◇ 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  🔋 C1 立花和宏

寿命
保証期間	初期故障 が起きた場合メーカー責任である可能性があり、ユーザーに過失が無い場合に無償修理に応じる期間。
耐用年数	税法上の減価償却資産の耐用年数から 木造住宅の法定耐用年数は２２年 1 ) 。 たとえば 木造住宅の法定耐用年数は２２年 2 ) 。 自動車は４年、蓄電池は６年。 物理的耐用年数と物理的耐用寿命の区別はあいまい。 期待耐用年数。電池の場合は、容量が80％に低下するサイクル数を１日１回充電で計算 3 ) 。
耐用寿命	物理的、維持費が償却コストより高額になるなど経済的な理由で、 メーカーの保守部品の打ち切りなど。使えなくなること。電池の場合は、膨らみも。 耐用寿命を過ぎた 工業製品は、 リユースができないので、リサイクルするか、 廃棄物となります。
耐用期間	薬事法用語 4 ) 。 消耗品等を交換したり、修理・オーバーホールを繰り返したりしても、その機器の信頼性・安全性が目標値を維持できなくなる予想される耐用寿命。

項目	説明	例
残量（ＳＯＣ 5 ) 6 ) ）	バッテリーの貯蓄率（％）として 読み取り可能。	満充電時から測定した放電容量ではなく、 公称容量[Ah]を使用する場合があります。 またSOC- OCV曲線から推定することもあります。容量維持率とも。
満充電までに必要な時間	秒単位で 読み取り可能＝電池の 内部抵抗と充電電圧から計算
枯渇するまでの残り時間	秒単位で 読み取り可能＝ 残り容量／（消費電力／公称電圧）
劣化率（ＳＯＨ 7 ) ）	現在、未対応 状態監視保全のために必要。
電圧	現在、未対応	公称電圧より大幅に下がった場合、 緊急保全が必要。 内部短絡などの恐れも。
内部抵抗	現在、未対応
温度	現在、未対応、過熱時のアラート発生に必要。
湿度	現在、未対応
結露	現在、未対応、水没時の短絡などアラート発生に必要。

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/

項目	量	説明
電圧測定方式	電圧	SOC-OCV曲線から推定することもあります。 電池の起電力が、 ネルンストの式と関係することが根拠です。 $V_{\mathrm{e.m.f.}}\left(Q\right)=E_{\mathrm{+}}\left(Q\right)-E_{\mathrm{-}}\left(Q\right)$ $E=E^0-\frac{RT}{nF}\ln \left(\frac{Q_0-Q}{Q}\right)$
クーロン・カウンタ方式	電流、時間	SOC[%] = RM/FCC 10 ) 反応量が ファラデーの法則に従うことが根拠です。
電池セル・モデリング方式
インピーダンス・トラック方式	電流、電圧、温度	電池の内部抵抗が、放電深さで変わることが根拠です。 $V_{\mathrm{o}}\left(Q\right)=V_{\mathrm{e.m.f.}}\left(Q\right)-\eta \left(t,Q,\frac{dQ}{dt}\right)$
拡張カルマンフィルター方式など

項目	説明
セルの過充電、過放電を防ぐ機能	電位検出
セルの過電流を防ぐ機能	短絡検出、発熱検出、過電流保護、過電圧保護
セルの温度管理を行う機能（ BTMS）	発熱検出、加熱、冷却
電池残量（SOC）・充電状態を算出する機能	積算電気量、電位
健康状態（SOH）を算出する機能	サイクルごとの内部抵抗
セル電圧の均等化（セルバランス）を行う機能

リチウムイオン電池には、過充電および過放電を防止する保護回路が必要である。24 V系の電源では、リチウムイオン電池を7 セル直列に接続して、各セルの電圧を監視し、正常な電圧範囲を逸脱した場合、回路を遮断する保護装置が必要である ^{11 )} 。

*

* 経済産業省、蓄電池産業の競争力強化に向けて

© K.Tachibana ^* , C1 Lab.

