スタータバッテリーの基本構造

鉛蓄電池

最も伝統的な充電式電池である鉛蓄電池は、1世紀以上にわたって自動車の始動システムの基礎として機能してきました。これらのバッテリーの構造はシンプルですが、強力です。

電極プレート: これらの電池の中には、二酸化鉛でコーティングされた一連の正の電極プレートとスポンジ鉛で作られた負の電極プレートが入っています。電解質溶液内に、これらのプレートは浸かっています。

電解質: 電解質は硫酸 (H2SO4) の溶液で、バッテリーの充電と放電のサイクル中にプレート間のイオンの移動を助けます。

セパレータ: 正の電極プレートと負の電極プレートの間には、短絡を防ぐためにプラスチックまたは同様の絶縁材料でできた薄いシートが配置されています。

ケース: 高温と酸に耐える耐久性のあるプラスチックケースに、完成したアセンブリは収められています。

図1 : 鉛蓄電池の構造

吸収ガラスマット (AGM) バッテリー

鉛蓄電池のサブタイプはAGM電池と呼ばれ、従来の浸水型の設計に比べてさまざまな点で優れています。

マット構造: 主な違いは、マットに織り込まれた薄いガラス繊維を組み込むことにあります。この特殊なマットは、従来の鉛蓄電池に見られる無制限の液体を排除し、電解質を吸収して固定するように設計されています。

圧縮: AGMバッテリーのプレートを圧縮することは、バッテリーの寿命と全体的なパフォーマンスの両方を向上させることが知られている一般的な方法です。

利点: AGMバッテリーは、液漏れの可能性を最小限に抑え、柔軟な取り付け位置を可能にし、振動に対する耐性を高める構造を誇ります。さらに、浸水型バッテリーとは異なり、通常は自己放電率が低く、より高い電流を供給する能力を備えています。

強化浸水型バッテリー (EFB)

従来の浸水型鉛蓄電池とAGMバッテリーの間のギャップを埋めるバッテリーは、強化された浸水型バッテリーです。

ポリエステルスクリム: EFBバッテリーは、プレート間にポリエステルスクリム (薄い層) を導入することで、サイクルプロセス中に消散する可能性のある活性物質を保存し、バッテリーの耐久性とパフォーマンスを向上します。

デュアルプレート分離: 従来のセパレータと前述のポリエステルスクリムを組み合わせたEFBは、一般的に電荷受容性が向上し、サイクル耐久性が向上します。

アプリケーション: EFBバッテリーは、性能とコスト効率のバランスが取れているため、スタートストップシステムを搭載した車両の間で人気が急上昇しています。従来の点火システムと比較すると、これらのシステムはスタータバッテリーに多くのことを要求します。

図2 : EFBバッテリーの構築

まとめると、これら3種類のバッテリーは鉛蓄電池の化学原理に基づいて動作しますが、性能、コスト目標、耐久性を満たすために構造が異なります。最も適切なオプションを決定するには、車両の特定の要件と目的のアプリケーションに依存することが頻繁にあります。これは、一般的な自動車の標準的な始動の任務から、スタートストップシステムや高級車に見られる増大する要求にまで及びます。

化学反応とエネルギー貯蔵

鉛蓄電池における電気化学反応

電気化学反応はイオンの移動と電子の移動が協調して行われる方法であり、鉛蓄電池のエネルギーの保持と放出の能力の中心にあります。これらのバッテリーの機能性を把握するには、これらの反応を理解することが基本的な側面になります。これを理解することで、それらが長期間にわたって自動車アプリケーションの基礎として存続してきた理由が明らかになります。

放電反応 (バッテリーが電力を供給)

放電中にバッテリーが負荷に電力を供給すると (エンジンの始動など)、次の反応が起こります。

正極プレート

$$PbO_2+3H_2SO_4\rightarrow PbSO_4+2H_2O+2H^++2e^-$$

水素イオン (H⁺) と電子 (e⁻) を放出し、二酸化鉛 (PbO₂) は硫酸鉛 (PbSO₄) に還元されます。

負極プレート

$$Pb+H_2SO_4\rightarrow PbSO_4+2H^++2e^-$$

鉛 (Pb) は水素イオンと電子を放出しながら硫酸 (H₂SO₄) と反応して硫酸鉛 (PbSO₄) を形成します。

これらの電子は、正極プレートからバッテリーに戻る前に外部回路を通って流れ、電力を供給し、前述の反応を促進します。

充電反応 (バッテリーが再充電される)

