バッテリーの紹介 : 部品、パラメータ、タイプ、およびチャージャ

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• カソード : カソードは、還元が起こる正極 (または導電体) であり、放電中にカソードが電子を獲得することを意味します。通常、カソードはバッテリーの化学的構造を決定し、さまざまな種類 (リチウムイオン、アルカリ、ニッケル水素など) があります。
• アノード : アノードは酸化が起こる負極であり、放電中にアノードが電子を失うことを意味します。アノードは通常、金属などの導電性材料です。
• 電解質 : 電解質により、イオンはアノードとカソードの間を流れることができます。この媒体は固体、液体、さらにはゲルにすることもできます。電解質は電気化学反応を可能にするイオンを運び、電解質の種類はカソードに応じて変わります。たとえば、リチウムイオンバッテリーの電解質は、液体またはゲルであることがよくあります (リチウムポリマー電池など)。
• セパレータ : セパレータは、アノードとカソードが直接接触するのを防ぐ多孔質の素材です。これらの部品が接触すると、バッテリーが発火したり爆発したりする致命的な結果につながる可能性があります。セパレータはイオンを流れられるようにします。
• コレクタ : その名前が示すように、コレクタは電流を収集します。これは、電極と回路の間で電子が流れられるようにする導電性材料です。コレクタは通常、金属または炭素ベースであり、アノードとカソードの両方に接続されます。
• 端子 : バッテリーの端子は、バッテリーの金属接点がバッテリーを外部回路に接続する場所です。通常、端子はバッテリーの両端にあります。従来のバッテリーには通常2つの端子 (アノードに1つ、カソードに1つ) がありますが、最近のバッテリーには10を超える端子がある場合があります。

図1は、リチウムイオン電池のバッテリー略図を示しています。他のバッテリーの化学的構造では、動作のために異なる部品や追加部品が含まれる場合がありますのでご注意ください。たとえば、リチウムイオン電池では、カソードと多孔質セパレータの間にリチウム金属酸化物があり、セパレータとアノードの間にリチウム金属炭素があります。これらのイオンの移動はすべて、ゲルや液体などの電解質内で発生します。

図1 : リチウムイオン電池の略図

リチウムイオン電池の充電中、正のリチウムイオンが内部でカソードからアノードに流れます。同時に、電子はカソードからアノードへ外部で流れます。電池が放電しているとき、リチウムイオンと電子は逆方向に流れます。

バッテリーパラメータ

バッテリーを選ぶときは、特にこれらの仕様はバッテリーの種類ごとに変わるため、考慮して理解すべき複数のパラメータがあります。これらのパラメータには次のものが含まれますが、これらに限定されません。

• 化学的構造 : バッテリーの化学的構造が異なれば、電圧、容量、エネルギー密度などの特性も異なります。これらの化学的構造のいくつかについては以下で説明しますが、バッテリーの化学的構造をより深く理解するには、どのようにバッテリーの化学的構造はチャージャの選択に影響を与える場合があるかについて学びましょう。
• 電圧 : バッテリー電圧は、アノードとカソード間の電圧差です。バッテリーの化学的構造が異なると、定格電圧も異なります。たとえば、リチウムイオンバッテリーの定格電圧は3.7Vですが、アルカリ電池の定格電圧は約1.5Vです。電圧が高いほど、容量と出力電力が高くなります。
• 容量 : バッテリーの容量とは、バッテリーが貯蔵および供給できる電気エネルギーの量を指します。容量は、完全充電または放電サイクル中に移動する電荷の総量を示します。容量が大きいバッテリーは、容量が小さいバッテリーほど早く充電したり交換したりする必要がありません。
• サイクル寿命 : サイクル寿命は、充電式バッテリーの容量が一定のパーセンテージまで恒久的に低下するまでに、充電と放電を何回繰り返すことができるかを表します。
• エネルギー密度 : バッテリーの場合、エネルギー密度は、単位体積あたりにどれだけのエネルギーを蓄えることができるかを測定します。エネルギー密度が高いバッテリーは、より小さなパッケージでより多くのエネルギーを蓄えることができるため、スペースに制約のあるアプリケーションに最適です。
• 自己放電率 : バッテリーの自己放電率とは、バッテリーが使用されていないときにその充電量が減少する速度です。一定期間操作をしないと電子機器の電源が入らない不思議な場合があるのは、バッテリーの自己放電により機器の機能を支援できなくなるほど電荷が失われるためです。
• 電力 : バッテリーの電力定格により、接続された負荷にどれだけの電力を供給できるかが決まります。これは、バッテリーの電圧とバッテリーの許容最大放電電流の合計です。
• 効率 : この場合の効率とは、充電中に供給される電気エネルギーと比較した、放電中に供給される電気エネルギーの比率を指します。効率が高いバッテリーは、エネルギーの損失や熱の放散が少なく、より長く使用できることを意味します。

