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抵抗、温度、充電動作がバッテリーのSOCとSOHに与える影響

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はじめに

バッテリーの充電状態 (SOC) と健全性 (SOH) は、新品の時と比較してバッテリーの利用できる容量と、バッテリー性能がどの程度になっているかを判断するために推定の必要がある重要な要素です。これは、バッテリーが突然停止したり故障したりすると、事故につながる可能性がある電動スクータのようなアプリケーションでは特に重要です。

本稿では、バッテリーのSOCとSOHについて紹介し、SOCとSOHに影響を与える可能性がある3つの要素、つまり内部抵抗、温度、充放電動作について説明します。連携して完全なBMSソリューションを提供し、高精度のSOCおよびSOH推定値を提供して予期せぬ障害を防ぐことができるMPSの電池残量計とバッテリープロテクタとモニタについても検討します。

バッテリーの充電状態 (SOC)

バッテリーのSOCは、フル充電容量に対してどのくらいの容量が利用可能かを測定します。SOCはパーセンテージであり、ユーザーがいつバッテリーを充電する必要があるかを判断するのに役立ちます。

SOCの幅は0% (完全放電) から100% (完全充電) です。バッテリーのSOCが20%の場合、バッテリーの充電量は約20%残っており、80%が放電されていることを意味します。

安全性と信頼できる動作を保障するためにSOCを正確に推定できることが重要で、特に追加の安全対策が必要なアプリケーション (例 : 高電圧エネルギー貯蔵と電動自転車など) で重要です。SOCの推定は、使用する方法に応じて、電圧、電流、および温度を測定することで実現できます。MPSの混合モードアルゴリズムについては本稿で後ほど説明します。

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バッテリーの健全性 (SOH)

バッテリーのSOHは、バッテリーが新品の時と比較してどの程度良好に機能しているかを示し、ユーザーはバッテリーの機能を時間の経過とともに評価し、交換時期を判断することができます。SOCと同様に、SOHはパーセンテージで表されます。100%はバッテリーが公称容量を保存できることを示し、パーセンテージが低い場合はバッテリーが古くなり、定格容量よりも少ない電荷しか保存できないことを示します。

SOCとSOHに影響を与える要因

本稿の次のいくつかのセクションでは、バッテリーのSOCとSOHに影響を与える可能性のあるいくつかの重要な要因に焦点を当てますが、SOC、SOH、またはその両方に影響を与える可能性のある要因は他にもたくさんあります。

内部抵抗

内部抵抗は、エネルギー損失、熱放散の増加、高電圧降下を引き起こし、時間の経過とともにバッテリー全体の利用可能な容量を減少させ、バッテリーの性能に影響を与えます。内部抵抗が高くなると、通常、電力能力が低下し、SOHの劣化が速くなります。

すべてのバッテリーには内部抵抗があり、バッテリーに電流が流れるとバッテリー端子間に電圧降下が発生します。内部抵抗が高くなると、時間の経過とともにバッテリーの性能と寿命が低下します。これは、高品質の材料を使用し、バッテリー構造を最適化することで内部抵抗を最小限に抑えるように設計者を促します。

電圧、電流、抵抗の関係により、抵抗が大きいほど電圧降下が大きくなることになります。つまり、バッテリーが電圧制限に達して、受電デバイスで利用できるエネルギーが少なくなるかもしれません。内部抵抗が高くなると発熱も多くなり、バッテリーの性能や寿命に悪影響を与える可能性があります。この発熱量の増加により、短期的および長期的にバッテリー効率が低下します。

動作温度

温度はバッテリー性能にさまざまな影響を与えます。つまり、バッテリーが過度の低温または高温で動作しないように、バッテリーを適切に保管および使用することが重要です。温度が低いと抵抗が増加し、その後利用可能な容量が減少するため、バッテリーの性能が低下します。さらに、低温でバッテリーを充電すると、リチウムメッキを生じ、バッテリー容量が低下し、内部短絡状態が発生する可能性もあります。ただし、温度が低いほど他の劣化メカニズムが遅くなるため、保管されている (または未使用の) バッテリーにとっては有益です。

