バッテリーの放電曲線の見方

バッテリーの放電曲線の見方

バッテリーは複雑な電気化学的および熱力学的システムであり、複数の要因がバッテリーの性能に影響します。もちろん、バッテリーの化学的性質が最も重要な要素です。ただし、特定の用途にどのタイプのバッテリーが最適かを理解する場合は、充放電速度、動作温度、保管条件、物理構造の詳細などの要素も考慮する必要があります。まず、いくつかの用語を定義する必要があります。

★開放電圧（Voc）とは、バッテリーに負荷がかかっていないときのバッテリー端子間の電圧です。

★端子電圧（Vt）とは、バッテリーに負荷がかかったときのバッテリー端子間の電圧です。通常は Voc よりも低いです。

カットオフ電圧 (Vco) は、指定どおりにバッテリーが完全に放電される電圧です。通常はバッテリ電力が残っていますが、Vco 未満の電圧で動作させるとバッテリが損傷する可能性があります。

★ 容量は、完全に充電されたときに Vt が Vco に達するまでバッテリーが提供できる合計アンペア時間 (AH) を測定します。

充電放電速度 (C レート) は、バッテリーの定格容量に対する充電または放電の速度です。たとえば、1C のレートでは、1 時間以内にバッテリーが完全に充電または放電されます。 0.5C の放電率では、バッテリーは 2 時間以内に完全に放電します。通常、より高い C レートを使用すると、利用可能なバッテリー容量が減少し、バッテリーが損傷する可能性があります。

★ バッテリー充電状態 (SoC) は、バッテリー残量を最大容量に対するパーセンテージで数値化します。 SoC がゼロになり、Vt が Vco に達すると、バッテリーにはまだバッテリー電力が残っている可能性がありますが、バッテリーを損傷したり将来の容量に影響を与えたりすることなく、バッテリーをさらに放電することはできません。

★ 放電深度 (DoD) は SoC を補完するもので、放電されたバッテリー容量の割合を測定します。 DoD=100-SoC。

① サイクル寿命とは、バッテリーが寿命に達するまでに使用可能なサイクル数です。

バッテリー寿命の終わり (EoL) とは、バッテリーが所定の最小仕様に従って動作できないことを指します。 EoL はさまざまな方法で定量化できます。

① 容量低下は、指定された条件下での定格容量と比較したバッテリー容量の所定の割合の低下に基づいています。

② 電力減衰は、指定された条件下での定格電力と比較した所定のパーセンテージでのバッテリーの最大電力に基づいています。

③ エネルギースループットは、特定の動作条件に基づいて、バッテリーがその寿命中に処理すると予想されるエネルギーの総量 (例: 30MWh) を定量化します。

★ バッテリーの健全性ステータス (SoH) は、EoL に達するまでに残っている耐用年数の割合を測定します。

分極曲線

バッテリーの放電曲線は、放電プロセス中に発生するバッテリーの分極効果に基づいて形成されます。 C レートや動作温度などのさまざまな動作条件下でバッテリが提供できるエネルギー量は、放電曲線の下の面積と密接に関係しています。放電プロセス中に、バッテリーの Vt は低下します。 Vt の低下は、いくつかの主な要因に関連しています。

✔ IR ドロップ - バッテリーの内部抵抗を流れる電流によって引き起こされるバッテリー電圧の低下。この係数は、温度が一定の場合、比較的高い吐出量で直線的に増加します。

✔ 活性化分極 - 電極と電解質の間の接合部でイオンが克服しなければならない仕事関数など、電気化学反応の速度論に関連するさまざまな減速因子を指します。

✔ 濃度分極 - この係数は、ある電極から別の電極への物質移動 (拡散) 中にイオンが直面する抵抗を考慮します。リチウムイオン電池が完全に放電されると、この要因が支配的となり、曲線の傾きが非常に急になります。

バッテリーの分極曲線 (放電曲線) は、Vt (バッテリー電位) に対する IR の減少、活性化分極、および濃度分極の累積的な影響を示します。 （画像：バイオロジック）

放電曲線に関する考慮事項

バッテリーは幅広い用途向けに設計されており、さまざまな性能特性を備えています。たとえば、少なくとも 6 つの基本的なリチウム イオン化学システムがあり、それぞれが独自の機能セットを持っています。放電曲線は通常、Vt を Y 軸にプロットし、SoC (または DoD) を X 軸にプロットします。バッテリーの性能と、C レートや動作温度などのさまざまなパラメーターとの間に相関関係があるため、各バッテリーの化学システムには、特定の動作パラメーターの組み合わせに基づいた一連の放電曲線があります。たとえば、次の図は、室温および放電率 0.2C での 2 つの一般的なリチウムイオン化学システムと鉛蓄電池の放電性能を比較しています。放電曲線の形状は設計者にとって非常に重要です。

