EFBバッテリー
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EFBバッテリーとは何ですか? EFBバッテリーの意味

内燃機関(ICE)を搭載した自動車のCO2排出量を削減するために、スタート・ストップ技術と呼ばれる技術を採用するメーカーが増えています。 簡単に言えば、エンジンのマネジメントシステムに組み込まれた技術で、停車中に自動的にモーターを停止させるものです。 アクセルを踏んで前進したいときには、再びエンジンがかかります。 基本的な考え方は、走行中の信号や交差点での停車時など、エンジンが無駄に燃料を消費する時間を減らすことです。

これは、目的地までの道のりが頻繁に中断される都市や街のような場合に効果的です。 残念ながら、この結果、車両のSLI(始動、照明、点火)バッテリーに影響が出てしまいました。 事実、この車の生産開始から数年間は、新品のSLIバッテリーが数ヶ月で故障するという前代未聞の保証クレームが発生しました。

故障の原因はいくつかあり、過放電、硫酸化、PCL(premature capacity loss)などのPSoC関連の問題がありました。 基本的な問題は、停車時間の間にオルタネーターから十分な充電ができないことでした。 簡単に言うと、車が止まるとエンジンが停止し、オルタネーターからのバッテリーへの充電も停止します。

しかし、ラジオ、エンジンマネジメント、ライト、エアコン、さらにはフロントガラスのヒーターなど、まだ作動しているさまざまな機器がバッテリーに負荷をかけ続けています。 停車中は、これらの機器を動かすためにバッテリーから取り出されるエネルギーが、エンジン稼働中にオルタネーターで補充されるエネルギーよりも多くなります。 このような状態では、バッテリーは徐々に消耗していき、寿命のほとんどをSGの低い電解液で充電した状態で過ごすことになります。

EFBバッテリーチャージャー

テストプログラムは、まず10秒間の休息時間があり、その後、オルタネーターからの充電で走行をシミュレートします。 充電期間は、バッテリーの容量に応じて算出されます(図2)。 走行終了時には車が停止し、50アンペアの電流が流れます。 これは病院の負荷、または暖房、AC、照明、ラジオなどの必須の電気負荷と表現されます。 これらは、車が止まっている間に作動する可能性のある代表的な装置です。

EFBバッテリーとは
図1. テストの基本原理を模式的に示します。

これはバッテリーや自動車業界にとって大きな問題で、2015年には欧州規格50342 -6に新たな標準試験が追加されました。 は、スターターバッテリーを使ったマイクロハイブリッドの耐久テストでした。 テストの基本原理を図1に模式的に示します。 ここでは、バッテリーの放電と充電の期間が、街や都市のような混雑した場所での自動車の走行をシミュレーションしていることがわかります。

Fig 2. 充電期間は、EFBのバッテリー容量に応じて算出されます。
Fig 2. 充電期間は、EFBのバッテリー容量に応じて算出されます。

次の段階では、エンジン始動時にEFBバッテリーにかかる電流をシミュレートするため、300アンペアで数秒間の放電を行います。 このようなサイクルが連続的に繰り返されます。 絶対的なテスト手順は省きますが、このテストは都市部での走行をシミュレートしていることがわかります。 このサイクル数が8,000回以上であることが、バッテリーに求められています。 Fig. 3 は暫定規格 pr50342-6 の抜粋で、現在は承認された規格に変更されています。

What is an EFB Battery Fig 3

Fig. 3 は暫定規格 pr50342-6 の抜粋で、現在は承認された規格に変更されています。

EFBバッテリーは、水冷式バッテリーとどう違うのですか?

このテストの主な目的は、停車中の頻繁な放電と停車間の走行中の不十分な充電により、バッテリーの充電状態(SoC)が徐々に低下していくことが、SLIのバッテリーに与える影響を明らかにすることです。 一般的に、バッテリーのランダウンは壊滅的な結果をもたらし、プレートのサルフェーション、活物質の劣化などのPSoC効果、グリッドの腐食やペーストシェディングを引き起こす電解液の成層化などにより、数ヶ月以内に故障が発生する可能性があります。