再充電すると反応は逆になります。

正極プレート

$$PbSO_4+2H_2O\rightarrow PbO_2+3H_2SO_4+2e^-$$

外部回路からの電子を消費して、硫酸鉛と水が酸化され、二酸化鉛と硫酸が再生されます。

負極プレート

$$PbSO_4+2e^-\rightarrow Pb+H_2SO_4$$

提供された電子を使用して、硫酸鉛は還元されて鉛を形成します。

重要なポイントと意味

• 硫酸鉛の形成: 放電中、注目すべき特徴として、両方のプレート上に硫酸鉛が生成され、これらの反応の重要な側面になっています。バッテリーが長期間放電状態のままになると、硫酸鉛が結晶化し、容量が減少してバッテリーが故障する可能性があります。この現象は硫酸化と呼ばれ、バッテリーの劣化においてよく知られた現象です。
• 水の消費量: 水の消費量：正極プレートで発生する放電反応における水の利用に注目することが重要です。この水はその後、充電プロセス中に補充されます。鉛蓄電池の過充電により過剰な水の消費が発生し、電解液レベルの低下や電池の損傷を引き起こす可能性があります。
• 充電状態 (SOC) インジケータ: バッテリーの充電状態については、硫酸溶液の密度または比重が指標として機能します。密度が低いほどバッテリーが放電していることを示し、密度が高いほどバッテリーが充電されていることを示します。

結論として、鉛蓄電池の寿命と機能性は、これらの電気化学反応に直接結びついています。バッテリーの性能を最適にするには、これらの反応が効率的に進行するように適切なメンテナンスを行うことが最も重要です。

バッテリーの状態に影響を与える要因

バッテリーの最適な機能、安全性、寿命を確保するには、バッテリーの健全性が不可欠です。車両のスタータバッテリーの状態はさまざまな要因によって悪影響を受け、容量と完全な寿命が低下します。バッテリーの状態に影響を与える主な要因は次のとおりです。

極端な気温

• 影響: 温度変化はバッテリーの性能に大きな影響を与えます。バッテリーの内部抵抗は低温状態によって上昇し、電力供給を妨げる可能性があります。一方、温度が上昇すると内部の化学反応が加速し、過充電、水分の枯渇、劣化の早まりなどのリスクが高まります。
• 軽減策: 熱管理システムを組み込むことは、現代の車両では一般的な方法です。これらのシステムは、バッテリーを理想的な温度幅内に維持し、バッテリーの寿命とパフォーマンス能力の両方を延長します。

過充電と過放電

• 影響: バッテリーを過充電したり、過度に放電したりすると、著しい劣化が発生する可能性があります。過度の充電によりバッテリー内部に余分な熱とガスが発生し、内部プレートが変形したり、極端な場合には爆発を引き起こしたりする可能性があります。硫酸化は、深放電の結果としてバッテリーの鉛板上に硫酸塩結晶が形成されることで発生し、その結果バッテリーの容量が減少します。
• 軽減策: 現代の自動車によく見られる高度な充電システムには、過充電を防ぐための電流および電圧レギュレーターが装備されています。さらに、過放電を防ぐために、バッテリー管理システム (BMS) が充電状態をモニタします。

振動と機械的ストレス

• 影響: 車両の振動や衝撃によって生じる機械的ストレスにより、内部の短絡が発生したり、バッテリーのケースが損傷したりする可能性があります。
• 軽減策: 車両内の専用コンパートメントには通常、バッテリーが収納されており、機械的衝撃に対する保護機能を果たします。振動を避けるために、制振材も使用される場合があります。

老朽化と周期

• 影響: バッテリーの容量は、時間の経過とともに充電と放電のサイクルを繰り返すことで自然に減少します。バッテリーの内部化学では、徐々に変化する現象と物理的な摩耗の累積的な影響により性能が低下します。
• 軽減策: 製造元のガイドラインに従い、指定された動作パラメータ内でバッテリーを使用すると、避けられない劣化プロセスにもかかわらず、バッテリーの寿命を最大限に延ばすことができます。

