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 VAPE用のリチウムバッテリーについて ~その2~

VAPE/電子タバコに必要不可欠なリチウムバッテリーについての忘備録的なまとめ~その2~です。

事実の誤認や不正確な記述があるかもしれません。

間違いに気付いたらその都度訂正を入れるつもりですので、この記事を100%で信頼しないと言うスタンスでお読みください。

 VAPE用のリチウムバッテリーについて ~その1~ はこちら


リチウムバッテリーの直列/並列接続

リチウム系に限らず、バッテリーを直列で繋げば電圧がバッテリーの本数倍、並列は電圧はそのままで容量が本数倍になります。

複数本のバッテリーを使うのはバッテリーの性能限界を高めるもっとも簡単な方法なのですが、デメリットや注意しなければならない点も結構あります。

複数本のバッテリーを直列/並列で使う場合の前提条件として、
《同時期に買った同じメーカー同じ型番(電圧/容量)のバッテリーを使う事》
と言われてますが、その理由はバッテリーの内部抵抗にあります。

Battery_reg

バッテリーの直列/並列接続のデメリットで共通するのもバッテリーの内部抵抗です。

このバッテリーの内部抵抗はメーカーやバッテリーの型番によってそれぞれ異なり、電圧の低下によっても変動します。
また、バッテリーの劣化が進むにつれ内部抵抗の値は新品の時より高くなってきます。

バッテリーの並列接続のメリット

バッテリー2本並列で接続すると容量が倍になると共に放電可能な電流量も倍になります。
2本のバッテリーで負荷を分担できるので、放電電流値が低い非力なバッテリーでもかなりの低抵抗でビルドすることが可能になります。

連続放電電流10A容量3000mAhの場合
バッテリー1本単独 3000mAh×1=3000mAh、3.7V÷10A=0.37Ω。
バッテリー2本並列 3000mAh×2=6000mAh、3.7V÷(10A×2)=0.185Ω。

また負担が2本のバッテリーに分散されるので、負荷がかかった時の電圧降下も単独で使用した時に比べて抑えられます。

バッテリーの並列接続のデメリット

Parallel バッテリーの並列接続で最大のデメリットは《電力の共喰い》です。

並列接続のメカMODの配線を見るとパフボタン(ファイヤースイッチ)がOFFの状態でもバッテリー同しは接続されたままです。

バッテリーには固有の内部抵抗が存在しますので、片方のバッテリーから見るともう一方のバッテリーの内部抵抗に電力を供給し続けているのと同じで、そのまま放って置くとそれぞれのバッテリーが相方のバッテリーに対して電力を供給し続ける状態がバッテリーが電池としての機能を失うまで続きます

またこの内部抵抗はバッテリーがヘタってくるほどに高くなりますので、2本のバッテリーの内部抵抗のバランスが崩れると、内部抵抗が相方より高くなったバッテリーに2本分の電力が集中してしまうため発熱が始まります。

発熱したバッテリーは更に内部抵抗が高くなるため、より高温になって危険な状態になることがあります。

ですのでバッテリーを並列につなぐメカMODでは、使用しない時は絶対にバッテリーを抜いておく必要があります。

テクニカルMODでは並列接続でバッテリーを使用する機種はありません。(多分)

バッテリーの直列接続のメリット

バッテリー2本直列のメカMODで使う場合、バッテリー1本の時と抵抗値が同じなら電力が2倍になり、それに伴って電流も2倍流れますので、出力電力はおおよそ4倍になります。

抵抗値0.3オームの場合
バッテリー1本単独 3.7V÷0.3Ω=12.3A。3.7V×12.3A=45.5W。
バッテリー2本直列 (3.7V×2)÷0.3Ω=24.7A。7.4V×24.7A=182.8W

2本直列のテクニカルMODで使う場合は、同じ出力でもバッテリーの負担が減ります。

50Wで使用した場合
バッテリー1本単独 50W÷3.7V=13.5A
バッテリー2本直列 50W÷(3.7V×2)=6.8A

出力を可変できるテクニカルMODでは、バッテリーの負担が減りますので高出力・低抵抗でも比較的安全な運用が可能になるというメリットが一番大きいかなと思います。

バッテリーの直列接続のデメリット

Stack 直列接続でのデメリットも並列接続と同じで、バッテリーの内部抵抗に由来します。

複数本のバッテリーを使うMODには 《同時期に買った同じメーカー同じ型番(電圧/容量)のバッテリーを使う事》 と言われるのは、このバッテリーの内部抵抗ができるだけそろっていないとバッテリーの性能を生かしきれなかったり、またバッテリーが危険な状態になったり、劣化を早めたりするためです。

