CBIパルス電力特性評価ツール

エネルギーストレージ機能のための定格容量に加えて、自動車用バッテリーの電力性能は「低温クランキング電流」（CCAまたはIcc​）で表されます。このラベリングシステムは、エンジンを始動しない自動車用バッテリー（いわゆる補機バッテリーやバックアップバッテリー）にも使用され続けています。しかしながら、検証方法として、従来の低温クランキングテストだけでは、それらの電力性能を特性化するのに十分でない場合があります。さらに、それらは、専用の補機バッテリーやバックアップバッテリータイプの特定の設計最適化を妨げる可能性があります。典型的な非始動系ピーク負荷は、定格低温クランキング電流のほんの一部しか消費しませんが、通常、数秒または数分の1秒間、部分充電状態で7.2または6ボルトをはるかに上回る電圧を必要とします（表の「車体負荷」を参照）。その結果、エンジンを始動しない自動車用バッテリーのための初の業界規格であるIEC 60095-8は、新たな特性評価法としてパルスパワー特性評価（PPC）を導入しています。

IEC 60095-8のPPC要件は、補機またはバックアップ用途に最適化されており、エンジン始動を意図していないバッテリー設計、すなわち専用の補機またはバックアップバッテリーにのみ適用されます。一方、IEC 60095-8は、全面的な低温クランキング性能検証（従来の低温クランキングテスト）を受ける汎用自動車用バッテリーを定義していますが、これらも補機またはバックアップ用途で使用される場合があります。

• 汎用自動車用バッテリーに対して、IEC 60095-8はPPC要件を定義していません。しかし、従来のCCAテストは必須です。このテストに加えてPPCテストを適用することはあくまで推奨です。
• 専用の補機またはバックアップバッテリーについては、低温クランキングテスト方法と要件は最初の10秒の放電のみに緩和されていますが、PPCテストを追加で実行し、要件を満たすことは必須です。

IEC PPC要件は、最大17種類の最新の自動車用バッテリータイプのPPCマッピングデータから決定されました。これらのうち、1つだけが専用の補機/バックアップバッテリー設計でした。これらのバッテリーには、JIS B19からD23サイズの4つの液式バッテリーとEFB、EN LN1からLN3サイズの3つの液式バッテリー、EN LN2からLN3サイズの3つのEFB、EN LN0からLN4サイズの4つのプリズム型(角型？)AGMタイプ、BCIグループ34サイズの2つのスパイラル巻(巻回型？)AGM、および1つの補機専用AGMタイプ（18 Ah）が含まれていました。PPC要件は、評価された従来のバッテリータイプの性能の中央値付近に設定されました。これは、次のことを意味します。

• 汎用自動車用バッテリーの典型的な性能を表す（個々の「始動用」バッテリータイプは、下図に示すように、性能が大きく上下する可能性あり）
• 専用の補機またはバックアップバッテリータイプに対して、最低限達成すべき性能

このような厳格な要件設定は、CCA(AUX)テストにおいて、U30sおよびt6Vの要件が除外されたことに伴い、従来または簡素化された自動車用設計の定格CCAのインフレを避けるために適用されました。これはまた、従来の始動用バッテリーアプリケーションに、形状的には適合するものの電力不足の専用の補機またはバックアップバッテリーを顧客が使用することを防ぐ狙いもあります。

このツールは、パルス放電負荷に対するバッテリー性能を予測します。すべての物理量は、バッテリーそのものにおける値であり、温度は電解液の温度（周囲温度ではない）および電圧はバッテリー端子電圧を指します。

このツール内の一般的なバッテリーモデルは、IEC要件をちょうどクリアする仮想的なバッテリー設計に対してパラメータ化されています。これらの要件は、温度とSOCの3つの動作点、すなわち（25℃、100%）、（-18℃、80%）、（-18℃、50%）に対してのみ定義されています。

他の温度およびSOCレベルに対して、このバッテリーモデルは、PPC性能マッピングデータ（前の図を参照、およびIEC 60095-8の附属書Bで詳述）に適合されています。以下の3D図は、35 Ah 380A AGMバッテリーの温度とSOCの関係性、およびピーク電流（9.2ボルト時）の例を示しています。テストでの負荷電流は300Aでカットオフされましたが、この見かけ上の飽和を除けば、鉛バッテリーの電力性能は-30℃およびSOC 30%まで非常に滑らかかつほぼ線形に変化します。

