リチウム充放電の理論と電力計算手法の設計（1）

1. リチウムイオン電池の紹介

1.1 充電状態 (SOC)

充電状態は、バッテリー内の利用可能な電気エネルギーの状態として定義でき、通常はパーセントで表されます。利用可能な電力エネルギーは充放電電流、温度、経年変化によって変化するため、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 種類に分けられます。 。

一般に、相対的な充電状態の範囲は 0% ～ 100% ですが、バッテリが完全に充電されている場合は 100%、完全に放電されている場合は 0% になります。絶対充電状態は、電池製造時に設計上の固定容量値に基づいて算出される参考値です。完全に充電された新しいバッテリーの絶対充電状態は 100% です。劣化したバッテリーは完全に充電されていても、充放電条件が異なると 100% に達することはできません。

次の図は、さまざまな放電速度での電圧とバッテリー容量の関係を示しています。放電率が高くなるほど、バッテリー容量は小さくなります。気温が低いとバッテリーの容量も減ります。

図 1. さまざまな放電速度と温度における電圧と容量の関係

1.2 最大充電電圧

最大充電電圧は、バッテリーの化学組成と特性に関係します。リチウム電池の充電電圧は通常4.2Vと4.35Vで、正極材料と負極材料の電圧値は異なります。

1.3 フル充電

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 まで減少すると、バッテリーは完全に充電されたと見なされます。満充電条件はバッテリーの特性により異なります。

以下の図は、典型的なリチウム電池の充電特性曲線を示しています。バッテリー電圧が最大充電電圧に等しく、充電電流が C/10 まで減少すると、バッテリーは完全に充電されたとみなされます。

図 2. リチウム電池の充電特性曲線

1.4 最低放電電圧

最小放電電圧は、カットオフ放電電圧によって定義できます。これは通常、充電状態が 0% のときの電圧です。この電圧値は固定値ではなく、負荷、温度、経年劣化等により変化します。

1.5 完全放電

バッテリー電圧が最低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 充放電レート（C-Rate）

充放電レートは、バッテリー容量に対する充放電電流を表します。たとえば、1C を使用して 1 時間放電すると、理想的にはバッテリーは完全に放電します。充放電速度が異なると、使用可能な容量も異なります。一般に、充放電レートが高くなるほど、利用可能な容量は小さくなります。

1.7 サイクル寿命

サイクル数とは、バッテリーの完全な充放電の回数を指し、実際の放電容量と設計容量から推定できます。累積放電容量が設計容量と等しい場合、サイクル数は1回となります。一般に、500 回の充放電サイクルの後、完全に充電されたバッテリーの容量は 10% ～ 20% 減少します。

図 3. サイクルタイムとバッテリー容量の関係

1.8 自己放電

すべてのバッテリーの自己放電は、温度の上昇とともに増加します。自己放電は基本的に製造上の欠陥ではなく、バッテリー自体の特性です。しかし、製造工程での不適切な処理も自己放電の増加の原因となります。一般に、電池温度が10℃上昇すると自己放電率は2倍になります。リチウムイオン電池の自己放電容量は月あたり約1～2％ですが、各種ニッケルベース電池の自己放電容量は10～2％です。月あたり 15%。

図 4. さまざまな温度でのリチウム電池の自己放電率の性能