高温では内部抵抗が低くなり、電圧降下が少なくなるため、バッテリーの利用可能な容量が最大化され、バッテリー性能が向上します。ただし、バッテリーは温度が高くなると劣化が早くなります。さらに、高温によりバッテリーが損傷し火災が発生したり、バッテリーによっては爆発が発生したりする可能性があります。

バッテリーのSOCを推定するときは、温度依存のダイナミクス (開回路電圧やインピーダンスなど) を考慮する必要があります。考慮しないと、推定結果が不正確になる可能性があります。これにより、ユーザーエクスペリエンスが低下したり、誤った操作が発生したりする可能性があります。

表1は、バッテリー温度に関するさまざまなトレードオフを示しています。

表1 : 温度のトレードオフ

高い温度 低い温度
低い内部抵抗 高い内部抵抗
電圧降下の低減 電圧降下の増加
高い利用可能容量 利用可能な容量の減少
自己放電の加速 遅い自己放電
早い劣化 リチウムメッキのリスク

電動自転車や医療機器など、バッテリーを使用する多くのデバイスでは、バッテリーの存続期間にわたり、広範な動作温度で正確なSOCとSOHを推定する必要があります。そうしないと、最終顧客はバッテリーの早期シャットダウン、劣化の加速、および性能の低下を経験する可能性があります。

バッテリーの全体的性能は、バッテリー管理システム (BMS) であるMPF42791のような電池残量計を搭載することによって改善できます。このデバイスには、優れた精度を提供する温度依存性の高い忠実度の数学モデルが組み込まれており、バッテリーの抵抗と容量を推定して経年劣化を追跡し、バッテリーの寿命全体にわたって精度を維持できます。

放電、充電、自己放電

バッテリーは充電と放電が可能で、その速度はSOCとSOHに影響します。たとえば、バッテリーが過充電または極度に放電した場合、バッテリー全体の容量が永久に低下する可能性があります。

MP2703およびMP2710のような多くのバッテリーチャージャは、バッテリーが安全な制限内で安全に放電および充電することを保証するために使用できますが、モニタリングおよび保護デバイスは後で説明する追加の保護を提供できます。

バッテリーの自己放電率とは、バッテリーがアイドル状態または電源から切断されている場合でも、時間の経過とともにバッテリーがどのように充電とエネルギーを失うかを指します。これは電池の化学的性質や温度によって変化する自然現象であり、充電式バッテリー (リチウムイオンやニッケル水素など) は非充電式バッテリー (アルカリなど) よりもはるかに早く放電します。

時間が経過すると、バッテリーの容量が減少します。これは、バッテリーが十分な量の電荷を蓄えられなくなるため、自己放電がより重要になるということです。さらに、周囲温度もバッテリーの自己放電率に影響を与える可能性があります。温度が高くなるとバッテリーの自己放電が早くなる可能性があるため、バッテリーは周囲温度が低い場所で保管することをお勧めします。

電池残量計とバッテリーモニタを使用してSOCとSOHを改善する

安全で信頼性の高い動作を提供するバッテリーチャージャに加えて、MPSは、完全なBMSソリューションとして電池残量計とバッテリーモニタおよびプロテクタの両方を提供します (図1参照)。

図1 : バッテリー管理システム

電池残量計はバッテリーのSOCの正確な推定値やバッテリーの動作に関するその他の重要な情報を提供し、バッテリーモニタは異常な状態を迅速に検出してシステムを保護します。電池残量計とモニタは連携して重要なバッテリーパラメータをモニタし、保護を提供します。