メンテナンス不良

• 影響: 特定のバッテリータイプで蒸留水の補充を怠ったり、端子の腐食を許したりするなど、メンテナンス作業を怠ると、バッテリーのパフォーマンスが低下する可能性があります。
• 軽減策: バッテリーの健全性を維持するには、適切な液面の確認や端子の清掃など、定期的な検査スケジュールとメンテナンスルーチンを遵守する必要があります。

スタータバッテリーの状態に影響を与える多数の要因にもかかわらず、入念なケア、一貫したモニタリング、効果的な緩和戦略によりスタータバッテリーの寿命とパフォーマンスを最大限に高めることができます。

メンテナンスと安全に関する考慮事項

車載用バッテリーは耐久性のある設計と長寿命にもかかわらず、最適なパフォーマンスと安全性の両方を保証するために定期的なメンテナンスと慎重な取り扱いが必要です。車両のエンジンを始動させる上で重要な機能を果たすことから、スタータバッテリーのメンテナンスと安全性に関する検討は、この状況においてますます重要になります。このセグメントでは、スタータバッテリーの取り扱い時に必要な予防保守方法と重要な安全対策について説明します。

予防保守技術

スタータバッテリーは適切なメンテナンスを行うことで寿命を延ばすことができ、耐用年数全体にわたって最適に機能することが保証されます。

定期検査: 定期的な点検の確認によって、バッテリーケースの損傷、端子の腐食、または漏れの兆候を特定できます。潜在的なバッテリーの問題は、これらの初期指標によって特定できます。

端子のクリーニング: 端子は時間の経過とともに腐食が蓄積し、電流の流れに影響を与える可能性があります。重曹と水の混合液で端子を洗浄し、その後きれいな水で完全にすすぐことで、良好な電気接触を維持できます。

電解質レベルの維持: 浸水式鉛蓄電池の場合、電解液レベルが最小マークと最大マークの間にあることを確認することが不可欠です。レベルが下がった場合は、蒸留水を使用する必要があります。

充電状態モニタリング: バッテリーの充電不足または過充電により、寿命とパフォーマンスが低下する可能性があります。比重計または電圧計を使用すると、バッテリーの充電状態を定期的にテストするのに役立ちます。

安全な取り付け: 内部の損傷や短絡の可能性を防ぐために、過度の振動を避けてバッテリーをしっかりと取り付けることが重要です。

バッテリーのジャンプスタート

ジャンプスタートでは、ジャンパーケーブルを使用して、バッテリーが消耗した車両を別の車両の完全に充電されたバッテリーに接続し、車両を始動させます。このプロセスが適切に実行されると、バッテリーが消耗した車両でもエンジンを始動するために必要な電力にアクセスできるようになります。とはいえ、注意を払うことは重要です。

手順: まず、車両を近くに置き、ジャンパーケーブルを接続するのに十分な距離を確保しながら、車両同士が接触しないようにします。続行する前に、両方の車両の電源がオフになっていることを確認してください。まず、プラス (通常は赤) のジャンパーケーブルを、切れたバッテリーのプラス端子に接続します。次に、ケーブルの反対側の端を機能しているバッテリーのプラス端子に接続します。次に、マイナス (通常は黒) ケーブルを、機能しているバッテリーのマイナス端子に接続します。最後に、マイナスケーブルの反対側の端を、故障した車両のバッテリーから離れた塗装されていない金属面に接続します。これは接地点として機能し、適切な接続を保証します。

良い乗り物の始動: 充電されたバッテリーを搭載した車両のエンジンを始動し、オルタネータが電気を生成できるようにします。数分待ってから、バッテリーが切れた状態で車を始動してみてください。

