要約：このアプリケーションノートでは、ポータブル機器に使用されているバッテリについてより深く理解することができるように、さまざまな充電方式と最新のバッテリ技術の概要を説明します。ここでは、ニッケルカドミウム(NiCd)、ニッケルメタル水素(NiMH)、およびリチウムイオン(Li+)バッテリの化学的性質について取り上げます。また、単一セルのリチウムイオンとリチウムポリマのバッテリを保護する製品についても説明します。 はじめに バッテリは今日、かつてなく広く利用されています。バッテリは小型化と軽量化が進んでいますが、それでいて単位体積当たりのエネルギの蓄積量は多くなっています。バッテリ開発の主な原動力となっているのが、携帯電話、ラップトップ、ビデオカムコーダ、およびMP3プレーヤなどのポータブル機器の巨大な市場成長です。このアプリケーションノートでは、これらのポータブル機器に使用されているバッテリについてより深く理解することができるよう、さまざまな充電方式と最新のバッテリ技術を紹介します。 バッテリの定義 バッテリを単なるエネルギ蓄積システムと定義した場合、フライホイールや時計ばねなどの要素を含める必要があります。ただし、現代の技術について語る上では、より正確に定義すれば、バッテリとは一般的に、電気的なエネルギを生み出す、ポータブルな自己完結型の化学的システムと言えます。 再充電不能または1次電池と呼ばれる使い捨てのバッテリは、セルを永久的に変えてしまうような化学反応によって電気を生成しています。1次電池が放電されると、セル内の化学物質は永久的で不可逆的な変化を生じます。しかし、2次電池と呼ばれる再充電可能なバッテリは、アプリケーションによって放電されるだけでなく、充電器によって充電することができます。したがって、2次電池はエネルギを生み出すというよりも、むしろエネルギを蓄積しています。 充電電流や放電電流は通常、Cレートと呼ばれる定格容量の倍数で表されます(単位：アンペア)。たとえば、1アンペアアワー(1Ah)定格のバッテリのC/10放電電流は、1Ah/10 = 100mAになります。セルまたはバッテリの定格容量とは、規定の条件下で完全充電した場合に、蓄積(生成)することのできる電気量です(単位：AhまたはmAh)。つまり、バッテリの総エネルギは、容量に電圧を乗じたものであり、結果的に｢ワットアワー｣の値になります。 バッテリ性能の測定 バッテリセルの化学的性質と設計の両方によって、供給することができる電流が制限されます。性能を制限する実際的な要因がなければ、一時的ではあるかもしれませんがバッテリは無限の電流を生み出せることになります。この無限の電流を抑制するものは、主に化学物質の基本反応速度、電池の設計、および反応が行われる領域です。電池の中には本質的に高電流を生成するものがあります。たとえば、ニッケルカドミウム電池を短絡させると、金属を溶かしたり発火したりするほどの高電流が生じます。一方、わずかな電流しか生成することができないバッテリもあります。バッテリ内の化学的および機械的なすべての要素がもたらす最終的な効果は、等価内部抵抗と呼ばれる1つの数学的要素で表されます。内部抵抗を低くすることによって、高電流を実現することができます。 エネルギを永久的に蓄積するバッテリはありません。電池の化学物質が反応して、徐々に劣化し、バッテリに蓄積された電荷の低下を招くことは避けられません。バッテリ容量の重量(大きさ)に対する比率は、バッテリの蓄積密度と呼ばれます。蓄積密度が高ければ、一定の大きさまたは重量のセルに蓄えることのできるエネルギが大きくなります。 以下の表は、パーソナルコンピュータと携帯電話用の蓄電池に使用されている主な化学物質の公称電圧と蓄積密度(単位：キログラム重量当たりのワットアワー、Wh/kg)を示しています。 表1. 蓄電池に用いられる主な化学物質の蓄積密度 CELL TYPE NOMINAL VOLTAGE (V) STORAGE DENSITY (Wh/kg) Lead acid 2.1 30 Nickel cadmium (NiCd) 1.2 40 to 60 Nickel metal hydride (NiMH) 1.2 60 to 80 Circular lithium ion (Li+) 3.6 90 to 100 Prismatic lithium ion 3.6 100 to 110 Polymer lithium ion 3.6 130 to 150 表2. 