MPSの電池残量計

MPSの電池残量計であるMPF4279xファミリは、効果の高い混合モードアルゴリズムを使用して優れたSOC推定精度を実現します (図2参照)。

図2 : SOCの推定

MPF42791電池残量計は、最大16個の直列セルのリチウムイオン (Li-ion) バッテリーストリングに関する包括的な情報を提供します。さまざまなセルの化学的性質とセルのサイズに対応しており、迅速に構成でき、さらに微調整するためのオプション調整も可能です。

この残量計は、個々のセルとバッテリーパックのSOCとSOHの両方を推定できると同時に、パック全体のどのセルに故障状態が発生しているかを迅速に判断するための個別データを提供します。さらに、オンボードメモリには主要なパラメータが記録され、バッテリーのライフサイクル全体にわたる履歴データが収集されます。MPF4271をMPSのバッテリーモニタの1つと組み合わせると、2.5%以内のSOC精度を達成できます。図3は、周囲温度25°CでのCC / CV充電および動的放電サイクルにおけるMP2796およびMPF42791の性能を示しています。

図3 : MP2796とMPF42791を組み合わせたCC / CV充電および動的放電の性能 (周囲温度 = 25°C)

I2Cインタフェースは堅牢な通信を提供し、個々のセルのSOCとSOH、電力制限、残りの実行時間、充電時間などのリアルタイムのステータス情報を返すことができます。MPF42791は、パック全体のSOCを報告する5つの外部LEDを駆動できます。LEDは、MPF42791がパックSOCに基づいてLEDを直接制御する直接制御、またはホストが関連するレジスタを介して各LEDを手動で制御できる手動制御に設定できます。

MPF42793はMPF42791と同一ですが、リン酸鉄リチウム (LFP) バッテリーパック用に最適化されています。MPSは、LED表示付きの直列最大10個のセルの電池残量計 (MPF42795) およびLED表示のない最大16セルの電池残量計 (MPF42792) も提供します。

MPSのバッテリーモニタとバッテリープロテクタ

理想的なBMSソリューションは、バッテリーの使用可能な寿命を延長しながら、安全な動作を保証できる必要があります。MPSのプロテクタは、直列に接続された最大16個のセルの安全性と電力需要を満たすことができると同時に、アナログ / デジタルコンバータ (ADC) を介して正確な電圧、電流、温度をモニタできます。

MP2796はバッテリー管理デバイスであり、完全なアナログフロントエンド (AFE) モニタリングおよび保護ソリューションを提供します。7セルから16セルの直列バッテリーパックの接続に対応し、2つのADCを小型のTQFP-48 (7mm x 7mm) パッケージに統合しています (図4参照)。最初のADCは、外部NTCサーミスタを介して各セル (最大16セル) 間の差動セル電圧、ダイ温度、および4チャネル温度を測定します。2番目のADCは充放電電流を測定し、統合されたハイサイドMOSFET (HS-FET) が充放電を制御します。

図4 : MP2796

内部受動バランシングMOSFETを使用して不整合セルを均等化し、故障状態が発生している別のセルを強制的に補償するバッテリーセルがないようにすることで、バッテリーの寿命をさらに延長できます。

MP2790、MP2791、およびMP2797は、それぞれ最大10、14、および16個の直列セルに対応するバッテリーモニタおよびプロテクタです。また、バッテリーに出入りする電荷を追跡するクーロンカウンティングも提供します。

結論

すぐれた性能を実現し、アプリケーション全体で電力障害が発生しないようにバッテリーの寿命を正確に判断するには、バッテリーのSOCとSOHをモニタすることが重要です。本稿では、時間の経過とともにSOCとSOHに影響を与える可能性がある3つの重要な要素 (内部抵抗、温度、充放電動作) について説明しました。

MPF42791とMP2797のようなデバイスは正確なSOCおよびSOH推定値を提供することで BMSを強化し、バッテリーとBMSを危険な状態から保護し、バッテリー寿命を延長します。BMSを完成させる効率的な電池残量計およびバッテリープロテクタとモニタのMPS製品ラインアップをご覧ください。

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