統合することにより、バッテリーの寿命を延ばすことができます。

リン酸鉄リチウム (LFP) 電池

LFP電池はリチウムイオン電池の一種で、プラス極の材料がニッケルマンガンコバルト (NMC) やニッケルカドミウム (Ni-Cd) ではなくリン酸鉄で構成されています。LFPバッテリーは、リチウムイオンバッテリーよりもエネルギー密度と電力密度が低いため、通常、スペースに制約のある用途では非常に高価になります。このため、動力工具、電動自転車、ラップトップ、その他の低電圧バッテリーアプリケーションではあまり一般的ではありません。さらに、LFPバッテリーは出力電圧 (V_OUT) が低いため、電源設計が複雑になったり、最低電圧要件を満たすためにリチウムイオン電池よりも多くのセルを直列に接続する必要が生じたりする場合があります。

LFPバッテリーには明確な利点もあります。これらは低コストであり、安全性を確保するために幅広い温度で安定しており、他の種類のバッテリーよりも長いライフサイクルを提供するため、より多くの充放電サイクルに耐えることができます。これらの利点と性能の着実な向上により、LFPは低電圧アプリケーションでの人気が高まると考えられます。

LFPチャージャ

LFPチャージャICは、CC充電、CV充電、充電終了など、リチウムイオンチャージャと同様の一連の段階を踏みます。これらのチャージャICは電圧を調整することが多いため、バッテリー管理システムでのLFPバッテリーの実装を簡素化でき、USBポートやソーラーパネルからバッテリーに電力を供給できるようになります。

MP2652は動力工具アプリケーションに推奨される昇降圧チャージャで、2セル～5セルの直列バッテリー用に設計されています (図4参照)。安全な電圧を保証するために、MP2652は入力電力 (P_IN) ソースでの過負荷を防ぐV_IN制限を備えています。さらに、統合された10ビットのアナログ・デジタル コンバータ (ADC) は、充電モードおよびソースモード中のモニタリングを提供します。

図4 : MP2652の代表的なアプリケーション回路

MP2759は、産業用医療機器で使用できるもう1つの昇降圧チャージャです。1セル～6セルまでの直列バッテリーパック向けに設計されており、最大36V DCのV_INで動作します。また、外部スイッチを使用してバッテリーを確実に充電するためのOR電力パス管理を備えています (図5参照)。

図5 : OR電力パス管理を備えたMP2759

入力電源が存在する場合、MP2759Aはトリクル充電、プリチャージ、CC充電、CV充電の4段階でバッテリーを充電します。保護機能には、バッテリーOVP、サーマルシャットダウン、充電安全タイマーが含まれます。ステータスピンは電源と動作ステータスを示し、可視性が向上します MP2759AはMP2759に似ていますが、狭いマイナスの温度係数 (NTC) ウィンドウを提供します。

リチウムポリマー

リチウムポリマーバッテリーは通常、スマートフォン、タブレット、 ウェアラブルガジェットなどのポータブル機器で使用されます。薄くて軽量で、さまざまなアプリケーションに合わせてさまざまな形状やサイズが揃っています。

リチウムポリマー電池のアノードとカソードはリチウムイオン電池と似ていすが、リチウムイオンがアノードとカソードの間を流れることを可能にする電解質は異なります。リチウムポリマーバッテリーは固体ポリマー電解質を利用しているため、柔軟になり、軽量化に貢献します。

リチウムイオンポリマーバッテリーは、自己放電率が低く、エネルギー密度が高いため、蓄えられたエネルギーを維持し、電池寿命を長くすることができます。ただし、これらのバッテリーに物理的ダメージがあったり、過充電または放電したりすると、バッテリーが膨張したり、発火したりする可能性があります。また、リチウムポリマーバッテリーはあまり標準化されていないため、異なるデバイス間で常に使用できるわけではありません。

リチウムポリマーチャージャ

リチウムポリマーチャージャICは、リチウムイオンチャージャICとLFPチャージャICの両方と同様に機能します。同じ充電プロファイルに従うだけでなく、電圧と電流の調整、安全保護、過充電や過熱を防ぐスマートな充電アルゴリズムなどの利点もあります。これらの機能により、リチウムポリマーバッテリーの寿命が最大限に延長されます。

リチウムイオンバッテリーと互換性のあるチャージャは、MP2770、MP2652、MP2759などのリチウムポリマーバッテリーとも互換性があります。

ニッケル水素 (NiMH) 電池

ニッケル水素電池はデジタルカメラやポータブル動力工具に使用される傾向があります。ポータブル機器に入れて使用し、その後捨てる標準的な電池とは異なり、ニッケル水素電池は充電して再利用できます。

NiMHバッテリーのカソードはニッケルベースで、アノードは通常、水素を吸収する合金です。また、アノードとカソード間のイオンの流れを促進するためにアルカリ電解液も使用します。

NiMHバッテリーはエネルギー密度が高く、自己放電率が低いため、長期間使用しなくても充電量を保持できます。ただし、供給電圧はセルあたり1.2Vであるため、使用できるアプリケーションは限られており、不完全な充電または放電サイクルは最適な充電と放電の能力に悪影響を与える可能性があります。

ニッケル水素チャージャ

NiMHバッテリーは、Li関連のバッテリーとはまったく異なるバッテリー化学的性質を持っていますが、そのチャージャICはすべてのチャージャの基本的なルールに従います。つまり、バッテリーとバッテリーチャージャに多数の保護を提供し、パラメータのモニタリングと設定を実装しています。NiMHチャージャはV_BATTの変化も追跡し、充電プロセスを調整します。

MP270xシリーズ (MP2700、MP2702とMP2703を含む) は、 2セル～6セルのNiMHバッテリーで動作できるリニアバッテリー充電器のファミリです。各チャージャは最大26Vの持続可能な電圧を備えており、トリクル充電、プリチャージ、CC急速充電、およびCV充電の4フェーズでバッテリーを充電できます。

アプリケーションのニーズに応じて、PINモニタリング (MP2702およびMP2703)、充電ステータス表示 (MP270xファミリ)、チップ全体 (MP2702) をイネーブルにするイネーブル (EN) ピンなど、アプリケーションに合わせてチャージャを選択できます。メモリの選択を使用して、入力電流制限 (I_{IN_LIM})、最小V_IN制限およびバッテリーのフル電圧などのパラメータを設定するために使用できます。図6は、MP2702の代表的なアプリケーション回路を示します。

図6 : MP2702の代表的なアプリケーション回路

結論

バッテリー駆動デバイスは、世界と交流する方法を変えました。デバイスの充電方法は、デバイスの機能と永続的な使用に不可欠です。本稿では、バッテリーの化学的性質と、これらの化学的性質が低電圧システムのバッテリー管理システム (BMS) に与える影響について説明しました。

バッテリーは共通の充電プロファイルに従いますが、個々の化学的により代表的なアプリケーションが変わる可能性があり、安全性と効率を確保するには互換性のあるチャージャが必要です。同じバッテリー化学反応を充電するバッテリーチャージャであっても、動力工具に最適なMP2652と医療機器に適したMP2759Aなどの異なるアプリケーションに適している場合があります。

MPSは、ほぼすべてのアプリケーションに実装できるリニアバッテリーチャージャと3個以上の直列チャージャなど、バッテリーチャージャICの広範囲なポートフォリオを提供しています。 バッテリーパック内のバッテリーのために、電池残量計とバッテリープロテクタとモニタはBMS全体を最適化するための追加の保護と機能を提供します。

_______________________

興味のある内容でしたか? お役に立つ情報をメールでお届けします。今すぐ登録を!