バッテリーの特性がバッテリー管理に与える影響

本稿では、バッテリーセルの性能、動作、制限、およびアプリケーションに影響を与えるバッテリーセルの重要な物理的および電気的特性のいくつかについて簡単な概要を説明します。特に、本稿ではバッテリーの化学的構造、電圧、電流、容量、エネルギー密度、電力密度といったいくつかの重要なパラメータに重点を置きます (図2参照)。ソリューションを作成するときに設計者が従わなければならない仕様を作成することによって、これらすべての要因がバッテリー管理システム (BMS) に影響を与えます。

図2 : BMSに影響を与える要因

バッテリーの化学的構造

各バッテリーの種類には、BMSがバッテリーパックをモニタおよび保護する方法に影響を与える独特な特性があるため、BMSを設計する際にはバッテリーの化学的構造が重要です。アプリケーションが異なれば、サイズ、電力、安全性、信頼性、寿命、コストについての要件も異なります。これにより、特定の化学性質が特定のアプリケーションにとってより適したものになります。

バッテリーの化学的構造によって、電圧、電流、温度、抵抗、容量などの制限や最適な条件に加えて、バッテリーセルの電圧も決まります。たとえば、鉛蓄電池の公称電圧は2.2Vですが、リチウムイオン電池の公称電圧は約3.7Vです。さらに、バッテリーの化学的構造が最適な充電方法と充電器ICの選択に影響を与える可能性があります。

いくつかのバッテリーの化学的構造とその一般的なアプリケーションを以下に示します。

1. リチウムイオン (Li-ion) : リチウムイオン電池は、エネルギー密度が高く、2,000回以上再充電できるため、携帯電子機器で一般的に使用されています。ただし、リチウムイオン電池は適切に設計または管理されていない場合、急速に劣化し、発火する可能性さえあります。
2. 鉛酸 : 鉛蓄電池はリチウムイオン電池よりも安全であるため、車両やバックアップ電源システムで一般的に使用されています。ただし、鉛蓄電池はエネルギー密度が低く、通常は200～300サイクル再充電が可能です。
3. ニッケル水素 (NiMH) : NiMH電池は、鉛蓄電池やNiCd電池と比べてエネルギー密度が比較的高く、安全な性能を備えているため、ハイブリッド車に使用されています。ニッケル水素電池は最大500回しか充電できません。
4. ニッケルカドミウム (NiCd) : NiCd電池は、その安全性から動力工具、カメラ、リモコン、医療機器などに使用されています。鉛蓄電池と同様に、NiCd電池はエネルギー密度が低くなりますが、最大1,000回再充電できます。

表1は、これらのバッテリーの化学的構造をまとめたものです。

表1 : バッテリーの化学的構造概要

化学的構造	アプリケーション	利点	短所
リチウムイオン (Li-Ion)	電話 ラップトップ 電気自動車	高いエネルギー密度 低い自己放電	保護回路が必要 高温に敏感
鉛酸	車のエンジン バックアップ電源	高い費用対効果 広い温度範囲で動作可能	限られたライフサイクル メンテナンスが必要
ニッケル水素 (NiMH)	ラップトップ 電話 ハイブリッドカー	高い比エネルギー	高い自己放電
ニッケルカドミウム (NiCd)	動力工具 カメラ 医療機器	耐久性がある 低温下でも優れた性能を発揮	低い比エネルギー

バッテリーパック電圧 (V_BATT) とバッテリーパック電流 (I_BATT)

バッテリーセル電圧 (V_CELL) は、バッテリーの端子 (カソードとアノード) 間に生じる電位差を指します。同様に、バッテリーセル電流 (V_CELL) は、個々のバッテリーセルによって生成可能な連続電流を指します。

セルの電圧と電流は、容量に対するバッテリーのエネルギーの尺度である充電状態 (SOC) など、基本的なセルの状態を評価する際の重要なパラメータです。このため、バッテリーセルの電圧と電流の測定はバッテリー管理システムの重要な要件です。

バッテリーパックとは、最終アプリケーションのエネルギーと電力のニーズを満たすために組み合わされたバッテリーセルのグループを指します。特定のバッテリーセルの場合、最初のステップは、必要な電流と電圧を提供するために必要なセルの組み合わせと構成を決定することです。

