Lander Lab #5: リチウムポリマー電池

Kevin Hardy は、Scripps でのキャリアを経て、Global Ocean Design を設立しました。

2022年12月28日

オーシャンランダーの技術、戦略、利用に関するコラム

リチウムポリマー電池は、ポータブル電源として安全かつ堅牢なオプションを提供します。 私たちが共同して経験を積むにつれて、アプリケーションのパラメータは洗練され、定義され、改善されてきました。 日常生活のどこにでも存在しますが、その受け入れは困難な過去を完全に超えたわけではありません。現在、LiPo は有人宇宙船 Space-X で飛行し、国際宇宙ステーションにも設置されています。 世界の自動車産業は、パソコンや携帯電話産業に続く新たな電池の開発により、劇的な変化を迎えています。 テスラ パワーウォールは、LiPo のスタックを使用しており、送電網がダウンしたときに家庭が送電網から切り離されることを可能にします。 WHOI の DSV ALVIN、ジェームズ キャメロンの DSV DEEP SEA CHALLENGER、および Triton Submarine の TRITON 36,000/2 (DSV Limiting Factor) 潜水艇は、圧力補償された LiPo バッテリー モジュールによって電力を供給されています。 2019年と2020年に日本は、リチウムイオン電池を搭載した2隻の新型ディーゼル電気潜水艦「たいげい」（「グレート・ホエール」）と「とうりゅう」（「闘龍」）を進水させ、潜水艦をより長時間静かに航行できるようにした。

サンディエゴ動物園のさまざまな動物と同様に、LiPo は鉛酸やアルカリ電池とは単に異なるものであることを認識することが重要です。 彼らには独自の特徴的な行動があります。 私も勉強を始めたとき、そしてその後 LiPos を使って実践的に学び始めたとき、多少の不安を感じたことを認めます。 私は、他のものから6フィート離れた小さなコンクリートブロックバンカー内のコンクリートの床に、耐火性の充電バッグにLiPoバッテリーを入れて出発しました。 私は蓋用の粘土製排水パンを備えた大きな粘土製の植木鉢に移しました。 温度と電圧を監視しました。 読めるものはすべて読みました。 私は有望な見込み客を追跡しました。 それはドリームワークスの「ヒックとドラゴン」でした。 知る必要があったのです。 他の多くの人がすでに使用しているテクノロジーを私が理解し始めたとき、安全性は依然として最優先でした。

私は現在、海上のさまざまな用途で LiPos を数年間使用してきました。 学べば学ぶほど、より多くの成功が得られ、より多くの可能性が生まれます。 私は彼らのエネルギー密度だけでなく、仕事に取り組む意欲も尊敬しています。LiPo セルの基礎とその応用について説明した膨大な量の研究があります。 この記事ではその一部を引用します。

簡単に言えば、LiPo には常にふさわしい敬意を持って接してください。 業界が推奨する動作パラメータの範囲内にとどまることが重要です。 週末の RC 愛好家たちの恐ろしい話の原因の一部は、エンドユーザーが数分間の飛行時間を獲得するために規定の範囲を逸脱したり、推奨最大レートを超えて急速充電してもう 1 回飛行させようとしたりしたことにあると考えられます。 場合によっては、安い価格で手に入れたひどいバッテリーであることもあります。 場合によっては、バッテリーを適切に保護および維持するための適切なデバイスが存在しないこともあります。Li-ion および LiPo バッテリーの基本

リチウムイオン電池とリチウムポリマー電池は、同様の化学的性質を持つ再充電可能な二次電池です。 これらは同じ高出力アプリケーションに使用できます。 これらは、電解質とパッケージングの違いによって区別されます。

リチウムイオンおよびリチウムポリマーは、充電不可能な一次リチウム電池とはまったく異なります。 まず、リチウムポリマーは電極に金属リチウムではなく、挿入リチウム化合物を使用しているため、より安定しています。 また、水にさらされても危険ではありません。リチウムイオン電池は液体電解質を使用し、円筒形のステンレス鋼のハウジングに収められています。 よく知られている 18650 セルがその一例です。

