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電池やキャパシタのマネジメント~BMSやスマートグリッド~

山形大学  理工学研究科(工学系)  物質化学工学専攻  仁科辰夫・立花和宏

エネルギー化学特論 Web Class syllabus 56339 4-211 C1

電池の状態

  1  ブラウザからアクセスできるPCやスマホ電池の状態
項目
残量 バッテリーの貯蓄率(%)として 読み取り可能
満充電までに必要な時間 秒単位で 読み取り可能
枯渇するまでの残り時間 秒単位で 読み取り可能
電圧 現在、未対応
内部抵抗 現在、未対応
温度 現在、未対応

PCやスマホの電池の状態は、ブラウザからアクセスできます。いずれ、自動車や住宅の電池の状態もブラウザからアクセスできるようになるでしょう。 バッテリの状態はjavaとhtml5で読み取ります。 バッテリーでユーザー追跡可能になります。 この電池は誰が作ったのか、逆追跡も可能になるでしょう。

ftp://edu.yz.yamagata-u.ac.jp/Public/56307/
ユニオンプレス リチウムイオン電池用保護回路(BMS)と組電池について ―コンバート EV 用リチウムイオン電池モジュールの開発―

バッテリー、セル、電極

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バッテリー、セル、電極
©K.Tachibana

ストリングの接続には、モノポーラとバイポーラがあります。

15. エネルギー変換化学特論 1019 1217 1224 0216

生活と電池

  2   生活と電池バッテリー
工業製品 システム 電池の種類
住宅 据え置き型電池(卒FIT)(ESS/BESS * LIB
スマホ 内蔵 充電式電池( LIB
PC UPS LIB
自動車 駆動用 LIB ニッケル水素(モノポーラ、バイポーラ)
自動車 始動用 鉛電池(モノポーラ、バイポーラ)
リモコン 乾電池 ×2 乾電池
電動歯ブラシ 乾電池
時計 乾電池

エネルギー(電力量・ワットアワー)と仕事率(ワット)は違います! 蓄電池の電池容量は、電気エネルギ―です。

電池の値段
蓄電池システムの基礎
UPSとESS
UPSとESS

充放電の上限電圧と下限電圧の例

  3   リチウムイオン電池 充放電の上限電圧と下限電圧の例
電圧 内容
危険 5.00 安全弁解放
4.25 保護回路作動電圧
注意 4.20 使用上限電圧
適性 4.15 カットオフ上限電圧
3.30 カットオフ下限電圧
注意 3.00 使用下限電圧
危険 2.40 保護回路作動電圧
🖱 電池の内部抵抗と充放電曲線

0.01V違うと、副反応のリスクが急激に増大します。 特に ADCの精度が低いと危険です。


エネルギーの時代

  4  エネルギーの変換
🧪 化学 電力 💪 動力 🌟 🔥
🧪 化学 電池 ◇ 鉄砲 (火薬) ◇ 化学発光 ◇ 暖炉
電力 蓄電池 電解 ◇ モーター
🔊スピーカー
◇ LED ◇ ヒーター
Q=I2R
💪動力 ◇ 高圧合成 ◇ 発電機
🎤マイク
◇応力発光 ヒートポンプ
pV=nRT
🌟 光合成 ◇ 太陽電池 蛍光 電子レンジ
🔥 ◇ 加熱合成 ◇ 熱電変換 熱機関
pV=nRT
◇ 白熱電球
黒体放射
01.エネルギー化学 13.エネルギー化学 15.エネルギー変換特論 0216

電池の体積と放熱性能

  5   粉体と比表面積 1 )
量名 記号 単位
密度 ρ kg/m3
比表面積形状係数 φ φ=6(、立方体、直径と高さが等しい円柱
直径 d m d=2×半径(
比表面積 S m2/kg S=φ÷ρ×(1/d)
比表面積 S m2/kg S=φ÷ρ×∫1/d(w)*dw
08, 12, 15, エネルギー化学特論

