バッテリーメーターの紹介

バッテリーメーターの紹介

1.1 電力メーターの機能のご紹介

バッテリー管理は電源管理の一部と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の推定を担当します。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) とクーロン測定法という 2 つの代表的な方法があります。もう 1 つの方法は、RICHTEK によって設計された動的電圧アルゴリズムです。

1.2 開回路電圧法

電力メーターに開路電圧法を使用する実装方法は比較的簡単で、対応する開路電圧の充電状態を確認することで取得できます。開回路電圧の想定条件は、バッテリが約 30 分間停止したときのバッテリ端子電圧です。

バッテリーの電圧曲線は、負荷、温度、バッテリーの経年変化によって変化します。したがって、固定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。テーブルを参照するだけでは充電状態を推定することはできません。言い換えると、テーブルを参照するだけで充電状態を推定すると、誤差が大きくなります。

次の図は、同じバッテリ電圧の下で、開回路電圧法で得られる充電状態に大きな違いがあ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

以下の図に示すように、放電時の負荷が異なると充電状態にも大きな違いがあります。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、充電状態の精度要件が低いシステムにのみ適しています。

            図 2. 放電中のさまざまな負荷におけるバッテリー電圧

1.3 クーロン測定

クーロン計測の動作原理は、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、現在値を時間とともに積分して、流れているクーロン数を決定します。

               図 3. クーロン測定法の基本的な動作モード

クーロン計測では、充電または放電プロセス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を使用することで、電気残容量（RM）と満充電容量（FCC）を計算できます。同時に、残存充電容量 (RM) と完全充電容量 (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、電力消耗（TTE）や電力再充電（TTF）などの残り時間を推定することもできます。

                    図 4. クーロン計測の計算式

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、それを除去する適切な方法がなければ、この誤差は時間の経過とともに増加します。次の図は、実際のアプリケーションでは、期間内に補正がない場合、累積誤差が無制限であることを示しています。

              図 5. クーロン測定法の累積誤差

累積誤差を排除するために、通常のバッテリ動作中に使用できる 3 つの時点 (充電終了 (EOC)、放電終了 (EOD)、および休止 (リラックス)) が考えられます。充電終了条件が満たされると、バッテリーが完全に充電され、充電状態 (SOC) が 100% になることを示します。放電終了条件は、バッテリーが完全に放電し、充電状態 (SOC) が 0% になることを示します。電圧の絶対値を指定することも、負荷によっ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、この状態が長期間維持されます。ユーザーが電量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、この時点で開回路の電圧計を使用する必要があります。次の図は、上記の状態で充電状態エラーが修正できることを示しています。

            図 6. クーロン計測における累積誤差を除去するための条件

クーロン計測の精度偏差を引き起こす 2 番目の主な要因は、バッテリの設計容量とバッテリの真の完全充電容量の差である完全充電容量 (FCC) 誤差です。完全充電容量 (FCC) は、温度、経年劣化、負荷などの要因に影響されます。したがって、完全充電容量の再学習および補償方法は、クーロン計測にとって重要です。次の図は、満充電容量が過大評価された場合と過小評価された場合の充電状態誤差の傾向現象を示しています。

             図 7: 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

1.4 動的電圧アルゴリズム電力計

動的電圧アルゴリズムは、バッテリー電圧のみに基づいてリチウムバッテリーの充電状態を計算できます。この方法では、バッテリー電圧とバッテリーの開回路電圧の差に基づいて充電状態の増加または減少を推定します。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、充電状態 (SOC) (%) を決定できますが、この方法では電池容量値 (mAh) を推定することはできません。

その計算方法は、バッテリー電圧と開回路電圧の間の動的な差に基づいており、反復アルゴリズムを使用して充電状態の増加または減少を計算することによって充電状態を推定します。クーロン方式電力計のソリューションと比較して、動的電圧アルゴリズム電力計は、時間や電流の経過とともに誤差が蓄積されません。クーロン計量計では、電流検出エラーやバッテリーの自己放電により、充電状態の推定が不正確になることがよくあります。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ます。この誤差は、充電または放電が完了した後でのみ除去できます。

動的電圧アルゴリズムは、電圧情報のみに基づいてバッテリーの充電状態を推定するために使用されます。バッテリーの現在の情報に基づいて推定しないため、誤差が蓄積されません。充電状態の精度を向上させるために、動的電圧アルゴリズムは実際のデバイスを使用して、完全充電および完全放電条件下での実際のバッテリー電圧曲線に基づいて最適化されたアルゴリズムのパラメーターを調整する必要があります。

     図 8. 電力メーターおよびゲイン最適化のための動的電圧アルゴリズムのパフォーマンス

以下は、充電状態に関するさまざまな放電速度条件下での動的電圧アルゴリズムのパフォーマンスです。図に示すように、充電状態の精度は良好です。 C/2、C/4、C/7、および C/10 の放電条件に関係なく、この方法の全体的な充電状態誤差は 3% 未満です。

      図 9. さまざまな放電速度条件下での動的電圧アルゴリズムの充電状態のパフォーマンス

次の図は、短時間充電および短時間放電条件でのバッテリの充電状態を示しています。充電状態の誤差は依然として非常に小さく、最大誤差はわずか 3% です。

       図 10. バッテリの短充電および短放電の場合の動的電圧アルゴリズムの充電状態のパフォーマンス

通常、電流検出誤差やバッテリの自己放電により不正確な充電状態が生じるクーロン計量方式と比較して、動的電圧アルゴリズムは時間や電流の経過に伴う誤差が蓄積されないため、これが大きな利点となります。充電/放電電流に関する情報が不足しているため、動的電圧アルゴリズムは短期精度が低く、応答時間が遅くなります。さらに、満充電容量を推定することはできません。ただし、最終的にはバッテリー電圧が充電状態を直接反映するため、長期的な精度という点では優れたパフォーマンスを発揮します。