セル間の不一致は、直列接続バッテリーパックの使用可能容量と利用可能電力の両方を低下させます。 パックは、最初に電圧限界に達するセルによって制約されます。SOCが最も高いセルまたは容量が最も小さいセルが充電を終了させ、SOCが最も低いセルまたは最も弱いセルが放電を終了させます。その結果、他の健全なセルに蓄えられたエネルギーが利用できないまま残り、パックの最大充電電力および放電電力は、個々のセルの性能の合計または平均を大幅に下回る可能性があります。
直列パックでは、平均的なセルではなく、極端な特性を持つセルが実用性能を決定します。容量は充電または放電のカットオフに最初に到達するセルによって制限され、電力は電流によって電圧が最も大きく変化するセルによって制限されます。
不一致が直列パックを制約する理由
すべてのセルに同じ電流が流れる
直列接続されたセルには同じ電流が流れます。つまり、個々のセルは、容量が小さい、抵抗が高い、またはSOCが異なる隣接セルを独立して補償することができません。
したがって、いずれか1つのセルが許容電圧範囲の境界に達した時点で、パック全体の充電または放電を停止する必要があります。
平均的なセルがパックの使用可能セルとは限らない
パックの平均容量が良好であっても、その平均値によって安全に供給できるエネルギー量が決まるわけではありません。使用可能容量は主に、放電可能量が最も少ないセルによって決まり、充電時には、残りの充電受入余地が最も小さいセルによって決まります。
このため、直列ストリングが供給できるエネルギーは、各セルの公称容量の合計から期待される量を下回ることがあります。
使用可能容量への影響
最も充電されたセルが限界に達すると充電が停止する
充電中は、SOCが最も高いセル、容量が最も小さいセル、または電圧上昇が最も大きいセルが、最初に上限電圧カットオフに達します。その時点で、バッテリーマネジメントシステムまたは試験システムは、直列ストリング全体の充電を終了または低減する必要があります。
他のセルにはまだ利用可能な容量が残っている可能性がありますが、制限セルの過電圧を防ぐため、パックは安全に充電を継続できません。
最も弱いセルが空になると放電が停止する
放電中は、SOCが最も低いセルまたは利用可能容量が最も小さいセルが、最初に下限電圧カットオフに達します。残りのセルにはまだ相当量のエネルギーが残っている可能性がありますが、放電を継続すると制限セルが過放電するおそれがあります。
深刻な場合、弱いセルを限界値を超えて動作させると、電圧反転、セル内部でのガス蓄積、膨張、漏液、または恒久的な損傷が発生する可能性があります。
充電受入量と放電可能量の両方が重要
パックの利用率は、次の2つの限界によって評価できます。
- 放電可能量：最初のセルが最低電圧に達するまでに、ストリングが安全に供給できるエネルギー量。
- 充電受入量：最初のセルが最高電圧に達するまでに、ストリングが安全に受け入れられる追加エネルギー量。
セルの不一致は、これらの一方または両方を低下させます。そのため、放電終了時に未使用のエネルギーが残り、充電終了時にも未使用の蓄電余地が残ることがあります。
動作中にSOCの不均衡が拡大する
自己放電、充電効率、温度、劣化の違いにより、時間の経過とともにセルのSOC値は乖離します。その結果生じる不均衡によって、パックは充電および放電のカットオフに徐々に早く到達するようになります。
これにより、パックの利用可能性が低下し、セルにかかるストレスがさらに不均一になり、容量の乖離が加速するという悪循環が生じます。
出力への影響
抵抗の不一致が不均一な電圧降下を引き起こす
一定のパック電流に対して、内部抵抗が高いセルほど放電時の電圧降下が大きくなります。その端子電圧は、他のセルが通常の動作範囲内にある場合でも、下限カットオフに達する可能性があります。
その結果、パックが早期に停止し、使用可能な放電電力が低下します。
充電中も、同じ抵抗差および分極特性の違いによって、あるセルの電圧が急速に上昇することがあります。そのセルが上限カットオフに達すると、パックは意図した充電電流を受け入れる前に充電を制限しなければなりません。
電圧限界付近では分極が増大する
満充電または深い放電に近づくセルでは、分極電圧が大きくなります。これにより、電圧限界に違反せずに印加できる電流が減少します。
その結果、SOCおよび分極挙動の不一致は、利用可能なエネルギーだけでなく、パック全体の動的出力能力も低下させる可能性があります。
最大出力は制限セルによって決まる
一般に、SOCが最も高いセルが最初に上限電圧しきい値に達するため、充電電力を制限します。SOCが最も低いセルは、最初に下限しきい値に達するため、通常は放電電力を制限します。
高SOCまたは低SOCの領域では、電力とSOCの関係が急峻になることがあります。そのため、中程度のSOC不一致であっても、セル間の最大出力に不釣り合いに大きな差が生じ、安全なパックレベルの電力限界が大幅に低下する可能性があります。
直列優先の設計は特に影響を受けやすい
直列接続を主体とするアーキテクチャでは、高抵抗セルにも他のすべてのセルと同じ電流が流れますが、電圧偏差はより大きくなります。大きな負荷がかかると、他のセルが健全な状態にあっても、そのセルがパック停止を引き起こす可能性があります。
並列接続では、隣接セル間で電流を分担できるため、弱いセルの影響を部分的に低減できますが、セルのマッチングと監視が不要になるわけではありません。