これはシミュレーションであることを強調しなければなりません。 しかし、短時間でエネルギーを吸収し、除去されたエネルギーを補充するEFBバッテリーの必要性が浮き彫りになりました。 EFBバッテリーで使用したエネルギーをスタートストップ車で補充できるかどうかは、絶対的には外的要因に左右されることは明らかです。 例えば、どの国に住んでいるのか、車を運転するのは都会か田舎か、真冬のモスクワで暖房やライトをフルに使っているのか、春のフランスで照明も暖房もエアコンも作動していないのか、などです。

基本的な問題は、EFB電池でスタート・ストップする車両で、少なくとも取り出したエネルギーを補うだけの充電を、時間内にどのようにしてEFB電池に行うかということです。

車のオルタネーターとエンジンマネージメントシステムは動作が固定されているので、EFBバッテリーだけが改造の対象となります。 では、先に挙げた低SG、PSoC動作、成層化、PCLによる被害を防ぐためには、EFB電池のどのような特性を調整すればよいのでしょうか。 この時点で、現在の吸収力に影響を与えるバッテリーの特性と、その影響を受ける傾向を列挙することができます。
これらは

  • 内部抵抗
  • 電池容量
  • アクティブな素材
  • 電解液の移動性
  • グリッド合金組成

バッテリーの性能を向上させるためには、上記の各項目を検証し、適切な改善を行うことができます。

まず、内部抵抗ですが、これが大きいほど、オルタネーターから一定の電圧を充電したときに流れる電流が小さくなります I = V/R。 電流を小さくすると、エンジンがかかっている間にEFBバッテリーに戻るアンペア数が少なくなります。 最初のスタート・ストップ自動車では、EFBバッテリーの充電量は、短い旅行の大半で確実に不足していました。 その結果、バッテリーの初期不良が発生し、保証期間中の返品率が高くなってしまいました。 内部抵抗は、バッテリーの設計、使用されている材料、製造プロセスの機能です。

デザイン面では、グリッドの形状が適切であれば、集電経路を最小限に抑えることができます。 プレートの総面積も重要なポイントで、面積が大きいほど電池の抵抗は小さくなります。 一般的には、より多くの、より薄いプレートが、導電面積を最大化します。 セル間溶接、ラグストラップ接合、テイクオフ/ターミナル接合などのすべての金属接合部の断面積と品質は、すべてEFBバッテリーの総内部抵抗に寄与します。 部品の金属抵抗率が最も低くなるように、溶断・溶接部分の断面積を最大にすること。

EFBの電池寿命。 EFBバッテリーの特性を向上させるには?

  • 鉛蓄電池の製造には、ペーストの混合や硬化など、厳しい工程管理が必要なものがあります。 温度制御は、事前に形成された活性物質(AM)に最適な結晶構造を作り出すために非常に重要です。 処理温度が高くなると、サイズの大きな四塩基性硫酸塩が生成され、その表面積が小さくなるため、AMの電荷受容特性が低下し、EFBバッテリーのスタート-ストップ運転時の効果が低下します。
  • EFBのバッテリー容量も、電流吸収率を決定する重要な要素です。 容量が大きいほど、特定の充電状態での消費電流は大きくなります。 この容量は、前述のプレート内の活物質の面積に関係します。 容量を大きくすると、一定の電圧で充電したときに、低容量のバッテリーよりも高い消費電流で低いIRが得られます。
  • この場合も、エンジン稼働時にEFBのバッテリーに戻せる容量が増えることになります。 また、周期的な動作中に深く放電しないため、寿命まで高い充電状態(SOC)を維持できるという利点もあります。 SOCが高いと、バッテリーの電解液の成層化やそれに伴う腐食ダメージが起こりにくくなるというメリットがあります。

  • また、活物質の効率も電池の故障に関係する要因の一つです。 電荷受容性の向上は、負極活物質(NAM)に添加物(主に炭素)をいくつかの形態で添加することで可能です。 カーボンの役割については様々な憶測が飛び交い、多くの添加剤メーカーが独自の製品を持っています。 カーボンナノチューブからフレーク状のグラファイトまで、さまざまな種類があり、いずれも活物質が電荷を受け取る効率を向上させる特性を持っています。

これも、スタート・ストップ用途のバッテリーにはプラスの効果です。 EFB浸水型電池やAGM電池では、NAMの炭素含有量が増加しています。 高容量の浸水式バッテリーを使用することで、通常運転時の放電深度を減らして成層化を防ぐことができます。 これにより、EFBバッテリーは充放電サイクル中に濃厚な酸と低いSGの酸が分離してダメージを受けることが少なくなります。

