IoTデバイス用バッテリ残量計

Nordic Semiconductorの、アルゴリズムベースのバッテリ残量計ソリューションは、IoTデバイスのバッテリ管理において、業界でも類を見ないアプローチです。高精度でごく低消費電力、専用のチップや外付け部品が不要です。開発プロセスを効率化するツールを使うと、バッテリの充電状態(SOC)や健全度(SOH)のレポート機能を容易にアプリケーションに組み込めます。

概要

はじめに

バッテリに残っている電力量を把握することは、信頼性の高い製品を提供するための要素のひとつに過ぎません。バッテリ駆動のデバイスを真に最適化するには、時間経過とともにバッテリがどのように変化するか理解することも重要です。Nordicのバッテリ残量計およびバッテリ健全度ソリューションは、充電残量と長期的なバッテリ健全度について、連携して正確かつリアルタイムな情報を提供します。

充電式バッテリ – バッテリ残量計とバッテリの健全度

Nordicのアルゴリズムに基づくバッテリ残量計およびバッテリ健全度ソリューションは、PMICから得られる電圧、電流、温度のリアルタイムデータと、SoCソフトウェアに組み込まれたバッテリモデルから、充電状態と健全度を正確に推定します。nPM PowerUPツールと評価キットを組み合わせて使用することで、アプリケーションで使用するバッテリのプロファイリングおよびバッテリモデルの生成において、自動ワークフローを実現できます。

一次電池 – バッテリ残量計

Nordicのアルゴリズムに基づく一次電池用のバッテリ残量計ソリューションは、PMICから得られる電圧、電流、温度のリアルタイムデータと、SoCソフトウェアに組み込まれたバッテリモデルから、残量を正確に推定します。nPM PowerUPツールには、対応バッテリタイプ向けの、あらかじめ設定済みの汎用バッテリモデルが含まれます。

このバッテリ残量計のアルゴリズムとバッテリモデルは、フラッシュメモリをほとんど使用しないため、他社製のMCUでも良好に動作します。専用チップやライセンス料は一切かかりません。必要なのは、ごくわずかなフラッシュメモリと、既存のPMICのハードウェアコストだけです。

バッテリ残量計

Nordicのバッテリ残量計を選ぶべき理由

バッテリ残量の推定は以前から行われてきました。しかし正確かつ効率的に、低コストで実行するには、常に何らかのトレードオフが伴いました。バッテリ残量計が今日のIoTおよび民生用デバイスにおいて真に有用であるためには、3つの要件を満たす必要があります。高精度、超低消費電力、低コストです。これまでは、そのうち2つしか選べませんでした。

Nordicは、よりスマートなアプローチを採用しました。Nordicの、アルゴリズムに基づく残量推定手法は、バッテリモデルとリアルタイムのPMICデータ(充電式バッテリの場合は電圧、電流、温度。一次電池の場合は電圧と温度)を使います。このアルゴリズムは、ホストコントローラ上で直接実行されます。これにより、最高の結果が得られます。ハイエンド ソリューションに匹敵する精度、スリープ中の消費電力はゼロ、追加コストも事実上ゼロです。必要なフラッシュメモリはわずか数キロバイトで、ライセンス料もかかりません。Nordicのバッテリ残量計は、バッテリ寿命、設計のシンプルさ、製品コストを犠牲にすることなく、バッテリ状態を正確に把握できます。

Nordicの優位性

正確

アルゴリズムに基づくバッテリ残量計ソリューションは、信頼性が高く正確なバッテリ情報を提供することで、予期せぬシャットダウンを防止します。本ソリューションは、充電式バッテリの場合はバッテリ寿命全体でクーロンカウンタに匹敵する±3%の充電状態(SOC)精度を実現しています。一次電池の場合の精度は、電池の化学組成に依存します。

超低消費電力

超低消費電力動作を実現するよう設計されたこのバッテリ残量計は、システムがアクティブなときのみ動作し(消費電流はわずか数μA)、スリープ状態では電力を消費することなく正確なバッテリ情報を出力し、IoTデバイスのバッテリ寿命を延ばし、信頼性を向上させます。

 

低コスト

ホストMCU上で動作する、このアルゴリズムに基づくバッテリ残量計は、PMICからの電圧、電流、温度のリアルタイムデータを使用するため、外付けバッテリ残量計用チップが不要になります。これにより、精度やユーザー体験を犠牲にせず部品点数を減らし、設計をシンプルにし、システムコストを低減します。

