容量運用では、長時間のシフト中にバッテリーをエネルギー貯蔵源として使用します。一方、サイクル運用では、容量の一部だけを繰り返し使用し、急速に補充します。 容量運用では、8時間のシフトなど、長時間にわたってバッテリーを大幅に放電し、その後完全に再充電します。サイクル運用では、短時間の高出力放電イベントの後に頻繁なブースト充電を行い、バッテリーが長時間にわたって部分充電状態（pSoC）に留まることがよくあります。
この違いは、放電深度、イベントの継続時間、再充電頻度、充電状態の挙動によって定義されます。バッテリーR&D装置は、標準的な完全充放電試験だけに依存するのではなく、それぞれの運用方式における実際の電流、電圧、タイミング、温度、再充電条件を再現する必要があります。
2つの運用モードの違い
容量運用：長時間のシフトにわたるエネルギー供給
容量運用では、1回の連続した運用期間中に、バッテリーの利用可能容量の大部分または全容量を消費します。通常、負荷は数時間にわたって継続し、その後完全に再充電します。
この運用方式では、主に総使用可能容量、エネルギー効率、定常状態での発熱、シフト終了時の電圧挙動を評価します。従来の深放電試験に似ていますが、正確な電流プロファイルは車両の実際のデューティサイクルに合わせる必要があります。
サイクル運用：短時間のバーストを繰り返す運用
サイクル運用では、数秒から数分間続く短時間のイベントで、バッテリー容量の一部を消費します。その後、即時または頻繁な大電流ブースト充電によってバッテリーを補充します。
イベント間にバッテリーが満充電に戻らない場合があります。複数シフトの運用では、予測可能な回数のブーストサイクル後に、使用可能容量が中間的な状態で安定することがあります。
重要な違いは単純な「低速対高速」ではない
重要な違いは、負荷需要と再充電挙動の関係にあります。どちらの運用方式でもバッテリーは高出力を受ける可能性がありますが、サイクル運用は、1回の長時間にわたるエネルギー消耗ではなく、部分放電と再充電の繰り返しによって定義されます。
負荷プロファイルがバッテリー寿命に重要な理由
電流値が見かけの容量を変化させる
高い電流は、内部抵抗と電極分極による電圧損失を増加させます。そのため、バッテリーはより早く電圧カットオフに達し、相当量の電気化学的容量が残っている場合でも、測定された使用可能容量が低く見えることがあります。
連続放電では、電極と電解液内部に濃度勾配が持続的に形成されます。間欠運用では、休止期間中に部分的な緩和が可能になるため、同じ公称電流でも利用可能な容量が変化することがあります。
パルス負荷が熱ストレスを生み出す
大電流イベントでは、（I^2R）に比例して内部発熱が発生します。ここで（I）は電流、（R）は内部抵抗です。そのため、パルスの繰り返しによって、平均エネルギー消費量から想定される以上に深刻な熱ストレスが生じる可能性があります。
放電中とブースト充電中の両方で、温度上昇を監視する必要があります。熱挙動を調べることで、ある電流制限が短時間の運用では許容可能でも、数千サイクルにわたって繰り返すと損傷を引き起こすかどうかを判断できます。
部分充電状態が劣化メカニズムを変化させる
pSoCでの頻繁な運用では、バッテリーが単純な完全放電・完全再充電のパターンに従わなくなります。その結果生じる劣化は、従来の容量サイクル試験で観察される劣化とは異なる可能性があります。
したがって試験では、公称容量だけでなく、容量保持率、内部抵抗の増加、電圧応答、繰り返しマイクロサイクル中の熱挙動も測定する必要があります。
バッテリーR&D装置の構成方法
実際の電流・時間波形を再現する
プログラム可能なバッテリー試験システムは、以下を含む車両の実際の運用プロファイルを再現する必要があります。
- 容量運用における連続放電期間。
- サイクル運用における短時間の放電パルス。
- 負荷イベント間の休止間隔。
- 即時または遅延ブースト充電。
- 実際に発生する完全再充電イベント。
- 電流制限、電圧制限、カットオフ条件。
定電流試験は基準特性評価に有用ですが、加速、走行、昇降、制動、待機中に需要が繰り返し変化する自動搬送システムを完全に再現することはできません。
各運用方式に別々の試験プロトコルを実行する
容量運用では、想定されるシフト時間、または指定された放電終了条件に達するまでセルまたはバッテリーを放電するよう装置を設定します。その後、指定の充電方法で完全に再充電します。
サイクル運用では、部分放電、短い休止または移行時間、ブースト充電を繰り返すシーケンスをプログラムします。想定される中間充電状態に達するまでシーケンスを継続し、その後、実際の用途で使用される複数シフトのパターンを繰り返します。
pSoC制御を含める
ブースト充電によって直前のイベントで消費されたエネルギーの一部だけが回復する場合、すべてのサイクルが100%から始まると仮定せず、試験システムでバッテリーの充電状態を追跡・制御することが不可欠です。
プロトコルでは、以下を定義する必要があります。
- 初期充電状態。
- イベントごとの放電深度。
- 充電時間と電流。
- シフトあたりのイベント数。
- 完全充電の頻度。