リチウムポリマー (LiPo) セルはゲル化した電解質を使用しており、柔らかいプラスチックのポーチ内に真空密封されています。 これは「プリズムセル」として知られています。 LiPo の化学的性質はいくつかありますが、角形パックで最も一般的なのはコバルト酸化リチウムです。 化学的性質は、そのバッテリーの MSDS に指定されています。 角柱状セルのスタックは、軽量の用途のためにシュリンクラップを使用して一緒に結合することもできますし、耐突き刺し性を提供するために射出成形された硬質プラスチックケースの内側に結合することもできます。

アルカリ電池と比較して、LiPo は軽量、高容量、高放電率を持ち、深部にある場合の低温の影響を受けにくいです。 サイクル寿命は、バッテリー容量が元の容量の 3/4 に減少するまでに数百秒かかることがあります。LiPo 構成は、角柱状セルの数とそれらの接続方法、つまり直列および並列のセルの数によって指定されます。 「6S1P」は、6 つのセルが直列で、スタックが 1 つだけあり、並列セルがないことを意味します。 事実上、すべての角形電池はすべてのセルが直列に配線されているため、この構成は「1P」と理解して単に「6S」と呼ばれます。

電圧について: バッテリーの公称電圧は、セル数 x 3.7v/セル、つまりバッテリー パックの中間点電圧です。 6S バッテリーは 6 セル x 3.7v/セル = 22.2v と記述されていますが、フル充電は 25.2v です。

LiPo バッテリーには、知っておくべき 4 つの重要な電圧があります。

図 2. 充電状態と LiPo パックの電圧の関係 (グラフ提供: RCGroups.com の Mark Forsyth)

10 インチのポリアミド球を使用して、積極的に浮力のある 22v/20Ah (公称 440Wh) の充電式バッテリーを作成しました。これは、浮く車のバッテリーです。

LiPo の品質は、民生用バッテリーと商用グレードのバッテリーによって異なります。 商用グレードのバッテリーは、スタック内の他のセルの特性に一致するセルを選択するなど、あらゆる段階で品質に注意を払って製造されています。 消費者向けバッテリーはコストを重視して作られています。 その違いは、Duracell からバッテリーを購入するのと Harbor Freight からバッテリーを購入するようなものです。 私がよく使用する 2 つの商用ブランドは、Gens Ace Tattu と Turnigy Graphene です。 トップの LiPo メーカーのリストは、 でご覧いただけます。

図 4. Gens Ace Tattu LiPo バッテリー。 LiPo バッテリーの電圧、容量、構成、最大電流定格の特性が表示されます。 GensAce/Tattu LiPo バッテリーの詳細な背景情報は、 でご覧いただけます。 (写真提供: Gens Ace)

角形セルは柔らかいプラスチックの袋に真空シールされているため、耐圧性があります。 内部には圧縮性の材料がないため、化学反応の速度は圧力の影響を受けません。 適合する BMS 保護回路も同様に耐圧力コンポーネントで作られています (次のセクションを参照)。 両方をミネラルオイルを満たしたバッグに浸し、18,000 psi までテストしました。 彼らはうまく持ちこたえた。

圧力補償された LiPo バッテリーを船体の外側に配置すると、船体の内側にあるときの空気の重さではなく、浮力バジェットから水の重さだけが差し引かれることになります。 単なる SWAG ですが、同じ量の浮力を得るために、航空機はさらに 25% の電力を運ぶことができる可能性があります。LiPo の背景の詳細​​については、Battery University を参照してください。 「LiPo バッテリーを理解するためのガイド」; および「LiPo パックのケアと給餌」。好奇心に従えば、他のものも見つかります。リポ保護回路

ここで、通常の RC 練習から逸脱します。

LiPo バッテリーをバランス充電することは非常に重要です。 これは、一部のセルの内部抵抗が他のセルよりわずかに高く、調整されていない場合、一部のセルは過充電され、他のセルは過充電されるためです。 問題なく動作する「バランス充電器」はたくさんあります。 ただし、同じ理由で 1 つのセルが残りのセルよりも早く放電したり、低下しすぎたりしないように、放電のバランスをとることも重要です。 低電圧カットアウトはパックの総電圧を測定するため、十分ではありません。 バッテリーパックの総電圧内に隠れている 1 つのセルが、バッテリー全体を破壊するまで消耗する可能性があります。 次回そのバッテリーをバランス充電器に置くと、不良バッテリーが検出され、充電がキャンセルされます。

