様々な電気設備に電量を提供する為、同種類のバッテリーセルを、直列と並列を複数組み合わせパックします。それは電池パックです。本記事はその電池パックの構造を紹介します。
バッテリーパックとは
バッテリーパックはバッテリーの入れ替えで取り扱いしやすいように丈夫な筐体でバッテリーをまとめたもので、電池パックとも言われ複数のセルで構成されています。つまり、同種類のバッテリーセルを、直列と並列を複数組み合わせパックしたものが電池パックとなります。
使い捨てる電池パックと充電ができる電池パックがありますが、一般に電池パックは二次電池で構成されます。そして、電動自転車バッテリーやカメラバッテリーなどとして設備に使われ日常で最も見かけるバッテリーパックはリチウムイオン電池パックです。
リチウムイオン電池パックの構造は？どのように作られるのか？
リチウムイオン電池パックは電池を使用する機器の動作電圧、連続・瞬間ピーク電流の動作電流、充電、設置環境、電池寿命等の条件に合わせて設計されます。急速充電や大電流放電を要する場合は電池パックは不可欠です。発熱対策や屋外使用など防塵防水構造に対する要求がある際にもリチウムイオン電池パックが欠かせないです。
一般的で原始的なリチウムイオン電池パックの構造は、リチウムイオン電池セル、各バッテリーセルの間に壁を挟むセパレータ、電池を保護できるBMS、バッテリーケースを含みます。
リチウムイオン電池パックを作りたい場合、溶接またはスポット溶接の方法がでリチウムイオン電池セルを組み立てることができます。また、電池を保護するため、BMSと接続します。
バッテリーシステム構造は単電池セル→パック→電池モジュールによりシステム化します。同じ電池セルの生産ロットのセルの回路電圧や内部抵抗を測定して、差異小さいの電池セルをマッチングさせ溶接して組み立てます。
リチウムイオン電池パックは他の電池パックより優れる？
保護回路
電池パックはエネルギー容量が大きく、過充放電により電極が発熱し発火や破裂する危険性がありますが、安全確保のためリチウムイオン電池パックは保護回路が組み込まれた電池パックです。
一般リチウムイオン電池の動作温度の上限は60℃で、その温度を超えると残量計ICの安全回路が働いて電源がOFFとなり、温度が動作範囲内まで下がると再びONとなり機能は復旧しますが、リチウムイオン電池パックはその心配がない優れた電池パックです。
高エネルギー
リチウムイオン電池パックは96％以上のエネルギー効率があります。充電速度が速くて、過酷な条件でも爆発の危険がありません。
防塵防水
今、この電池パックを船舶用バッテリーに使用する釣り師が増えています。鉛バッテリーパックは密閉されないので防塵の機能がありません。リチウムバッテリーパックは完璧な構造があり、密閉された防水ケースに封入されるので防塵防水の機能があります。
軽量
同じ容量で、リチウムイオン電池パックは鉛蓄電池のほぼ3分の1の重量です。鉛蓄電池より軽くても、鉛蓄電池より提供できるエネルギー密度が高いです。だから、リチウムイオン電池を鉛蓄電池に取って代わる方式は、草刈り機バッテリーゴルフカート用などの電源として設備に使用されます。
メモリー効果がない
メモリー効果があるニカド電池やニッケル水素電池の場合は完全的放電しない状態で充電を繰り返すと放電容量が下がりますが、リチウムイオン電池にパックはそのようなメモリー効果はなく、いつでも充電して使用可能です。
種類が多い
12V、24V、48Vなど異なる電圧のリチウムイオン電池パックは多くの種類があります。電池パックは機器との互換性が広いです。設備に適するバッテリーパックを選択すればいいです。異なる機能を持つ設備は同様のバッテリーパックを使用しません。
サイクル回数
さらに鉛蓄電池と比べてリチウムイオン電池パックの充電できる回数が多いというメリットがあります。鉛蓄電池のサイクル回数は約300～500で、一日三回サイクルすると、最大の使用寿命は半年です。同じ条件においで、リチウムイオン電池は約3.5年使用できます。
環境にやさしい