フラットな放電曲線は、放電サイクル全体を通じてバッテリ電圧が比較的安定した状態を保つため、特定のアプリケーションの設計を簡素化できます。一方、バッテリー電圧はバッテリーの残留電荷と密接に関係しているため、傾斜曲線を使用すると残留電荷の推定を簡素化できます。ただし、平坦な放電曲線を持つリチウムイオン バッテリーの場合、残留電荷を推定するには、バッテリーの放電電流を測定し、その電流を時間の経過とともに積分して残留電荷を推定するクーロン カウンティングなど、より複雑な方法が必要です。

さらに、下向きの放電曲線を持つバッテリーでは、放電サイクル全体を通じて電力が低下します。放電サイクルの終了時に高出力アプリケーションをサポートするには、「過剰なサイズ」のバッテリーが必要になる場合があります。通常、急峻な放電曲線を持つバッテリーを使用する敏感なデバイスやシステムに電力を供給するには、昇圧電圧レギュレーターを使用する必要があります。

以下は、リチウムイオン電池の放電曲線です。これは、電池が非常に高い速度で放電されると (またはその逆で、低い速度で) 実効容量が減少 (または増加) することを示しています。これは容量シフトと呼ばれ、この効果はほとんどのバッテリー化学システムで一般的です。

リチウムイオン電池はC率が高くなると電圧や容量が低下します。 （画像：リヒテック）

動作温度はバッテリーの性能に影響を与える重要なパラメーターです。非常に低い温度では、水ベースの電解質を含むバッテリーが凍結する可能性があり、動作温度範囲の下限が制限されます。リチウムイオン電池は低温で負極にリチウムが析出し、容量が永久に低下することがあります。高温では化学物質が分解し、バッテリーが動作しなくなる可能性があります。凍結と化学的損傷の間では、バッテリーの性能は通常、温度変化によって大幅に変化します。

次の図は、さまざまな温度がリチウムイオン電池の性能に与える影響を示しています。非常に低い温度では、パフォーマンスが大幅に低下する可能性があります。ただし、バッテリーの放電曲線はバッテリーの性能の 1 つの側面にすぎません。たとえば、リチウムイオン電池の動作温度と室温（高温でも低温でも）の偏差が大きいほど、サイクル寿命は短くなります。特定の用途については、さまざまなバッテリー化学システムの適用性に影響を与えるすべての要因を完全に分析することは、この記事のバッテリー放電曲線の範囲を超えています。さまざまなバッテリーの性能を分析するための他の方法の例としては、ラゴン プロットがあります。

バッテリーの電圧と容量は温度に依存します。 （画像：リヒテック）

ラゴンのプロット

ラグーン図は、さまざまなエネルギー貯蔵技術の比電力と比エネルギーを比較します。たとえば、電気自動車のバッテリーを考える場合、比エネルギーは航続距離に関係し、比電力は加速性能に対応します。

さまざまなテクノロジーの比エネルギーと比電力の関係を比較したラゴーヌ図。 （画像：リサーチゲート）

ラグーン図は質量エネルギー密度と出力密度に基づいており、体積パラメータに関連する情報は含まれていません。冶金学者の David V. Lagone は、さまざまな電池化学の性能を比較するためにこれらのチャートを作成しましたが、Lagone チャートは、エンジン、ガス タービン、燃料電池などのエネルギー貯蔵およびエネルギー デバイスのセットを比較するのにも適しています。

Y 軸の比エネルギーと X 軸の比電力の比は、デバイスが定格電力で動作する時間数です。デバイスのサイズが大きいほど電力とエネルギー容量が比例して大きくなるため、デバイスのサイズはこの関係に影響しません。ラグーン図上の一定の動作時間を表す等時性曲線は直線です。

まとめ

バッテリーの放電曲線と、特定のバッテリーの化学的性質に関連する放電曲線ファミリーを構成するさまざまなパラメーターを理解することが重要です。電気化学的および熱力学的システムが複雑なため、バッテリーの放電曲線も複雑ですが、これらはさまざまなバッテリーの化学的性質と構造の間の性能のトレードオフを理解するための手段にすぎません。