バッテリーの種類 : 長所と短所

バッテリーには、使い捨てと充電式の2つの主なタイプがあります (図2参照)。これら2つのバッテリータイプの間には、容量、電圧、エネルギー密度などのパラメータを決定する多くのバッテリーの化学的構造があります。

使い捨てバッテリーは一度だけ使用でき、完全に放電した後は交換する必要があるバッテリーです。一方、充電式バッテリーは完全に放電した後でも、何度でも充電して使用できます。

図2 : 使い捨てバッテリー (左) と充電式バッテリー (右)

表1はバッテリーの化学的構造の比較を示しており、以下でさらに詳しく説明します。

表1 : ステッピングモータとブラシ付きDCモータ

使い捨てバッテリー

使い捨てバッテリーは事前に充電されており、すぐに使用でき、未使用でも何年も充電を保持し、特定のアプリケーション向けに構築されているためメンテナンスが必要ありません。しかし、使い捨てバッテリーは使用後すぐに交換する必要があり、旅行時などに余分なバッテリーを保管したり、新しいバッテリーを購入したりする必要があり、不便な場合があります。さらに、バッテリー内の金属や材料が適切に処分されないと環境に悪影響を与える可能性があるため、バッテリーの廃棄は環境上の課題です。

いくつかの使い捨てバッテリーの種類とその化学的構造を以下に示します。

• アルカリ電池 : アルカリ電池 (単三、単四、単二、9Vなど) は非常に一般的で、懐中電灯、おもちゃ、リモコンなど、日常のさまざまな物品に使用されています。アルカリ電池は使い方が簡単で、ほとんどの店舗で入手可能で、さらに自己放電率も比較的低くなります。
• 亜鉛炭素 : 亜鉛炭素電池は、自己放電率が比較的低いため交換が必要な点でアルカリ電池と似ていますが、エネルギー密度が低く、通常、使用中の寿命はそれほど長くありません。このため、時計やラジオなど消費電流の少ない機器によく使われます。

充電式バッテリー

充電式バッテリーはアプリケーションに応じて慎重に選択する必要がありますが、環境に優しく、コスト効率が高く、通常は使い捨てバッテリーよりも多くの電力を供給します。充電式バッテリーは、電源なしでモバイルバッテリーを使って充電できるため、直接電源のない旅行中に特に便利です。

• 鉛酸 : 鉛蓄電池は、高電流を供給し、信頼性の高い安全性を提供できるため、無停電電源装置 (UPS) などのアプリケーションでよく使用される、再充電可能な確立されたバッテリータイプです。このバッテリーはコスト効率が優れていますが、他の種類のバッテリーよりもエネルギー密度が低く、重いため、モバイルアプリケーションには推奨されません。
• リチウムイオン : リチウムイオン電池は、スマートフォンやラップトップなどのポータブルアプリケーションでよく使用される充電式バッテリーです。リチウムイオン電池はエネルギー密度が高く、自己放電率が低いため、保存寿命が長く、急速に充電されます。ただし、最適ではない条件下での発火や爆発を防ぐための安全機能が必要です。同様のバッテリータイプには、リチウムポリマー電池やリン酸鉄リチウム (LFP) 電池などがあります。
• NiMH / NiCd : NiMH電池とNiCd電池は比較的似たバッテリータイプで、コードレス電話、動力工具、デジタルカメラなどのアプリケーションに使用されています。どちらのバッテリータイプも500～800回充電できます。NiMH電池はエネルギー密度が非常に高く、どちらのタイプのバッテリーも似た公称電圧をもっています。しかし、カドミウムによる環境への懸念により、NiCd 電池はあまり一般的ではなくなっています。

充電式バッテリー用バッテリーチャージャIC

環境に優しく、汎用性の高い充電式バッテリーには、バッテリーやシステムの仕様に適合したチャージャICが不可欠です。バッテリーチャージャICは、保護を提供し、充電プロセスを調整することでバッテリーに利益をもたらします。これらの利点について以下で詳しく説明します。

