◇ 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

4. 電池のモデル作成

◇
太陽エネルギー 二酸化炭素 蓄電池 ソーラーパネル 電気自動車
図   1 .  低炭素住宅 と Ｖ２Ｈ

LCCM住宅（ライフ・サイクル・カーボン・マイナス住宅）とは、ZEH（ネット・ゼロ・エネルギー・ハウス）よりさらに省CO2化を進めた先導的な脱炭素化住宅で、建設時、運用時、廃棄時において出来るだけ省CO2に取り組み、さらに太陽光発電などを利用した再生可能エネルギーの創出により、住宅建設時のCO2排出量も含めライフサイクルを通じてのCO2の収支をマイナスにする住宅です。 ※

V2Hとは、 電気自動車の電池を、 住宅の電池(ESS)にリユース することです。 電気自動車の 電池容量は、 40kWh程度とすれば、住宅の電池10kWhの4世帯分に相当します。

しかし安全に リユース するには、バッテリーのインスペクションが欠かせません。

4.1 等価回路を使った古典的アプローチによる解釈

図 152
組電池とストリング
©

ランドルス型等価回路

Fig ランドルス型等価回路
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等価回路 バルクと界面

LCRメーターで等価回路を解析

表   1 .  LCRメーター *
14.エネルギー変換特論 1210 1217 1224

動物にたとえた等価回路

図 170
動物にたとえた等価回路（右：ダニエル電池、左：複合電極）
©K.Tachibana

電極の中だけでも大変なのに、電池、バッテリー、バッテリーシステムに等価回路を設定するのは至難の業です。 コンピュータにお任せしてＡＩを使いましょう。

4.2 クラウドデータロガーとインピーダンスのビックデータ化

バッテリーセルジェネレータ

表   2 .  バッテリーセルジェネレータ *
14.エネルギー変換特論 1210

組電池の放電曲線(負荷抵抗 5Ω、電流5.5A)

図   2 .  組電池の放電曲線(負荷抵抗 5Ω、電流5.5A)
© T.Ito , C1 Lab.

データロガーによるバッテリーの電圧の記録は以下のリンクから CSV形式でダウロードできる.

SOC_OCV

バッテリの管理はマイコンで

シャント バッテリーストリング アナログフロントエンド マイコン
図   3 .  電池管理用マイコンの例

バッテリーストリング の各セルの電圧を差動アンプでひろい、 積分型の高精度ＡＤ変換器でデジタルデータにします。 電流はシャント抵抗の両端の電圧を作動アンプでひろいます。 アナログフロントエンド（AFE）がやります。 マイコン（マイクロコントロールユニット、MCU）で処理します。 FETドライバが搭載され、パワー半導体を制御できます。

ルネサスより（ RAJ240090のスペック）

そうした中でルネサスは、「産業向けリチウムイオン電池管理ICとして業界初」というマイコン（RL78 CPUコア）を内蔵し、ソフトウェアで柔軟に多様な電池システム仕様に対応できる電池管理ICを実現した。電池残量の計測や、過電圧、過電流などの安全監視機能（アナログフロントエンド部）とマイコンが1パッケージ化されたため、電池制御の電圧測定に必要な高精度A-Dコンバーターとマイコンとのマッチングを事前に調整した上で提供するため、キャリブレーション作業が大幅に削減できるとする。その他、新製品は、電源、FETドライバー、リアルタイムクロックなどを搭載し、電池管理システム部分のトータルコストを従来品よりも「30%削減可能」（同社）とした。
シリアル通信 C ラズベリーパイ・エッジ

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
図   4 .  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。 このように量から量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。 この量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
図   5 .  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。

13.情報処理概論 12.無機工業化学 8.工業概論

ＡＤ・ＤＡ変換の精度

量子化によるノイズ(ビット深度と分解能）

図   6 .  127 量子化によるノイズ(ビット深度と分解能）
©K. Tachibana
https://edu.yz.yamagata-u.ac.jp/Public/56307/_14/Quantization.asp
表   3 .  ＡＤ変換 ・ ＤＡ変換 の ビット深度と 分解能
フルスケール例/V ビット深度 ステップ 分解能/mV コメント
0-5V 8 256 19 初期のデジタルビデオ
0-10V 12 4096 2 初期のアナログ計測
0-20V 16 65536 0.3 ＣＤオーディオ
0-20V 24 16777216 0.0011 スマホ、ＰＣサウンド

アナログ信号をどのくらいの細かさでデジタル表現できるかを示す指標を分解能と言います 1 ) 。

ビット深度と解像度

高
中
低
低 中 高
図   7 .  347 ビット深度と解像度

ビット深度が低いと色 数が少なくなります。 ヒメシャラの花の 色 は、背景の色と区別がつかなくなります。 解像度（画素数）が低いと矩形（ブロック）になります。 ブロックノイズ は、解像度（画素数）の 量子化ノイズです。 ビット深度が低く、解像度（画素数）が低いほど、情報量も小さくなります。