結果として、このCAEツールの出力は以下を表します。

• 従来の低温クランキング試験（30秒電圧またはt6v​が証明済み）を受けた汎用自動車用バッテリーの典型的な性能を表す（個々の「始動用」バッテリータイプは、性能が大きく上下する可能性あり）
• 10秒CCA(AUX)テストのみに合格した専用の補機またはバックアップバッテリータイプに対して、最低限達成すべき性能。

このCAEツールの将来のバージョンでは、個々のバッテリー設計とタイプをより正確に特徴付ける独自のパラメータセットをアップロードできるようにする予定です。

このモデルは、ハザード警告灯やポジションライト、機械的にロックされていない場合のブレーキ保持など、低負荷バッテリー性能の予測には適していません。このような要件は、Iccよりもバッテリーの容量に典型的に影響します。

計算シートの背後にあるモデル方程式は次のとおりです。

車両アプリケーションにおける許容ピーク放電電圧は、バッテリーのサイズ選定に大きな影響を与えます。下図の典型的なAGMバッテリーの図に示されているように、温度-18℃以下でSOC75%未満では、同じバッテリーが10.5V時よりも9.2V時の方が2.5倍から3倍高い電流​を供給します。

電動化されたシャシーシステムやその他のピーク電力負荷のための多くのシステム設計では、当初、最低バッテリー電圧として10.5ボルト、さらに悪いことには、負荷での最低入力電圧（バッテリー端子からの配線損失として通常0.5Vの降下を伴う）を含めて規定する場合があります。このツールによって提供される感度プロットから明らかなように、このような高いピーク電圧要件は、電源システムを非常に非効率にします。つまり、このような高電圧で電力を供給するためだけに、劇的に過大なサイズのバッテリーまたは追加のエネルギー貯蔵および電力変換システムが必要になります。システム設計の最適化は、ピーク負荷側の機能を強化するべきです。適度に（小型化された）鉛蓄電池は、9.5、9.0、あるいは8.5ボルトでより効率的にはるかに大きな電力を供給できます。

このツールは、下の図に示されているような一般的な負荷シナリオに対してU2​（またはI2​）を予測します。これは、MeissnerとRichter 2003（Journal of Power Sources 116, 79-98）によって導入されたState of Function(SOF)の概念を利用しています。挿入図（左）で例示されているようなアプリケーション固有の負荷プロファイルI(t)が与えられた場合、次のように一般的なパラメータを取得できます。

• I2​は、アプリケーション固有の負荷プロファイル中に発生する最大電流です。負荷シナリオが電力で定義されている場合、最大電力要件を最低許容ピーク電圧で割ります。例えば、二回連続で車線変更する場合では4つの電力ピークが必要ですが、他のシャシー負荷ではさらに多くのピーク要件が追加される場合があります。SOFプロファイルの構築とパラメータ化のために、すべてのステアリング操作がベース負荷供給時間の終わりに一度に発生すると仮定して、すべての（またはそれ以上の）ピークをまとめてください。これは最悪のケースの仮定です。
• t2​はすべての電力ピークをまとめた持続時間です。バッテリー放電電流が0.5⋅I2​を超える間のすべてのピーク持続時間の合計として近似することが提案されます。t2​は、パルスが発生する時間スパンではありません。通常、t2​は数分の1秒（単一のステアリングまたはブレーキ操作の場合）から5秒（複雑な多パルスシーケンスの場合）の間で変化します。広範なテストにより、（充電直後でない限り、次のセクションを参照）鉛蓄電池は2 … 5秒の期間、非常に安定した放電電圧を持つことが示されています。より短いピーク持続時間の場合、モデルの出力は過度に保守的な結果を出すことになるため、体系的な実験によってアプリケーション固有の小型化係数を決定するとよいでしょう。
• t1+t2​は、アプリケーション固有の負荷プロファイルの全体の持続時間です。通常、バッテリーはピーク電力パルスの前後およびその間にベース負荷へ電力を供給する必要があります。
• I1​は、SOFプロファイル全体の放電電流積分が、アプリケーション固有の負荷プロファイルのそれと等しくなるように選択されます。これは、ピーク電力パルスの前後およびその間の平均ベース負荷需要を表します。

