急速なバッテリー開発の中での州監視の必要性

世界的なエネルギー転換と電化の波に駆られ、バッテリー産業は前例のない速度で拡大しています。2025年、中国における新エネルギー車の台数は4,000万台を超え、電力とバッテリーの廃止の波は予想通りに到来しました。消費者向け電子機器から電気自動車まで、エネルギー貯蔵ステーションから低高度経済に至るまで、バッテリーは現代社会において欠かせない「エネルギーの心臓」となってい。

図1 電気自動車用バッテリーパックの概略図

しかし、バッテリーは単純な「プラグアンドプレイ」エネルギーパックではありません。使用時間が経過し、環境条件が変化するにつれて、バッテリーの性能は徐々に低下し、状態は継続的に変化します。ユーザーにとって最も差し迫った質問は、残りの料金はいくらですか?それはあとどれくらい続くのでしょうか?まだ加速して追い越すことができますか?これらの質問の背後には、バッテリー状態パラメータファミリーであるSOXファミリーがあります。 

バッテリーマネジメントシステム (BMS)は、バッテリーの「脳」として、バッテリーが安全かつ効率的で信頼できる範囲内で動作することを確保するため、さまざまなバッテリー状態指標をリア ルタイムで監視・評価する必要があります。SOXはBMSアルゴリズムの核心にあります。これらのパラメータを理解することは、ユーザーがバッテリーをより有効に活用できるようにするだけでなく、バッテリーの研究、テスト、そしてセカンドライフの応用に対する科学的根拠も提供します。 

図2 バッテリーマネジメントシステム(BMS)の概略図

SOXとは何ですか?—バッテリー状態パラメータの包括的分析

• SOXはバッテリー状態パラメータの総称であり、主に以下のコアメンバーを含みます。

• SOC(充電状態)：バッテリーの「残量」

• SOH(健康状態)：バッテリーの「老化度」

• SOP(電源状態)：バッテリーの「瞬時電力能力」

• SOF(機能状態)：バッテリーの「包括的な使用性」 

さらに、学術界はSOE(エネルギー状態)、SOT(温度状態)、SOS(安全状態)などの拡張パラメータを提案し、これらが合わせて完全なバッテリー状態評価システムを構成しています。 

SOC(充電状態)

SOC(充電状態)は最も直感的なバッテリーパラメータであり、ユーザーに残量を示します。SOCの値は通常、0% から 100% の範囲です。100% はフル充電を示し、0% は枯渇を示します。

図3 バッテリーSOCの概略図 

原理：SOC を推定する方法は複数あり、最も一般的なのはオープンサーキット電圧法(OCV)法とクーロン計数法です。OCV法は、バッテリーのOCVとSOC間の非線形関係を利用し、安静時のバッ テリー電圧を測定し、OCV-SOC曲線と比較することで、SOC値を導き出すことができます。しかし、この方法はバッテリーを十分に長時間安静に保たす必要があるため、リアルタイムでの適用が困難です。クーロン計数法は、電荷・放電電流を統合することでSOC変化を計算しますが、累積誤差 に悩まされ、定期的な較正が必要です。現代のBMSは、通常、マルチアルゴリズム融合戦略を採用し、OCV補正とクーロン計数を組み合わせ、温度や老化要因を考慮して高精度のSOC推定を実現します。 

図4 SOC推定のためのクーロン数計の概略図

機能：SOCはユーザーにとって最も重要な指標であり、ドライビングレンジに直接影響します。ダッシュボードでは「残りバッテリー割合」と表示され、BMS内では充電/放電戦略の策定およびセルバランシングの基本的な基礎として機能します。正確なSOC推定は、過充電や過放電を防止し、バッテリー寿命を延長し、ドライバーに信頼できる航続距離情報を提供します。 

SOH(健康状態) 

SOH(健康状態) は、バッテリーの老朽化の程度を測定する指標です。新しいバッテリーのSOHは 100%で、サイクルが増えるにつれてSOHは徐々に低下します。SOHが70%~80%に低下すると、バッテリーは一般的に電気自動車での継続使用に適さないと見なされ、二次使用段階に入る可能性があります。 

図5 バッテリーSOHの老化曲線

原理：SOH評価は主に2つの主要パラメータ、すなわち容量の減衰と内部抵抗の増加に基づいています。容量のフェードは、新しいバッテリーと比較してバッテリーが蓄える充電量の減少を反映し、内部抵抗の増加は内部電気化学反応に対する抵抗の上昇を反映します。

研究により、バッテリー化学組成が異なるごとに異なる診断方法が必要であることが示されています。リチウム鉄リン酸塩(LFP)電池は、インクリメンタル・キャパシティ(IC)法を用いたSOH診断により適しており、ニッケルマンガン・コバルト(NMC)電池は内部抵抗測定および 電気化学インピーダンス分光法(EIS)を用いた評価がより適しています。

