2021年2月5日(金)
バッテリーマネジメントのためリチウムイオン電池のインピーダンス測定の考え方
山形大学  学術研究院  物質化学専攻  仁科・立花・伊藤(智)研究室  立花和宏

2. 電池のモニタリングにおけるインピーダンスの応用

電池とは何ですか?バッテリーシステムですか?バッテリーですか?セルですか?

何をモニタリングしたいですか?電流ですか?電圧ですか?劣化程度ですか?劣化って何ですか?

インピーダンス測定装置の例


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電池を使った単純な回路(豆電球の点灯)
©K. Tachibana
https://edu.yz.yamagata-u.ac.jp/Public/52255/52255_04.asp#urlfig154

電圧、電流を測るとはどういうことでしょうか? コンピュータで計算できるようにするには、それらを情報にしなければいけません。 それがセンサーです。


2.1 電流センサー

電池のモニタリングにしろ、インピーダンスの測定にしろ、電圧、電流、時間を測定しなければなりません。 測定をいうのは、量を量に対応させたり、量を数字にしたりすることです。

量を量に変換する素子や機器をトランスデューサーといい、 特に物理量を電気信号に変換する素子や機器をセンサーと言います。 電気信号の多くは電圧を表すので、センサーは物理量を電圧に変換すると言っていいでしょう。

電流も物理量ですから、電流を電圧に変換するセンサーがあるのです。 もっとも単純な電流センサーは電気抵抗です。オームの法則で、電流に比例した電圧にすることができます。

ところが、電気抵抗は回路に直列にいれなければなりません。 大きな電流を取り出す電池の回路に直列に電気抵抗を入れるには、高精度の小さい電気抵抗が必要です。

電流センサー自体がインピーダンスを持つことは忘れないようにしましょう。

https://www.akm.com/jp/ja/solutions/current-sensing/types-characteristics/

インピーダンスの測定装置では、電流センサーの方式などを調べる必要があります。


バッテリー、ストリング、セルに流れる電流

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バッテリー、ストリング、セルに流れる電流
©K.Tachibana

キルヒホップの法則により、 全体の電流は、各ストリングの電流の和です。 ストリングのそれぞれに流れる電流は同じです。

ストリングに流れる電流が異なるのは、ストリングの内部抵抗が違うか、ストリングの電圧が違っているかです。 ストリングの電圧が違っている場合、あるストリングから別のストリングへ電流が流入している可能性があり、要注意です。


電流センサの原理

2.2 組電池の電圧測定

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バッテリー、ストリング、セルの電圧
©

キルヒホップの法則により、 全体の電圧は、各ストリングの電圧と同じです。ストリングの電圧はそれぞれのセルの電圧の和です。

ストリングの中のそれぞれのセルの電圧が異なるのは、セルの内部抵抗が違っているからです。セルの発熱が集中している可能性があり、要注意です。


2.3 AD変換とDA変換

ライブコンサートをライブ配信で楽しむことを考えてみましょう。

音声 マイク アンプ AD変換 通信回線
音声から通信回線へ

ライブの音声は、もともとは空気の圧力変化です。 この圧力の変化量をマイクを使って電圧の変化量に変えます。 このようにからへの変換をアナログ処理と言ったりします。 次に、電圧の変化量を数字にします。電圧と時間を数字にします。 このを数字にする変換をアナログデジタル変換(AD変換)と言います。

この数字を通信回線を使って送ります。

通信回線 DA変換 アンプ スピーカー 音声
通信回線から音声へ

今度は数字を、電圧の変化量にします。数字を電圧と時間にします。 この数字を量にする変換をデジタルアナログ変換(DA変換)と言います。 そしてその電圧でスピーカーを駆動し、空気の圧力変化にします。 これで、視聴者がライブを聞けるわけです。

ここでマイクなどをセンサー、スピーカーなどをアクチュエータと言います。


量子化ノイズとビット深度

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量子化ノイズ
©K.Tachibana
https://edu.yz.yamagata-u.ac.jp/Public/56307/_14/Quantization.asp

アナログ式のインピーダンスの測定装置と言えば、インピーダンスブリッジで原理的にはこれに勝るものはありません。 ただコンピュータの力を借りるとなると、ディジタル式の方が何かとメリットが出てきます。

AD変換は、アナログディジタル変換の略で、電圧を数字にする装置です。ディジタルアナログ変換の略でDA変換は数字を電圧にする装置です。

数字と数は違います。数を文字で表したのが数字です。 たとえば円周率πは数ですが、数字で表すことができません。 近似値としてなら3.14とか3.14159265のようにあらわすことができます。 ディジットとは桁を意味します。何桁で表現するかで近似の精度が変わります。 二進数の1桁をビットといいます。 AD変換やDA変換を何ビットでやるかは精度と信頼性に影響を与えます。

情報処理概論


2.4 能動的制御とGPSを使ったモニタリング

電池を放電しているときは、ユーザーの都合で負荷が変動しますから、変動を利用してインピーダンスの測定ができます。 電池を充電しているときは、ユーザーの都合を考慮しなくてよいのでより能動的に制御できます。


電池の内部抵抗が増加する原因

接続すべきところの間に邪魔ものが入る、とそれだけです。

たとえば、気泡はもっとも抵抗が大きなもの。ガス発生によって、回路が寸断されれば内部抵抗が大きくなります。

たとえば、応力や腐食で隙間が生じて、オーミックコンタクトすべきところに、そこに電解液が流れ込めば、内部抵抗が大きくなります。

たとえば、化学反応で導電率の小さなものに置換してしまえば、内部抵抗が大きくなります。


心臓ペースメーカーの電池

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心臓ペースメーカーの電池
©K.Tachibana

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心臓ペースメーカーの電池の残量予測

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インピーダンスを使った心臓ペースメーカーの電池の残量予測
©K.Tachibana

電池のモニタリングにインピーダンスの応用するときは、目的をしっかり定めましょう。 その上で、方法や精度を決めてゆきます。


山形大学 米沢キャンパスに設置された インターネット百葉箱 ®