• バッテリー保護 : 特定のバッテリーチャージャは、バッテリーとバッテリーチャージャを保護できる保護機能を実行します。保護機能には、過電圧保護 (OVP)、低電圧保護 (UVP)、過電流保護 (OCP)、および過熱保護 (OTP) が含まれており、火災または爆発のような危険な状態に陥る可能性からバッテリーとバッテリーチャージャを防ぎます。バッテリーチャージャICに加えて、MPSは包括的なMP2790とMP2787のようなバッテリーモニタとプロテクタを提供します。
• 充電調整 : MP2760そしてMP2651のようなバッテリーチャージャは、充電プロセス中にバッテリーの電圧、電流、温度をモニタすることで充電を調整します。チャージャは、バッテリーの要件に合わせて電流と電圧の設定を調整し、バッテリーが過充電または過放電しないようにしてバッテリーの寿命を保護します。
• BMSとの通信 : バッテリーチャージャICは、 通信インターフェースを介してBMSと通信し、バッテリーのステータスに関するデータを交換し、保護しきい値を設定し、バッテリーに影響を与える可能性のある特定の状態にバッテリーチャージャを強制的に移行します。

次のセクションでは、MPSのバッテリーチャージャを紹介しますが、幅広いバッテリーの化学的構造に使用できるチャージャICは他にもたくさんあります。

MPSバッテリーチャージャIC

MPSは、医療機器、スマートフォン、ビデオゲームコントローラ、ドローン、ノートブック、動力工具、ウェアラブル機器、Bluetoothスピーカー、スマートホーム、電気自動車（EV）なでで使用できる幅広いバッテリーチャージャICを提供します。

MP2760は、ノートブックやタブレットで使用できる昇降圧バッテリーチャージャICで、その他の充電設定の中でも特にUSB電力供給 (PD) に対応します。このチャージャは最大22Vの入力電圧 (V_IN) に対応し、チャージャとバッテリーの両方に保護機能 (電圧保護や温度保護など) を提供するほか、使用できなくなったバッテリーの充電を防ぐタイマーも備えています。システム電圧 (V_SYS) に従って、MP2760は、昇圧モード、昇降圧モード、降圧モードの間で柔軟に移行して、入力電圧 (V_IN) を制御し、V_INの変動に関係なくバッテリーをスムーズに充電できます (図3参照)。

図3 : MP2760のモード移行

MP2760は、双方向操作用のデュアルロールポート (DRP) USB Type-Cポートを備えたバッテリーチャージャ ソリューションモジュールの一部です。スピーカー、タブレット、販売時点情報管理 (POS) システム、ドローン、カメラで使用できます。

スイッチングチャージャとして、MP2760はスマートフォン、タブレット、スピーカーなどの中電流から高電流のアプリケーションに最適で、広いV_IN範囲にわたって使用できます。

ただし、携帯機器 (例 : Bluetoothイヤホンやスマートウォッチ) など、外部部品が少ない低電流アプリケーションに使用できるリニアチャージャもあります。MP2710は、バッテリーが過度に放電しないようにパワーパス管理を備えた設定可能なリニアチャージャです。このチャージャは、小型のWLCSP-9 (1.85mm x 1.85mm) パッケージであるため、スペースに制約のあるアプリケーションにお勧めです。MP2710は、充電を調整するだけでなく、過度の高電流によるバッテリーの損傷を防ぐ短絡保護 (SCP) や、バッテリー電圧が低下しすぎた場合にバッテリーとシステムを保護する低電圧誤動作防止機能 (UVLO) などの保護機能も備えています。

図4は、MP2710の代表的なアプリケーション回路を示します。

図4 : MP2710の代表的なアプリケーション回路

結論

本稿では、一般的な部品など、バッテリーの基本について説明しました。便利なパラメータ (例: 電圧、容量、エネルギー密度)、バッテリーの化学的構造、使い捨て電池と充電式電池の種類の違い、MP2710とMP2760のようなバッテリーチャージャICについて調べました。これらのチャージャは、ノートパソコン、動力工具、そして ウェアラブル機器のようなアプリケーションで一般的に使用されるリチウムイオンバッテリーで動作します。

バッテリーチャージャは、バッテリーの寿命を最適化しながら、安全で信頼性の高いバッテリー動作を保証するために必要です。MPSのバッテリーチャージャICは、チャージャの切り替え、リニアチャージャ、および直列で最大7セルまで対応できるチャージャのような幅広いアプリケーションに対応します。

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