ソリューションは BMS (バッテリー管理システム) です。これは、LiPo パック内のすべてのセルを安全な動作領域内に維持することで保護するように設計されたボードです。 充放電バランス機能に加え、過充電保護（高電圧遮断）、過放電保護（低電圧遮断）、短絡保護（負荷切断）、過電流保護（20A選択可能）を備えたBMSです。 、30A、40A）。 より優れた BMS 設計では、消費電力は 200uA 未満です。図 5. LiPo 保護回路「バッテリー管理システム」(BMS) は、充電および放電中に LiPo パック内の個々のセルを保護します。 5S LiPo バッテリーが表示されています。 (写真提供: QSKJ パワーモジュールエキスパート)

BMS のもう 1 つの大きな利点は、それぞれが独自の BMS を備えた複数の同一のバッテリーを、いわゆる「電圧バス」で正と正、負と負に接続できることです。 並列配置により、アンペア時容量が加算されながら、バッテリ定格出力電圧が提供されます。 BMS は、ハウジングを開けずに単一の電源ポートからバッテリーを充電する機能も提供します。 配備された着陸船用の 2 つ目のバッテリー パックが手元にある場合は、ゆっくりと充電することができ、セルの寿命を延ばすことができます。

BMS ボードの組み立てに使用される SMT コンポーネントをよく見てください。 おそらく、それらはすべて圧力に耐性があります。 良いニュースです。これは、圧力補償された LiPo がサイドカー BMS を使用して走行できることを意味します。

安全性：ポリアミド球を真空封止します。 万が一、ガスが発生しても球体は崩壊するだけです。 海水に浸すとバッテリーは放電しますが、ポリマーとは反応しません。 Nautilus Marine Service (Vitrovex) のガラス球を使用する場合: セルフシール パージ ポートからキャップを引き抜きます。 逆止弁は内部の真空を保持しますが、内部が過圧になると飛び出します。 完了したら、必ずパージポートキャップを元に戻してください。 シリンダー内の場合、ガス放出に対する安全対策は、エンドキャップをハウジングに固定しているネジを外すことです。 内部の真空によりエンドキャップが保持され、内部の過圧によりエンドキャップが押し出されます。 セルフシールパージポートが取り付けられている場合は、キャップを取り外します。 内部逆止弁は内部の真空を保持しますが、内部が過圧になると飛び出します。 完了したら、必ずパージポートキャップを元に戻してください。 あるいは、Deep Sea Power & Light や Prevco 製のような圧力リリーフ バルブ (PRV) を使用することもできます。 PRV は、海底生息地への入り口ハッチと同様に、圧力ケースの底に配置する必要があります。 PRV が開くと、海に直接面します。 PRV には亀裂や再シールの圧力がかかり、PRV が上を向いている場合、この時点で水が滴り落ちる可能性があります。 エンジニアへのもう 1 つの注意事項は、PRV とエンド キャップの間の異種材料の腐食に注意することです。 ハウジングについては、後の号で詳しく説明します。

充電器各バッテリーには個々のセルをバランス充電するための独自の BMS があるため、LiPos 用に設計されたスマートなアンバランス充電器が必要です。 これらは、LiPo バランス プラグ コネクタ ポートがないという点で注目に値します。図 6. アンバランス型スマート LiPo 充電器。 ユニバーサル入力により、あらゆる国や船舶での使用が可能になります。 （イラスト提供：AAポータブルパワー株式会社）

スマートアンバランス型 LiPo 充電器は、LiPo 不足電圧保護機能を備えているため、LiPo バッテリーの電圧が 15.12V 未満の場合、1 つ以上のセルが損傷している可能性があるため、充電器はバッテリーを充電しません。 また、出力短絡保護、過熱保護、過電圧保護、逆極性保護などの 2 番目のレベルの保護を BMS に提供します。 スマート アンバランス型 LiPo 充電器は、定電流/定電圧充電サイクルを提供します。図 7. アンバランス型スマート LiPo 充電器は、最初に定電流 (CC) を提供し、次に定電圧 (CV) に移行して充電を完了します。 (イラスト提供: Witold Maranda 博士、ウッチ工科大学、ポーランド)

