バッテリーテストをマスターする：知っておくべきことすべて

電気自動車に対する需要の高まりとともに電気自動車(EV）市場全体が飛躍的に成長います。

利用できるリソースは限られており、どのメーカーもその一角を狙おうとしているため、バッテリー開発者はより賢く働くことが肝要である。

バッテリー試験は、バッテリー駆動機器の信頼性と安全性を保証します。それが自動車, 医療機器またはスマートフォンバッテリーの状態を把握することは、故障を防ぎ、性能を最適化するために不可欠です。

テストは、生産を加速し、適正な製造コストを維持する上で大きな役割を果たす。

バッテリーの種類

バッテリーには様々な種類があり、それぞれに長所と短所があります。様々な業界では、アプリケーションの特定の要件に基づいて選択します。一般的に、メーカーはコスト、エネルギー密度、サイクル寿命、環境への影響を考慮し、アプリケーションに適したバッテリータイプを選択します。

バッテリーの種類には次のようなものがある：

リチウムイオン(Li-ion)

リチウムイオンバッテリーはリチウムイオン化学を使用しており、高いエネルギー密度で知られ、軽量でコンパクトです。リチウムイオン電池は、エネルギー密度が高く、サイクル寿命が長く、自己放電率が低く、比較的軽量であるため、自動車、消費者向け機器、携帯医療機器で人気を博している。最近の自動車では、推進力と補助電源の両方に使用されている。サイクル寿命が長いため、充電と放電を頻繁に繰り返す機器に最適で、信頼性が極めて高い。その反面、リチウムイオンバッテリーは製造コストが高く、過充電すると破損する可能性があり、安全上の問題につながる可能性がある。リチウムイオンバッテリーの廃棄とリサイクルには、その化学的性質上、慎重な管理が必要である。

鉛蓄電池(Lead-Acid)

鉛蓄バッテリーは、正極に二酸化鉛、負極にスポンジ鉛、電解液に硫酸を使用する。比較的安価に製造できるため、自動車用や産業用として普及している。また、病院用無停電電源装置（UPS）やバックアップ電源システムなど、大型の医療機器にも使用されているが、重くエネルギー密度が低いため、携帯用途には適していない。深い放電にも対応でき、信頼性の高い電源を供給できるが、性能が低下するまでの充放電サイクル数には限りがある。

内燃エンジン（ICE）車では、従来から最も広く使用されているバッテリーです。手頃な価格で、エンジン始動に必要なクランキング・パワーを提供します。吸収ガラスマット（AGM）バッテリーは鉛蓄電池の一種で、特にスタート・ストップ・システムや電気負荷の高い車両で性能が向上します。

ニッケルカドミウム電池(NiCd)

NiCd電池は、正極に酸化ニッケル-水酸化ニッケル、負極にカドミウム、電解液に水酸化カリウムを使用しています。カドミウムは有毒であるため、NiCd電池は環境への懸念があり、適切なリサイクルが必要である。耐久性と極端な温度への耐性で知られている。高電流出力が可能なため、電動工具やその他の需要の高い用途に適しており、多くの充放電サイクルに耐えることができます。NiCd電池は、充電前に完全に放電しないと容量が減少するメモリー効果があり、エネルギー密度が低いことが知られている。

ニッケル水素電池(NiMH)

ニッケル水素電池は、費用対効果と環境への配慮が重要な医療機器に使用されています。これらの電池はNiCd電池よりも毒性が低く、環境に優しい。エネルギー密度が比較的高く、費用対効果が高く、自己放電率が比較的低いため、特定の携帯医療機器や常時使用しない機器に適しています。ニッケル水素電池は、長年にわたってハイブリッド自動車に使用されてきました。

アルカリ電池

アルカリ乾電池は保存期間が長いので、長期間保管する機器に適しています。リモコンや懐中電灯、玩具などによく使われているため、家庭の引き出しに忘れ去られていることも多い。また、補聴器のような使い捨ての医療機器にもよく使われています。

亜鉛-炭素電池

亜鉛-炭素電池は、最も安価なオプションであり、低価格のおもちゃ、時計、小型ガジェットなどの非常に基本的な民生用電子機器に使用されています。これらの電池は寿命が短く、一般的には充電できません。

リチウムポリマー電池(LiPo)

LiPo電池はリチウムイオン電池のバリエーションで、形状やサイズの柔軟性で知られている。ドローン、リモコン玩具、一部の小型ノートパソコンなど、スリムで軽量なデバイスに使用されています。LiPo電池は、メーカーが特定のデバイスの設計内に収まるようにカスタム形状のバッテリーが必要な場合に選択されることがよくあります。

