バッテリーの充電方法は?

バッテリー充電、正しく、バッテリーを充電する方法?

This post is also available in: English हिन्दी हिन्दी Punjabi Français Indonesia العربية

バッテリー充電、正しい方法!

 A battery is an electrochemical device which stores energy in a chemically bonded structure and releases the energy in the form of electrons resulting from the battery’s chemical discharge reactions. Battery charging provides the electrons to reform the chemical bonds which are stored in the battery’s active materials. This is true battery charging of all chemistries, including those mentioned In this blog: lead-acid, nickel-metal hydride, nickel-cadmium and lithium-ion variants. In this blog, we will be discussing the optimum charging procedures for 12volt batteries.
As a general rule there are three main types of charging:
• Constant Voltage (CV)
• Constant Current (CC)
• Constant power (taper charging)

すべての充電プロファイルとすべての充電機器は、多くの場合、これらの基本的な方法のバリアントを組み合わせて使用します。
電池の充電速度は、電池に流れる1秒当たりの電子(電流)の数によって異なります。 光のような電気流れの速度は固定されているので、充電速度を上げるには電流密度や毎秒流れるアンプ数が増加する必要があります。 AMに電子を押し込む力が増加すると、すなわち電圧が増加し、電子の流れが増加する。 より高いボルト=より多くのアンプ。

異なる電池タイプの電圧と内部抵抗は、その化学に依存し、充電電圧はそれに応じて異なります。 本ブログでは鉛蓄電池、リチウムイオン電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池化学を検討する。

鉛酸から始めて、電子を貯蔵・排出する化学反応を「二重硫酸理論」と表現できる。

  • PbO2 + Pb + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O………………………………………………………….eq. 1.

この反応では電解質は、希硫酸、吐出時に正および負のプレートと反応する水に変換される。 負のプレートは、硫酸鉛を形成するために電子を与え、正が硫酸鉛に二酸化鉛を変換するために電子を受け入れ、硫酸鉛を導くように硫酸鉛に導くとして、硫酸鉛を形成するように酸化されて酸化されます。 この間、水の製造は、酸性電解質の希釈およびプレート間の電位差の減少を引き起こす。 これにより、電解質SGが低くなり、バッテリ電圧が低下します。 バッテリ充電では、これは逆になります。 これら2つのパラメータ、電池電圧と電解質SGは、鉛蓄電池の充電状態の測定です。

12ボルトの鉛酸のバッテリー充電は、完全に充電された場合のバッテリの残り電圧よりも高い電圧を必要とします。 鉛蓄電池には、フラットプレートが浸水し、管状が浸水し、AGM(フラットプレート)とGEL(主に管状)であるVRLAバージョンの4つの基本的なバリエーションがあります。 電池の種類、それらの用途および関連する充電方法は表1に示されている。

Battery Type Normal battery charging method
Lead acid battery flat plate flooded type charging method Constant current taper charging
Constant current/constant voltage taper charging
Constant voltage taper charging
Lead acid battery tubular plate flooded charging method Constant current taper charging
Constant current/constant voltage taper charging
Constant voltage taper charging
Lead acid VRLA Battery (AGM SMF) charging method Constant current / Constant voltage charging
Constant voltage charging
Constant current / constant voltage charging with pulse
Lead acid tubular gel VRLA battery charging method Constant current / Constant voltage charging
Constant voltage charging
Constant current / constant voltage charging with pulse
Nickel Cadmium battery charging method Constant current slow with timer no control
Constant current with dT/dT cut-off
Constant current with -dV/dT cut-off
Lithium ion battery charging method Constant current with final current cut-off
Constant current with voltage cut-off
Constant voltage with final current cut-off

表1 – 異なる電池の種類と、異なるタイプのバッテリの化学の関連するバッテリの充電方法

  • CC = constant current
  • CV = constant voltage
  • dT/dt = temperature slope
  • -dV/dt – negative voltage slope

The charging methods listed, are described as follows:

