応用組み込み電子工学

第5章. バッテリー電源

この作品はAIを使って翻訳されている。ご意見、ご感想をお待ちしている：[e-mail]

現代の電子機器には多数のモバイル機器やポータブル機器があり、AC電源コードはバッテリー充電に追いやられている。バッテリー電源は現代の機器には必須であり、プラグイン式の機器であっても、停電時に重要なシステムを維持するためにバッテリーを内蔵していることが多い。

多くの機器の火災、製品リコール、爆発事故は、不適切なバッテリーシステム設計に起因している。また、多くのエンドユーザは、バッテリー容量が不十分で、典型的な1日の使用を乗り切ることができないデバイスに不満を抱いている。改善が必要な限界のバッテリーシステムが数多く存在することは明らかだ。

ほとんどの電池の教科書は電池の化学と物理に重点を置いており、電池をどのように電気設計に組み込むかに重点を置いたものはほとんどない。本書では、化学的な議論は最小限にとどめ、電池は主にブラックボックスとして扱われている。本書の読者は、より良い回路やシステムを設計しようとしているのであって、より良い電池を作ろうとしているのではない。

この章では、電子システムのニーズに合わせたバッテリーシステムの設計と、適切な設計決定を行うために必要な選択基準とサポート資料に重点を置いている。設計が進むにつれて、使用予定のデバイスの最新の性能仕様を入手するようにする。バッテリー技術は進化しており、最新の仕様が必要である。

バッテリーの基礎知識：定義

図5-1は、3つの異なる部分を含む単電池の一般化構造（）を示している：

陽極

バッテリーのマイナス側に接続されている。負極は、電池が回路内にあるときに電子を放出する。電解液と接触している負極表面は電極の役割を果たす。

陰極

バッテリーのプラス側からの電気的接続。正極は、電池が回路内にあるときに電子を吸収する。電解液と接触している正極表面は電極の役割を果たす。

電解質

触媒として働き、陽極と陰極の間をイオンが移動する。電子を持たない分子であるイオンが電池内で移動することで、電池の外部に接続された外部回路で電子が移動する。電解液は、陽極と陰極の物理的距離を保つために、セパレーターと呼ばれる非導電性の担体材料に浸されていることが多い。

図5-1. バッテリー／セルの物理的構造

以下は、デバイスの性能に関する用語の一部である：

セルとバッテリーの比較

単セルは、図5-1に示される陽極-電解質-陰極のトリオである。個々のセルを直列または並列に組み合わせると、マルチセル・バッテリーが作成される。バッテリーと セルという用語は、しばしば緩やかに混同される。一般的な自動車用鉛蓄電池12Vは、6直列（6S）セルで作成された電池の例である。一般的な単三電池は実際には単一セルである。図5-1は、複数のセルを直列（2S）に組み合わせて高電圧にしたり、並列（3P）に組み合わせて大電流・大容量にしたりして、より大きなバッテリーを作成する方法も示している。セルを並列と直列（3P2S）の両方で組み合わせることは一般的に行われている。電池記号は厳密には統一されていない。記号の中の正の数、より広い板が正か負かは文献によって異なる。

開路電圧

これは、電流がゼロのときにバッテリー出力 ...