蓄電池に用いられる主な化学物質の特性 Attribute Nickel Cadmium Nickel Metal Hydride Lithium Ion Energy density Low Medium High Energy storage Low Medium Medium Cycle life High High High Cost Low Medium High Safety High High Medium Environment Low Medium Medium 1次電池と2次電池が同じ目的を果たすのであれば、なぜ2次電池を常に採用しないのかと疑問に思う人がいるかもしれません。その理由は、以下に示す欠点が2次電池にあるためです： 実用化されている2次電池はすべて、自己放電によって比較的早く電荷がなくなる。 2次電池は使用する前に充電しなければならない。 バッテリの充電 新しい再充電可能バッテリまたはバッテリパック(複数のバッテリを1つのパッケージに封止)は完全充電されていない場合があります。実際、ほとんど放電された状態になっています。このため、最初にすべきことは、バッテリ製造業者の化学的性質別のガイドラインにしたがってバッテリ/パックを充電することです。 いずれの充電作業も、バッテリの化学物質によって決まる順序で電圧と電流が加わります。したがって、バッテリセルの化学的性質は、チャージャおよび充電アルゴリズムが満たさなければならない様々な要件を備えています。バッテリ充電でよく見かける用語は、NiCd電池とNiMH電池で使われる定電流(CC)、およびLi+電池とリチウムポリマ電池に適用される定電流/定電圧(CC/CV)です(図1～図6)。 図1. 準定電流充電。主にシェーバ、ディジタルコードレス電話、玩具などのアプリケーションで使用されます。 図2. タイマ制御の充電は、主にノートブック、データ端末、無線機器、セルラ電話などのアプリケーションで使用されます。 図3. ノートブック、データ端末、カムコーダ、無線機器、セルラ電話などのアプリケーションでは、DVカットオフを通じて充電が終了されます。 図4. 動力工具/電動工具などのアプリケーションでは、-dT/dtカットオフを通じて充電が終了されます。 図5. トリクル充電は、主に非常灯、誘導灯、メモリバックアップなどのアプリケーションで使用されます。 表3. 充電方式 Chemistry Charging Method Feature No. of Terminals Charge Time (hours) Charge Current (CmA) Trickle Current (CmA) Charge Level at End of Charge (%) Figure Reference Nickel Based (NiCl and NiMH) Semi-constant current charging Most typical system; simple and low cost 2 15 0,1 ---- ---- 1 Timer-controlled charging More reliable than semiconstant current system; relatively simple and low cost 2 6 to 8 0,2 1/20-1/30 Approx. 120 2 -V cut-off charging Most popular; more complex 2 1 to 2 0,5-1 1/20-1/30 Approx. 110 to 120 3 T/t cut-off charging More costly, but overcharge can be avoided enabling longer life cycle that the others 3 or 4 1 to 2 >1 1/20-1/30 Approx. 100 to 110 4 Trickle-charging Simple and low cost; applicable for continuous long charging 2 15 0,1 ---- ---- 5 Lithium Based Constant current-constant voltage (CC-CV) Not recommended for the main charge-control system for Ni-Cd /NiMH batteries. Prevailing charge method for Li+ and Li- Polymer batteries.Relatively complex charger design. 