リチウム電池の充放電理論

リチウム電池の充放電理論

1.1 充電状態 (SOC)

充電状態は、バッテリーで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。利用可能な電気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。相対的な充電状態の範囲は通常 0% ～ 100% ですが、バッテリーは完全に充電された場合は 100%、完全に放電された場合は 0% になります。絶対充電状態は電池製造時の設計上の固定容量値に基づいて算出される参考値です。新品の完全に充電された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

最高充電電圧は、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、電圧値は正極と負極の材料によって異なります。

1.3 フル充電

バッテリー電圧と最高充電電圧の差が 100mV 未満で、充電電流が C/10 まで減少した場合、バッテリーは完全に充電されていると見なされます。電池には特性があり、完全に充電される条件も異なります。

次の図は、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高充電電圧と等しく、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として定義でき、通常は充電状態 0% での電圧です。この電圧値は固定値ではなく、負荷、温度、経年変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。充電速度と放電速度が異なると、利用可能な容量も異なります。通常、充放電速度が高くなるほど、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、電池が完全に充放電された回数であり、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 です。通常、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、温度が上昇すると増加します。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。ただし、製造プロセス中の不適切な取り扱いも自己放電の増加につながる可能性があります。通常、バッテリー温度が 10℃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 バッテリーの月間自己放電容量は約 1 ～ 2% ですが、さまざまなニッケル ベースのバッテリーの月間自己放電容量は 10 ～ 15% です。

                             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