カスタムバッテリーパック

医療機器メーカーや電子機器メーカーが、特定の電圧、容量、サイズの要件を満たすようにバッテリーをカスタマイズすることも珍しくありません。カスタムパックには、機器のニーズに合わせて、リチウムイオン、リチウムポリマー、ニッケル水素などの様々なバッテリー化学物質を含めることができます。

固体電池

固体電池はまだ開発中であり、以前のタイプほど一般的に使用されてはおりませんが、より高いエネルギー密度、長寿命、安全性向上の可能性があるため、自動車業界で注目を集めている。現在、電気自動車に使用するために研究開発が進められている。

バッテリーの構造

すべてのバッテリーは4つの重要な要素で構成されている：

1.バッテリーセル：

電池システムの基本的な構成要素。通常は電気化学コアを含む円筒形、パウチ形、角柱形である。

ポーチ型セルは、他のフォームファクターよりも高いエネルギー密度を提供することができるが、保護金属ケーシングがないため、耐久性に劣る可能性がある。

電池セルのフォームファクターとは、電池の物理的な形状や大きさを指す。

さまざまなフォームファクターは、さまざまな用途向けに設計されており、明確な特徴を持っている。

ここでは、より一般的なバッテリーセルのフォームファクターとその違いについて紹介します。

円筒形電池 - 円筒形電池は最も一般的で広く使用されている電池です。様々なサイズがあり、最も一般的なものはAA、AAA、18650です。円筒形セルはエネルギー密度が高く、高い放電率に対応できる。民生用電子機器、懐中電灯、一部の携帯機器によく使われている。
プリズムセル - プリズムセルは平らな長方形の形状をしており、スペース効率の高い設計に適している。薄くて軽いため、スマートフォンやタブレット、ノートパソコンによく使われている。プリズム型セルは一般的に、円筒型セルと比べてエネルギー密度が低いが、特定の用途にはより便利である。
パウチセル - パウチセルは、硬い金属ケーシングを持たないため、薄く、柔軟で軽量です。電気自動車（EV）やドローンなど、スペースと重量が重要なアプリケーションでよく使用される。

2.バッテリー・モジュール：個々のセルを組み合わせたもので、通常は直列および並列に接続され、熱管理システムを備えている。

3.バッテリーパック：特定の用途向けに設計された複数のモジュールで構成される、完全に組み立てられ密閉されたユニット。

4. バッテリー・マネジメント・ユニット（BMU）：バッテリーパック全体を監視、管理し、安全を確保する電子制御システム。

これらの各コンポーネントは、別々にテストされ、また組み合わされてテストされなければならない。

産業別バッテリーの動向

自動車

自動車産業におけるバッテリーの種類の選択は、特定の車種と用途によって異なることに注意することが重要です。従来のICE車では、エンジン始動、ライト、点火（SLI）のニーズに鉛蓄電池を使用するのが一般的ですが、EVやハイブリッド車では、推進システムにLi-ionやNiMHなどのより高度なバッテリー技術を採用しています。技術が進化し続ける中、より高いエネルギー密度、より長い走行距離、環境への影響の低減の必要性から、電気自動車にリチウムイオン電池やソリッドステート電池を使用する傾向が強まっています。

コンシューマー・エレクトロニクス

スマートフォン、ノートパソコン、タブレット、デジタルカメラ、その他多くのポータブル電子機器を含む消費者向け機器は、その費用対効果と利便性から、一般的に充電式電池に依存している。その他の考慮事項には、エネルギー密度、フォームファクター、コスト、およびデバイス固有の要件が含まれます。リチウムイオン電池は、その高いエネルギー密度と長いサイクル寿命のため、ほとんどのポータブル電子機器のための最良の選択肢です。しかし、デバイスの使用目的、サイズの制約、および予算の考慮事項によって、選択は異なります。

医療機器

医療用途におけるバッテリーの種類の選択は、エネルギー密度、サイクル寿命、安全性、機器の使用目的などの要因によって決まります。医療機器指令への準拠を含む安全性と規制基準は、特定の医療用途に適切なバッテリー技術を決定する上で極めて重要な役割を果たします。さらに、サイズ、重量、メンテナンスの容易さなども、特定の医療機器に最適なバッテリータイプの選択に影響します。

バッテリーテスト

テスト工程を設計し、設定する際には、多くの考慮事項がある。試験工程を設定しバッテリー製造のための試験工程を設計・設定・考慮しなければならないことがたくさんあります。高電力と高電圧アプリケーションを実行する必要があることを考慮すると、安全性は常に最優先されなければなりません。一般的なバッテリーのテストケースには以下のようなものがあります：

