充電状態

充電状態（SoC）は、特定の時点および特定の劣化状態との関係で、バッテリーで利用可能な残りの容量を定量化します。^[1]これは通常、パーセンテージ（0% = 空、100% = 満充電）で表されます。同じ測定の別の形式は放電深度（DoD）で、1 − SoC（100% = 空、0% = 満充電）として計算されます。これは、セルが完全に放電された場合に消費される可能性のある充電量を指します。^[2]充電状態は通常、使用中のバッテリーの現在の状態について議論するときに使用され、放電深度は、繰り返しサイクル中の充電状態の一定の変化について議論するときに最もよく使用されます。^{[1] [3]}

バッテリー電気自動車（BEV）では、充電状態はバッテリーパックに残っているエネルギーを示します。^[4]これは燃料計に相当します。

充電状態は、充電の進行状況を反映し、いつ充電が完了するかを所有者に知らせるため、列に並んでいるときや家にいるときの電気自動車の所有者の不安を軽減するのに役立ちます。^{[5]しかし、特に}プラグインハイブリッド車では、車両のダッシュボードにゲージまたはパーセンテージ値として表示される充電状態は、実際の充電レベルを表していない可能性があります。 かなりの量のエネルギーがハイブリッド作業操作用に予約されている可能性があります。 そのような車の例としては、実際の充電レベルが20〜22％であるときに、ドライバーに充電レベルがゼロであると表示される三菱アウトランダーPHEV（すべてのバージョン/生産年）があります。 もう1つはBMW i3 REX（レンジエクステンダーバージョン）で、SoCの約6％がPHEVのような操作用に予約されています。

充電状態もバッテリーの劣化に影響を与えることが知られています。^{[1] [6]}バッテリーの寿命を延ばすには、極端な充電状態を避け、変動ウィンドウを小さくすることが望ましいです。^{[7] [8] [9]}

通常、SoC は直接測定することはできませんが、オフラインとオンラインの 2 つの方法で直接測定変数から推定することができます。オフライン技術では、クーロンカウントなどの一定速度でバッテリーを充電および放電する必要があります。この方法ではバッテリーの SoC を正確に推定できますが、時間がかかり、コストがかかり、メインバッテリーのパフォーマンスを中断します。そのため、研究者はオンライン技術を探しています。^[10]一般に、SoC を間接的に決定する方法は 5 つあります。^{[11] [12]}

• 化学薬品
• 電圧
• 現在の統合
• カルマンフィルタリング
• プレッシャー

この方法は、非密封鉛蓄電池など、液体電解質にアクセスできる電池にのみ有効です。電解質の比重を使用して、電池の SoC を示すことができます。

比重計は、バッテリーの比重を計算するために使用されます。比重を求めるには、電解液の体積を計測し、重量を量る必要があります。比重は、(電解液の質量 [g]/電解液の体積 [ml])/(水の密度、つまり 1g/1ml) で求められます。比重から SoC を求めるには、SG と SoC の参照表が必要です。

屈折率測定は充電状態を継続的に監視するための有効な方法であることが示されています。電池電解質の屈折率は、セルの電解質の比重または密度に直接関係しています。^{[13] [14]}

特に、動作中に溶媒や溶解物質を生成または消費しないリチウムイオン電池やその他の電池の場合、電解質の分析では充電状態に関する情報は得られません。この方法は鉛蓄電池に有効です。硫酸の濃度は、次の反応に従って電池の充電状態に応じて変化するためです。

Pb（s）+ PbO
₂(秒) + 2時間
₂それで
₄(水溶液) → 2 PbSO
₄(秒) + 2時間
₂O（l） ${\displaystyle E_{cell}^{\circ }=2.05{\text{V}}}$

この方法では、バッテリーの既知の放電曲線 (電圧対 SoC) を使用して、バッテリー電圧の読み取り値を SoC に変換します。ただし、電圧はバッテリー電流 (バッテリーの電気化学的 運動による) と温度によって大きく影響されます。この方法は、バッテリー電流に比例する補正項で電圧の読み取り値を補正し、バッテリーの開回路電圧対温度の参照テーブルを使用することで、より正確にすることができます。

実際、バッテリー設計の明確な目標は、SoCに関係なく可能な限り一定の電圧を提供することであるため、この方法を適用することは困難です。充電状態に依存しない電圧を持つバッテリー（リン酸鉄リチウムバッテリーなど）の場合、開放電圧測定ではSoCの信頼性の高い推定値を提供できません。一方、電圧-充電曲線が傾斜しているバッテリー（ニッケルコバルトマンガンバッテリーなど）は、開放電圧測定からSoCを推定する方が適しています。^[15]

この方法はクーロンカウントとも呼ばれ、バッテリー電流を測定し、それを時間で積分することで SoC を計算します。完璧な測定は不可能なので、この方法は長期的なドリフトと基準点の欠如に悩まされます。そのため、充電器がバッテリーが完全に充電されたと判断したときに SoC を 100% にリセットするなど、定期的に SoC を再調整する必要があります (ここで説明する他の方法のいずれかを使用)。

マキシム・インテグレーテッドは、電圧と充電を組み合わせたアプローチを宣伝しており、これはどちらか一方の方法よりも優れていると主張しています。このアプローチは、MAX17050などのModelGauge m3シリーズのチップに実装されており、^{[16] [17]}たとえば、Nexus 6やNexus 9 Androidデバイスで使用されています。 ^[18]

電圧法と電流積分法の欠点を克服するために、カルマンフィルタを使用することができます。バッテリーは電気モデルで記述することができ、カルマンフィルタは観測された電流に基づいて過電圧を予測するためにそれを使用します。クーロンカウントと組み合わせることで、充電状態を正確に推定することができます。この技術の強みは、カルマンフィルタがバッテリー電圧とクーロンカウントの相対的な信頼をリアルタイムで調整することです。^{[19] [20]}

この方法は、充電時に内部圧力が急激に上昇する特定のNiMHバッテリーで使用できます。より一般的には、圧力スイッチによってバッテリーが完全に充電されたかどうかが示されます。この方法は、充電/放電電流の関数である Peukert の法則を考慮することで改善できます。

• バッテリーバランス
• バッテリー充電器
• バッテリー管理システム（BMS）
• バッテリー監視
• 放電深度(DoD)
• 健康状態(SoH)
• スマートバッテリー