切断: 車両の始動後、マイナスアース接続から始めて、接続と逆の順序でジャンパーケーブルを外します。

潜在的なリスク: ジャンプスタートプロセスを誤って処理すると、さまざまなリスクが伴います。ケーブルを誤って接続したり、端子をブリッジしたりすると、短絡が発生し、火花が発生したり、極端な場合には爆発が発生する可能性があります。さらに、最近の車両では、突然の電流の急増により電子機器が損傷する可能性があります。ジャンプスタートを開始する前に、特定の車両には考慮すべき特定の指示や注意事項が記載されている場合があるため、車両のマニュアルを参照することをお勧めします。

ジャンプスタートでバッテリーを復活させることは有益ですが、正しい手順を守り、常に注意を払うことが重要です。

安全上の注意と取り扱い

化学物質が含まれており、感電の危険があるため、動作中のバッテリーには厳重な保護対策が必要です。

保護具の着用: バッテリーを取り扱うときやメンテナンス作業を行うときは、必ず保護手袋と安全メガネを着用し、酸の飛沫やこぼれから保護しましょう。

換気: 特に充電時には、バッテリーから可燃性の水素ガスが放出される可能性があります。ガスの蓄積を防ぐため、換気の良い場所で作業するようにしてください。

炎や火花を避ける: ガス放出の危険があるため、バッテリーを火花、裸火、または発火の可能性のあるあらゆる発火源から遠ざけることが不可欠です。

取り扱いに注意する: 特に鉛蓄電池タイプのバッテリーは重くなることがあります。怪我を防ぎ、持ち上げたバッテリーがしっかりと固定されていることを確認するために、適切な持ち上げ方で行ってください。

応急処置: 酸が皮膚や目に触れた場合は、すぐに大量の水で洗い流し、医師の診察を受けてください。近くに救急箱と洗眼器を置いておくと便利です。

スタータバッテリーは耐久性を重視して設計されていますが、健全性と寿命を維持するには、メンテナンスの実践と取り扱い方法に大きく依存します。積極的なアプローチを通じて予防的ケアと安全性を優先することで、これらのバッテリーの一貫性と信頼性の高い長期パフォーマンスが保証されます。

スタータバッテリーとしてのリチウムイオン電池

リチウムイオン (Li-ion) 電池は、電気自動車 (EV) や家電製品などのさまざまなアプリケーションで広く普及しているにもかかわらず、従来の内燃エンジン車の始動用電池としては広く使用されていません。この選択は複数の理由によって裏付けられています。

コールドクランキングアンペア数 (CCA): スタータバッテリーとしてよく使用される従来の鉛蓄電池は、注目すべきコールドクランキングアンペア数 (CCA) 値を備えており、特に寒冷環境で燃焼エンジンを始動するために必要な高電流を短時間供給します。リチウムイオン電池は高電流を供給できるにもかかわらず、低温になると性能が大幅に低下します。

コストに関する考慮事項: 初期投資の面では、リチウムイオン電池は従来の鉛蓄電池よりもコストがかかります。リチウムイオン電池の主な機能は内燃機関車両でのエンジンの始動であるため、この特定のアプリケーションでは、その潜在的な利点では追加コストが正当化されない場合があります。

ライフサイクルの互換性: 内燃機関車の設計では、エンジンを始動するために短時間のエネルギーの放出のみが必要なため、始動用バッテリーの過放電を回避できます。リチウムイオン電池の設計は、より深い放電サイクルに対応することを目的としていますが、浅い放電が頻繁に起こると寿命に悪影響を与える可能性があります。

安全上の懸念: 鉛蓄電池は、損傷したり不適切な取り扱いをされたりすると、エネルギー密度が高いにもかかわらず、リチウムイオン電池に比べて揮発性が低くなります。リチウムイオン電池は事故の際に熱暴走や火災の危険があり、安全対策の実施が複雑になる可能性があります。

統合されたバッテリー管理システム (BMS): セル電圧のモニタリングとバランス調整、充電状態の管理、安全な動作条件の維持には、リチウムイオン電池用の高度なバッテリー管理システム (BMS) が必要です。スタータバッテリーアプリケーション用のBMSとして、複雑さとコストが増える場合があります。

過充電耐性: リチウムイオン電池と比較すると、鉛蓄電池は通常、過充電に対する耐性が優れています。特定の自動車の状況では、過充電状態によりリチウムイオン電池が急速に劣化する可能性があります。