電池におけるSOC(充電率)とは?【リチウムイオン電池のSOCと劣化の関係】

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電池におけるSOC(充電率)の測定・計算方法は?【リチウムイオン電池のSOCと劣化・寿命の関係】

 

リチウムイオン電池は、高電圧、高容量、高エネルギー密度、長寿命などのメリットがあるためスマホバッテリーや電気自動車搭載電池、家庭用蓄電池などさまざまな製品に採用されています。

 

今後IOT化が進む中で、このような特長を持つリチウムイオンバッテリーの重要性がより増していくため、リチウムイオン電池に関する知識を身に着けておくといいです。

 

 

ここでは、電池の基礎的な用語であるSOC(エスオーシー)について解説していきます。

 

 

・電池のSOC(充電率)とは?

 

・リチウムイオン電池におけるSOC(充電率)の測定、計算方法

 

・リチウムイオン電池におけるSOCと劣化や寿命との関係

 

・リチウムイオン電池の

 

 

というテーマで解説しています。

 

 

 

電池のSOC(充電率)とは?

 

⁠電池における用語であるSOCとはStates Of Charge  の略で充電状態、充電率のことを指しています。つまり、スマホバッテリーなどの右上に表示させるような「残り何%なのかを数値化したもの」ともいうことができます。

 

 

つまり、電池の容量が満充電であれば、SOC100%であり、放電状態であればSOC0%と表現できるわけです。

 

 

このようにスマホバッテリーなどでは、残量検知システムが連動しているためSOCの推定値が基本的に表示される仕組みとなっています。

 

それでは、厳密にSOCを測定するためにはどのような対処を行うといいのでしょうか。以下で確認していきます。

 

 

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リチウムイオン電池におけるSOC(充電率)の測定、計算方法

 

続いて、リチウムイン電池における厳密な意味でのSOCの計測、算出の詳細の手順を確認していきます。

 

このとき、充放電装置や直流電源、抵抗放電装置(抵抗付加)やデータロガーがなければ、正確なSOCの測定や計算を行うことはできません。

 

電池や各種設備が整いましたら、以下の操作を行います。

 

 

リチウムイオン電池のSOCの測定

 

①:いまの状態の電池を、標準的な条件(例えば25℃で1C放電)で完全に放電した際の放電容量を測定します。

 

②:この電池を満充電(SOC100%)にし、満充電状態から同条件での放電容量を測定します。

 

これで電池のSOCを求めるための必要なデータが揃います。

 

なお、放電曲線(放電特性)において放電終止電圧に当たったところの容量が放電容量に相当します。

 

 

 

 

リチウムイオン電池のSOCの算出方法

 

続いて、測定した今の放電容量(①)と満充電からの放電容量を元にSOCを計算していきます。

 

なお、SOC(充電率)/% =残容量 / 満充電時の容量 × 100 で求めることができます。

 

 

例えば、今回のケースで①が2Ahであり、②が10Ahであったとすると、この状態でのSOCは2/10×100=20%であったといえます。

 

なお、人によっては②の数値として現在の満充電時から測定した放電容量ではなく、公称容量を使用する場合があります。

 

そのため、SOCについて議論する必要がある場合にはが実際にどのような計算式によって算出されているのかをすり合わせておくべきということを認識しておくといいです。

 

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リチウムイオン電池におけるSOCの推定方法

 

このようにしてバッテリーのSOCは計測したり、算出されたりします。ただ、これは製品からリチウムイオン電池を取出して、実際に電気的な装置での評価を行う方法です。

 

これでは、手間がかかりすぎるため、現実的な場面でSOCを推定するには不向きといえます

 

そして、実際には上述のスマホでSOC(充電率)が表示されていることからもわかるように、SOC推定を行うことによってそのSOC値が見える化されているわけです。

 

SOC検知の手法としてはさまざまな手法が開発され、今でもその精度を上げるための手法が改良され続けています。

 

そして、従来からあるSOC検知の方法にSOC-OCV曲線を使用するものがあります。つまり、電池には開放電圧(電流を流していない状態の電圧)とSOC(充電率)には関係性があり、この電圧値を元にSOCが推定される仕組みが用いられているケースが多いのです。

 

実際に今でもSOCの推定値はおおよそ一致していることがスマホなどを使用していて理解できるかと思いますl。

 

ただ、バッテリーが劣化したりすると、このSOC-OCV曲線の形が変化してくるため、その推定値から大きくずれる場合もあり、SOC検知はなかなか難しいものなのです。冬場にSOC値が十分に残っているという状況から、いきなり電池切れとなるのはこのようなSOCの推定が十分にできていないことを見しているともいえます。

 

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リチウムイオン電池におけるSOCと劣化や寿命の関係性

 

なお、リチウムイオン電池においてSOC(充電率)は劣化や寿命と大きな関係性があります。特に、フロート充電(一定の電圧に保つ充電)や放置時の劣化や寿命とSOCは結びつきが強いです。

 

これは、リチウムイオン電池の劣化のメカニズムにより説明することができます。

 

一般的なリチウムイオン電池(正極材にコバルト酸リチウム、負極材に黒鉛)では、初回充電時に黒鉛負極の表面にSEI皮膜と呼ばれる薄いフィルムが形成されます。

 

このSEI皮膜は、「リチウムイオンの移動は阻害することなく、電解液の分解を抑制することができる」という機能を持った優れた膜なのです。

 

ただ、この皮膜には電解液と負極間の電圧がかかっている状態となっているため、フロート充電やある電圧にしてからの放置時には常に負担をかけていることになるわけです

 

 

つまり、分解を抑制しているものの緩やかな劣化(電解液の分解等)は発生しており、電圧が高いほどこの分解は促進されます。

 

なお、基本的にSOCが高くなると電圧も高くなる傾向にあるため、SOCが高い状態では電池はより劣化しやすくなるのです。つまりSOCが100%に近づくほど、寿命は短くなるといえるのです。

 

そのため、こちらのリチウムイオン電池を長持ちさせる方法にも記載していますが、充電状態(SOC)をできる限り低く保った方がより寿命を長くすることができます。

 

きちんとリチウムイオン電池のSOCと劣化、寿命の関係性について理解しておきましょう。

 

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リチウムイオン電池のSOCと内部抵抗の関係性

 

さらに、電池のSOCと内部抵抗には大きな関係性があります。

 

内部抵抗が小さい電池の方が出力を上げられるため、基本的に良い電池ということができます。

 

そして、同じ電池であってもSOCが変化するとともに、その内部抵抗値(直流抵抗も交流抵抗も)は変化します。

 

具体的には、SOCが0%付近やSOC100%付近の領域では、内部抵抗が高くなる傾向にあります。内部抵抗のSOC依存性は以下のようになります。

 

 

これは、SOCが低すぎる、もしくは高すぎる領域では、放電時、充電時でも負極や正極のリチウムイオンが出にくくなる、もしくは入りにくくなる状態となっています。このように反応が起こりにくいことが原因として、内部抵抗の上昇につながっているといえます。

 

なお、これらの領域ではSOC-OCV曲線自体の変化も大きいため、内部抵抗の測定精度自体も低くなりやすいといえます。

 

そのため、出力や作動電圧を予想する際には、この内部抵抗の測定値を元に計算するというよりも、実際にそのSOCでの出力や作動電圧を直接測定するようにして、電池設計につなげるといいです。

 

 

また、SOCと似ている電池用語にSOHという言葉がありますが、こちらは劣化状態のことを表す別物ですので、気を付けましょう。

 

 

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