1. リチウムイオン電池の紹介
1.1 充電状態;SOCの
充電状態は、バッテリーの利用可能なエネルギー状態として定義でき、通常はパーセンテージで表されます。利用可能なエネルギーは、充電/放電電流、温度、および経年現象によって変動する可能性があるため、充電状態の定義も、絶対充電状態(ASOC)と相対充電状態(RSOC)の2つのタイプに分けられます。通常、RSOCの範囲は0%から100%で、100%は完全に充電されたバッテリーを表し、0%は完全に放電したバッテリーを表します。一方、ASOCは、電池製造時に設計した固定容量値を基に算出した参考値です。新品のフル充電済みバッテリーのASOCは100%ですが、老朽化したバッテリーは、フル充電されていても、さまざまな充電/放電条件下では100%に達しない場合があります。
下のグラフは、さまざまな放電率での電圧とバッテリー容量の関係を示しています。放電率が増加すると、バッテリー容量は減少します。さらに、バッテリー容量も低温で減少します。
1.2 最大充電Voltage
バッテリーの最大充電電圧は、その化学組成と特性によって決まります。リチウム電池の場合、充電電圧は通常4.2V〜4.35Vの範囲です。ただし、電圧値は、バッテリーに使用されている特定のカソードおよびアノード材料によって異なる場合があります。
1.3 フル充電
電圧差がバッテリー電圧と最大充電電圧の差が100mV未満で、充電電流がC / 10に減少すると、バッテリーは完全に充電されていると見なすことができます。バッテリーが完全に充電されていると見なされる特定の条件は、その特性によって異なる場合があります。
下のグラフは、リチウム電池の典型的な充電特性曲線を表しています。バッテリー電圧が最大充電電圧に達し、充電電流がC / 10に減少すると、バッテリーは完全に充電されたと見なされます。
1.4 ミニ放電ボリュームtage
最小放電電圧はカットオフ放電電圧として定義でき、通常は充電状態が0%のときの電圧です。この電圧値は固定されておらず、負荷、温度、経年劣化の程度などの要因によって変化します。
1.5 完全に放電
バッテリー電圧が最小放電電圧以下の場合、完全放電と呼ぶことができます。
1.6 Cレート
充電/放電レートは、バッテリー容量に対する充電電流または放電電流の表です。たとえば、バッテリーが1Cで放電される場合、理想的には、1時間後に完全に放電されます。充電/放電レートが異なれば、使用可能な容量も異なります。一般に、充電/放電レートが高いほど、使用可能な容量が小さくなります。
1.7サイクルカウントとは、バッテリーが受ける完全な充電および放電サイクルの数を指し、実際の放電容量と設計容量に基づいて推定できます。累積放電容量が設計容量に達するたびに、1サイクルとしてカウントされます。通常、約500回の充電および放電サイクルの後、完全に充電されたバッテリー容量は約10%から20%減少する可能性があります。
1.8 自己放電
すべてのバッテリーの自己放電は、温度とともに増加します。自己放電は本質的に製造上の欠陥ではなく、バッテリーの固有の特性です。ただし、製造工程での不適切な取り扱いも自己放電の増加に寄与する可能性があります。通常、温度が10°C上昇するごとに、自己放電率は2倍になります。リチウムイオン電池の自己放電率は月に約1〜2%ですが、さまざまなニッケルベースの電池の自己放電率は月に約10〜15%です。
- 2.1 バッテリー容量ゲージの紹介
- 3.2.1 バッテリー残量ゲージ機能の概要
バッテリー管理は、電源管理の一部と見なすことができます。バッテリー管理では、バッテリー容量ゲージがバッテリー容量を推定する役割を担います。その基本的な機能は、電圧、充電/放電電流、およびバッテリー温度を監視し、バッテリーの充電状態(SOC)とフル充電容量(FCC)を推定することです。バッテリーの充電状態(SOC)を推定する一般的な方法には、開回路電圧(OCV)法とクーロンカウント法の2つがあります。別の方法は、RICHTEKによって設計された動的電圧アルゴリズムです。
2.2 開回路voltage方式
オープン回路電圧 (OCV) 方式ベースの残量ゲージでは、実装プロセスは比較的簡単です。これには、オープン回路電圧と対応する充電状態 (SOC) を相関させるルックアップテーブルを参照することが含まれます。OCV法では、バッテリが約30分間静止していると仮定し、この静止期間中に測定された電圧はバッテリ端子電圧を表します。
負荷、温度、およびバッテリの経年劣化条件が異なると、バッテリ電圧曲線が変動する可能性があります。したがって、開回路電圧の固定ルックアップ テーブルでは、充電状態 (SOC) を完全に表すことはできません。ルックアップ テーブルだけに頼って SOC を推定するのは信頼性がありません。言い換えれば、SOCがルックアップテーブルのみに基づいて推定される場合、大きな誤差が生じます。
提供された図に基づいて、放電中の異なる負荷の下での充電状態(SOC)に大きな違いがあることは明らかです。したがって、一般に、開回路電圧(OCV)方式は、鉛蓄電池や無停電電源装置(UPS)を使用する自動車アプリケーションなど、SOC推定の精度要件が低いシステムにのみ適しています。
2.3 クーロンカウント法