単一のバッテリーセルで供給できるよりも多くの電流を必要とするアプリケーションの場合、複数のバッテリーセルを並列に接続して、バッテリーパック全体の電流容量 (I_BATT) を増やすことができます。I_BATTは、式 (1) で推定できます :

$$I_{BATT} = I_{CELL} \times P$$

ここで、Pは並列セルの数です。

セルを並列に組み合わせると、電流容量のみが増加します。電圧は単一セルの場合と同じままです。単一のバッテリーセルで供給できるよりも多くの電圧を必要とするアプリケーションの場合、バッテリーセルを直列に接続してシステムの総バッテリー電圧 (V_BATT) を高くすることができます。V_BATTは、式 (2) で推定できます :

$$V_{BATT} = V_{CELL} \times S$$

ここで、Sは直列に接続されたセルの数です。

バッテリーパックを構成するセルの組み合わせグループは、通常、SsPp形式の直列セルと並列セルの数で表されます。たとえば、5s2pパックは、2つの並列セル (2p) を5つ直列 (5s) に組み合わせたパック構成を指します (図3参照)。

図3 : 5s2pバッテリーバック

パック全体に同じ電流が流れるため、直列の各段で同じ数の並列セルが必要になりますのでご注意ください。

バッテリー容量と電力

バッテリーセルの容量とは、バッテリーが貯蔵および供給できる電気エネルギーの量を指します。バッテリーセル容量はワットアワー (Wh) で指定でき、式 (3) で推定されます。

$$CAPACITY_{CELL} = V_{CELL} \times I_{CELL} \times Runtime$$

容量は通常、アンペアアワー (Ah) として簡略化されます。ここで、V_CELLは特定のセルに基づいて仮定されます。

簡略化するために、バッテリーパックの容量は、パック内のセル (直列と並列の両方) の総数に単一セルの容量を乗算して求めることができます。すべてのバッテリーセルが指定された制限 (温度や電流制限など) 内で動作する限り、高容量のパックは低容量のパックよりも長い実行時間を実現します。

システムのサイズとコストを最小限に抑えるには、バッテリー内の利用可能な容量を最大限に活用できることが重要です。バッテリーパックの全容量を活用するために、BMSはSOCや健全性 (SOH) などのバッテリーの主要な特性をモニタします。BMSの精度は、バッテリーの利用可能な容量、安全性、ライフサイクルの間で直接のトレードオフをもたらします。BMSは、バッテリーが最大限に動作することを保証すると同時に、バッテリーが早期に劣化するか安全でなくなるような状態で動作できないようにする責任があります。

時間の経過とともに、すべてのバッテリー容量が減少します。さらに、バッテリーの過充電または過放電により、容量が低下する可能性があります。携帯電話を例として考えてみましょう。携帯電話を過充電または過放電すると、時間の経過とともにバッテリーの容量が減少します。このため、携帯電話のバッテリーを0%まで放電させたり、100%まで充電したりしないことをお勧めします。

電力と現実世界の例

バッテリーパックの利用可能な出力電力 (P_OUT) はバッテリーパックの容量と密接に関係しています。より高いP_OUTは、パックがより多くの電力を供給し、受信デバイスをより迅速に充電できることを意味します。

バッテリーパックの電圧と電流によって、利用可能なP_OUTの量が決まり、式(4)で推定できます。

$$P_{OUT} = V_{BATT} \times I_{BATT}$$

この式から、V_BATTまたはI_BATTを増加させることで、パックのP_OUTの能力を高めることができることがわかります。これは、アプリケーションの電力需要を考慮する際に重要です。たとえば、スマートフォンのバッテリーは通常、適度な電力需要で3.7V～4.4Vを必要とし、ラップトップの場合は通常、はるかに高い電力需要で12V～15Vを必要とします。

288Wの電力を供給する必要があるポータブルヒータ内のバッテリーパックを考えてみましょう。このヒータは、最大4A、最小3.6Vを供給するリチウムイオン電池セルで構築されています。各セルは14.4W (4A x 3.6V) の電力を供給できます。288Wを必要とするヒータの場合、バッテリーパックには次のものが必要です。

• 20個のセルを直列に接続。20個のセルが直列である場合、V_BATTは72V (3.6V x 20) になる。これにより288W (72V x 4A)のP_OUT要件を実現する。
• 20個のセルを並列接続。20 個のセルが並列である場合、I_BATTは80A (4A x 20) となり、288W (80A x 3.6V) のP_OUT要件を実現する。

どちらの構成も288Wを供給できますが、パックの電圧が増加したときの安全性や、電流の増加に伴うケーブルとコネクタの抵抗でのエネルギー損失など、考慮すべき重要なトレードオフがあります。

バッテリーは高価であり、最終製品のサイズと重量に大きく影響するため、電力とエネルギーの目標を達成するためにパックに追加のセルを単に追加するだけでは現実的ではありません。代わりに、設計者はアプリケーションに最適なセル構成を決定する必要があります。

エネルギー密度と電力密度

エネルギー密度とは、単位体積当たりバッテリーから供給できるエネルギー量を指します。エネルギー密度が高いバッテリーは、エネルギー密度が低いバッテリーよりも機器をより長く動作させることができます。

