リチウム充放電の理論と電力計算手法の設計(2)

リチウム充放電の理論と電力計算手法の設計

2. バッテリーメーターの紹介

2.1 電力メーターの機能紹介

バッテリー管理は電源管理の一部として考えることができます。バッテリー管理では、電力メーターがバッテリー容量を推定する役割を果たします。その基本的な機能は、電圧、充放電電流、バッテリー温度を監視し、バッテリーの充電状態 (SOC) と完全充電容量 (FCC) を推定することです。バッテリーの充電状態を推定するには、開回路電圧法 (OCV) と電量法という 2 つの代表的な方法があります。もう 1 つの方法は、RICHTEK が設計した動的電圧アルゴリズムです。

2.2 開路電圧法

開回路電圧法を使用して電力量計を実現することは容易であり、これは、対応する開回路電圧の充電状態をチェックすることによって得ることができる。開回路電圧は、バッテリが 30 分以上停止しているときのバッテリ端子電圧であると想定されます。

バッテリーの電圧曲線は、負荷、温度、バッテリーの経年劣化によって変化します。したがって、固定の開回路電圧計は充電状態を完全に表すことはできません。充電状態は、表だけを参照して推定することはできません。つまり、テーブルを参照するだけで充電状態を推定すると誤差が大きくなってしまう。

下の図は、同じバッテリー電圧でも、充電時と放電時の開路電圧法により充電状態 (SOC) が大きく異なることを示しています。

図 5. 充電および放電条件でのバッテリー電圧

下の図から、放電中の負荷が異なると充電状態が大きく変化することがわかります。したがって、基本的に、開回路電圧法は、鉛蓄電池や無停電電源装置を使用する自動車など、充電状態の精度が低いことが必要なシステムにのみ適しています。

図 6. 放電中のさまざまな負荷におけるバッテリー電圧

2.3 電量分析法

電量測定の動作原理は、バッテリーの充放電経路に検出抵抗を接続することです。ADC は検出抵抗の電圧を測定し、それを充電または放電中のバッテリーの電流値に変換します。リアルタイム カウンタ (RTC) は、現在値を時間と積分して、流れているクーロン数を知ることができます。

図 7. クーロン測定法の基本的な動作モード

電量分析法により、充電または放電中にリアルタイムの充電状態を正確に計算できます。充電クーロンカウンタと放電クーロンカウンタにより、残存電気容量（RM）と満充電容量（FCC）を計算できます。同時に、充電残容量 (RM) と満充電容量 (FCC) を使用して充電状態 (SOC=RM/FCC) を計算することもできます。さらに、電力枯渇 (TTE) や電力満杯 (TTF) などの残り時間を推定することもできます。

図8. クーロン法の計算式

クーロン計測の精度偏差を引き起こす主な要因は 2 つあります。1 つ目は、電流検出および ADC 測定におけるオフセット誤差の蓄積です。現在の技術では測定誤差は比較的小さいですが、それを除去する良い方法がなければ、時間の経過とともに誤差は増加します。以下の図は、実際のアプリケーションでは、継続時間を補正しない場合、累積誤差が無制限になることを示しています。

図 9. クーロン法の累積誤差

蓄積された誤差を除去するために、通常のバッテリ動作では、充電終了 (EOC)、放電終了 (EOD)、および休止 (リラックス) という 3 つの時点が考えられます。バッテリーは完全に充電されており、充電終了条件に達すると充電状態 (SOC) は 100% になるはずです。放電終了条件とは、バッテリーが完全に放電され、充電状態 (SOC) が 0% になることを意味します。電圧の絶対値を指定することも、負荷に応じて変化することもできます。休止状態に達すると、バッテリーは充電も放電もされず、この状態が長時間続きます。ユーザーが電量測定法の誤差を修正するためにバッテリーの休止状態を使用したい場合は、この時点で開回路電圧計を使用する必要があります。以下の図は、上記の条件下での充電状態エラーが修正できることを示しています。

図 10. 電量法の累積誤差を除去するための条件

クーロン計量法の精度偏差を引き起こす 2 番目の主な要因は、バッテリーの設計容量とバッテリーの実際の完全充電容量の差である完全充電容量 (FCC) 誤差です。フル充電容量 (FCC) は、温度、経年劣化、負荷、その他の要因の影響を受けます。したがって、電量法では、満充電容量の再学習と補正方法が非常に重要です。下図は満充電容量を過大評価した場合と過小評価した場合のSOC誤差の傾向を示しています。

図 11. 満充電容量を過大評価した場合と過小評価した場合の誤差の傾向