1. もちろん DVM です。そうすると面白くなります。

2. LiPo ESR (等価直列抵抗) メーター Mark II。

工具箱に入れるべき次に重要な LiPo 診断ツールです。

内部抵抗 (IR) は、バッテリーの状態を予測する最良の指標です。 IR はミリオーム (mΩ) 単位で測定されます。 抵抗が低いほど、電流の流れの制限が少なくなります。 抵抗が大きいとバッテリーが発熱し、負荷がかかると端子電圧が低下します。 LiPo ESR (等価直列抵抗) メーター Mark II は、リチウム バッテリー パックの品質を判断するための市場で最高のメーターです。 図 8. ESR (等価直列抵抗) メーター Mark II。 （写真提供：プログレッシブRC）

ESR メーターは、バッテリー スタックから取り外したときの個々のセルの内部抵抗、または BMS を含むパック全体の統合測定を提供します。 BMS はバッテリー IR に固定オフセットを追加します。 ESR は、測定が行われた瞬間にパックが供給できる内部抵抗と最大電流を直接読み取ります。図 9. 新しいバッテリーの内部抵抗 (上) と最大電流 (下) を測定して記録できます。 これらの写真は、BMS を使用してフルバッテリーの状態を測定したものです。 推定負荷が 40A 未満の場合、このバッテリーは問題ありません。 一般的な評価を行うために LiPo バッテリーのバランス プラグに接続する必要はありませんが、BMS が各セルのバランスをとるという役割を果たしていることが前提となります。 時間の経過とともに正味 IR 値が最初の測定から増加した場合は、バッテリーの交換が必要になる可能性があります。 (写真提供：ケビン・ハーディ)

メーカーは、測定は同じ温度で行うことを推奨しています。 ($150、プログレッシブ RC)

3. コンピュータバッテリーアナライザー V Pro (CBA V Pro)

これも絶対に手に入れます。 これは、バッテリー容量をテストし、保管または輸送のためにバッテリーを特定の電圧まで正確かつ自動的に放電するために使用されます。図 10. コンピューター化バッテリー アナライザー V Pro (写真提供: West Mountain Radio)

保管電圧と出荷電圧は、最初にバッテリーを充電し、次に CBA V Pro バッテリー アナライザーを使用して指定された電圧まで放電することによって取得されます。 終了電圧を指定すると、CBA はその電圧に達すると自動的に停止します。

CBA (コンピューター バッテリー アナライザー) V は、さまざまな放電率でのバッテリーの実際の容量を決定することもできます。 また、BMS の低電圧カットアウト機能 (LVCO) をテストすることもできます。図 11. CBA は、バッテリーの実際の放電曲線と容量を提供します。 ここで、18.00 v の緑色の水平線は、6S バッテリー (3.0 v/セル) の放電を遮断するための事前設定された制限です。 代わりに、BMS 低電圧カットアウト (LVCO) が 19.20v (3.2v/セル) で作動しました。 (写真提供：ケビン・ハーディ)

低温でのバッテリーの容量をテストするには、バッテリーを冷蔵庫に入れ、リード線を CBA V に接続します。屋内/屋外の温度計で温度がわかります。 （229 ドル、ウェスト マウンテン ラジオより ）4. セル電圧をテストする 5-in-1 セル メーター:図 12. Tenergy 5-in-1 セル メーター (写真提供: Tenergy Power)

このメーターは、バランス プラグを介して個々のセルの電圧と合計バッテリー電圧を測定します。Tenergy 5-in-1 セル メーターは、LiPo バッテリー パックの無負荷端子電圧に基づいて推定残容量を表示できます。 このメーターを使用すると、使用前にバッテリーの充電が必要かどうかをすぐに確認できます。 また、各セルの電圧を表示し、バランス状態を確認することもできます。