このサイジングツールは、典型的な持続時間t2に対するI2​とU2​の関係についての線形化されたモデルを含んでいます。合計ピーク持続時間t2の範囲を拡張した場合も同様に出力されますが、精度は低下します（t2<2sの場合は直流抵抗の過小評価、t2>5sの場合は過大評価）。しかしながら、このツールはパラメータI1、t1​の入力を必要としません。理由：事前放電（I1,t1）はU2​にほとんど影響を与えません。これは複数の連続試験によって証明されており、その一例の図を以下に示します。ここで横軸は（時間ではなく）充電収支です。LN2 AGMバッテリー（Cn=60Ah、Icc=600A、寿命初期（BOL）、50% SOC、-18℃）において、50%と60%または50%と80% SOCの間で部分的に充放電を繰り返す中で、アンペア秒積分が同一（0.56%Cn）の2つのプロファイルが比較されました。

• 150 A = 0.25⋅Iccでの8秒間のピーク放電（このツールでモデル化されている単一ステップ）
• 30A = 0.5Cレートでの30秒間のベース負荷、それに続く150 A = 0.25⋅Iccでの2秒間のピーク放電（SSOFプロファイルで要求される2ステップ）

State-of-Function (SOF) の概念は、バッテリー監視にとっても非常に有効です。車両の電力性能に対する信頼性の概念のため、インテリジェントバッテリーセンサー（IBS）または他のバッテリー監視システム（BMS）の信号定義もSOFとして定義されるべきです。これにより、体系的な検証が可能になり、瞬時の予測（例：短期オブザーバー）のための適切なアルゴリズムでSOCや残容量の誤差に影響されにくい実装が行えます。次のセクションで示されるように、充電直後のバッテリーのSOFは、その絶対SOCと強く相関していません。このサイジングツールとは異なり、オンラインの車載SOF予測は、車両機能の可用性を最大化するために、一時的なパルス後ブーストの放電性能も考慮に入れる必要があります。

機能安全（ISO 26262）に関連する12Vピークパワーを要求する多くの車両機能があります。12Vバッテリーは、そのような負荷の冗長電源の1つとしてよく使用されます。バッテリー（セルスタック）自体は電気的または電子的な部品ではありません。ASILレーティングは、バッテリー監視システムに連鎖的に接続される必要があります。ＳＯＦ特性を活用することで、短期予測とその検証のためのASIL準拠のソリューションが可能になります。安全な機能状態として、ASILに関連するSOF信号をSSOFとしてラベル付けすることが提案されています。そのようなアプリケーションでは、I1​は故障発生（例えばdc/dcコンバーターのシャットダウン）とバックトゥーセーフシナリオで要求される最後のパワーパルスまでの間に問題のバッテリーから供給されるべき平均ベース負荷電流です。

このサイジングモデル出力と車両テストデータを比較すると、実際のバッテリーはほぼ常に予測よりも大幅に優れた性能を発揮することがわかるでしょう。これは意図した仕様であり、このモデルの欠陥ではありません。

• このモデルは、（公称条件下で）ターゲットの充電状態まで放電されただけの一般的なバッテリーの性能を予測します。これは最悪のケースの条件です。ほとんどのOEMは、バッテリーサイジングにこの条件を使用します。このツールは、バッテリーのサイジングと検証をサポートすることを目的としています。
• 試験車両ではSSOFテストの前に、DC/DCコンバータ、オルタネーター、または他の一次12Vエネルギー電源によって充電されています。直前に充電されている場合、たとえ充電状態（SOC）のわずかな増加であっても、バッテリー電圧を大幅に上昇させます。これは、開回路電圧だけでなく、その後の放電中の状態(State of Function, SOF)にも当てはまります。ただし、充電収支が著しくプラスである限りです。より高いバッテリー電圧は、活性物質の過飽和および熱力学的（電位プラトー）効果、ならびに酸濃度勾配によって引き起こされます。これらの効果は数分後に解消するため、このモデルには考慮されておらず、ほとんどのOEMはバッテリー選定にそのような効果を考慮することはありません。例として、下の図は、前のセクションで示したのと同じテストシリーズにおける充電後の比較電圧トレースを示しています。バッテリーの充電がわずか3%SOCであるだけで、与えられた負荷プロファイルのSOFが約0.6 V改善されました。より短いSOFシナリオ（この例の最大300 As放電）の場合、擬似容量効果によってさらに大きな電圧上昇を引き起こす場合があります。

推奨事項： 非平衡状態または放電状態での放電性能に合わせてバッテリーを選定する場合は、同じ条件でテストしてください。充電直後のバッテリーは常に大幅によい結果を示します。この過剰性能を充電回復中、ほぼ限界に近い放電後、もしくは意図しない放電状態からの回復中、もしくは寿命末期に近いバッテリーの機能可用性改善に活用できるかどうかは、状態検知の信頼性に依存し、バッテリーサイジングそのものの問題ではありません。