  • Constant current charge
    In this type of charging, the voltage rises as the battery charging becomes complete. The current is limited to a value which keeps the battery voltage and temperature to low levels. Generally, there is a timer to switch off the charger to prevent excessive gassing and water loss and reduce positive grid corrosion Fig. 1a. This charging method is unsuitable for sealed or low maintenance flooded lead-acid batteries.
  • 定電圧、電流制限付きテーパチャージ
    電圧制限付き充電により、ガスの進化の問題は最小限に抑えられます。 図1bでは、電圧がピークに達し、一般的に12ボルトのバッテリーでは13.38~14.70ボルトの間にあることがわかります。 最大充電電圧に達すると、電流が急速に低下することは明らかです。 このタイプの充電は、一般的に、後者の充電段階での低電流レベルのために長い時間がかかります。 通常、充電期間が長い場合はUPSまたはスタンバイ電源に使用されます。
  • テーパーチャージ
    これは充電器の最も簡単な形式で、通常は変圧器ベースで、一定の出力すなわちワットを与えます。 電圧が大きくなると電流が低下し、バッテリへの一定の電力入力が維持されます。 図1cは、バッテリ電圧が上昇するにつれて電流が引き出される典型的な曲線を示しています。 また、バッテリが電力を引き出すことができないため、電流が非常に低いレベルに低下することを意味する充電状態SOCと共に、バックEMFも増加します。
  • このタイプの充電器は、発生するガスの量が電池電圧に依存するので、鉛封止式メンテナンスフリー電池には適していません。 この場合、16または17ボルトの高い充電電圧に達し、深刻なガスの進化を引き起こし、その後の水損失で圧力リリーフバルブを開く可能性があります。
図1. EFB電池のテストの基本原理は概略的に示される
図1 バッテリー充電プロファイル
バッテリーの正しい充電 - 図2
Fig – 2電圧制限パルスバッテリー充電
  • 二段階電流および電圧制限充電
    もう一つの人気のある料金プロファイルを図に示します。 1d. これにより、電圧はガス電圧に達するまでバルク相で上昇することができます。 その後、電流は低固定レベルに降下し、徐々にガスレベルに上昇する電圧を低減します。 一般的に、初期バルク位相充電時間に関連する時間カットオフがある。 これは電池の充電状態に基づいて固定ガスの周期および固定アンペア時間入力を可能にする
図2電圧限定パルス電池充電
Liイオンセルの図3典型的なバッテリー充電アルゴリズム
図3 リチウムイオン電池用の代表的なバッテリー充電アルゴリズム
図4 Ni-Cadの典型的な電荷曲線 (a) と NiMH (b) セル
  • 一定電流パルスを均等にする電圧制限バルク充電。
    図。 2は、一般的なパルス充電方法を表すものである。 これは一般的に、バッテリーを完全に充電する時間が限られているVRLAバッテリーのユーザーにとって有益です。 この方法では、大部分の電荷が適用されるCCおよびCVフェーズの両方が存在する。
  • パルスは一般的に10秒から20秒の電流バーストで、電圧制限が続き、最大数分の休止が続きます。 電圧は、限られた期間を持つ電流に遅れているので、ダウン死ぬ前にピークレベルに達しません。 このように、ガスの進化が制限され、現在のパルス間の休止時間により、ガスが水に再結合し、乾燥を防ぐことができます。

これまでのコメントは鉛蓄電池を対象としている。 リチウムイオン、NiCd、NiMH電池の充電には、鉛蓄電池とは異なるバッテリ充電アルゴリズムが必要です。 リチウムイオン電池から始めて、注意すべき即時のポイントは、異なるリチウムイオン陰極に異なる充電電圧があることです。 リチウムイオン-FePO4は3で動作します。 Li-Coはセルあたり4.3vである間細胞あたり2V。 つまり、両方のバッテリに同じ充電器を使用することはできません。

しかし、一般的な原理は、すべてのタイプのリチウムイオン電池で同じであり、鉛蓄電池とは全く異なります。 充放電プロセス中に化学反応がないため、充電器出力またはBMS(バッテリ管理システム)によって制限される非常に高い速度で転送が高速です。 通常、電圧遮断を伴う一定電流での0.1Cと1Cの間のレートが一般的です。 図3は、liイオンセルの典型的な充電プロファイルを示しています。 充電期間は、最小電流が1Cアンペア値の約2〜3%に達したときにも終了することができます。

NiMHとNiCdはまた、他の化学者とお互いの両方に、異なる充電パターンと充電に対する非常に異なる応答を有する。 図4は、両方のNi-Cadの典型的な充電パターンを示しています (a) と NiMH (b) 両方のニッケル変種は、同じ残りの電圧と動作電圧を持っていますが、充電電圧はかなり異なる場合があります。 両方のタイプの充電器は、充電終了メカニズムとして電圧に依存することはできません。 このため、充電器は、単に時間、電圧傾き、および斜面の温度変化に基づいて終了を持つ1段階または2段定電流充電器を使用します。 充電特性を調べると、100%完了に達すると、温度上昇と同時電圧応答低下の両方が発生します。

これらの特性は、請求の終了を決定するために使用されます。 絶対電圧は温度によって変化するので、両方のタイプのセルで異なります。 負電圧勾配(-dV/dt)または急激な温度スロープ上昇(dT/dt)の発症は、最も一般的に使用される特性です。 タイミング法を使用する場合は、過充電と酸素損失を防ぐために電流が非常に低いはずです。 場合によっては、特に電池や電池のバランスが崩れている場合、タイマー方式で充電する前に、セルあたり0.9~1.0ボルトまで放電するのが最善です。

バッテリー充電、12Vバッテリーを過充電できますか?