電圧試験

電圧テストは、生産される電池の品質、性能、安全性を保証するための電池製造の基本的なステップであり、電池製造の多くの分野をカバーしている。

バッテリーの開放電圧（OCV）を測定することが重要です。これは、負荷や電流が流れていないときの電圧です。OCVはバッテリーの充電状態を示す重要なパラメータです。バッテリーが製造工程で適切に充電されていることを確認するのに役立ちます。バッテリーパック内の個々のセルの電圧レベルが一定であることを確認することが重要です。これにより、各セルがバッテリーパック全体の性能に均等に寄与することが保証されます。

マルチセル・バッテリー・パックでは、電圧試験でセルのバランスをチェックします。どのセルも過充電や未充電になっていないことを確認します。過充電や未充電は、容量の減少、過熱、バッテリー寿命の低下などの問題につながる可能性があります。あるセルの電圧が他のセルより著しく低かったり高かったりする場合は、不良セルである可能性があり、組み立てを進める前に交換する必要があります。電圧試験には、特定の負荷がかかった状態でバッテリーの電圧を測定することも含まれます。このテストは、動作中に安定した電圧を維持するバッテリーの能力を評価するのに役立ちます。また、バッテリーの電圧が指定された許容範囲内にあるかどうかを確認することも重要です。この範囲は通常、バッテリーの設計とメーカーの仕様によって定義されています。この範囲からの逸脱は、品質上の問題や欠陥を示す可能性があります。

電圧テストは、過充電保護や過放電保護などの安全機能が正しく機能していることも確認できます。これらの機能は、バッテリーが安全な電圧レベルを超えることを防ぎます。場合によっては、電圧試験にはバッテリーを電圧ストレス試験に供し、実環境をシミュレートすることも含まれます。これは、さまざまな負荷や環境条件にさらされる可能性のある自動車用および産業用バッテリにとって特に重要です。

電流テスト

電流試験は、バッテリーが安全性と性能基準を維持しながら、使用目的に必要な電力とエネルギーを確実に供給できることを確認するために不可欠です。電流試験は、バッテリーの容量（エネルギーを貯蔵し供給する能力）を測定するのに役立ちます。指定された電流率でバッテリーを放電させ、バッテリーが特定の電圧カットオフに達するまでの時間を測定します。その後、放電時間と電流に基づいて容量が計算され、バッテリーがどれだけのエネルギーを貯蔵・供給できるかの情報が得られます。

電流試験は、さまざまなレートで電力を供給するバッテリーの能力を評価します。さまざまな放電速度を適用することで、メーカーはさまざまな負荷条件下でのバッテリーの性能を評価することができます。これは、電気自動車や電動工具のように、バッテリーが高電力を供給しなければならない用途では極めて重要です。また、さまざまな放電電流を流したときのバッテリーの電圧応答も測定します。電流を供給する際にバッテリーの電圧がどのように変化するかをチェックし、電圧が意図されたアプリケーションの許容範囲内に収まっていることを確認します。

一部のバッテリー、特に自動車用アプリケーションでは、自動車の始動や急加速のような高ストレス状況下でピーク電流要求に対応する必要があります。電流試験は、電圧降下や過熱などの問題なしに、バッテリーがこれらのピーク電流を供給する能力を検証します。電圧試験と同様に、マルチセル・バッテリー・パックでは、電流試験により、パック内の個々のセルが全体の電流出力に均等に寄与していることを確認します。電流配分のバランスが悪いと、一部のセルに過負荷がかかり、バッテリー寿命が短くなる可能性があります。

また、バッテリーに過電流保護機構が搭載されていること、およびそれらが適切に動作していることを確認することも重要です。これらの機構は、短絡のような過電流が流れた場合にバッテリーと関連機器の損傷を防ぐのに役立ちます。さらに、さまざまな負荷や急激な負荷変動にさらされたときに、バッテリーが安定した出力電流を維持する能力をテストし、バッテリー内の温度変化を監視する必要があります。過度の温度上昇は、非効率性や安全性の懸念を示す可能性があります。

容量テスト

容量テストは、特定の条件下でバッテリーが実際に蓄え、その後放出できるエネルギー量を測定します。主に放電試験が行われます。この試験中、バッテリーは通常Cレートと呼ばれる制御された電流レートで放電される。放電プロセスは、バッテリーの電圧が指定されたカットオフ電圧に達するまで続けられる。放電試験中、バッテリーから流れる電流とカットオフ電圧に達するまでの時間が連続的に測定されます。電流と時間の積から、用途に応じてアンペアアワー（Ah）またはワットアワー（Wh）単位の放電容量が得られる。測定された容量は、バッテリーの定格容量または公称容量と比較され、メーカーの仕様に適合していることが確認されます。公称容量から著しく逸脱している場合は、品質に問題があるか、欠陥の可能性があります。