- 許容されるpSoC運用範囲。
熱応答と電気的応答を同時に測定する
電流、電圧、セル温度、バッテリー温度、時間を同期して測定します。利用可能であれば、追加の温度センサーによって、セルまたはモジュール間の温度勾配を特定できます。
システムでは、以下も計算または記録する必要があります。
- 供給されたエネルギーと充電中に回収されたエネルギー。
- 大電流パルス中の電圧降下。
- パルス終了後の回復電圧。
- 内部抵抗または抵抗に関連する電圧応答。
- 試験期間中の容量保持率。
- ブーストイベント中の充電受入性。
試験結果から明らかにすべきこと
現実的なデューティサイクルにおける容量保持率
主な結果は、繰り返し運用後にどれだけの使用可能容量が残っているかです。2つのプロファイルでは異なる劣化挙動が生じる可能性があるため、完全シフト放電とpSoCマイクロサイクルの両方で評価する必要があります。
容量は、一定の基準試験を使用して定められた間隔で測定する必要があります。そうしなければ、試験電流や温度の変化を恒久的な容量損失と誤認する可能性があります。
最大許容電流
サイクル用途では、バッテリーが一度だけ供給できる最大電流を見つけることが目的ではありません。目的は、許容できない電圧降下、発熱、早期劣化を伴わずに繰り返し供給できる最大電流を特定することです。
許容電流は、最低動作電圧、最高温度、充電制約、必要な耐用年数などの用途上の制限に照らして評価する必要があります。
長期的な劣化パターン
適切な試験によって、劣化の主な要因が深放電、大電流パルス、ブースト充電、高温、pSoC滞留、またはそれらの組み合わせのいずれであるかを明らかにできます。
容量運用プロトコルとサイクル運用プロトコルの結果を比較することで、バッテリー設計がエネルギースループット、電力スループット、急速再充電、またはバランスの取れた運用のどれに最適化されているかを特定できます。
トレードオフを理解する
標準的な完全サイクル試験では不十分
完全充放電試験はベンチマークに有用ですが、急速な部分サイクルによって引き起こされる故障メカニズムを見逃す可能性があります。セルが標準的な容量試験では良好な性能を示していても、実際のブースト充電運用では過度の発熱や抵抗増加が発生する場合があります。
平均電流では有害なピークを隠す可能性がある
2つのデューティサイクルの平均電流が同じでも、ピーク電流が大きく異なる場合があります。ピークが高いプロファイルでは、平均エネルギー消費量が同程度であっても、より大きな電圧降下と（I^2R）発熱が生じる可能性があります。
より詳細な試験には、より高度な制御が必要
現実的なマイクロサイクル試験には、十分な電流応答、タイミング精度、データ取得機能、熱監視機能を備えたプログラム可能な装置が必要です。負荷と充電器の同期が不十分だと、実際の車両を表さない結果になる可能性があります。
温度を制御し、記録する必要がある
バッテリー性能は温度に依存します。試験では、規定された周囲温度またはチャンバー条件を使用し、プロファイル全体を通じてバッテリー温度を記録する必要があります。
温度データがなければ、容量損失が電気化学的劣化によるものなのか、単に想定された熱範囲外での運用によるものなのかを判断することは困難です。
目的に合った選択をする
答える必要のある運用上の問題に合った試験プロファイルを使用してください。
- 主な焦点がシフト耐久性の場合： 長時間の放電後に完全再充電を行い、使用可能容量、エネルギー供給、電圧安定性、シフト終了時の性能を測定します。
- 主な焦点がブースト充電運用の場合： 制御されたpSoCで、部分放電と高頻度の再充電サイクルを繰り返します。
- 主な焦点が電流制限の定義の場合： 電圧降下、温度上昇、内部抵抗、容量保持率を監視しながら、大電流パルスを繰り返し印加します。
- 主な焦点が耐用年数の予測の場合： 現実的な容量運用プロファイルとサイクル運用プロファイルを、定期的な基準容量測定および抵抗測定と組み合わせます。
バッテリーR&Dシステムは、公称の充放電限界だけでなく、バッテリーの完全な運用履歴を再現することで、最大の価値を発揮します。
概要表：
| 特徴 | 容量運用 | サイクル運用 |
|---|---|---|
| 放電時間 | 長時間（数時間、例：フルシフト） | 短時間のバースト（数秒から数分） |
| 放電深度 | 深い（大部分または完全に放電） | 浅い（容量のごく一部） |
| 再充電パターン | 長時間の放電後に完全再充電 | 頻繁なブースト充電。満充電に達しない場合がある |
| 充電状態 | 満充電に戻る。低いSOCで休止する場合がある | 部分充電状態（pSoC）であることが多い |
| 主要な性能指標 | 総使用可能容量、エネルギー効率 | 出力性能、充電受入性、熱応答 |
| 主な劣化ストレス | 深放電、持続的な発熱 | 大電流パルス、I²R発熱、pSoCの影響 |
| 一般的な試験プロファイル | カットオフまでの定電流放電後、完全充電 | 制御されたpSoCで、ブースト充電を伴う放電パルスの繰り返し |
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