図6 EISテストの概略図

機能：SOHはバッテリー寿命管理の重要な指標です。バッテリーの寿命がどれくらい長くなるかをユーザーが理解できるよう支援し、中古車の評価の基礎を提供し、バッテリーのセカンドライフの 使用およびリサイクルに関する意思決定を支援します。BMSでは、SOH情報を使用してSOC推定アルゴリズムを調整し、充電/放電戦略を最適化して、バッテリーの実際の寿命を延長します。 

SOP(電力状態) 

SOP(電力状態)は、バッテリーが短時間で安全に充電または放電できる最大電力を 特徴付けます。それは、車両の高速スタート、追い越し時の加速、そして回生ブレーキ能力に直接影響します。 

図7 各種バッテリーの電力-エネルギー関係図 

原理：SOP計算は、バッテリーのリアルタイム電圧、内部抵抗、および電圧上限に基づいています。 

基本的な式は次のとおりです：

SOP = リアルタイム電圧 × 最大電流 

最大電流は電圧制限と電流制限の両方によって決定されます。放電を例に取ると、最大放電電流は以下の式を用いて計算できます。 

最大放電電流 = (Vocv - Vmin) / Rint 

ここで、Vocv は現在の開放回路電圧、Vmin は放電遮断電圧、Rint は電流内部抵抗です。最終SOP は、電圧制限、電流制限、温度制限のうち最小値を取ります。最新のBMSは、等価回路モデル (ECM)およびカルマンフィルタリングを組み込んで、極性の影響を動的に補正します。 

機能：SOPは、車両の動力性能と安全性を確保するための主要な指標です。ハードアクセル時には、 BMSはSOPを参照して十分な出力が供給できるかどうかを判断します。高速充電中は、SOPが許容さ れる最大充電電流を決定します。低温環境では、SOP評価が車両の「コールドスタート」機能に直接影響します。正確なSOP評価は、バッテリーの潜在能力を最大化し、安全性を確保します。

SOF(機能状態)

SOF(機能状態)は、バッテリーの全体的な機能状態を包括的に評価し、次の質問に答えるものです:「現在の状態で、バッテリーは特定の機能を実行できるか?」 

原理：SOFは独立して測定されたパラメータではなく、SOC、SOH、温度を含む複数の要因からなる包括的な関数です。簡単に言えば：

SOF = f(SOC、SOH、温度、負荷要求) 

バッテリーが現在の状態で特定の機能を実行できる場合、SOF = "1"(利用可能);それ以外の場合、SOF = "0"(利用不可)。例えば、-20°Cという低温環境では、SOCは依然として60%になることがありますが、実際に利用可能な電力は極めて低いため、SOFは「利用できない」と判断される可能 性があります。特許文献によれば、SOFはSOCとSOHを結合することで取得できることが示されています：SOF = SOC × SOH。 

機能：SOFはユーザーに直感的な「バッテリー状態の結論」を提供します。それは単にユーザーに残量を伝えるだけでなく、「この車は今運転できるか」といった実用的な質問に直接答えます。または「この機能は使用できるか」安全が重要なシナリオ、たとえば自律走行車用の冗長電源 システムなどにおいて、SOF評価はシステムが緊急作業を安全に実行できるかどうかを直接判断します。 

バッテリーSOXのテスト方法

SOXファミリーの各メンバーは異なる指標に対応し、独自のテスト方法を持っています。 

SOC のテスト方法 

SOC試験手法は主に実験室での精密試験とBMSリアルタイム推定に分けられます。 

実験室試験方法：最も標準的な方法は定電流放電法であり、バッテリーを完全に充電し、一定電流 でカットオフ電圧まで放電し、放電容量を記録して名目容量と比較してSOCを得ます。他の方法とし て、一定抵抗放電、一定電力放電、パルス放電があり、異なる動作条件をシミュレートします。 

SOCキャリブレーション：SOCキャリブレーションの鍵は、SOC-OCV曲線を確立することです。 

バッテリーのオープン回路電圧を異なるSOCレベルで測定することにより、数学的関係が適合され ます。強制放電SOC較正テストには、オープン回路電圧テスト、放電容量テスト、および充電状態誤 差解析も含まれます。クーロンカウント法は、BMSリアルタイムSOC推定の核心であり、電荷・放電電流を積分してSOC変化を計算します。

図8 SOC-OCV曲線 

SOH のテスト方法

SOHテストは、容量の減衰と内部抵抗の増加を評価することに重点を置いています。 

容量テスト方法：バッテリーは完全に充電され、標準放電電流(例:0.5Cまたは1C)でカットオフ 電圧まで放電されます。実際の排出容量は測定され、定格容量と比較され、SOH が得られます。車 両にすでに搭載されているバッテリーについては、フル放電を必要とせずに、部分的な充電セグメ ントデータ推定を使用できます。 

内部抵抗試験方法：バッテリーの劣化は、DC内部抵抗(DCIR)またはACインピーダンス(EIS)を 測定することにより評価されます。研究によれば、定電圧充電相における電流データに基づくSOH診 断法は、単一の測定点だけで正確な結果を得られることが示されています。 