インピーダンステスト

インピーダンステストは、バッテリーの内部抵抗を評価します。インピーダンスが高いと効率が低下し、寿命が短くなります。試験では、バッテリーに交流信号を印加し、電圧と電流の応答を測定します。測定されるパラメータは以下の通りです：

直流抵抗（R_dc）：主に電解液、電極、その他の内部部品の抵抗に起因するバッテリー内の直流（DC）抵抗を測定します。直流抵抗が高いほど、電極の劣化やセルの老朽化などの問題があることを示しています。

ACインピーダンス分光法：交流信号の周波数を変化させることで、抵抗やキャパシタンスなどバッテリーの内部構造に関する情報を明らかにする詳細なインピーダンススペクトルを得ることができる。この方法により、異なる周波数における特定のインピーダンス成分を特定することができる。

安全性評価：インピーダンス試験は、特に熱暴走（リチウムイオンバッテリーなど）が安全上の危険につながる可能性があるアプリケーションにおいて、バッテリーの安全性を評価するために非常に重要です。高い内部抵抗または不規則なインピーダンス・パターンは、潜在的な安全リスクを示す可能性があります。

比較試験：メーカーはインピーダンス試験を利用して、性能と安全性を最適化するために、さまざまなバッテリーの設計、材料、製造工程を比較することができます。

インピーダンス検査の結果は、バッテリーの健康状態（SoH）、充電状態（SoC）、全体的な品質など、バッテリーに関する貴重な洞察を与えてくれます。

充放電サイクルテスト

充放電サイクルまたはサイクル寿命試験としても知られるサイクル試験は、バッテリーの長期性能と耐久性を評価するために充放電サイクルをシミュレートします。サイクル試験では、バッテリーはあらかじめ定義されたパターンの充放電サイクルにさらされます。このパターンは、用途やメーカーの仕様によって異なります。サイクル試験では、電圧、電流、温度、容量、内部抵抗など、いくつかのパラメータがモニターされます。

サイクル試験の主な目的は、バッテリーのサイクル寿命（指定された性能と容量レベルを維持しながら耐えられる充放電サイクル数）を測定することです。バッテリーのサイクル寿命は、その化学的性質、設計、各サイクル中の放電の深さによって大きく変化します。これにより、バッテリーがいつ、どのように故障するかがわかります。故障には、容量の減少、内部抵抗の増加、熱暴走などの安全上の問題などがあります。故障を理解することは、バッテリー設計を改善し、製造プロセスの早い段階で潜在的な問題を特定する最も効果的な方法です。また、データは保証条件の設定や、バッテリーの長期的な信頼性を顧客に保証するためにも使用されます。

コンポーネント・レベルでのテスト

バッテリーセル、モジュール、パック、BMUの試験のニュアンスを理解することは、製品の品質、性能、安全性を確保するために極めて重要です。自動試験装置、環境チャンバー、高度なデータ収集システムは、このプロセスに不可欠であり、バッテリー製造業界の厳しい品質基準を満たすために必要な精度と再現性を提供します。

セルレベルでのテスト

バッテリーセル試験は、より大きなモジュールやパックに統合する前の個々のセルに焦点を当てています。この初期段階の試験は、欠陥のあるセルや粗悪なセルの特定に役立ちます。

セル検査には通常、以下のものが含まれる：

電圧 - さまざまな負荷条件下で測定。
容量 - エネルギー貯蔵能力を決定する。
内部抵抗 - セルの健全性と性能を示す。
サイクル寿命 - セルが耐えられる充放電サイクルの回数の推定・試算。

モジュール・レベルのテスト

電池モジュール試験は、モジュールに組み立てられたセル群の性能と安全性を検証します。熱プロファイリング、電気特性評価、衝撃試験などの試験が含まれます。

モジュールテストの主な検討事項は以下の通り：

バランシング - セル間の均一な充放電を確保すること。
熱管理 - モジュール内の温度の監視と制御。
安全機構 - サーマルカットオフなどの安全機能をテストする。

パックレベルでのテスト

バッテリーパック試験は、バッテリーシステム全体の性能と安全性を評価するもので、多くの場合、実際の使用状況をシミュレートするために厳しい条件が課されます。

ラボでのパックテストのテストシナリオは以下の通り：

環境試験 - 過酷な温度、湿度、高度での性能を評価する。
耐異常ストレステスト - 物理的損傷、過充電、短絡をシミュレートします。
ライフサイクル試験 - 運用条件下での長期耐久性と信頼性を評価する。