2 1 to 3 1 ---- Approx 100 6 表4. 異なるセルの化学物質についての完全充電の判定 Chemistry NiCl NiMH Li+ Charging Constant current Constant current Constant current/constant voltage Full charge detect -V/dt and/or T/dt V/dt = 0 and/or T/dt Icharge = eg 0.03C and/or time 上述のように、充電完了の判定は、化学的性質と充電手法に応じて異なります。 ニッケルカドミウム電池の充電 NiCd電池は、0.05Cから1Cを超えるまでの範囲で定電流を加えることによって充電されます。低コストの充電器の中には、絶対温度で充電を終了するものがあります。このような充電終了方式は、簡単で安価ですが正確さに欠けます。電圧降下が完全充電の状態を示したときに充電を終了するという方法がより適切な方法です。-V現象は0.5C以上のNiCd電池の充電にもっとも役立ちます。老朽化したセルや不適合のセルがデルタ電圧を引き下げる可能性があるため、-Vによる充電完了検知にバッテリ温度の測定も組み合わせることが必要になります。 温度の上昇率(dT/dt)をセンサで検知することによって、より精度の高い完全充電の検出を実現することができます。この充電検出方式は、固定温度でのカットオフよりもバッテリへの負担が少なくてすみます。T/dtと-Vカットオフを組み合わせた充電終了方式は、過充電を回避することによって、長寿命化が可能となります。 高速充電によって充電効率が向上します。1Cのときの充電効率は1.1 (91%)近くで、空状態のパックの充電時間は1時間をわずかに超える程度です。0.1Cで充電を行った場合、充電効率は1.4 (71%)に低下し、充電時間は約14時間になります。 NiCdバッテリの充電受入性はほぼ100%であることから、ほとんどすべてのエネルギが最初の70%の充電中に吸収され、バッテリの温度は低いまま保たれます。超高速充電器は、この現象を用いて数分以内にバッテリの70%レベルまで充電します(Cレートの数倍に等しい電流が加わりますが、熱を発生することはありません)。充電容量の70%を超えると、バッテリが完全に充電されるまで低レートで充電が継続されます。最終的に0.02C～0.1Cの範囲のトリクル充電を行うことでバッテリを完全充電します。 ニッケルメタル水素電池の充電 NiCd充電器によく似ていますが、NiMH充電器はT/dt方式を採用しています。NiMH電池の充電には、この方式が何にもまして適しています。NiMHバッテリでは充電完了の電圧降下は比較的小さく、充電レートが低い場合(0.5C未満。温度に依存)、電圧降下がまったくない場合もあります。 新しいNiMHバッテリは充電サイクルの初期の段階で誤ってピーク状態を示すことがあり、チャージャが早々に動作を停止する原因となります。さらに、-V検出だけで充電完了が行われると、ほぼ確実に過充電を引き起こし、バッテリが故障するまでの充放電サイクルの回数が制限されてしまいます。 NiMHバッテリを充電する場合、｢新しいまたは古い｣、｢熱いまたは冷たい｣、｢完全放電または部分放電｣など、あらゆる条件下で機能するような-dV/dtアルゴリズムはないと思われます。このため、dT/dt方式を用いて充電完了を行うのでない限り、NiCadチャージャでNiMHバッテリを充電しないで下さい。さらに、NiMH電池は過充電を十分吸収しないため、トリクル充電はNiCd電池で推奨されている値より低くなければなりません(約0.05C)。 NiMHバッテリを低速に充電することは不可能ではないにせよ極めて困難です。0.1C～0.3CのCレートに関連する電圧と温度の特性は、精度が不十分であり、完全充電の状態を明確に示さないからです。このため、低速チャージャはタイマを利用して、いつ充電サイクルが終了するかを示す必要があります。つまり、NiMHバッテリを完全に充電するには、約1C (または、バッテリ製造業者が定めるレート)の急速充電を利用し、その一方で電圧(V = 0)と温度(dT/dt)を監視して充電の終了を判別する必要があるということです。 