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充電状態 (SOC) の精度とバッテリー管理システム設計の最適化

Albert Rodriguez
Miguel Ángel Sánchez
Tomas Hudson
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はじめに

バッテリー管理システム (BMS) は、バッテリーの動作をモニタおよび制御する一連の電子デバイスで構成されています。代表的なBMSの主な要素は、バッテリーモニタとバッテリープロテクタ、電池残量計、メインのマイクロコントローラ (MCU) です (図1参照)。

図1 : BMSアーキテクチャ

BMSにとって最も重要なパラメータの1つは、充電状態 (SOC) 推定の精度です。SOCの推定に誤差があると、バッテリーの寿命や実行時間が短くなったり、システムの予期せぬ電力損失などの潜在的に危険な状況が発生したりする可能性があります。

SOCの精度に影響を与える主な要因は2つあります。バッテリーモニタの測定精度と残量計の推定精度です。本稿では、最終的なSOC推定精度に対する両方の要因の影響を探索し、設計者がSOC精度とコストを最適化する際にリソースをより適切に割り当てられるような設計手法を確立します。

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電池残量計アルゴリズムの精度

電池残量計は、バッテリーの推定SOCを計算する役割を担うICです。電池残量計のアルゴリズムはメインのMCUに展開できますが、電池残量計専用ICには次のような多くの利点があります。

  1. 効率 :  電池残量計はMCUの演算要件が軽減し、システム全体の効率を向上します。
  2. 信頼性 : 実証済みの電池残量計ICは、設計にさらに冗長性を持たせるとともに、一定レベルのSOC精度を確保することで、システム全体の堅牢性を向上します。
  3. 迅速な市場投入 : 専用の電池残量計は、多くのセルタイプで機能する生産グレードの完全に検証されたアルゴリズムにより、技術リソースの要件を削減します。ソフトウェアおよびバッテリーのエンジニアのチームが高精度の電池残量計アルゴリズムを開発するには、数か月から数年かかる場合があります。

バッテリーのSOCを直接測定する簡単な方法はありません。代わりに、バッテリーモニタによって測定された信号からSOCを推定する必要があります。電池残量計の精度は、SOCを推定するために使用する方法によって異なります。最も単純な方法はクーロンカウンティングです。これは、バッテリーに出入りする電流を積分し、式 (1) で計算されます。

$$SOC = SOC_{INITIAL} + \frac {∫I_{SENSE}}{Q} = SOC_{INITIAL} = \frac {∫I_{TRUE}}{Q} + \frac {∫I_{ERROR}}{Q}$$

ただし、クーロンカウンティングは、初期のSOC推定、現在の測定精度、およびバッテリーの使用可能な容量に大きく依存します。さらに、不正確な測定値が統合されるため、時間の経過とともにSOC推定値が変動します。したがって、この方法では、実際のSOCが推定SOCにいつ一致するかを表す「収束」を保証できません。

クーロンカウンティングだけに依存するのではなく、電流、電圧、温度の読み取り値を考慮したモデルベースの手法を使用することで、SOCの収束を可能にできます。これらの方法では、これらの測定値と推定SOCを関連付ける数学的セルモデルが使用されます。ただし、過度に不正確な電圧読み取り値と忠実度の低いモデルを組み合わせると、大きなSOC偏差誤差が発生する可能性があります。

バッテリーモニタ (BM) がSOC精度に与える影響とは?

バッテリーモニタおよびプロテクタは、バッテリーの電圧、電流、温度の検出を担当するICです。これらの測定値は電池残量計に送られ、残量計はこれらの測定値に基づいてバッテリーのSOCを推定します。

バッテリーモニタはSOC推定プロセスの最初のステップであるため、その測定精度は最終的なSOC推定誤差に必然的に影響します。SOCを推定するためにクーロンカウンティングや単純化されたセルモデルに大きく依存する従来のBMSでは、バッテリーモニタの測定精度がSOC推定の偏差の主な原因となります。このため、バッテリーパックの設計者は、最も正確なセル電圧測定機能を模索するようになりました。しかし、正確な電池残量計アルゴリズムを使用してSOC推定を改善することは、バッテリーモニタの電圧測定精度を向上させるよりも、SOC精度を向上させる上ではるかに効率的です。

さらに、バッテリーパック設計の現在の傾向は、バッテリーモニタおよびプロテクタ (BMP) ICを組み合わせて使用する方向に向かっています。BMP ICは、バッテリーモニタがバッテリーに最も近い要素であるため、潜在的な故障や危険を最初に検出できるということを活用しています。これは、BMP ICがMCUの介入なしで保護を発動できるため、バッテリーシステムがより安全になるということです。

設計者の中には主に精度に基づいてバッテリーモニタを選択する人もいますが、測定値と実際の値のわずかな違いはシステムにほとんど危険をもたらしません。わずかな偏差は、保護機能の発動を妨げるほど重大ではないため、バッテリーに損傷を与えることはありません。