充電式バッテリ

このバッテリ残量計ソリューションは、リチウムイオン、リチウムポリマー、リン酸鉄リチウム(LiFePO4)バッテリに対応しています。現在このリストにない種類のバッテリへの対応が必要な場合、ご要望に応じてその他の化学組成のバッテリにも対応できる場合があります。詳細はNordic営業担当にお問い合わせください。

すべての高精度バッテリ残量計は、バッテリのプロファイリングに依存しています。従来は、バッテリをPMICベンダーに送って特性評価を行う必要がありました。Nordicは、デスクトップアプリケーションnPM Power Upを用いてこのプロセスをシンプルにしました。開発者が選択した充電式バッテリのプロファイリングを自ら行えるようにするとともに、バッテリ残量計および健全度を容易にアプリケーションに統合できるようにしました。その結果、開発プロセスがより迅速かつ効率的になりました。

 

 

Renata社製リチウムイオンポリマー電池の一部製品については、Nordic社はそのまま使えるターンキー型バッテリモデルも提供しています。対応バッテリ一覧をご覧ください。

一次電池

本ソリューションは、1Sまたは2S構成の標準的な公称電圧1.5 Vの単三または単四アルカリ電池のあらゆる組み合わせに加え、CR2032等のCR型コイン電池や、LR44などのLR型ボタン電池にも対応しています。現在このリストにない種類の電池への対応が必要な場合、ご要望に応じてその他のタイプの電池にも対応できる場合があります。詳細はNordic営業担当にお問い合わせください。

Nordicは、主要ブランドの一次電池に対して広範なテストを実施しました。nPM Power Upツールでは、対応する電池タイプごとに、設定済み汎用電池モデルを提供しています。これにより、少ない開発労力で、一次電池アプリケーションにおけるバッテリ残量計機能の活用が容易になります。

バッテリの健全度

Nordicのバッテリ健全度ソリューションを選ぶべき理由

Nordic Semiconductorが提供する、アルゴリズムに基づく充電式バッテリ向けバッテリ健全度ソリューションは、適応型バッテリモデルとリアルタイムでの電圧、電流、温度の測定を組み合わせています。このモデルは、バッテリの初期プロファイルと実際のふるまいを継続的に比較することで、正確な健全度の推定が可能です。また、充電サイクル数および長期的な容量の低下を追跡します。これにより、バッテリが経年劣化しても、製品寿命を通して正確な充電状態の推定が可能です。

充電式バッテリの健全度評価は、バッテリ残量計ソリューションの一部であり、専用のハードウェアやライセンス料は不要です。この機能は既存のシステムハードウェアで動作し、必要なフラッシュメモリもごくわずかであるため、システムの複雑さとコストを抑えることができます。

主な特長

容量の追跡

バッテリ容量追跡機能は、新品時と比較してバッテリが実際に蓄えられる電力量を監視します。これにより、バッテリ健全度の正確な把握、適切なタイミングでのバッテリ交換、製品全体の寿命延長を可能にします。

充電サイクル数

部分充電も含め、バッテリがこれまでに何回フル充電されたかを追跡し、バッテリの寿命が実質どれだけ残っているか、さらにバッテリの性能の変化について明確な情報を提供します。

交換の検出

バッテリ交換の自動検出機能は、新しいバッテリが挿入されたことを検出し、バッテリモデルをリセットします。これにより、設定と再校正を手作業で行うことが不要となり、初回使用時から容量、充電サイクル数、バッテリ健全度が正確に追跡されます。

デバイスの一括管理

バッテリ残量計とバッテリ健全度は、Memfaultを採用したNordicのクラウド ライフサイクル サービスnRF Cloudとシームレスに連携します。デバイスは、カスタムクラウド インフラを必要とせずに、自動的にバッテリの充電状態、健全度、性能指標を報告できます。これにより、エンジニアリングおよび運用チームは、実運用データを使ってデバイスのバッテリ健全度を一括して監視、異常を特定、充電パラメータを最適化できます。さらに、今後のハードウェア設計の改善に役立てることができます。

EU指令

バッテリ交換の即応性に関する規制が導入されるにつれ、バッテリ健全度評価機能は不可欠なものとなりました。Nordicの健全度ソリューションは、より信頼性が高く、持続可能で、長寿命な製品を開発できるように製造者を支援します。また、バッテリ交換に関して今後導入される規制要件にも対応します。これには、EU電池規則2023/1542も含みます。同規則では、ポータブルバッテリについて「製品の寿命期間内、エンドユーザーがいつでも容易に取り外し・交換できること」と定めています。