ファイルからクラウドへ

表   4 .  情報端末（ Chromebook、スマホ、ＰＣ ）の比較
スマート
ディスプレイ		 Chromebook 📱スマホ 💻PC
インストール 不要 不要 必要 必要
入力装置 🎥 カメラ 🎤マイク 🎥 カメラ ⌨キーボード・タッチパッド・🎤マイク 🎥カメラ タッチパネル・🎤マイク ⌨キーボード・🖱マウス・🎤マイク
出力装置 📱 ディスプレイ 🔊 スピーカー 💻 ディスプレイ 🔊 スピーカー 📱 ディスプレイ 🔊 スピーカー 💻 ディスプレイ 🔊 スピーカー 🖨 プリンター
ストレージ
(補助記憶装置)		 ☁クラウド ☁クラウド ☁クラウド 🗃ファイル
認証 マルチユーザー
シングルデバイス		 マルチデバイス
シングルユーザー		 SIM
シングルユーザー		 マルチユーザー
シングルデバイス
決済 💳クレジット決済 バーコード決済、電子マネー決済、クレジット決済 💳クレジット決済
通信 WiFi WiFi WiFi, 回線 有線LAN,WiFi
01.情報処理概論 13.情報処理概論

コンピューティング（計算）もストレージ（記憶）もクラウドでやる時代です。 端末に求められるのは、ユーザーとの情報のやりとりのみです。 サーバーから見て、情報をやりとりしているのが間違いなくそのユーザーなのか、セキュリティと認証技術が問われます。

4.3 電池のモニタリングのためのネットワークインフラ

電池とインターネット

図 169
電池とインターネット
©T.Ito

電池の状態をデジタル化してクラウドに蓄積しないとＢＭＳは成立しない時代です。

資産管理になりますか？所有者の個人情報をどう守りますか？関連する法律はどうなりますか？

アナログ通信とデジタル通信

図 193
アナログ通信とデジタル通信
©K.Tachibana
https://edu.yz.yamagata-u.ac.jp/Public/52210/_02/analogue_digital.asp

ＡＭ変調とＰＣＭ変調

図   8 .  192 ＡＭ変調とＰＣＭ変調
© K.Tachibana

スマートグリッド

エネルギーと ネットがつながりつつあります。 電池が物質とエネルギーを橋渡しするものだとすれば、 ネットは情報を橋渡しするものです。

情報網と電力網をあわせたスマートグリッド構想が進んでいます。

ＦＩＴ終了を睨んだハイブリット蓄電池

スタック構造をもったハイブリット蓄電池。

4.4 機械学習とビッグデータを活用したモデルの構築

図 134
パーセプトロン
©

フーリエ変換と機械学習（ＡＩ）に共通するのは行列演算

図   9 .  171 フーリエ変換（ＦＦＴ）と機械学習（ＡＩ）に共通するのは行列演算
©K.Tachibana
11 情報処理概論 15 品質管理 07 技術者倫理 1224 1217 1210 0205

2023年3月14日 Google、Gmailやドキュメントに生成系AI機能が追加された。 ChatGPT もとどまるところを知らない。人工知能（ＡＩ）はどこへ向かうのか？

人工知能（ＡＩ）はいろいろなジャンルがあるが、 今言われているのは、機械学習とディープラーニングと言われるもの。 ビッグデータの存在が前提となる。 ビッグデータを扱うのに配列（行列）の演算をやらないとならない。

数式 例えば数学の知識が必要となるのは、ゲーム開発や人工知能、統計学などで、とても限られています。そのため、文系でもプログラミング習得を諦める必要は全くありません。

Phthon (パイソン）は、多様なデータ構造が組み込まれているので、データ処理しやすい 言語です。 Anaconda（アナコンダ）や、 Google Colaboratoy などの開発環境があります。 Phthonには、数値計算ライブラリNumPyがあります。 NumPyは、CやふFORTRANで、実装されていて、高速で実行できます。 ほかにも、Matplotlib(グラフ描画ライブラリ） pandas(データ分析ライブラリ） TensorFlow(機械学習ライブラリ）　OpenCV（画像処理ライブラリ） など便利なライブラリが多数あります。

tensorflow.org 文系

電池のインピーダンスを測定するということは、医師が聴診器で患者の胸の音を聞くようなものである。今後管理すべき電池が多くなり、深刻な医師不足に悩む前に、今から手を打つ方が良い。それには、バッテリーシステムに発生した障害を管理者に自動的に通知するようなシステムを作るのにＡＩを活用すべきである。

◇ 参考文献

🔝 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
図   10 .  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 ®