電力密度とは、バッテリーから供給できる連続電力とピーク電力の量を指します。電力密度が高いバッテリーは、電力密度が低いバッテリーよりも多くの電力を供給できます。エネルギーと電力密度はバッテリー管理システムに直接影響しませんが、システムに電力を供給するために必要な直列セルと並列セルの総数など、BMSに影響を与える他の要素を決定する場合には重要な考慮事項になります。

エネルギーと電力密度は、バッテリーの物理的なサイズと重量に大きな影響を与える可能性があります。これは、モバイルアプリケーションやポータブルアプリケーションなどで重要な考慮事項になることがよくあります。より高エネルギーで電力密度の高いバッテリーは小型軽量設計を実現するための鍵になります。たとえば、ドローンは通常、飛行時間を長くするために高いエネルギー密度と揚力のための電力密度の両方が必要です。この機能は鉛蓄電池では実現できません。

一般に、エネルギー密度と出力密度が高いバッテリーは、適切に扱わないと熱暴走や爆発の可能性が高くなります。リチウムイオン電池には非常に高いエネルギーと電力密度をもつため、慎重に取り扱う必要があります。これは、適切な動作を保証するために、バッテリーモニタとプロテクタデバイスによって一般的に処理されるバッテリーパック内のすべてのバッテリーセルを慎重にモニタする必要があるという意味です。

バッテリーモニタリング

高精度のバッテリーモニタおよび保護装置であるMP2797について考えてみましょう (図3参照)。このデバイスは、7セルから最大16セルに対応する、複数セルの直列バッテリーパック用に設計された完全なアナログフロントエンド (AFE) ソリューションを提供します。MP2797は、過電圧保護 (OVP)、短絡保護 (SCP)、低電圧保護 (UVP)、および高温 / 低温保護を提供し、直列に接続された個々のセルの安全性と信頼性を確保します。これらの保護には、設定可能なしきい値も備わっています。

図4 : MP2797の代表的なアプリケーション回路

MP2797は、2つの独立したアナログデジタルコンバータ (ADC) を統合しています。1つ目は各セルの電圧と温度を測定し、2つ目は充電を最適化してバッテリーの寿命を延ばすために充放電電流を測定します。内部のステートマシンはADCと連携して、セルがしきい値に従って安全動作領域 (SOA) 内で動作することを保証します。最後に、バランシングMOSFETによってセル電圧が均等化され、バッテリーのストレスを防ぎます。

これらの堅牢な保護により、MP2797 は、電力網などの高エネルギー源を補うためにバッテリーから電気エネルギーを供給するエネルギー貯蔵システム(ESS)に最適です。MP2797を使用すると、余剰エネルギーを蓄え、各バッテリーセルの状態をモニタし、リアルタイムでステータス情報を提供するESS用のBMSを作りだすことが可能になります。

バッテリーの充電

安全な温度幅を維持することに加えて、バッテリーチャージャICを使用することができ、充放電サイクルを制御することでバッテリー容量を維持します。MP2710は、システムへの継続的な電力供給を保証するパワーパス管理 (PPM) を備えたリチウムイオンバッテリーチャージャです (図4参照)。これは、ACアダプタまたはUSBポートから電力を得ることで実現されます。

図5 : MP2710のPPM

バッテリーの過放電を防ぐために、MP2710は設定可能なバッテリー低電圧誤動作防止機能 (UVLO) を備えており、V_BATTがUVLOしきい値を下回った場合にシステムとバッテリー間の経路を遮断します。過度の高電流からバッテリーを保護するために、MP2710は短絡保護 (SCP) を備えており、入力からシステムへの電流とバッテリーからシステムへの電流を制限します。

さらに、MP2710は、プリチャージ、定電流 (CC) 高速充電、定電圧 (CV) 充電、充電終了、自動再充電を含む充電プロファイルを通じて電流と電圧を調整します。MP2710は、バッテリーの電圧と電流に応じてこれらのフェーズ間をインテリジェントに循環させることで、バッテリーを損傷から保護し、寿命を延ばすことができます。

結論

バッテリーには、BMSでの使用方法に影響を与える無数の特性があります。本稿では、バッテリーの化学的構造、バッテリー電圧、バッテリー電流、バッテリー容量、バッテリーエネルギー密度、バッテリー電力密度について紹介しました。これらの特性は、使用するチャージャとコントローラを決定したり、特定の保護機能を必要としたり、より大きなP_OUT (およびより速い充電時間) を提供したりすることによって、バッテリー管理システムに影響を与えます。

バッテリー管理システムは、バッテリーの選択に加えて、 バッテリーとシステムの両方を有害な状況から保護するバッテリープロテクタとモニタだけでなく、バッテリーの長寿命化に貢献するバッテリーチャージャICから利益を得ることができます。MPSのこれらの部品の堅牢な製品ラインアップは、さまざまな種類のバッテリーで動作し、あらゆるシステムを最適化します。

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