BMSと電池残量計がSOC推定精度に及ぼす影響

ここまで、本稿では、電池残量計方式とバッテリーモニタ精度によってSOC推定精度がどのように決まるのかについて説明してきました。ただし、さまざまな電池残量計方式とBMの精度がSOCの精度にどのような影響を与えるかを評価する必要があります。さまざまな電池残量計方式とBM精度を組み合わせて複数のシミュレーションを実行し、SOC誤差への影響を特定しました。図3と図4は、これらのシナリオのSOC誤差を示しています。

図3と図4のさまざまなシナリオは、10回の完全な充電 / 放電サイクルで構成され、その間に15分間の緩和時間があり、初期SOCは50%です。すべてのシナリオで、BM電流測定オフセットは20mAでした。モデルの不正確さによる誤差を最小限に抑えるために、理想的な数学モデルが使用されました。つまり、バッテリーデータは、すべての電池残量計方式で使用される同じモデルから生成されます。3つの異なる電池残量計方式を検討しました。

  • クーロンカウンティング : バッテリーに出入りする電流を統合します。(電圧はSOCの初期化にのみ使用されます。)
  • クーロンカウンティングと開回路電圧 (OCV) ベースの補正は、充放電中にクーロンカウンティング方式を使用し、緩和期間中に開回路電圧の関係を使用してSOC補正を行います。
  • MPSのハイブリッド方式 : 測定と数学的セルモデルの不確実性を考慮して、クーロンカウンティングの短期精度と数学的セルモデルによって提供される長期の収束を実現します。

図3は、リチウム・ニッケルマンガンコバルト酸化物 (NMC) 化学セルのSOC誤差を示しています。

図3 : SOC誤差 (NMC化学セルの例)

図4は、リン酸鉄リチウム (LFP) 化学セルのSOC誤差を示しています。LFPの化学反応はOCVがフラットであるため、電圧測定の不正確さの影響をより受けやすいので注意してください。

図4 : SOC誤差 (LFP化学セルの例)

図3と図4の両方から次のことがわかります。

  • クーロンカウンティング方式は、フィードバックがないために不正確な初期SOCから回復できないので、最も悪い結果が得られます。さらに、電流測定に誤差があると、時間の経過とともにSOCが変動します。
  • クーロンカウンティングとOCVベースの補正手法は、時間の経過に伴うSOCドリフトを軽減するのに役立ちますが、いくつかの欠点もあります。まず、補正は緩和期間中にのみ行われるため、頻度が低い可能性があります。第2に、補正によりSOCが上昇し、システムレベルの問題が発生し、最終顧客に悪影響を与える可能性があります。OCVモデルとセル電圧測定に誤差があると、この手法に大きな影響を与えます。
  • MPSハイブリッド方式は、小さいながらも継続的なSOC補正を適用して、SOC推定がスムーズになり、真のSOCを追跡できるようにします。これは、高忠実度モデルによる電圧、電流、温度測定を使用することで実現されます。さらに、アルゴリズムは現在の動作状態に基づいてSOCを最適に補正し、モデル / 測定の不正確さを考慮します。これは、セル電圧測定など、単一パラメータに対する非常に高精度な要求を制限します。

時間の経過とともに、抵抗や容量などのセルモデルパラメータが変化するため、高価なハイエンドバッテリーモニタを使用するシステムであっても、SOCの精度に影響を与える可能性があることに注意することが重要です。このため、バッテリーモニタから同期電圧と電流の測定値を受信してセルのインピーダンスを計算できる正確な電池残量計が重要です。同期測定は、MPSのMP279xファミリのような高度なバッテリーモニタで利用できます。

SOC推定誤差のソリューション

MPSのMPF4279xファミリなどのハイエンド電池残量計は、高忠実度モデルを使用するハイブリッド推定方式を実装し、入力測定の不確実性を考慮して不正確なセンシングの影響を軽減し、直列に接続された個々のセルの抵抗上昇と容量低下を順番に追跡します。バッテリーのライフサイクル全体にわたって高いSOC推定精度を維持します。推定パラメータの一式には、バッテリーの電力制限、健全性 (SOH)、実行時間、および充電時間が含まれます。

図5は、MPF42791のようなハイエンド電池残量計がどのように、特定のBM測定精度に対するSOC推定結果を大幅に向上するかを示しています。

図5 : SOC推定の向上

結論

結論として、バッテリーのSOCを正確に推定することは、バッテリー駆動のアプリケーションにとって重要であり、SOCの精度とコストの間のトレードオフを最適化するのはBMS設計者の仕事です。多くの場合、BMSシステムは、良好なSOC推定精度を達成するために、非常に高い電圧精度を備えた高価なバッテリーモニタをターゲットとしています。しかし、これはバッテリーモニタに不必要なコストが増えるだけで、わずかな向上しかありません。対照的に、ハイエンド電池残量計はシステムの総コストと設計時間を削減しながら、より優れたSOC精度を実現できます。

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