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イイね!
2020年01月22日

個別監視をしないバッテリーの問題

今売られている製品はどうか分からないし、5つのセル(ないしセルペア)を直列接続する18Vタイプではおそらくそうではないとおもう(ネットで見られる分解写真でもセルペアごとに基板と接続がある様子)が、マキタの14.4Vバッテリーでは、4つのセルペアが直列接続され、電圧監視は4セル全体だけだった。

このために、充放電を繰り返すうちにセル間のアンバランスが起こり、充分に各セルを利用できなくなっていく。

セルバランス機能

複数の電池セルを直列にスタックする構成の電池パックでは、個々の電池セルの容量やリークなどの特性の個体差”ばらつき”により、各電池セル間で電圧のアンバランスが生じます。
このようなアンバランスのある電池セルがスタックされた電池パックの充電では、電池セル電圧の高い電池セルが先に過充電になり、電池電圧が満充電(充電終止電圧)に到達していない電池があるにもかかわらす充電が停止してしまいます。一方、放電時には、電池セル電圧の低い電池セルは先に過放電電圧に達し、他の電池セルがまだ使用可能な状態であっても電池パックとしては再充電しないと使えない状態になってしまいます。このように電池セル電圧にアンバランスがあると、有効な電池電圧使用範囲が狭まり、電池の実効容量が減少するだけでなく、過充電や過放電という異常状態が頻発してしまいます。これをイメージしたのが図2です。図2-1ではアンバランスのない電池セルについて、また図2-2はアンバランスのある電池セルについて満充電検出と放電停止時の各電池セル電圧と使用可能な電池容量を示しています。この図からスタックされた電池セルにアンバランスがある電池パックでは使用可能な電池容量が減少することがわかります。

 
r02a

図2.電池セル電圧アンバランスによる電池容量の減少を表すイメージ図
https://www.zuken.co.jp/club_Z/zz/tech-column/20190827_r013.html


 そこで、各セルごとに監視して、セル間のバランスを取る制御を行えば、バッテリー容量を有効に利用できるようになる。

そこで、電池セル間のアンバランスを解消して電池パックの実効的な電池容量の減少を防ぐのがセルバランス機能です。セルバランス機能にはアクティブ方式とパッシブ方式があります。充電時に電池セル電圧が一定の電圧を超えた電池セルに対して、充電電流の一部のバイパスや、電池セルから放電を行うことで、電池パック内の電池セル電圧を均一化するのがパッシブ方式のセルバランス機能です。アクティブ方式のセルバランス機能は電池セル電圧の高い電池セルから低い電池セルに電荷を移動させて電池セル電圧を均一化する方式です。この2つの方式をイメージしたのが、図3-1と図3-2です。

 
r03


 4つ直列ぐらいまでは、コスト的な理由でセルバランス制御とせず、セルの選択時点で特性を揃えるだけであることが多いらしい。
 しかし、マキタのバッテリーは異常に高い。コストの問題は生じないので、各セルごとの監視と制御は行えるはずだ。

 IBM/レノボの純正バッテリーでは3ペア直列の構成でも各ペアごとに監視制御していた。T60のバッテリーでは見事にすべて使い切って果てていた。4つ生きていたものは1セルが見てもはっきり分かるレベルの製品異常を起こしたため、安全のため充放電をカットしたものと思われる。

 個別監視なしの4直列では、使えば使うほどセル間のバランスが崩れ、個別のセルは生きているのに全体としては充電できず電荷も取り出せない状態に陥りやすい。先日分解した充放電がほとんどできないマキタ14.4Vバッテリーも1ペアが過放電状態だったが、充電可能で生きていた。アンバランスが進んだ状態だと思われる。
 こうしたアンバランス状態のバッテリーは、セルを取り出してリバランスすれば復活可能な状態かもしれない。

 14.4Vのマキタバッテリーではバッテリーの利用効率が低いと言えそうだ(日立工機14.4Vでも写真を見る限り同様の様子)


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Posted at 2020/01/22 13:22:31

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