MENUMENU

電池技術シリーズ[1]

電池技術シリーズ[1]  電池とは、充電とは?
1.電気エネルギー

・最も利便性あるエネルギー—-線を結べば使える
・最も汎用性あるエネルギー—-照明、動力、通信等
・無公害
・高効率
※しかし、保存できない。持ち運びが出来ない。そこで電池が登場。

2.電気を使用する社会へ

そのためには
・電気エネルギーの可搬
・電気エネルギーの蓄積
これが、思いのまま実現できれば・・・
そのポイントは電池。

電池用語

<電池>;電気エネルギーを溜め込む容器
水のボトル、瓶、などにあたる。その大きさは、ボトルの底面積とボトルの高さを掛けた容積となる。
<電圧>;ボトルの水位に相当(単位:V)
<アンペアー・アワー>;ボトルの水平断面積に相当(単位:Ah)
<電池容量>;電池の大きさ(単位:VAh=Wh)
電気自動車の性能は搭載されている<電池容量(走行距離に関係)>と<アンペアー・アワー(馬力)>に左右される。

電池への社会要請

・地球環境保護
・資源消費の削減
この観点から、電池に対する期待は益々大きくなってきている。

電池使用機器の例
  現状
携帯電話 容量不足;ワンセグ、書籍機能使用
パソコン 容量不足&充電時間が長い
ムービー 容量不足;補助電池が必要
フォークリフト 充電効率が悪い
EV 走行距離が短い、電池残量が不確
電動搬送車 重い
エネルギー密度

1kgの重さにどれだけのエネルギーが蓄えられるか・・・・これをエネルギー密度という。ガソリンなどのいわゆる化石エネルギーは最新のリチウムイオン電池の100倍程度であり、この現実を踏まえ、電池の持つエネルギー密度は低いが利用価値が優れるといった適正な分野で積極展開されるのが望ましい。

1kg当りのエネルギー蓄積量

電池 ガソリン
鉛35WH/kg
ニッケル水素90WH/kg
リチウムイオン140WH/kg
10000WH/kg
電池社会に向けての課題

電池社会に向けての課題
エネルギー密度の飛躍的向上があるが、現行電池を是としてこれをいかに有効に使用するかの研究が
残されている。
・電池の長寿命化
・急速充電
・電池残量が的確認知できる

電気自動車の充電方法

<コンダクティブタイプ> (iMiEV,ステラ等)
(1)単相100V 普通充電
一般家庭用100Vコンセントでの充電(1.5KW Max)
通常8~14時間程度でフル充電
(2)単相200V 高速充電
一般家庭用200Vコンセントでの充電(2.5KW Max)
通常5~7時間程度でフル充電
(3)三相200V 急速充電
工業用200Vコンセントでの充電
通常15~30分で50~80%充電
<インダクティブタイプ> (ハイパーミニ)
専用充電器が必要

3.充電

充電の原理:
・電池電圧よりも高い電源に電池を接続すると電池電圧は徐々に上昇する。

参考

水との類似性(1):
徳利のように中が見えないボトルに水を入れるとき、注ぎ口から水が溢れ出す経験をする。
また、時には突然あふれ出しびっくりすることもある。
あふれ出さないためには、時間をかけ注意しながらゆっくりと水を注ぐことになる。

参考

水との類似性(2):
もしガラス瓶であれば、どこまで、いま水が入っているかが分かり、この水位をみながら水を注ぐと決してあふれ出し驚くことにはならない。
また、入った水が少なければ、蛇口を大きく開け、水量を大きくし早くいっぱいにすることも出来る。

充電終止法の差異

従来法;
・電池の年齢(どれほど使われたか?)よって、特性が大きく変化するため、終止電流値の設定根拠が無く、過充電/ 未充電が都度起こる。
・時間設定では、更に不確定である。
・電池の状態によって、電池の蓄電容量に対し、適確充電は保証出来ないが充電をいつ止めるかの一つの目安に過ぎない。
Ad.I.C&C法;
・電池の状態(年齢、環境、等)に関わらず最大限まで充電を行うことが出来る。
・Ad.I.C&C回路が過充電等の不適正を判断し、安全な範囲内で充電を行う。

AdvancedI.C&C充電方式の特長:

電池の蓄えうる大きさに応じ、自動的に注入電気量を検知し、注入を止めることが出来るため、電池の寿命を短縮させる要因、入れすぎによる無駄エネルギーをなくすることが可能となった。
従って
・電池をいためない—-長寿命
・充電でのエネルギー効率が高い—-省エネの特長を持つ。

4.急速充電

急速充電はどこまで可能か?
急速充電が再びクローズアップされています。どこまで早く充電できるかは充電器と電池特性の整合性によって決まります。「この充電器を使えばすべて急速充電できるのか」といったナンセンスな問いかけが多いことから、この際、急速充電の可能性に関してまとめてみました。
充電器を大きくし、急速に電気エネルギーを電池に溜め込むことが「充電に時間がかかりすぎる」と言うユーザサイドからのご不興に単純に応えられるものでありません。電池の電気注入口が小さければ、急速には入りません。電池のこの注入口の大きさを正しく表示されずに、電池が使用されている現在、業界・市場では急速充電に関し「曖昧表現」が否めません。
この電池の注入口の大きさは当社定義の”動的内部抵抗”によって的確に表示できることを論理的に実験的に確認できました。詳細は別紙“電池評価装置”に!

5.電池の原理リチウムイオン電池(1)

充電をしていくと電池の起電力Eemfは上昇する。
充電は陽極のリチウムイオン居室(サイト)からリチウムイオンが抜け出し陰極に溜まる過程で
ある。抜ける率(x=n/N)に対する起電圧Eemfは理論上下図となる。

リチウムイオン電池(2)

陽極サイトから99%を超えると起電力は急激な上昇カーブを取る。陽極の結晶間膨張等が
起こるため、電池破壊の懸念がある。
従って、この場合、電池の容量としては、この99%を最大許容容量とし、即ち起電力の
4.12Vを限度として充電終止とすることが推奨される。
しかし、次に示すように、従来充電方式では充電の過程で起電力を検知することは不可能で
あるため、適確な充電終止は出来ないことになる。
上記電池の充電理論を基に以下「従来充電制御」の欠陥をシュミレーションで洗い出し
その抜本的新技術としてI.C&C/Advanced I.C&C充電制御の紹介をする。

リチウムイオン電池(3)

<従来充電制御>
CC.CV方法。即ち、定電流充電後、充電電圧が4.2Vに達するとこの電圧を保持し、
a)電流が定電流値の一定比率に減衰すると充電を終止する。
b)定電圧の期間をタイマー設定し充電終止させる。
これら何れか或いはその組み合わせで充電終止する方法である。
しかし、電池に今現在どれ程充電が進行しているかを知ることは不可能である。なぜなら、電池の
特性は、都度大きく変化するにも関わらず、充電条件(電池経年変化、環境条件、電気的変動等)が
初期設定時と変化しないことを前提としているからである。電池の内部抵抗Rを仮定し、現行方式の
CC.CVを起電力曲線に重ねて図示すると、下図となる。