LiPo および Li-ion バッテリー パックの場合、このセル メーターは個々のセルの内部抵抗を表示し、バッテリーの状態を迅速に評価します。 私はこのメーターを ESR に対するチェックとして使用しますが、この重要なタスクには ESR の方が優れた手段であると信頼します。 ($19、テナジーパワーにて)

船上のUNOLS LiPoの安全性

大学と国立海洋研究所システム (UNOLS)、WHOI、および USN の 4 つの文書は、https://www.unols.org/documents/batteries で見つけることができます。

スクリップス海洋研究所にも同様の文書が https://scripps.ucsd.edu/sites/scripps.ucsd.edu/files/basic-page-ships/field_attachment/2015/SIO.ShipboardLithiumBatteryguidelines.Nov-2014.pdf にあります。配送：

IATA UN 38.3 の制限が適用されます。 良いヒント: LiPo バッテリーは決して改造しないでください。メーカーが出荷時に使用した UN 38.3 テスト認証文書が引き続き適用されます。 求められたらコピーを渡すよう求められます。 FedEx と UPS は、IATA 規則に基づいてガイドラインを発行しています。 LiPo を筐体内に入れて輸送する場合、制限が緩い UN3481 に基づいて輸送することが認められます。 これは、ハウジングが偶発的な穴からバッテリーを保護するためです。 IATA 規則の詳細については、Battery University を参照し、「BU-704a: Shipping Lithium-based Batteries by Air」を検索してください。IATA の配送が制限が厳しすぎると感じても、心配する必要はありません。あなたはバッテリーパックに無改造のバッテリーを設計したのです！ バッテリーを取り出し、ハウジングを空にして発送します。 新しい LiPo セットを注文して、外国の営業港の代理店に配送します。 そこでバッテリーパックを開いて再度組み立てます。

水中 LiPo バッテリーを提供する営利企業:

結論：

ケーブル対岸ネットワークの場合のように、圧力をかけた状態で LiPo を充電することは試していませんが、正常に動作するのではないかと思います。

これが役に立ち、LiPos でできる素晴らしいことを探索していただければ幸いです。その他のリソース、書籍

「ポータブルな世界のバッテリー」、イシドール・ブッフマン、2016 年、(ISBN 978-0-9682118-4-7)

「DIY リチウム電池」、Micah Toll、2017、978-0-9899067-0-8)未来

IEEE Spectrum（2022年10月）は、メルセデス・ベンツのプロトタイプVision EQXXセダンについて報じた。 それは「高シリコンバッテリー陽極を搭載しており、バッテリーからより多くの航続距離を引き出すことができ、<そして>今後10年間で普及すると広く予想されています。」 海洋技術は多くの場合、より大きな市場が開発費を支払ったクロスオーバー技術によって恩恵を受けます。 10年後は誰にも分かりません。その他ショップトーク

発売されたばかりの Make マガジン Vol 83 は「2022 ボード ガイド」を特集しており、毎年恒例の Make: Guide to Boards が含まれており、実際に入手できるものに重点を置き、最も人気のある 79 個のマイクロコントローラー、シングルボード コンピューター、FPGA を比較しています。の上。謝辞

キャンパス内の Scripps テクニカル フォーラムを通じて、より広範な Scripps コミュニティをリチウム電池に関する会話に参加させてくれた、R&D エンジニア 5 の Douglas Alden 氏と、Scripps 海洋研究所の Paterno Castillo 博士に感謝します。 また、海底 LiPo 設計に関心を持ち、継続的に会話を続けてくれた SubC Imaging (ニュージャージー州クラレンビル、カナダ) の Chad Collett と Brent Lackey にも感謝します。 著者は、スクリップスの地球物理・惑星物理学研究所 (IGPP) のピーター・ウースター博士に感謝の意を表し、彼の飽くなき好奇心、激励、チームへの信頼、そして科学を進歩させるための新しい方法を試みる意欲を評価しています。読者のフィードバック

あなたのコメントや経験の共有はいつでも大歓迎です。 ご意見、ストーリー、写真を Kevin Hardy <[email protected]> までお送りください。 あなたも印刷物に載るかもしれません！