高度な診断手法として 、増分容量解析(ICA)、電気化学インピーダンス分光法(EIS)、および等価回路モデル(ECM)は、SOH診断に広く使用されています。LFP電池ではIC方式が最も適していま す;NMC電池では、IRおよびEIS方式の方が適しています。

SOP のテスト方法

SOPテストは、通常、環境チャンバーで実施され、異なる温度およびSOC条件下での電力性能をシミュレートします。 

標準テスト手順：バッテリーシステムを環境チャンバーに入れ、目標温度(例:-20°C、25°C、 45°C)に調整し、SOCを目標値(例:100%、50%、20%)に調整し、設定された期間(例:10秒、 30秒、60秒)一定電力Wで充電または放電し、テスト中にBMSが推定したセル電圧、温度変化、お よびSOP値を記録します。電圧が保護閾値に達しているかどうかを確認し、SOPが要件を満たしてい るかどうかを判断してください。 

計算手法：BMSは通常、電圧/電流の限界に基づく静的計算を使用し、等価回路モデル(ECM)を用 いた動的補正と、ビッグデータと機械学習に基づく適応予測を組み合わせています。 

SOF のテスト方法 

SOFテストは、本質的にバッテリーが異なる動作条件下で特定の機能を実行できるかどうかを検証する包括的な評価テストです。 

テスト方法は一般的に、特定のSOCおよびSOH条件下で、実際の動作条件をシミュレートした負荷 プロファイルを適用し、バッテリーが必要な電圧レベルを維持できるかどうかを監視することを含 みます。アメリカ特許 US20040024546 によれば、SOF は SOC と SOH の結合計算により得られます: SOF = f(SOC, SOH) 

つまり、SOFはSOCとSOHの関数です。SOC または SOH のいずれかが閾値を下回った場合、SOF は 利用できないと判断されます。この方法は、自動車のスタートストップバッテリーや電気自動車 バッテリーなどの分野で適用されています。 

SOXパラメータの影響と応用 

異なるSOXパラメータは性能の異なる側面を表しますが、SOXメンバー間の内部関係は総合的に、BMSシステムがバッテリー性能を評価するために使用する指標を構成しています。 

SOXパラメータの相互カップリング関係

バッテリーのさまざまな状態パラメータは単独で存在するわけではなく、相互に結合し合い、互い に影響し合っています。SOC の変化は内部抵抗に影響を与え、結果として SOP に影響を及ぼしま す。SOHの劣化は容量の損失を引き起こし、それがSOC推定精度に影響を与えます。温度変化は SOC、SOP、SOHに同時に影響します。学術研究によれば、複数の状態の共同推定は将来のBMSアル ゴリズム開発において重要な方向性であることが示されています。 

異なる適用シナリオは、異なるSOX指標を強調します。

• 電気自動車のバッテリーは、すべてのSOX指標の包括的なモニタリングが必要です: 

• SOC：ユーザーにとって最も重要な指標で、走行距離を決定し、推定誤差は5%以下です。 

• SOH：バッテリー寿命の予測や中古車の評価に影響し、長期的な安定性が必要です 

• SOP：加速性能、回生ブレーキ、急速充電機能に直接関係し、ミリ秒レベルの応答が必要で す 

• SOF：低温始動やハードアクセルなどの極端な条件下では、「利用可能か無理」かを明確に 判断しなければなりません。 

図9 電気自動車充電の概略図 

エネルギー貯蔵バッテリーは、SOH(安全性能)と安全指標をより重視しています。なぜなら、エネルギー貯蔵シナリオは瞬時電力を高く必要とせず、極めて長いサイクル寿命と安全性を要求するからです。家電用バッテリーは、SOC の精度と SOH の残存寿命予測により重点を置いています。

図10 エネルギー貯蔵システム(ESS)の概略図

中国の国家標準における最近の進展

2024年に、国家標準「Technical Specification for In-Service Testing of Power Batteries for Electric Vehicles」が策定され、車両に搭載されたバッテリーの容量テスト手法、マイクロショート回路検出 手法、および状態推定手法を統合することを目的としています。本規格の実施により、アフター サービスのテスト方法が一貫していない問題や隠れた危険の検出率が低いという課題に効果的に対 処し、電気自動車の安全な運転を強力に支援します。 

SOXの重要性

SOC、SOH、SOP、SOF――この一見単純な略語のグループは、バッテリー状態監視の全体像を構成 しています。それらはBMSアルゴリズムのコアであるだけでなく、研究・製造・使用・リサイクル というバッテリーライフサイクル全体を結びつける重要なリンクでもあります。精密な実験室テス トから走行中のリアルタイム見積もりまで、SOXパラメータはバッテリーの「ブラックボックス」 を透明かつ制御可能にします。 

人工知能、ビッグデータ、クラウド技術の発展に伴い、共同の複数州推定がBMSの進化の次なる方 向性となります。より正確なセンサー、より高度なアルゴリズム、そしてより統一された標準によ り、バッテリー管理は新たな高みへと引き上げられます。一般のユーザーにとって、これらのパラ メータを理解することは、電気自動車の「内面」を理解するための第一歩となり得ます。

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