バッテリー試験で問題を明らかにする方法
パック組立前にセルを個別測定する
パックレベルの電圧だけでは、各セルの実際のSOCまたはSOEを確実に把握することはできません。製造公差、初期SOCの差、容量のばらつき、劣化により、端子電圧が似ているセルでも残存エネルギーが異なる場合があります。
セルを直列ストリングに組み込む前に、個々のセルについて、容量、直流抵抗、分極挙動、SOC、自己放電を評価する必要があります。
電圧、電流、温度、圧力を追跡する
高度なバッテリー試験システムでは、パック全体の電圧だけでなく、各セルを監視する必要があります。セルレベルの電圧はカットオフに近づく最初のセルを特定し、温度および圧力の測定は、異常な抵抗、劣化、安全に関わる挙動の把握に役立ちます。
これらの測定により、パックの制限が主に容量の不一致、SOCの不均衡、抵抗のばらつき、または熱的条件のどれによって生じているのかを判別できます。
OCV-SOCデータを慎重に使用する
パックの平均開回路電圧プロファイルは、必ずしも個々のセルのプロファイルと一致しません。そのため、正確なパックSOCおよびSOE推定モデルを構築するには、個々のセルのOCV-SOC関係とエネルギー測定が有用です。
このセルレベルの情報がなければ、パック全体は十分に充電または放電されているように見えても、1つのセルがすでに損傷につながる限界付近に達している可能性があります。
トレードオフを理解する
より多くの使用可能エネルギーとセル寿命の延長
個々のセルの電圧限界に近い範囲で動作させると、パックの見かけ上の容量を増やせますが、過充電、過放電、劣化の加速リスクも高まります。一般に、充電および放電のしきい値を保守的に設定すると、直ちに利用できる容量は減少しますが、安全性とサイクル寿命は向上します。
バランシングでは失われた容量を作り出せない
均等化はSOCを再配分し、1つのセルが早期にカットオフへ到達するのを防ぐことができます。しかし、劣化によって失われた容量を回復したり、高抵抗セルを修復したり、根本的に容量が不足しているセルを他のセルと同等にしたりすることはできません。
したがって、バランシングは、正確なセル選別と、欠陥セルまたは著しく劣化したセルの適切な交換を組み合わせた場合に、最も効果を発揮します。
より厳密なマッチングは製造および試験の負担を増やす
電極加工、組立、容量、抵抗、初期SOCのばらつきを抑えるには、より厳密な工程管理と広範なスクリーニングが必要です。これにより開発および生産の負担は増加しますが、パックの利用率、出力の一貫性、バッテリー寿命評価の精度が向上します。
セルレベルのデータがなければパック試験結果は誤解を招く可能性がある
パック容量または出力の低下が測定されても、それがすべてのセルで均一に劣化していることを自動的に示すわけではありません。1つの制限セルが結果を支配し、残りのセルの状態を覆い隠している可能性があります。
したがって、パック全体の測定だけでは、健全なセルの性能を過小評価し、パック劣化の具体的な原因を特定できない可能性があります。
これをプロジェクトに適用する方法
適切な評価方法は、エネルギー、出力、安全性、寿命のどれを優先するかによって異なります。
- 主な関心が使用可能容量の場合： 個々のセル容量、初期SOC、充電受入量、放電可能量を測定し、最初のセルが各電圧カットオフに到達するまでの早さを評価します。
- 主な関心が最大出力の場合： 想定される電流、温度、SOC範囲における各セルの内部抵抗と分極を評価します。
- 主な関心がサイクル寿命の場合： 合計パック測定だけに頼らず、繰り返しサイクル中のセルレベルの電圧、温度、SOCの乖離、抵抗増加を追跡します。
- 主な関心がパックの安全性の場合： 最初に境界へ到達するセルに基づいて保護限界を設定し、過充電、過放電、または電圧反転につながるおそれのある動作の継続を防ぎます。
- 主な関心が正確な性能比較の場合： 組立前の容量選別、セルマッチング、制御されたバランシング、個々のセル測定を行い、パックの結果が制御されていない不一致ではなく設計を反映するようにします。
中心となる設計原則はシンプルです。直列パックの性能は最初に限界へ到達するセルによって決まるため、パックの平均仕様が示唆するエネルギーと出力を引き出すには、正確なセル特性評価とバランシングが不可欠です。
概要表：
| 要因 | 使用可能容量への影響 | 出力への影響 |
|---|---|---|
| SOCが最も高いセル | 充電容量を制限する（上限カットオフに最初に到達） | 充電電力を制限する（電圧上昇が急峻） |
| SOCが最も低いセル／最も弱いセル | 放電容量を制限する（下限カットオフに最初に到達） | 放電電力を制限する（電圧降下が過大） |
| 高い内部抵抗 | 早期カットオフにより使用可能エネルギーを減少させる | 負荷時に大きな電圧降下を生じさせ、出力を制限する |
| 分極 | 限界付近での完全な充電受入れを妨げる | 電圧限界付近での動的出力能力を低下させる |
| SOCの不均衡 | 時間とともに拡大し、充電および放電の両方の範囲を狭める | セル間の出力の不均衡を悪化させる |
重要なポイント： 直列パックでは、平均ではなく極端な特性を持つセルが性能を決定します。
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