注： IEC 60095-8の充電回復テスト手順は、バッテリー標準化において初めて、充電回復中および充電回復後の一時SOFブーストを評価する試験方法と最小要件を定めています。OEMは、アプリケーションニーズやクラス最高のバッテリー実績に合わせて同じテスト手順と要件を規定することができます。詳細はIEC 60095-8の附属書Cを参照してください。

IEC 60095-8のPPCテスト定義に準じて、以下のSOCスケールを使用します。お使いのバッテリー監視システムが異なるSOC仕様で動作している場合は、SOCを変換する必要があります。

• SOC=100%は、寿命初期バッテリーの通常の充電によって定義されます。寿命末期バッテリーでは、サルフェーションにより上部10%のCnが充電できなくなる可能性があります。サルフェーションが上部10%のCnをブロックする場合、この状態を完全充電条件、90% SOCと呼びます。容量損失は、最大到達可能SOCから差し引かれます。合理的：サルフェーションは、通常の動作中に充電を再開する構造に蓄積された放電活物質です。条件（温度、充電時間など）が変化すると、サルフェーションされた物質が回復することがあります。ほとんどのバッテリー監視システムは、現在のSOCと100%の間のギャップが、エッセンシャルポイントでSOCを決定するために使用できる容量損失によるものか、充電可能なサルフェーションによるものかを区別できません。
• SOC=x%（x<100）は、バッテリーの使用年数に関係なく、仮説的に完全に充電されたバッテリーから公称容量Cn​の x%を除去することによって定義されます。EOL の例として、上位 10 % がサルフェーションで利用不可、下位 30 %（および BOL 時に Ce が Cₙ を上回っていた分）が正極活物質の劣化で利用不可とします。この場合、容量試験で測定される Ce は Cₙ の 60 % です。各 OEM はサルフェーションをどのように扱うかによって残容量を Cₙ の 60 % あるいは 70 % と定義することがあります。
 　本サイジングツール（および IEC の PPC 要件）では、SOC = 80 % を「仮想満充電状態から 20 % Cₙ を取り出した状態」と定義します。実際には実験室で充電しても SOC は当スケールで 90 % にしかならないため、放電量は Cₙ の 10 %、すなわち上記 OEM 定義で言えば Ce の 16.7 % または 14.3 % に相当します。

さまざまな劣化プロセスが、使用期間中の鉛蓄電池の劣化と電力の損失を支配します。どれが支配的になるかは、気候および車両使用条件、ならびにOEMによって選択された充電および動作制御に依存します。このモデルのEOLオプションでは、バッテリーがいつ、どのようにしてこの状態に達するかを予測する必要はありません（幸いにも）。この状態をシミュレートするために、特定の容量と電力パラメータを減らすだけで済みます。通常のバッテリーは、EN Lサイズバッテリー（多くのスターターバッテリーの使用例）に交換されるか、車両が廃棄されるため、このEOL状態は、同様の設計の新品（BOL）バッテリーの性能によって合理的に近似されると仮定します。2段階の劣化をシミュレートする例として、EOL LN3バッテリーの性能は、同じ製品範囲のBOL LN1バッテリーの性能とほぼ同等です。

このモデルにおけるEOLは、以下によって特徴付けられます。

• PAM劣化によるCn​の26%の容量損失
• BOLに対して30%のdc抵抗増加、言い換えると、CCA（AUX）とPPC性能低下1-(1/130%) = 23%の低下に相当。

始動用として使われてきた従来型バッテリーの実地試験に基づくEOL:BOL比率を補機バッテリーにも適用するのは妥当と考えられます。その理由は、(a) 多くの補機バッテリー用途が従来の始動用バッテリーデザインを流用していること、(b)補機バッテリ専用に設計された製品であっても劣化メカニズムは同じであり、BOL性能に対するEOL性能の要求水準も同様であるべきだからです。

鉛蓄電池は、電解液として水溶液である硫酸を使用します。相図は、濃度に依存する凍結点を示し、-40℃（約1.23 g/cm³）から-20℃（約1.16 g/cm³）の範囲です。このような低い濃度は、放電反応と非対称イオン移動中の酸消費のおかげで、最初に正極の細孔内で局所的に、充電状態が低い場合に到達します。