リチウムイオン電池がリサイクルが可能です。リチウムイオン電池廃棄したら、電池にある金属を抽出して、再び利用できます。鉛蓄電池もリサイクルできますけど、鉛蓄電池に環境に影響を与える重金属が含まれています。
コスパが高い
鉛蓄電池にも利点があります。実際、車に使われているバッテリーが鉛蓄電池であるように日常でも鉛蓄電池は使われています。それはリチウムイオン電池パックよりも安価である点です。しかし、リチウムイオン電池は定期的なメンテンスがなく、使用寿命が長いです。長時間から見ると、リチウム電池のコスパが高いです。
リチウムイオン電池パックの特徴
高電圧
リチウムイオン電池パックの特徴として他の電池よりも高電圧である点がまず挙げられます。乾電池の電圧は1.5v、ニッケル水素電池は1.2vです。リチウムイオン電池であれば、3.2v、3.6v、3.65v、3.7vバッテリーがあります。一般的に使用されている電池の中で、リチウムイオン電池の標準電圧が最も高いです。
高いエネルギー密度かつ軽量
鉛蓄電池のエネルギー密度は60-70で、リチウム電池は320です。同じ重量で、リチウム電池の容量が鉛蓄電池より高いです。同じ容量で、鉛バッテリーはリチウム電池ほど軽くはありません。なぜならリチウム電池は高エネルギーがあるからです。高効率であると言えます。このおかげで携帯電話やパソコンの小型化が可能になっています。
安全性が高い
一方で、エネルギー密度が高いため過充電や過剰放電によって発火や爆発の可能性があるという問題があります。そこで電池を安全に管理するシステムを用意する必要があります。リチウムイオン電池はBMS（バッテリーマネジメントシステム）をつけます。BMSは電池の過充電や過放電や温度の管理だけでなく電池残量を算出する機能を持っていて電気機器の動作の安全を確保しています。
非メモリー効果
さらに他の電池と異なり、非メモリー効果というものも備えています。メモリー効果とは短期間に充電と放電を繰り返した際に放電容量が減少することです。リチウムイオン電池にはこれがないため充電を繰り返しても劣化しにくいという特徴があります。
リチウムイオン電池パックはエネルギーが高く、同じ容量の電池より軽量でサイクル回数も多く優れ、メモリー効果がなく自己放電率も少ないバッテリーパックです。BMSと言われる安全制御システムも装備されています。bmsとはセルの過充放電・過電流防止機能、セルの温度管理機能、電池残量（SOC）算出機能、セル電圧均等化機能が持ちします。
バッテリーパックの用途
•デジタルカメラ
•電動工具
•草刈り機
•電動自転車
•電動バイク
•フォークリフト
•太陽光発電システム
バッテリーパックの用途としては上記の機器に使用されています。日常のさまざまな場面でバッテリーパックが使われているのを見かけることができます。例えばカメラや電気自動車には上記のリチウムイオン電池が使われています。それ以外にもビルや工場の非常用電源にもバッテリーパックが使用されていて、持ち運びの用途以外にも非常時の備えとして使われています。
電池パックの保管方法は？
電池は高いエネルギーを持っているため安全に保管しなければ電池の劣化や発火や爆発といった事故につながる可能性があるので、正しい保管方法を執らなければいけません。
▶単体の電池パックを保管する場合は端子部がショートしないようにケースに入れて、湿度が低くて乾燥する常温化の場所で保管します。
▶バッテリーパックの電量が40～60％での状態で保管することを薦めます。
▶電池パックは使用しなくても長期保管しておくと月に3.5%程、徐々に放電していきますので、三ヶ月ごとに充電すればいいです。
まとめ
電池は適材適所で種々の電池が使われているが、高効率であるリチウムイオン電池の台頭によってさまざまな製品でこれが使われています。リチウムイオン電池パックはエネルギーが高く、小型化することができ軽量で、4000回のサイクル回数があり、使用寿命が長いです。もしバッテリーパックを購入したいと、自分の設備を専門のリチウム電池メーカーに教えて、最適な電池パックを購入しましょう。