これらの化学製品のすべては、過充電は、損傷や安全上のリスクを作成することができます。 鉛蓄電池の場合、過充電電圧は限られており、水の分解、水素、酸素放出、熱の発生に過剰な電流が消散します。 電流を増やしても電圧は上昇せず、ガスや水の損失率が上昇し、温度上昇を引き起こします。 一部の過充電は、特にセルまたはバッテリの均等化が必要な場合に許容されます。

リチウムイオン電池の場合、BMSが電池に組み込まれるため過充電が困難です。 これは、終了電圧に達すると、または温度が高くなりすぎると、電流供給を遮断します。 これは、liイオン電池がより高い温度で放出される揮発性電解質を含んでいるため、必要な予防措置です。 過充電を非常に危険なliイオン電池で火災を引き起こす電解質からの蒸気です。 NiCadおよびNiMH電池は、たとえそれらが密封された版であっても、酸素および電解質を失うことになるので、過充電されるべきではありません。

There are several indicators of a battery’s SOC: the rest voltage measured at its terminals, the specific gravity of the electrolyte (flooded open batteries) or the impedance value. They are different for each battery chemistry, and for this reason, it is best to look at each type separately:
1. Lead-acid.
Specific gravity.
The reaction of the plates with sulphuric acid on charge and discharge determines the ratio of acid to water in a cell.

硫酸の濃度が高く帯電すると、排出時には低くなる(eq. 1)。 酸の密度は1.84、水の密度は比重1であるため、電解液のSGは充放電時に増加し、減少する。
反応は、濃度の変化が線形であることを意味する第一次関係を有するので、SGの測定は、電池のSOCの直接の指標を与える、図。 5.

図 5 12V鉛蓄電池用SOCを搭載した電圧およびSGの変動
図5 12 V鉛蓄電池用SOCを有する電圧およびSGの変動
図6 正しく水量計の読み取りを取るための方法
図6 正しく水量計の読み取りを取るための方法

注意点の1つ:これは、バッテリーの充電が進行中でバルク、またはプレガス化段階にある場合には適用されません。 電解質攪拌を行わない場合、電荷で生成される密度の高い酸は沈み、セル当たり2.4ボルトの電圧に達するまで電解質の大部分がより希薄になります。 この時点から、プレートで発生したガスは、酸を混合する攪拌作用を作成します。

残りの電圧:これはSOCの指標であり、次の関係における細胞の比重に関連する可能性があります。

  • 休息ボルト = SG + 0.84 ………………………………………………………………………………………………………………………….2

例えば、比重1.230の2Vセルは1.230 + 0.84 = 2.07ボルトの残りの電圧を持つことになります

この関係を使用すると、バッテリSOCの合理的に正確な指標を与えることができますが、異なる電池はSGの動作範囲が異なるので、VRLA SGの最高充電状態は、トップSGが1.28のOPzSと比較して1.32になる可能性があります。 温度もSGに影響を与え、したがってセル電圧に影響を与えます。 オープン回路電圧に対する温度の影響を表2に示す。

もう一つの要因は、充電上の硫酸の形成のために、新たに充電された電池がプレートの隣に高濃度の酸を有していることである。 このため、充電後の電圧は、おそらく一定の値で落ち着く前に、おそらく48時間まで高いままです。 短い放電がバッテリーに行われなければ、電圧読み取りを取る前に酸濃度の均等化を可能にするために休息する必要があります。

SOC測定に必要なツール
これらは、電圧測定用の直流電圧計またはマルチメータと比重読み取り用のハイドロメーターで構成されています。
浸水した細胞の場合、放電試験以外の、ハイドロメーターは、電荷の状態を決定する最良の方法です。 ハイドロメーターの使用は、いくつかの練習を取り、非常に慎重に行われるべきです。 手順は、水力計の読み取りが目の高さで取ることができるように、適切な位置にバッテリーを配置することです(上記の図6)。

