MPF4279xシリーズによる正確な充電状態の判断 (パートI)
はじめに
バッテリ性能の劇的向上により、アプリケーションは、エネルギー供給にますますバッテリパックを利用するようになっています。バッテリ管理システム (BMS) で、設計者はバッテリの充電状態 (SoC) を正確に推定するという課題に直面します。SoCはバッテリの容量に対する充電レベルです。
SoCは通常、0％〜100％の間のパーセンテージとして表されます。バッテリは、SoC=0％で完全に放電され、SoC= 100％で完全に充電されます。SoCは、携帯電話、スマートウォッチ、電気自動車などの日常テクノロジの電力を計算するのに役立ちます。ただし、SoCでの推定誤差は、バッテリの複雑な化学的特性が原因で発生します。
本稿は、SoCの推定について説明する2部構成シリーズの最初の記事です。パートIでは、SoC推定でのバッテリ条件の複雑なアプリケーションと、SoCを推定する1つの方法を説明します。パートIIでは、その他の方法とMPF4279xについて説明します。
SoC推定の課題
放電中にバッテリ電圧が特定のしきい値を下回ると、バッテリは空であると見なされます。バッテリは、一定の電圧に充電され、特定のしきい値内の電流にある場合に、完全に充電されたと見なされます。バッテリが放電から充電に移行するとき、バッテリの容量はいくつかの要因によって変化する可能性があります。
バッテリの内部抵抗により、充電と放電の速度が異なり、結果として容量が異なります。バッテリは、独特の温度状態特性を持つさまざまな材料で作られる場合があります。図1はさまざまな放電電流規模でのバッテリ電圧を示します。
図1 : バッテリ容量vs.放電率
特に、低温ではバッテリ性能の低下が見られます。図2は、広い温度幅でのバッテリ容量を示しています。
図2 : バッテリ容量vs.温度
バッテリの寿命特性も、バッテリ容量に影響します。通常、バッテリの寿命は使用中に徐々に低下します。この低下は、主にプラスおよびマイナスの材料の劣化と電極の不働態化に起因する場合があり、これにより有効なリチウムイオンが失われます。さらに、総電力は、寿命の始まり (BOL) から寿命の終わり (EOL) まで変化します。これは、SoCを計算する際に、BOLでの総容量または現在のライフサイクルでの実際の総容量を考慮することが重要であるということです。
変化するバッテリ容量に加えて、各セルのSoC状態は、バッテリパック全体のSoC推定値に影響を与えます。複数のバッテリを直列に接続すると、バッテリ電圧がアンバランスになる可能性があります。
SoCアルゴリズムの概要
SoCを計算するには、開回路電圧 (OCV)、アンペア時間の積分、および電圧 - 電流ハイブリッド方式の3つの主要な方法があります。本稿では最初の方法について説明し、残りの方法についてはパートIIで説明します。
開回路電圧 (OCV) 方式
OCV方式は、バッテリのOCVとバッテリ内部のリチウムイオン濃度の変化に基づく、最も古いバッテリ容量試験方法の1つです。これは、OCVとSoCの間の単調な増加関係を反映しています。
OCV法は単純で便利ですが、精度は高くなく、バッテリが長時間休止している場合にのみSoCを適切に推定できます。電流がバッテリを流れるとき、バッテリの内部抵抗によって発生する電圧降下は、SoCの推定精度に影響を与えます。同時に、リン酸鉄リチウム電池のようなバッテリは、バッテリ安定状態を持つかもしれません。SoCが30％～80％の場合、端子電圧とSoCの関係は比較的直線であり、SoC推定の誤差が増幅されます (図3参照)。
図3 : リチウム電池OCVとSoCの関係
これらの問題に対処するために、設計者は、バッテリの内部抵抗を組み込むことで、OCVを修正し、正確にOCVを補足しました。電流がバッテリを流れるとき、負荷の下での電圧は、OCVから実際に測定されたバッテリ側の電圧降下 (I x Rから) を差し引くことによって修正されます。推定SoC (V) Fは、式 (1) で計算できます。
$$V = OCV - I \times\ R(SoC, T)$$ここで、OCVは開回路電圧、Iは印加電流、Rは等価直列抵抗であり、SoCと温度 (T) に依存します。この式で、プラスの電流が放電に使用され、マイナスの電流が充電に使用されます。
内部抵抗補償を使用することで、SoC推定の精度が向上します。ただし、実際のアプリケーションでは複雑な電気化学的特性により、バッテリ電圧が負荷の変化にすぐには応答できません。この遅延は、ミリ秒から数千秒の範囲の時定数に関連しています。バッテリの内部インピーダンスもさまざまな条件下で大幅に変化します。つまり、正確なSoC推定値は、正確なインピーダンス推定値に依存するということです。
結論
本稿では、SoC推定の概念と、正確なSoCを取得する際の課題について説明しました。また、SoC推定方法の1つについても説明しました。パートIIでは、その他の2つの方法について拡張し、SoCを正確に測定する上でのMPF4279xシリーズを使用するメリットについて説明します。
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