クーロンカウント法の動作原理は、バッテリーの充電/放電経路に検出抵抗を接続することです。A/Dコンバータ(ADC)は、センシング抵抗の両端の電圧を測定し、充電または放電中にバッテリに流入または流出する電流値に変換します。リアルタイムカウンタ(RTC)は、この電流値を経時的に積分するために使用され、バッテリを流れたクーロンの量に関する情報を提供します。
クーロンカウント法により、充電または放電プロセス中のリアルタイムの充電状態(SOC)を正確に計算できます。充電クーロンカウンターと放電クーロンカウンターを使用することで、残りの容量(RM)と全充電容量(FCC)を計算できます。SOCは、SOC = RM / FCCの式を使用して、残りの容量(RM)とフル充電容量(FCC)から導き出すことができます。さらに、空になるまでの時間 (TTE) やいっぱいになるまでの時間 (TTF) などの残り時間を見積もることもできます。
クーロンカウント法の精度の偏差に寄与する主な要因は2つあります。1つ目の要因は、電流検出とADCの測定におけるオフセット誤差の蓄積です。電流測定誤差は電流技術では比較的小さいですが、適切な補正方法がなければ、この誤差は時間の経過とともに増加する可能性があります。次の図は、実際のアプリケーションでは、時間の経過とともに補正が適用されない場合、累積誤差は無制限であることを示しています。
累積誤差をなくすために、通常のバッテリ動作中に使用できる可能性のある3つの時点、つまり充電終了(EOC)、放電終了(EOD)、および緩和があります。EOC状態は、バッテリが完全に充電されており、充電状態(SOC)が100%である必要があることを示します。EOD状態は、バッテリが完全に放電されており、SOCが0%である必要があることを示します。これは、絶対電圧値で定義することも、負荷によって変化させることもできます。緩和状態は、バッテリが充電も放電もせず、この状態がかなりの時間続くときに到達します。ユーザーがクーロンカウント法でエラー訂正に緩和状態を使用する場合は、開回路電圧テーブルと組み合わせる必要があります。次の図は、前述の条件下で、充電エラーの状態を修正できることを示しています。
クーロンカウント精度の偏差を引き起こす2番目の主な要因は、バッテリーの設計容量と実際のフル充電容量との差から生じるフル充電容量(FCC)エラーです。FCCは、温度、経年劣化、負荷条件などの要因によって影響を受ける可能性があります。したがって、フルチャージ容量の再学習と補償の方法は、クーロンカウントにとって非常に重要です。
下のグラフは、フル充電容量が過大評価または過小評価されている場合の充電状態エラーの傾向を示しています。
2.4 動的電圧アルゴリズム残量計
動的電圧アルゴリズムは、電圧のみに基づいてリチウム電池の充電状態(SOC)を推定する方法です。SOCの増分または減少の変化は、バッテリ電圧とその開回路電圧の差を考慮して計算します。動的電圧情報は、リチウム電池の動作を効果的にシミュレートし、SOCの割合を決定しますが、電池容量の値をミリアンペア時(mAh)で推定するわけではありません。
ダイナミック電圧アルゴリズムは、バッテリ電圧と開回路電圧の動的差を利用して、充電状態(SOC)の増分または減少変化を計算します。反復アルゴリズムを使用して、これらの電圧差に基づいてSOCを推定します。クーロンカウント法と比較して、動的電圧アルゴリズムは時間と電流に対して誤差を蓄積しません。
SOC推定のためのクーロンカウント法は、電流検出の不正確さやバッテリの自己放電によるエラーが発生しやすく、不正確なSOC推定につながります。電流検出誤差が非常に小さい場合でも、クーロンカウンタは誤差を蓄積し続け、バッテリが完全に充電または放電されたときにのみ誤差を排除できます。
一方、ダイナミック電圧アルゴリズムは、電流情報に依存せずに電圧情報のみに基づいてバッテリーのSOCを推定するため、エラーの蓄積を回避できます。SOC推定の精度を向上させるために、ダイナミック電圧アルゴリズムでは、完全に充電された状態と完全に放電された条件下で実際のデバイスから得られた実際のバッテリー電圧曲線に基づいて、アルゴリズムパラメータを最適化する必要があります。
次の表は、さまざまな放電率条件での動的電圧アルゴリズムの性能を示しており、充電状態(SOC)の推定における優れた精度を示しています。この表によると、C/2、C/4、C/7、C/10などの放電条件に関係なく、この方法の全体的なSOC誤差は3%未満です。
下図は、バッテリーがショート充電とショート放電したときの充電状態の性能を示しています。充電エラーの状態はまだ非常に小さく、最大エラーはわずか3%です。
電流検出誤差やバッテリの自己放電により不正確になりやすいクーロンカウント法と比較して、ダイナミック電圧アルゴリズムは、時間と電流に対してエラーを蓄積しないという大きな利点があります。これは、このアルゴリズムの大きな利点です。ただし、充電/放電電流に関する情報が不足しているため、ダイナミック電圧アルゴリズムは短期的な精度が低く、応答時間が遅くなります。また、全充電容量を見積もることはできません。それにもかかわらず、バッテリー電圧が充電状態を直接反映するため、長期的な精度で優れた性能を発揮します。