密閉電池の場合、ハイドロメーターを使用することができないため、残りのボルトの測定が唯一の選択肢です。 この方法は、密閉された鉛蓄電池と浸水した鉛蓄電池の両方に適用可能です。
このためには、マルチメーターを適切な最大電圧に設定して、12ボルト以上を読み取ることができるようにする必要がありますが、小数点以下の桁数が 2 以上になるようにしてください。 eq を使用します。 2、電圧は、温度調整後に使用することができ、SGを推定し、したがって電池のSOCを、完全に充電されたバッテリに対するメーカーのSG値が知られている場合である。

電圧またはハイドロメーターを使用して充電状態を測定する場合は、いずれもSOC、温度補償を適用する必要があります。 BCIによって供給される表2は、水力計と電圧計の測定値の両方に適切な調整を与える。

表2 温度を用いて電解質比重と電圧測定値の補正

Electrolyte Temperature Fahrenheit (°F) Electrolyte Temperature Celsius (°C) Add or Subtract to Hydrometer's SG Reading Add or Subtract to Digital Voltmeter's Reading
160° 71.1° +.032 +.192 V
150° 65.6° +.028 +.168 V
140° 60.0° +.024 +.144 V
130° 54.4° +.020 +.120 V
120° 48.9° +.016 +.096 V
110° 43.3° +.012 +.072 V
100° 37.8° +.008 +.048 V
90° 32.2° +.004 +.024 V
80° 26.7° 0 0 V
70° 21.1° -.004 -.024 V
60° 15.6° -.008 -.048 V
50° 10° -.012 -.072 V
40° 4.4° -.016 -.096 V
30° -1.1° -.020 -.120 V
20° -6.7° -.024 -.144 V
10° -12.2° -.028 -.168 V
-17.6° -.032 -.192 V

2. リチウムイオン、 NiMHおよびNiCd.
これらの化学のすべてに対して、SOC測定は深刻な課題を提示します。 すべては完全に充電された状態と排出状態の間の非常に小さい電圧差を有する非常に平坦な放電曲線を有する。 NiCdおよびNiMH細胞内の充放電反応は、電解質のSGを大いに変化させず、すべてのLiイオン化学は完全に密閉された細胞で動作します。 これは、サービス中のバッテリーの静的またはランダムなスポットチェックをほぼ不可能にします, 確かに非プロのユーザーのために. これらの化学品の最新の電荷、SOC測定は、その操作中に取られた動的な測定値に基づいています。

それらはアンペア時間のカウント、放電電流への電圧応答、あるいは一定の電流パルスに基づいてできる。 測定装置は通常、電気自動車や産業機械などの高価で洗練されたデバイスに組み込まれており、利用可能なランタイムを知る必要があります。 手の電動工具のようなあまり洗練されていない機器では、ツールの停止や実行速度の低下に気づいたのが、唯一の指標です。

電池の内部インピーダンスを測定して充電状態を予測する市販のインピーダンス分光計テスターが利用可能です。 これらのデバイスは、SOCを予測するために、さまざまな充電状態と様々な時代の数百の電池をテストすることに基づくアルゴリズムに依存しています。 結果は、特定のバッテリーの化学と年齢に固有のものです。 アルゴリズムをより正確にするために行われたより多くのテストは、アルゴリズムを行います。

バッテリー充電中、バッテリーを過充電できますか?

ただし、すべてのタイプのバッテリに適用されるルールがある充電状態を測定することにしました。 これらは、負の電圧を持つことさえ、逆に入って個々のセルを損傷させる可能性のあるバッテリの過放電を防ぐためです。 鉛酸の場合のように過充電はあまり明確ではありません、それは時々銀行の細胞または個々の電池を等化するためにこれを行う必要がある。 しかし、過充電過多は、バッテリ寿命を低下させるプラスプレートの水損失と腐食とガスにつながります。

ニッケルベースの電池の水損失は、再び減らされた動作寿命につながる最も一般的な問題です。 リチウム化学の場合、あらかじめ設定された電圧で電流入力を自動的に遮断するBMSが組み込まれているため、過充電することは通常不可能です。 一部の設計では、過充電を防ぐ作り付けのヒューズがあります。 しかし、これは通常、バッテリを不可逆的に動作不能にします。

バッテリー充電、過充電方法を回避しますか?