電源装置としての電池はバッテリーと言います。

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。

有機電解液は導電率が小さいため内部抵抗の増大の課題がありますが、 起電力の大きなリチウム電池では、同じ電圧を得るのに直列につなぐセルの数が少ないため、バッテリーとしては内部抵抗を下げるのに有利です。

用語	説明
バッテリー （電池）	乾電池 のような電池は、単セルで電池である。 鉛蓄電池のような電池は、組電池で電池である。 乾電池でも006Pのような積層電池は、組電池で電池である。
セル （電池）	正極、負極、電解液の 三要素を含む一組。組電池と区別して単セルとも言う。

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 、建物付属の蓄電池電源設備としての法定耐用年数は６年。
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

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電池の内部抵抗 が大きくなると、カットオフ電圧に到達する時間が短くなり、電池の容量が小さくなります。 電池の内部抵抗 は、溶液抵抗（ 抵抗過電圧）と接触抵抗からなります。 接触抵抗は、オーミックコンタクトでは、固体間接触の集中抵抗からなり、 またショットキーコンタクトでは、反応抵抗（ 活性化過電圧）や皮膜抵抗となります。 SOCの推定に使われます。

	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

充電や放電での電池管理(BMS)では、 カットオフ電圧の検知が大切です。 カットオフ電圧が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。 電池の内部抵抗は、 正極、負極、電解質の 過電圧によります。

^{12 )}

	🧪 化学	⚡ 電力	💪 動力	🌟 光	🔥 熱
🧪 化学	化学反応	👨‍🏫 🚂 電池 ｐＨセンサー 13 ) 二酸化炭素センサー 湿度センサー	◇ 鉄砲 （火薬）	👨‍🏫 化学発光	◇ 暖炉 ◇ 燃料
⚡電力 eV, FE	◇ 蓄電池 （電解）	変電、 インバータ	◇ モーター 14 ) 🔊スピーカー	◇ ＬＥＤ	◇ ヒーター Q=I2R
💪動力 pV	◇ 高圧合成	👨‍🏫 発電機 🎤マイク	リンク、カム	◇応力発光	👨‍🏫 ヒートポンプ 🚂 エアコン 15 ) pV=nRT
🌟光 hν	◇ 光合成 銀塩写真	👨‍🏫 太陽電池 イメージセンサー		◇蛍光	◇ 電子レンジ
🔥熱 RT	◇ 加熱合成	👨‍🏫 熱電変換 温度センサー	👨‍🏫 🚂 熱機関 pV=nRT	◇ 白熱電球 （ 黒体放射）

量名	記号	単位	式
密度	ρ	kg/m3
比表面積形状係数	φ		φ＝６（球、立方体、直径と高さが等しい円柱）
直径	d	m	d=2×半径（球）
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

単位質量の 粉体 の全表面積を、 粉体 の比表面積と言います。 一定量の固体を粉砕すると、 その表面積は粒径にほぼ反比例して増加します ^{17 )} 。

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 *

© 2022 K.Tachibana ^* , C1 Lab.

その一方で、リチウムイオン二次電池には、高い安全性も求められている。リチウムイオン二次電池の外皮面積は、 体積エネルギー密度に反比例する。電池体積あたりの外皮面積は、電池体積に比例して小さくなるから、体積エネルギー密度が大きく電池体積の大きい大型電池ほど、放熱に不利となり、電池の温度上昇が激しくなる。この様子を、図に示す。電池の温度上昇は、電池反応の暴走を招き、一旦、電池反応が暴走すると、1.で述べたような危険性を生じる。このように大型電池の安全性と、 内部抵抗 の低減は、密接な関係にある ^{18 )} 。

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。

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。

• 技術者倫理06.未来へ向けて－地球温暖化と人口爆発－
• 国土交通省、気象庁 二酸化炭素濃度の経年変化 https://ds.data.jma.go.jp/ghg/kanshi/ghgp/co2_trend.html

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。

広域送配電系統管理事業者

↕ 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

© K.Tachibana ^* , C1 Lab.

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)

① 情報処理概論 ⑮ エネルギー化学特論 ⑨ 品質管理 ⑮ エネルギー化学

シャノンの理論によれば、情報量は、 エントロピーであり、実際、情報の通信や維持には、熱エネルギーが発生する。

家電 や 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

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、 月、 日 単位で比較することができます。

分類	材料	特徴
寸法や形状	ガス発生	ガスの発生によって膨らみ、 電子伝導経路が寸断される
	活物質の膨張収縮	活物質の膨張収縮によって隙間が生じ、電子伝導経路が寸断される
集電体の腐食	集電体の腐食によって隙間が生じ、電子伝導経路が寸断される
バルク	電解液の重合
界面	集電体の皮膜の生成

^{20 )} 正極と合材間の接触抵抗の増加が支配的かも ^{21 )} 。

◇ 参考文献

エネルギー化学特論

✍ 平常演習

💯 課外報告書 Web Class