充電プロトコルと急速充電

充電の基礎

充電器の本質

充電器 (アダプタ) = AC-DC 電源 + プロトコルチップ

旧式充電器: 固定出力 5V
急速充電対応充電器: デバイスの要求に応じて電圧/電流を動的に調整

定格出力 ≠ 常にその出力で供給される
  65W 充電器 = 「最大 65W を出力可能」, 実際の出力はデバイス側で決定

USB Power Delivery (PD)

PD のバージョン

PD の電圧段階

SPR (標準電力範囲, ≤100W):
  5V/3A  = 15W
  9V/3A  = 27W
  15V/3A = 45W
  20V/5A = 100W

EPR (拡張電力, >100W, PD 3.1):
  28V/5A = 140W
  36V/5A = 180W
  48V/5A = 240W

注意: ケーブルも対応する電力をサポートする必要があります!
      一般的な Type-C ケーブル = 3A (20V で 60W)
      EPR 対応ケーブル = 5A (100W 以上), E-Marker チップ必須

PPS (プログラム可能電源) — PD 3.0

従来の PD: 固定電圧段階のみ選択可能 (5V → 9V → 15V → 20V)
       デバイス側で内部降圧 → 発熱

PPS: デバイスが充電器の出力をリアルタイムで制御
  電圧: 3.3V~21V, 20mV ステップ
  電流: 0~5A, 50mA ステップ
  → 携帯電話のバッテリーが充電器の出力に直接接続!
  → 内部降圧不要 → 発熱抑制 → より高速な充電

Galaxy S20+ の急速充電 = PPS
Pixel の急速充電 = PPS
Android 端末の大部分の急速充電 = PPS

独自急速充電プロトコル

Qualcomm Quick Charge (QC)

QC 2.0: 5/9/12/20V (D+/D- によるネゴシエーション)
QC 3.0: 3.6~20V, 200mV ステップ (INOV)
QC 4.0/4+: USB PD と互換性があり、PD に QC 機能を追加
QC 5.0: 100W+, 二重セル直列充電

QC 4.0+ 以降は、本質的に PD + QC 拡張
スマートフォンも PD/PPS へ移行しており、QC の影響力は低下傾向

国内メーカー独自プロトコル

OPPO/VOOC/SuperVOOC: 低電圧大電流 (5V/6A~10V/6.5A)
  → 充電器がバッテリーを直接制御し、スマートフォンは発熱しない
  → 専用ケーブルと充電器が必要

Huawei SuperCharge: VOOC + PD のハイブリッド
  初期は 5V/4.5A または 4.5V/5A
  後に PD/PPS へ移行

Xiaomi Turbo Charge: PD/PPS + 独自拡張

現状: 各社とも PD + PPS へ収束している
      ただし、独自プロトコルの「超高速充電」(>100W) は依然として非標準

独自プロトコル vs PD

充電速度 (実際):
  独自プロトコル 100W+ > PD 65W > PD 18W > 5V/2A

相互運用性:
  PD 充電器はほとんどのデバイスを充電可能 (15~100W)
  独自プロトコル充電器 + 他社スマートフォン = 低速充電 (5V/2A のみになる場合も)

推奨:
  充電器購入: PD + PPS 優先 (互換性が高い)
  複数デバイス: GaN 多ポート PD 充電器 (1台で多用途)

リチウムイオン電池の充電曲線

CC/CV 充電法 (すべてのリチウム電池の基礎)

段階1: 涓流充電 (Trickle)
  バッテリー電圧 < 3.0V の場合、小電流 (~0.1C) で予備充電

段階2: 定電流 (CC, Constant Current)
  設定電流で充電 (典型的には 0.5C~1C)
  電圧は徐々に上昇

段階3: 定電圧 (CV, Constant Voltage)
  電圧が 4.2V (または 4.35V の高電圧バッテリー) に到達
  電流は徐々に減少
  電流 < 0.05C → 充電完了

  電圧
4.2V ┤     ┌──────────
     │    ╱
     │   ╱
     │  ╱
3.0V ┤─╱
     └─────────────→ 時間
     涓流  CC    CV

Cレート: 1C = バッテリー容量の数値に相当する電流
  例: 3000mAh バッテリーの場合、1C = 3A の充電電流
      0.5C = 1.5A

急速充電の本質

従来: 全程低速 CC+CV → 安全だが遅い
急速充電: バッテリー残量少時に大電流 CC → バッテリー残量 ~50% 以降は徐々に減速

「0-50% を15分」は可能
「0-100% を15分」は不可能 (CV 段階は避けられない)

急速充電は CC 段階を加速
CV 段階は加速できない (バッテリーの安全要件による)

BMS (バッテリー管理システム)

基本機能

保護:
  - 過充電保護 (セル電圧 > 4.25V → 遮断)
  - 過放電保護 (セル電圧 < 2.7~3.0V → 遮断)
  - 過電流/短絡保護
  - 温度保護 (充電: 0~45°C, 放電: -20~60°C)

バランシング (複数直列):
  - 受動バランシング: 高電圧セルを抵抗で放電
  - 能動バランシング: 高電圧セルのエネルギーを低電圧セルへ移動

計測 (Gauge):
  - クーロン計 (Coulomb Counter): 電流を積分 → 高精度な SOC 算出
  - 電圧テーブル参照: 粗い推定、精度が不十分

複数直列バッテリー

単セル Li-Ion: 定格 3.7V, 満電 4.2V
  1S = 3.7V, 低電力デバイス向け

2直列 (2S): 定格 7.4V, 満電 8.4V
  一般的な用途: ラジコン、ドローン、ハンディターミナル

3直列 (3S): 定格 11.1V
4直列 (4S): 定格 14.8V
  一般的な用途: ノートパソコンバッテリー、電動工具

複数直列には必ずバランシング充電が必要!
さもないと、あるセルの過充電 → 発煙・火災の原因となる

ワイヤレス充電

Qi (誘導方式)

電磁誘導 (2つのコイル) に基づく
周波数: 110~205 kHz
出力:
  BPP (基本): 5W
  EPP (拡張): 15W
  MPP (Qi2/磁気吸着): 15W (Apple MagSafe プロトコル)
  Qi2: Apple MagSafe ベースのオープン標準

効率: 通常 70~80%
位置合わせ: コイルを合わせる必要がある → Qi2 では磁石を追加 (MagSafe モード)

その他のワイヤレス充電

Apple MagSafe: 15W (Qi2 互換), 磁気吸着で位置合わせ
Samsung Fast Wireless: 15W (独自拡張)
Xiaomi/OPPO 独自: 最大 50~100W (ただし発熱が大きい)

AirFuel (共鳴方式): より長距離、複数デバイス同時充電が可能だが、普及していない

急速充電出力の選定参考

デバイス            典型的な急速充電出力
──────────────────────────────
TWS イヤホン充電ケース   5W (急速充電不要)
スマートウォッチ         5~10W
スマートフォン           18~65W (主に PD/PPS)
タブレット               20~45W
ウルトラブック           45~65W PD
ハイエンドノートPC       65~100W PD
ゲーミングノートPC       100~240W PD 3.1 または専用充電器
小型 IoT デバイス        5W (Micro USB または Type-C 5V)

キーワード: USB PD, PPS, QC, CC/CV, BMS, C-rate, バランシング充電, Qi, ワイヤレス充電