• 氷晶が徐々に正極活物質に損傷（早期劣化）を引き起こす可能性があるため、氷結曲線以下の通常運転のために鉛蓄電池をサイズ設定することは推奨されません。極端な場合には、ケースの容器や蓋が損傷する可能性があります。したがって、そのような条件ではモデル出力は無効として表示され、結果ボックスに警告が表示されます。
• それにもかかわらず、IEC 60095-8のPPCテスト検証からの広範な経験的証拠は、モデル出力が氷結曲線よりかなり下の広い範囲の（温度、SOC）条件で有効なままであることを提供します。鉛蓄電池は信頼性の高い即時電力を供給し、オブザーバーベースのバッテリー監視アルゴリズムはそれらの性能を確実に予測します。氷結曲線以下でも、放電性能は低下し、SOCおよび/または温度が滑らかに低下し続け、上記で確立されたトレンドラインに沿って進みます。観察された放電性能に相変化の遷移はありません。

両方の記述の間の明らかな矛盾は、硫酸水溶液の「凍結」の物理的メカニズムを理解することで解決できます。このプロセスは、冷凍庫で水のボトルを破壊するようなバルク凍結ではありません。代わりに、最低の局所電解質濃度と温度の細孔内で、氷晶が形成されます。それらは、与えられた温度の氷結曲線が満たされるまで濃度が上昇する残りの液体酸の中に浮かんでいます。放電が続くと、氷晶は他の細孔で形成されます。ちょうど氷結曲線の下にあるように。電流分布は、氷晶濃度が高い領域を回避する可能性が高く、したがって、電流はより狭い有効細孔直径と、したがって（巨視的な）電解質導電率を通過します。鉛グリッドを通る電流経路の延長は、全体的なバッテリー抵抗をわずかに増加させるだけです（マッピング結果から明らかなように） – 全体的な酸濃度と鉛電解質の反対の温度係数を考慮すると。局所凍結の記述プロセスは、氷結曲線より上の平均充電状態で始まり、局所的に最も上流の放電細孔で、冷たい周囲にさらされた際に起こります。継続的な放電または冷却中、それは徐々に広がり、非常に低い平均酸濃度にまで決して急速には下がりません。

上の図は、典型的な自動車用バッテリー（LN0 35Ah 380A）で-30℃、SOC<30%の連続的でほぼ線形のバッテリー性能劣化を示しています。この一連の実験では、SOCは（大部分が）公称条件で確立され、その後テスト温度まで冷却され、テストパルスが適用されました（300Aで一定の電流パルスではありませんが、バッテリーの「能力」が直接測定された定電圧の9.2Vと電流制限）。私たちのモデルパラメータ化がカバーする動作点と同様に、-30℃および-18℃の低SOC性能で劣化が観察される場合があります。

要約すると、あなたのバッテリーまたはその電解液は全体として凍結しませんが、多孔質プレート内（および間）に小さな氷晶が形成されます。これは、SOCまたは温度が低下している間に徐々に発生し、バッテリーの電力性能を徐々に低下させます。このモデルパラメータ化測定がカバーする動作点をはるかに下回る氷結曲線でも、瞬間的な電圧は予測可能であり続け、機能または性能の急激な損失は予想されません。バッテリーの早期劣化を防ぐために、氷結曲線以下のバッテリー動作は避けるべきです。結果として、結果ボックスはこの場合に無効な結果を宣言し、「凍結」という専用の警告メッセージボックスを表示します。

追加機能に関するご経験、ご質問、ご提案をお聞かせください。CBIは近い将来、このモデルを拡張する予定です。暫定的に、以下の拡張が検討されています。

• 電流だけでなく、12Vの電力要件の入力も可能にする
• 事前放電を伴う2ステッププロファイルの入力を可能にする
• 大パルスの有効範囲を U2<8V、I2>0.75Icc 、および/または t2>5sに拡張する（追加の検証テストが必要ですが、おそらく大規模なモデルのアップグレードは不要です）
• 容量サイジングツールを統合する – おそらくユーザーが入力した Icc:Cnの比率に基づきます
• 一般的なIEC準拠のみでなく、実際のバッテリータイプの選択を可能にする：事前パラメータ化されたタイプのドロップダウンリストとして、または重量や1 kHz抵抗などの追加入力を使用して汎用パラメータを調整することによって
• 独自のバッテリータイプをマッピングし、タイプ固有のパラメータセットを作成するための指示とインターフェースを提供する