本番でのパックテスト用のテストシナリオは以下の通り：

充放電またはマイクロサイクル
安全コンポーネント - 例えば、インターロック、シャットダウン信号など。
絶縁抵抗と弁別強度試験
熱プロファイル
OCVとSoC

BMUのテスト

BMUは、バッテリーパックの健全性と安全性を監視・管理する上で極めて重要な役割を果たします。BMUを試験することで、その精度と信頼性が保証されます。

以下の機能テストとストレステストは、BMUが意図したとおりに機能し、バッテリーパックを正確に監視・保護し、バッテリーシステム全体の安全性と信頼性を維持することを保証します：

充電状態（SOC）および健全性状態（SOH）の推定-BMUが様々な動作条件下でバッテリパックのSOCおよびSOHを正確に推定していることを検証する。
セルバランシング - BMUがバッテリーパック内のセルのバランスを積極的にとり、個々のセルの過充電や放電を防ぐことができるようにします。
電圧監視-BMUがバッテリーパック内の各セルの電圧を正確に測定し、監視していることを確認する。
電流測定-BMUが充電中および放電中にバッテリーパックに出入りする電流を正確に測定していることを確認する。
温度監視 - BMUがバッテリーパック内の温度変化を監視し、対応する能力をテストし、安全な動作を保証する。
過充電および過放電保護 - BMUが保護機構を作動させ、バッテリ・セルを損傷させる過充電や過放電を防止するようにします。
絶縁抵抗と弁別強度試験
故障検出と報告 - BMUが短絡や高温状態などの故障を検出し、適切な処置のためにこれらの問題を報告する能力をテストする。
通信インターフェース - BMUが、コントローラ・エリア・ネットワーク（CAN）などの標準通信プロトコルを使用して、車両コントローラや充電インフラなどの外部システムと通信できることを確認する。
セル認証 - 偽造品や安全でない交換品を防ぐため、バッテリーセルの真正性と完全性を検証するBMUの能力をテストする。
ストレス試験：過充電、過放電、熱ストレス、振動・衝撃、EMI/EMC（電磁干渉電磁両立性）、負荷試験、環境試験など。

バッテリー試験装置への投資を最大限に

自動化、モジュール化、拡張性、柔軟性、標準化。これは、電池の開発と製造の場合に特に当てはまります。業界が進化するにつれ、技術も変化し続けます。製品に適応できる装置に投資することで、材料費とオペレーターの介入を減らすことができます。これらの点について検討が必要となります：

自動化 - プロセスを高速化しながら、主観やオペレーターの冗長な介入を排除し、精度の高い結果を実現します。
モジュール性 - 要件が変われば、設備やコーディングもそれに合わせて変えなければならない。変更可能な小さなブロックの中で作業すれば、車輪の再発明で時間を浪費することはありません。
スケーラビリティ - 製品の需要が増えたり減ったりしても、スケーラブルなシステムは、顧客が必要とするものを、必要なときに提供できる能力を備えている。
柔軟性 - モジュラー性とスケーラビリティの両方に共通するのは、試験設計の柔軟性である。
標準化 - 社内の各拠点や部署で共通の試験装置を共有することで、すべての従業員が同じ言語で話すことができます。研究開発から修理に至るまで、結果は一貫しており、トレーニングや立ち上げにかかる時間は大幅に短縮されます。

バッテリーテストのベストプラクティスは、以下のような業界で確立された共通プラットフォームを活用することです。 Batterie Inspektor™. は、幅広い試験パラメータにより、セル、モジュール、BMU、パックなど、製造のあらゆる段階で最高品質の製品を保証します。スマートでモジュール化された拡張可能な設計により、お客様の製造要件に最適なソリューションをワンソースで構築できます。柔軟な自動化、持続可能なレトロフィット、スマートなデータ管理により、製品性能を向上させます。

ゼロから始めるのとは対照的に、既存のプラットフォームは、コストの大部分を占める可能性のある非定常エンジニアリング（NRE）コストを迅速に削減します。また、有名ブランドの信頼性という安心感や安全性もあります。

まとめ

製造におけるバッテリー試験は、バッテリーシステムの様々なレベルに対応する多面的なプロセスです。バッテリーセル、モジュール、パック、BMUの試験の微妙な違いを理解することは、製品の品質、性能、安全性を確保するために極めて重要です。自動試験装置、環境チャンバー、高度なデータ収集システムはこのプロセスに不可欠であり、バッテリー製造業界の厳しい品質基準を満たすために必要な精度と再現性を提供します。