バッテリーの充電状態を推定するには、電圧に基づく推定、電流に基づく推定 (クーロンカウント)、および内部インピーダンス測定からの推定の 3 つの方法があります。
夜遅くにラップトップでレポートを仕上げていると、バッテリーの残量が少なく、充電器を接続する必要があるというアラートが表示されます。「あと数分」と考えて、作業を続けます。突然、システムのバッテリーが非常に少なくなり、充電器に接続しないとコンピューターの電源がオフになるという嫌なメッセージが表示されます。
そのときだけ、必死に充電アダプターを探し、未保存の作業をデジタル災害から保護できることを願っています。
ラップトップやスマートフォンでできることはたくさんありますが、それらを当然のことと思っていることがよくあります。とりわけ、ほとんどすべての最新の電子機器はバッテリーを監視しており、絶対的なパーセンテージ値で、充電が必要になるまでにどれくらいの充電が残っているか、またはどれくらい使用できるかを示しています。
現代の電子機器がどのようにそれを行うのか疑問に思ったことはありませんか?
スマートフォンやラップトップは、バッテリーの残量をどのように計算するのですか?
短い答え: バッテリーの充電残量を正確に判断するのは簡単なことではありませんが、電圧に基づく推定、電流に基づく推定 (クーロンカウント)、内部インピーダンス測定からの推定など、いくつかの方法があります。これらの方法はすべて、バッテリーの充電/放電に応じて変化する便利なパラメーターの測定に依存しています。
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ただし、これらの方法にはそれぞれ欠点があるため、バッテリーの「残量」を 100% 正確に読み取ることはできません。また、これらの方法のいくつかは、特定の細胞化学に固有のものです。
これらの方法のいくつかについて詳しく学ぶ前に、まず、この記事全体で驚くほど一貫して登場する用語を解読することが重要です。
「充電状態」とは?
充電状態は、その名前が示すように、特定の時点でのバッテリーの状態、より具体的にはバッテリーの残量を示します。一般に SOC と略され、電気自動車またはハイブリッド車のバッテリー パックの燃料ゲージに相当します。
SOC に密接に関連するもう 1 つの用語は、放電深度 (DOD) です。これは実際には SOC の逆です。つまり、バッテリーの充電がどれだけ使い果たされたかを示す別の方法です。
バッテリーは充電を保持しており、特定の瞬間にどれだけ保持されているかを測定したいと考えています。言い換えれば、充電状態を決定したいのです。これは、いくつかの方法で実現できます。それらのいくつかについて話しましょう。
電圧を測定して充電状態を判断する
バッテリーの SOC は、プロセスが単純でかなり正確な結果が得られるため、電圧によって測定されることがよくあります。基本的に、バッテリー電圧の読み取り値を SOC に変換し、ユーザーに表示します。
アナロジーを使ってこのプロセスを理解してみましょう。バッテリーは、底に蛇口が付いたタンクのようなものです。タンクの中をのぞく方法がないため、ある瞬間にどれだけの水が入っているかを知ることはできません。タンクに残っている水の量をどのように判断しますか?
残りの水の量を推定する 1 つの方法は、蛇口から出る水の圧力を調べることです。水が速く出てくる場合は、タンクがほぼ満杯であることを意味し、圧力が高いことを意味します。一方、蛇口からの水の流れが非常に遅い場合は、タンクがほとんど空であることがわかります
電池の場合も同様です。電圧が 3.5 V のリチウムイオン電池は、満タンのときは 3.6 V、ほとんど空 (つまり、全容量の 92 ～ 98% が使用されている) のときは 3.3 V になります。リチウムイオン電池は 3V 以下まで放電できますが、電池の最大有効容量を保証するために、3.3V で電池は 0% または「完全放電」を示すことに注意してください。このカットオフ電圧以下でバッテリーを放電する バッテリーに重大な損傷を与える可能性があります。
デバイスはこの電圧を取得し、それに応じてバッテリーに残っている充電量を推定し、画面上でユーザーに表示します。
電圧による SOC 推定の問題
プロセスは単純ですが、周囲温度、放電率、セル材料、バッテリーの使用年数などの特定の要因が電圧に影響するため、100% 正確な結果を提供することに依存することはできません。ほとんどのバッテリーの電圧曲線は、充電状態に対して非線形曲線に従います。
充電曲線または放電曲線の最後にいない限り、電圧は実際にはあまり変化しません。これは、60% 充電されたバッテリーと 40% 充電されたバッテリーの違いを知るのがかなり難しいことを意味します。
さらに、ヒステリシスの問題があります。これは、バッテリーが放電を停止した後も放電し続けることを意味します。この問題を防ぐには、電圧測定が正確に機能するように、バッテリを数時間完全に「リラックス」させる必要があります。 (出典)
電流を使用して充電状態を判断する (クーロン カウンター)
SOC を推定するもう 1 つの方法は、セルに入る電流 (充電されているとき) と出ていく電流 (放電されているとき) を測定し、これを時間の経過とともに積分することです。簡単に言えば、すでに使用されている充電量を計算することで、バッテリーに残っている充電量を計算できます。 SOC を決定するこの手法は、カウントするため、適切に「クーロン カウント」と呼ばれます。 セルに出入りする電荷。
一部の電子機器には、クーロン カウンターと呼ばれる小さなデバイスが組み込まれている場合があります。 、ホスト デバイスによって消費される電流を測定し、それを時間の経過とともに合計し、それをプログラムされたバッテリー容量と比較して、バッテリーに残っている充電量の推定値を提供します。
他のほとんどの SOC 推定方法よりも精度が高くなりますが、電流の流れを直接測定するため、バッテリーの効率を考慮していないという独自の制限があります。また、正確な電流測定を行うことは非常に困難です (そして費用がかかります) (出典)。
比重 (SG) 測定値からの SOC 推定
これは、鉛蓄電池の SOC を推定するために非常に一般的に使用される方法です。
鉛蓄電池
これには、バッテリーが放電するときにバッテリー内に存在する活性化学物質の重量の変化を測定するセンサーの使用が含まれます。バッテリーに蓄えられた電荷が使い果たされると、硫酸 (バッテリー内の活性電解質) の濃度が低下し、それに比例して溶液の比重が減少します。
比重計は伝統的に比重 (SG) 測定に使用されてきましたが、最新の鉛蓄電池は、リアルタイムの SG 測定を提供し、かなり正確な SOC 値を生成する電子センサーで構成されています。ただし、この方法は鉛蓄電池専用であり、他のセル化学では使用できません。
比重計。鉛蓄電池の充電量の測定に使用できます。 (画像クレジット:ブッチ / ウィキメディア・コモンズ)
内部インピーダンス測定によるSOC推定
セル内の活性化学物質は、バッテリーの充電/放電中にある形態から別の形態に変化するにつれて、その組成を変化させます。したがって、セルの内部インピーダンス (電圧が印加されたときに回路が電流に対して示す抵抗) を測定することにより、その SOC を決定できます。
ただし、この手法は一般的な選択肢ではありません。まず、セルのインピーダンスは温度に依存します。第二に、セルがまだアクティブな状態でセルのインピーダンスを測定することは困難です。
バッテリーの充電状態を判断するために使用できる方法は他にもいくつかありますが、どれも完璧ではなく、それぞれに固有の問題があります。
そのため、SOC 決定方法は推定値しか提供できないことを常に考慮する必要があります。 バッテリーの充電状態を示すものであり、100% 正確な値ではありません。つまり… 充電器を手元に置いておきましょう!