ただ実際には全く同じ内部抵抗のバッテリーは同じロットの同じ製品でも殆ど存在しないので、バッテリー単独で使う場合に比べて寿命が短くなりがちだったりします。


リチウムバッテリーの充電

その1の「リチウムバッテリーの電圧」でも触れましたが、あまり低電圧になるまで使うとバッテリーの寿命が縮まりますので、バッテリーの残容量が大体40%くらいになったら充電するようにしましょう。

数か月単位で使用せず保管する場合は、4.2Vのフル充電状態で保管するより、電圧変化の少ない3.7Vあたり、電池容量で言うと80%くらいで保管する方がバッテリーの劣化を抑えることができます。

バッテリーの最適な充電電流値

バッテリーの充電(放電)に関して使われるのが`C(Capacity)レート'と言う単位ですが、これはバッテリーの公称容量に対する充電(放電)の比(充電(放電)÷バッテリー容量)を示しています。

バッテリーの充電では1Cは急速充電で1Cを超える充電電流は発火事故の元になりますので避けましょう

バッテリーに余計な負担をかけないのは0.3C充電と言われていますが、何故0.3C充電が最適なのかの科学的根拠までは知りません・・・
ご存知の方がいらっしゃいましたら是非教えてくださいませ。(^^;)

0.3Cで充電するといっても、充電電流とバッテリー容量の組み合わせで変わってきますので、一般的な充電器の充電電流とVAPEでよく使われるバッテリー容量の組み合わせで表を作ってみました。

容量・充電電流 0.5A充電 1A充電 2A充電
2000mAh 0.25C 0.5C 1C
2500mAh 0.2C 0.4C 0.8C
3000mAh 0.17C 0.3C 0.7C

0.5Aが一番バッテリーにやさしい充電電流になりますね。
1A充電でも問題は無い程度ですので、私は基本的には2000mAh以上なら1A充電、1000mAh程度のバッテリーは4~500mAで充電しています。

注意しなければならないのは劣化したバッテリーの充電です。

バッテリーは劣化してくると容量がどんどん減っていきます。
ヘタったなと実感する頃には2~3割程度容量が減っている場合がありますので、新品の時には問題なかった充電電流でも劣化したバッテリーにとっては1C充電を超えている可能性もありますので、安全マージンをとって0.5Cを超える充電電流では充電しない方が良いと思います。

それらを考慮すると2Aでの充電が可能でも、あまり安全マージンがないので2A充電はおススメはできません。
※2A充電は充電器が対応している場合のみ可能で、1A充電器に2AのACアダプターを継げても2A充電にはなりません。

バッテリーの充電時間の目安は、バッテリー容量÷充電電流値+1時間くらいです。

容量2500mAhのバッテリーの場合
500mA充電 2500mAh÷500mA+1時間=6時間
1A充電 2500mAh÷1000mA+1時間=3.5時間

MODで充電しながらパフるパススルーはおススメしません。
バッテリーにとっては全力疾走しながら飯を食わされてるのと同じなので、バッテリーの劣化を早める事になると思います。
明確なデータはありませんので、あくまで今までの経験から想像ですが・・・(^^;)

ちなみにバッテリーの容量を表すのに使われる”mAh(ミリアンペアアワー)”ですが、これは1時間連続で放電できる電流量を示していまして、例えば2000mAhのバッテリーは2000mA(2A)の放電を1時間連続で維持できる容量と言う意味です。


・‥…━━━☆・‥…━━━☆・‥…━━━☆・‥…━━━☆・‥…━━━☆

あぁ、めちゃ長くなってしまった・・・(^^;)