ゾウがなぜ大きいか言えば、体温維持に有利だからです。 熱流量は、伝熱面積に比例するので、体積あたりの面積が小さい方が有利なのです。

逆に 電池の内部抵抗 による発熱を考えた場合、 体積の大きな電池ほど、放熱が不利になります。


バッテリーのサイズ

  6  バッテリーの容量とサイズ
用途 平均的な電池容量/kWh
住宅 4~10 *
自家用車 ( EV) 40~60 *
スマホ 0.0012~0.0014 *

モノと電気エネルギー

  7   電気エネルギー (電力量)
モノ 電気エネルギー/ kWh
一日あたりの 住宅 11 *
スマホ 1回充電 0.001
自動車 40
かつ丼 1

エネルギー(電力量・ワットアワー)と仕事率(ワット)は違います! 蓄電池の電池容量は、電気エネルギ―です。


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V2H
©

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
  1 低炭素住宅 とV2H

V2Hとは、電気自動車の電池を、 住宅の電池(ESS)のかわりに使うことです。 電気自動車電池容量は、 40kWh程度とすれば、住宅の電池10kWhの4世帯分に相当します。


山形大学工学部の現在の使用電力

  2 山形大学 米沢キャンパス の現在( 2022-5-20)の使用電力
©S.Okuyama

米沢キャンパスだけで、 1500kWもの 電力を使っています。 太陽光発電で賄えるのは、 昼間の日光があるときで、せいぜい30kW。再生可能エネルギーの太陽光だけでは、電気が全然足りません。

スマートグリッドでは、 センサーを使って電力を計測し、インターネットの通信を使って、発電量を制御します。気候に左右されやすい再生可能エネルギーでは、余剰電力を電池に蓄えます。


スマートグリッドでの情報通信の流れ

↕ 情報 通信
送配電系統管理事業者
↕ 情報 通信
電力供給事業者
↕ 情報 通信
スマートメーター
↕ 情報 通信
室内モニター (HEMS)
↕ 情報 通信
家電類・ソーラーパネル
  3 スマートグリッドでの情報通信の流れ
©K.Tachibana
02.エネルギー化学 05.無機工業化学 02.情報処理概論 15.情報処理概論 0304

情報量 (エントロピー) の単位

  8 情報量エントロピー) の単位
対数の底 通常の単位 JISおよびISOが定めた単位 備考
2 ビット (bit) シャノン (shannon)
e ナット (nat) ナット (nat)
e ディット (dit) ハートレー (hartley)
01. 情報処理概論 15. エネルギー化学特論 09. 品質管理

インターネット百葉箱

家電 自動車 といった「モノ」を インターネットに接続する技術
IoTの対象となるモノ 家電 (冷蔵庫、テレビ、ドアホン、 給湯器)や 自動車
センサー カメラ、 マイク、タッチセンサー、スマートメーター、温度センサー、湿度センサー
通信 光ケーブル、無線通信、メタリックケーブル
  4 IoT
13.情報処理概論 10.エネルギー化学 10.無機工業化学 15.エネルギー化学特論 IoT

  5 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 ®ライブ (2022-5-20) 映像

インターネット百葉箱®は教材のウチダが開発した IoT教材です。 全国の学校の 気温・湿度・気圧・天候を、 単位で比較することができます。


CCCV

  6 CCCV動作


AI

AIの中でも今はやりの深層学習は、テンソルフローなどのライブラリにお任せしょましょう。 概念だけ把握すれば、だいじょうぶです。

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パーセプトロン
©

バッテリの管理はマイコンで

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

スマホアプリを作ってみよう
エネルギー化学特論
  1. はじめに
  2. エネルギーの種類と物質

    「椅子を高く持ち上げたときに消費するエネルギーは、椅子の位置エネルギーに時間をかけて求めることができる」はほんとうか??

  3. 電解工業と電気化学

    銅の電解精錬に使う電力は何のためか?それを節電するにはどうしたらいいか?注意すべき点は何か??

  4. 電池の起電力と分解電圧
  5. 電気エネルギーと物質~電池の系譜~
  6. 電池の内部抵抗と過電圧
  7. 二次電池とキャパシタ
  8. リチウムイオン二次電池の構造
  9. セラミックス材料~正極活物質と導電助材の働き~
  10. 金属材料~負極活物質と集電体の働き~
  11. 有機材料~リチウム電池の電解液~
  12. 高分子材料~リチウム電池のバインダーやセパレータの働き~
  13. 化学工学とリチウム電池~分散・スラリーの作成と塗布乾燥~
  14. サイクリックボルタンメトリーによる電池やキャパシタの評価
  15. 交流インピーダンス法による電池やキャパシタの評価
  16. 電池やキャパシタのマネジメント~BMSやスマートグリッド~


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