リチウムイオン電池とリチウムポリマ電池の充電 ニッケルベースのバッテリ用の充電器が電流制限デバイスであるのに対して、Li+バッテリ用の充電器は電圧と電流の両方を制限します。初期のLi+電池は、4.10V/セルの充電電圧の制限を要求していました。電圧が高くなるということは、それだけ容量が大きくなるということであり、4.2Vもの高いセル電圧は化学的添加剤を追加することによって達成されています。最新のLi+電池は一般に、±0.05V/セルの許容誤差で4.2Vに充電されています。 終了電圧が電圧のスレッショルドに達し、充電電流が0.03C (Ichargeの約3%)未満に降下すると、完全充電状態になります(図6)。一部のリニア充電器は1時間程度でLi+バッテリを充電すると言われていますが、ほとんどの充電器は、完全充電を完了するのに約3時間を要します。これらの充電器は通常、バッテリの終了電圧が4.2Vに達したときに充電を終了します。ただし、この方法で充電状態を判別した場合、バッテリの容量の70%までしか充電されません。 図6. セルラ電話、無線機器、ノートブック型パソコンなどのアプリケーションに使用される定電流で定電圧の充電 充電電流を大きくしても、それほど充電時間は短縮されません。電流を大きくすると電圧のピークに達するのは早くなりますが、補充充電に要する時間が長くなります。通例、補充充電は開始充電の2倍の時間を要します。 リチウムイオンの安全性 Li+電池を過充電または過放電すると、爆発して人体に損傷を与える可能性があるため、このタイプの蓄電池を取り扱うときは安全性に配慮することが重要になります。このため、市販のLi+バッテリパックには、DS2720 (図7)のような保護回路が搭載されています。DS2720は、再充電可能Li+バッテリを含んだアプリケーションに要求される、電子安全機能のすべてを備えています。これには、充電中のバッテリの保護、過度の電流の流れに対する回路の保護、セルの消耗レベルの制限によるバッテリ寿命の最大化などがあります。 図7. DS2720リチウム電池保護ICのための標準的なアプリケーション図 DS2720は、低コストのnチャネル型パワーMOSFETなどの外付けスイッチングデバイスを使用して充放電電流の経路を制御します。回路内の9Vのチャージポンプが外付けnチャネルMOSFETをハイサイド駆動し、一般的なローサイド保護回路で動作する同じFETよりも低いオン抵抗を生み出します。FETのオン抵抗は、実際にバッテリが放電するにつれて低下します(図8)。 図8. ハイサイドモードのDS2720によって制御される保護FETのオン抵抗は、従来のローサイドモードで動作するFETより低くなります。DS2720によって制御されるFETのオン抵抗は、バッテリ電圧とともに降下します。 DS2720の安定化されたハイサイドn-FET駆動によって、放電の終了時でさえもスイッチ抵抗が低くなり、結果として、ポータブル機器の実行時間が長くなります。 セルの過電圧、低電圧、過電流、および過熱状態を監視 安定化チャージポンプによってハイサイドnチャネルMOSFETをサポート マルチバッテリセレクタを内蔵 8バイトのロック可能なユーザEEPROM 一意の64ビット電子シリアル番号 低電力：15µA (アクティブ時)、1µA (スタンバイ時) 超小型8ピンMSPOパッケージ 1-Wire®データ通信インタフェース DS2720では、データインタフェースまたは専用入力から外付けFETを制御することができます。このFET制御によって、余分なパワースイッチ制御をなくすことができます(FET制御がなければ、再充電可能Li+バッテリシステムで余分な制御が必要となります)。DS2720によって、ホストシステムは、1-Wireインタフェースを介して、ステータスレジスタと制御レジスタ、計測レジスタ、汎用データストレージへの読み出し/書き込みアクセスが可能になります。工場出荷時にプログラム設定された64ビットの有効アドレスによって、ホストシステムは各デバイスを個別にアドレス指定することができます(図9)。 図9. DS2720によるLi+保護を示す波形の例 DS2720は、バッテリ情報の記憶領域として、EEPROMとロック可能なEEPROMの2種類のユーザメモリを備えています。EEPROMは真の不揮発性(NV)メモリであり、ここに保存されるデータ(重要なバッテリデータ)は、深刻なバッテリ切れや突発的な短絡、あるいはESD (静電放電)が発生しても影響を受けることはありません。ロック可能なEEPROMはロックされると読み出し専用メモリ(ROM)となり、バッテリの固定データの安全性がさらに強化されます。 