  • 電解液の移動性とは、EFB電池の中で電解液が移動する能力のことです。 浸水型は移動性が高く、AGM型やGEL型の鉛蓄電池は移動性がほとんどありません。 このような場合、電解質は固定化されていると言われます。 ガスの再結合による水の損失が少ないという利点はさておき、深い放電サイクルによる電解質の成層化を最小限に抑える、あるいは防ぐという利点があります。
  • EFB電池の内部抵抗(IR)には、材料、特にグリッドを製造するための鉛合金が大きく影響します。 鉛アンチモンの代わりに鉛カルシウムを使用すると、主に二次合金元素の量が非常に少なくなるため、抵抗率が低くなります。 合金の組み合わせに応じて鋳造方法や加工管理を変える必要があるため、適切な合金の選択には細心の注意を払う必要があります。
  • グリッド処理を誤ると、グリッド合金に含まれる成分の一部が析出したり、溶融状態で酸化したりして除去されてしまいます。 これらの損失は、グリッドの腐食やクリープ耐性に深刻な影響を与え、深刻なグリッドの成長や、EFBバッテリーの早期故障の一因となる貫通型腐食を引き起こす可能性があります。

  • これまで、スタート・ストップに最適なEFB用バッテリーを作るために、多くの要件が挙げられてきました。 当初、自動車メーカーの対応としては、グリッド合金を使用しているため一般的にIRが低く、過放電を防ぐために若干のオーバーサイズとなるAGM設計のEFBバッテリーが採用されていました。 また、電解質が不動であるため、層別の発生率が下がると考えられた。 しかし、OEMメーカーにとっては、この用途に適したバッテリーを見つけるためには、コストの削減も大きな要素でした。 現在、最も好まれている、そしておそらく最も効果的なソリューションは、EFBバッテリー(Enhanced Flooded Battery)です。

では、EFBとはどのようなものなのでしょうか。

これまでのブログでは、SLI鉛蓄電池のマイクロハイブリッド環境の問題点を紹介してきました。 故障の原因は、ほとんどの場合、EFBのバッテリーが、自動車のエンジン停止時に失われるエネルギーを補うために、迅速な充電ができないことにあります。 また、スタートストップ車のSLIバッテリーの寿命を縮める原因となる電解液の成層化の原因にもなっています。 EFBソリューションは、充電受入性を大幅に向上させるためにEFBバッテリーが必要とする特性のほとんどを備えています。 SLI EFBバッテリーの動作時の充電許容量は、しばしばダイナミックチャージアクセプタンス(DCA)と呼ばれます。

EFBの特徴を簡単にまとめてみました。

  • グリッド設計の改善と低抵抗合金(Pb/Sn/Caの三元系)の使用による低内部抵抗。
  • プレートの面積を増やすことで内部抵抗を下げる(プレートを薄くする)。
  • 高容量化(EFBバッテリーの大型化)により、定電圧充電時の電流値を大きくし、放電深度を制限することで、電解液の成層化を防ぎ、サイクル寿命を向上させることができます。
  • 電池の充電受入性を向上させるための活物質(一般的には炭素系添加剤)の強化。

これらの対策により、一般的な電池よりも高容量(一般的には大容量)で、鉛合金グリッドの改良、プレート面積の拡大、炭素を強化した活物質の採用などを行ったEFB型水没電池を開発しました。 現在、スタート・ストップ車両のSLIバッテリーは、この設計が主流となっています。 これは主に、AGMバージョンよりも安価であることから支持されています。 また、AGMタイプは、同サイズの浸水タイプに比べて容量が15%程度低くなる傾向があります。 これは、運用時のDoDが高いことを意味し、結果としてサイクルライフが短くなります。 意外かもしれませんが、AGMの設計でもDoD on cyclingが80%程度であれば、電解質の成層化が起こります。

スタートストップ車のバッテリーが故障した場合(絶対に)、どのタイプのバッテリーを購入すればよいかを理解しておくことは非常に重要です。 ご不明な点がございましたら、経験と知識が豊富なマイクロテックス社にお問い合わせください。 実際、お客様がバッテリーに関する問題を抱えていて、サポートや指導を必要としている場合、Microtex社はほとんどの場合、バッテリーに関するアドバイスや製品を提供してくれます。

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