リチウム電池の充電状態(SOC)

リチウムイオン充電状態 (SOC) 測定

リチウムイオン電池はさまざまな用途に広く使用されています。効率と寿命を最大限に高めるために、 バッテリー管理システム （BMS）が活用されています。ただし、BMS テクノロジーの最近の進歩によりエネルギー消費が増加し、バッテリーの性能に悪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。

この問題に対処するために、革新的なアプローチが開発されました。バッテリーの推定充電状態 (SOC) は、イベント駆動の開回路電圧 (OCV) と SOC の曲線関係を使用して校正されます。この方法により、エネルギー消費を最小限に抑えながら、正確な SOC 推定が保証されます。

このアプローチの有効性を検証するために、従来の BMS システムとの比較が行われました。結果は、提案されたシステムの優位性を明確に示しています。圧縮利得と計算効率の点で、従来の同等製品よりも 3 桁以上優れています。重要なのは、この強化されたパフォーマンスによって SOC 推定の精度が損なわれることはないということです。

結論として、提案されたシステムは、高度な BMS テクノロジーによってもたらされる課題に対する解決策を提供します。イベント駆動型の OCV と SOC の曲線関係を利用することで、圧縮ゲインと計算効率が大幅に向上します。この革新的なアプローチにより、SOC 推定の精度を損なうことなく、バッテリーの効率的な利用と寿命の延長が保証されます。

SOC 推定の定義と分類

SOC はバッテリーにとって最も重要なパラメータの 1 つですが、その定義にはさまざまな問題があります。一般に、バッテリーの SOC は、公称容量 () に対する電流容量 () の比として定義されます。公称容量はメーカーによって与えられ、バッテリーに保存できる最大充電量を表します。 SOC は次のように定義できます。

充電状態 (SOC) 電池の容量に対する電池の充電レベルです。 SOC の単位はパーセンテージ ポイントです (0% = 空、100% = 満杯)。同じ測定の別の形式は、SOC の逆数である放電深度 (DOD) です (100% = 空、0% = 満水)。

リチウムイオン充電状態 (SOC) を測定するにはいくつかの方法があります。 放電深度 (DOD) リチウム電池用。一部の方法は実装が非常に複雑で、複雑な機器（インピーダンス分光法や鉛蓄電池用の比重計）を必要とします。

ここでは、バッテリーの充電状態を推定するための 2 つの最も一般的で最も簡単な方法、電圧法または電圧法について詳しく説明します。 開路電圧 (OCV) ）とクーロンカウント法。

1/ 開回路電圧法 (OCV) を使用した SOC 推定

すべての種類のバッテリーには共通点が 1 つあります。それは、端子の電圧が充電レベルに応じて減少または増加することです。バッテリーが完全に充電されている場合、電圧は最も高く、空の場合は最も低くなります。

電圧と SOC のこの関係は、使用されるバッテリー技術に直接依存します。例として、以下の図は鉛バッテリーとリチウムイオンバッテリーの放電曲線を比較しています。

鉛蓄電池は比較的直線的な曲線を示しており、充電状態を適切に推定できます。測定された電圧について、関連する SOC の値をかなり正確に推定することが可能です。

ただし、リチウムイオン電池の放電曲線は非常に平坦であるため、広い動作範囲にわたって電池端子の電圧の変化はごくわずかです。

リン酸鉄リチウム技術は最も平坦な放電曲線を備えているため、単純な電圧測定で SOC を推定することが非常に困難になります。実際、2 つの SOC 値間の電圧差が非常に小さいため、充電状態を正確に推定することができない場合があります。

以下の図は、DOD 値 40% と 80% の間の電圧測定の差が、鉛酸技術の 48V バッテリーでは約 6.0V であるのに対し、リン酸鉄リチウムではわずか 0.5V であることを示しています。

ただし、校正済みの充電インジケータは、一般にリチウムイオン電池、特にリン酸鉄リチウム電池に特に使用できます。モデル化された負荷曲線と組み合わせた正確な測定により、SOC 測定値を 10 ～ 15% の精度で取得できます。

2/ クーロンカウンティング法によるSOC推定

バッテリーの使用時に充電状態を追跡する最も直感的な方法は、セルの使用中に電流を積分して電流を追跡することです。この積分により、バッテリーに注入またはバッテリーから取り出された電荷の数が直接得られるため、バッテリーの SOC を正確に定量化することが可能になります。

OCV 法とは異なり、この方法ではバッテリー使用中の充電状態の変化を判断できます。正確な測定を実行するためにバッテリーが停止している必要はありません。

クーロンカウンター

正確な電流測定を保証するには、サンプリング周波数によって発生する可能性のある潜在的な誤差に対処することが重要です。電流測定は通常、高精度の抵抗器を使用して実行されますが、それでも小さな誤差が発生する可能性があります。これらの誤差はサンプリング周波数に起因する可能性があり、これによりわずかな誤差が生じる可能性があります。ただし、これらの誤差を修正し、正確な測定を保証する解決策があります。

サンプリング周波数によって生じるわずかな誤差を修正するために、クーロン カウンタは負荷サイクルごとに再校正されます。この再校正プロセスは、電流測定の精度を維持するために非常に重要です。クーロンカウンターを再校正することにより、前の負荷サイクル中に発生した可能性のあるエラーが修正され、その後の測定が正確で信頼できるものになります。

この再校正プロセスを実装することにより、電流測定の精度が大幅に向上します。これにより、サンプリング周波数によって生じた可能性のあるわずかな誤差を特定して修正することができます。これにより、得られる測定値が高精度であることが保証され、科学研究、工業プロセス、電子回路設計などのさまざまな用途に信頼できます。

結論として、高精度抵抗を使用した電流測定は一般に信頼性が高くなりますが、サンプリング周波数により小さな誤差が発生する可能性があります。ただし、負荷サイクルごとにクーロン カウンタを再調整することで、これらのわずかな誤差を修正できます。これにより、得られる測定値が非常に正確になり、幅広い用途で信頼できることが保証されます。この再校正プロセスを実装することで、現在の測定の精度と信頼性を確信することができます。

リチウムイオン 充電状態 (SOC) クーロンカウントによる測定では、測定誤差が 1% 未満であるため、バッテリーに残っているエネルギーを非常に正確に示すことができます。 OCV 方式とは異なり、クーロン カウンティングはバッテリー電力の変動 (バッテリー電圧降下を引き起こす) に依存せず、バッテリーの使用量に関係なく精度が一定に保たれます。