保護モード 過電圧 検出されるセルの電圧(VDD)が、過電圧遅延(tOVD)よりも長い期間、過電圧スレッショルド(VOV)を超えた場合、DS2720は外付けの充電FETをオフにし、OVフラグを保護レジスタにセットします。過電圧状態の間、放電経路は開いたままになります。別の保護状態によって阻止されることがない限り、セル電圧が充電イネーブルスレッショルド(VCE)を下回ったとき、あるいは放電によってVDD - VPLS > VOCとなったときに、充電FETが再度イネーブルになります。 低電圧 検出されるセルの電圧(VDD)が、低電圧遅延(tUVD)より長い期間、低電圧スレッショルド(VUV)を下回った場合、DS2720は、充電FETと放電FETをオフにし、UVフラグを保護レジスタにセットして、スリープモードに移行します。セル電圧が上昇してVUVを超え、チャージャが存在すれば、DS2720は充電FETと放電FETをオンにします。 短絡 検出されるセルの電圧(VDD)が、tSCDの間、消耗スレッショルド(VSC)を下回った場合、DS2720は充電FETと放電FETをオフにし、DOCフラグを保護レジスタにセットします。充電FETと放電FETを通る電流経路は、PLSの電圧が上昇してVDD - VOCを超えたときに再確立されます。DS2720は、VDDがVSCを上回ったとき、内部抵抗RTSTにテスト電流を供給し(VDDからPLS)、PLSをプルアップします。このテスト電流によって、DS2720は不正なローインピーダンス負荷の除去を検出することが可能で、さらにRTSTを通る回復充電経路(PLSからVDD)がイネーブルになります。 過電流 保護FETの両端の電圧(VDD - VPLS)が、tOCDよりも長い期間、VOCを超えた場合、DS2720は外付けの充電FETと放電FETをオフにし、DOCフラグを保護レジスタにセットします。電流経路は、PLSの電圧が上昇してVDD - VOCを超えたときに再確立されます。DS2720は、内部抵抗RTST にテスト電流を供給し(VDDからPLS)、不正なローインピーダンス負荷の除去を検出します。 過熱 DS2720の温度がTMAXを超えた場合、デバイスは直ちに外付けの充電FETと放電FETをオフにします。これらのFETは、2つの条件が満たされたとき、すなわちセルの温度がTMAXを下回り、かつホストがOTビットをリセットしたときにオンに戻ります。 高温および低温での充電 可能な限り室温で充電することをお勧めします。ニッケルベースのバッテリは10℃～30℃ (50°Fから86°F)の場合にのみ高速充電するようにしてください。5℃ (41°F)未満および45℃ (113°F)を超えた場合、ニッケルベースのバッテリの充電受入性は著しく低下します。Li+バッテリは、温度範囲全体にわたって比較的良好な充電性能を発揮しますが、5℃ (41°F)を下回ると、充電レートを1℃より低くする必要があります。 まとめ NiMH充電器はNiCdバッテリに対応することができますが、逆にNiCd充電器はNiMHバッテリに対応することはできません。NiCdバッテリ専用の充電器はNiMHバッテリを過充電してしまいます。ニッケルベースバッテリのサイクル寿命と性能は高速充電によって向上します。高速充電することによって、内部結晶が形成されることによって生じるメモリ効果が軽減されるためです。ニッケルおよびリチウムベースのバッテリはそれぞれ別の充電アルゴリズムを必要とします。Li+バッテリには過電流、短絡、過電圧と低電圧、および過熱に対する監視と保護を行うための保護回路が必要です。バッテリを定期的に使用しない場合は、必ず充電器からバッテリを取り外し、使用前に補充充電するようにしてください。 フィードバックをお寄せください。 内容に満足されましたか、あるいは満足されていませんか？もっと良いページにできると思いますか？あるいは、単なるコメントでも結構です。フィードバックをお待ちしています。—マキシムはお客様からいただく訂正、提案を元に改善していきます。 このページを評価し、フィードバックを送信する。 自動アップデート お客様が関心のある分野でアプリケーションノートが新規に掲載された際に自動通知Eメールの受信を希望する場合は、EE-Mail™にご登録ください。   ダウンロード、PDFフォーマット (117kB)  AN3501, AN 3501, APP3501, Appnote3501, Appnote 3501