他にも書こうかなと思っていたことはありましたが、あまりにも長ったらしいのでここで止めておきます。

こんな面白みもない長い文章をここまで読んでくださった方が居られましたら御礼申し上げます。

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コメント

直列並列の考え方にはいろいろあります。 これと言って決まったものがないのが現状ではないかと思います。まだまだ研究対象でもあります。並列に接続した場合、単一セルのまま放置するよりも早く容量が減ってしまう(という説)は、回路上の問題がなければ当てはまりません。なぜならば、接続される相方の電池の内部抵抗が接続される(つながってはいますが)際にその相方の電圧も端子には印加されているので、2つの電池の起電力の差、つまり電圧の差分に対して双方の内部抵抗が直列に接続されている以上の電流は流れないとされているからです。電池の差圧が0.1V、接触抵抗、内部抵抗その他のすべての合計が100mΩとすれば、1Aの電流が電圧の高い電池から低い電池に流れることになります。一方で充電する場合を考えると、端子電圧の低い電池は、充電電源の電圧との差圧が大きいぶんだけより多くの電流が流れます。概ね同じ端子電圧に自然に揃う条件が成立します。電池の端子電圧は充電容量が上がるに従い上昇する関係にあるからです。
ただおっしゃるように落とし穴があります。内部抵抗の変化です。並列接続した電池の端子電圧は同一でも内部抵抗が違うと電流が流れた時に不均一が生まれます。内部抵抗のより低い電池からより多くの電流が供給されます。パルス電流30A耐量の電池を並列にして60A行けるだろう、という計算が事故を招くのはそれが理由です。内部抵抗が揃っていないと内部抵抗が低く、電流に対して端子電圧の降下が少ない電池への電流集中が発生します。
 バランス抵抗を直列にというのは、内部抵抗よりも十分に大きな抵抗を直列に接続したセルを並列につなぐことで、電流のバランスを改善しようと言う目的です。充電に際しても同じことが言えますが、こちらはもう少し問題が大きく、定電流充電と低電圧充電が混在します。最大充電電流が支配的になるのは充電初期から中期。後期になると定電圧充電になります。十分に時間をかければ並列電池でも同じように充電は可能です。 通常トリクル充電は端子電圧によらず一定の電流を流します(定電圧充電の成れの果てで電流値が減っている状態は正確にはトリクル充電ではないので)。並列充電で端子電圧が揃っている電池の場合を考えると、内部抵抗の低い電池にだけトリクル充電の電流が集中します。0.0005Cのトリクル充電のつもりが、その数倍の電流を単一セルに流してしまうとこれは過充電を引き起こすことになります。
 勝手なことを書き連ねました。貴殿の記述非常にわかりやすく正確な情報を提供されていることに敬服します。私の考え違いの部分もありました、勉強になります。もし興味があれば 四国電力の(株)四国総合研究所 産業応用技術部が技報に載せている 蓄電池直並列接続時の特性および課題 という論文を読んでみてください。リチウムイオン電池の直並列接続によるバッテリーバンクの問題と、何年か使用して容量が減った分を新しい電池を追加することで回復する(新旧電池の混用というタブーを実用化しようとする)アイディアについても言及しています。非常にわかりやすい説明と思いました。難しい電池の問題を上手に説明しようとされる方だけに、ぜひ、ご一読いただければと思います。
 私の説明もかなり端折ったものです。ご容赦ください。実際に発熱の問題まで言及すると難しい問題をはらみます(バランスさせることがそもそもできない)。事実自動車用バッテリーでは両端のセルとセル同士に挟まれたセルで特性が異なることが知られています。結局はほしい容量の大きなセルを直列にして使いなさい、という話になるんでしょう。セルバランスも並列抵抗の切り替えで取りやすいし。

投稿: 三郎 | 2018年12月 2日 (日) 14:12

三郎さん、コメントありがとうございます。

並列接続時のバッテリーの状態など、もの凄く勉強になりました♪
ありがとうございます。

お教えいただいた「蓄電池直並列接続時の特性および課題」を今読んでいるところです。
まだざっと目を通しただけでは有りますが、ちょっとこのブログの内容を訂正しなければならない部分が出てきそうな感じですので、時間が取れる時にじっくり読んでいきたいと思います。

私自身はただの素人で、今までネットや雑誌などで得た知識しかありません。
そして見識の浅さゆえの誤認も多々あると思いますので、何かおかしいと思われる部分がありましたらご指摘・ご指導いただければ嬉しく思います。

リチウムバッテリーに限った事ではありませんが、化学技術ってホントに奥が深いですよね~(^^;)

投稿: ふとん | 2018年12月 2日 (日) 21:16

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