バッテリーを充電するかどうかは、使用状況と放電の程度によって異なります。 すべての化学のための一般的な規則として、バッテリーは、その動作寿命を最大化するために80%DODを下回るべきではありません。 これは、バッテリの最終的なSOCを測定ポイントから毎日の動作の終わりまで計算する必要があることを意味します。 例えば、SOCが操作の開始時に40%であり、操作の終わりまでに容量の70%を使用する場合、バッテリーは継続する前に充電する必要があります。

この決定を行うためには、残りの容量またはバッテリに残っている実行時間を決定する必要があります。 バッテリ容量は放電速度によって決定されるので、これは簡単ではありません。 放電速度が高いほど、利用可能な容量が少なくなります。 鉛蓄電池は、図8に示すように、この影響を受けやすい。

リチウムイオンとNiCdベースの電池は、放電速度が高い容量を減らしますが、鉛酸ほど顕著ではありません。 図。 図9は、NiMH電池の使用可能容量に対する3つの異なる放電率の効果を示す。 この場合、0.2C(5時間レート)、1C(1時間レート)および2C(1/2時間レート)です。

いずれの場合も、電圧プロファイルは非常に平坦ですが、電圧が突然崩壊する放電期間の終わりまで、低いレベルにとどまります。

図8 鉛蓄電池の終点電圧と容量に及ぼす放電速度の影響
図7. 鉛蓄電池の終電圧と容量に及ぼす放電速度の影響
図9 ニッケル水素電池の放電率に伴う実行時間と電圧の変動
図8。 NiMH電池の放電率を伴う実行時間と電圧の変動

バッテリー充電 - バッテリー充電と放電時間の計算

バッテリ充電と放電時間の計算
特定の充電状態のバッテリの放電時間を確立するには、特定の放電速度での電流とバッテリ容量を知っている必要があります。 動作時間は、バッテリの化学ごとに経験則を使用して大まかに計算できます。

特定の放電速度で有効容量を知ることで、次のようにランタイムを予測できます。

バッテリーの標準容量(アンプ時間) = C
放電電流(アンペア)= D
放電係数 = D/C = N
放電速度(アンペア)= NC
放電率D(アンプ時間)=CN時の容量
完全に充電されたバッテリの放電時間(時間)= CN /D
充電状態の見積もりをパーセンテージとして使用して、実行時間を計算できます。
実行時間 = 充電の % 状態 x CN /(100xD) = 時間

充電時間の計算は、バッテリの充電状態、電池タイプ、充電器の出力、充電器タイプによって異なって複雑です。 バッテリーを充電するために電池に入れる必要があるアンペア時間を決定するために、バッテリーの充電状態を知る必要があります。 これが発生する速度は、充電器の定格と充電方法によって異なります。 明らかに、リチウムイオン電池は、充電器に十分な出力がある場合、完全に平らから数時間で充電することができます。

チャージャー出力に制限のある密閉された鉛蓄電池は、電圧制限とガス化段階での電流の減少により、はるかに長い時間がかかります。 充電状態が決定されたら、バッテリに戻す必要があるアンペラ時間の数を計算できます。 充電器の特性を知ることは、使用される充電パターンを念頭に置いて充電する速度に基づいて時間計算を行うのに役立ちます。

もう1つの要因は、充電電圧と充電器によって引き出される電流に影響を与える周囲温度(気象条件)です。 温度が高いほど充電電圧が低下しますが、引き出される電流も増加します。 浮動充電のバッテリーの場合、温度で電圧補償を適用する必要があります。 マイクロテックスは、温度が標準の25°Cと大きく異なる場合に必要な調整についてアドバイスすることができます。

バッテリー充電に関する最後の言葉!

正しいバッテリーの充電とその充電の状態を知ることは簡単ではありません。 多くの場合、バッテリーはベンダーからのアドバイスやバックアップサービスなしで購入されます。 そのため、顧客満足度を第一に考える評判の良いサプライヤーから購入することが重要です。 バッテリー充電のメンテナンスや設置に関するアドバイスについては、信頼できるプロのサプライヤーに連絡するのが最善の策です。

いつものように、完璧な顧客満足度記録を持つ長年の国際的なバッテリーメーカーであるMicrotexは、常に支援しています。 彼らは、実質的にすべての産業および消費者のアプリケーションのためのバッテリーを供給し、サービスを提供するための知識と製品を持っている数少ない企業の一つです。 バッテリーの充電でバッテリーが切れた場合は、バッテリーを充電しない人に連絡してください。
すべてのバッテリー充電のために、問題はMicrotexと連絡を取ります。

We will keep you informed of the next article!

Sign up to our newsletter

3029

Read our Privacy Policy here

Scroll to Top