※小説ではない※専門書 要約資料集 為替(換算)3.9万円でもらう 紐解集生成 専門 初入門 資料 作：｛作者名｝
> 学問の宇宙・応用の軌道ステーション群(工学)実践工学シリーズ 通し番号0310。ガイド役: Fable 5 監修 / Sonnet 5 執筆(脚本班)
> トーン規約: GAKUMON_UNIVERSE.md準拠。専門用語は初出で必ず説明する。
> **安全枠(§16.18・絶対厳守)**: 本冊はアルカリ乾電池・ニッケル水素電池・鉛蓄電池・リチウムイオン電池という、市販されている完成品の電池セルやパックを対象に、電圧・容量・接続方法の**計算と設計知識**だけを扱う。電池の分解、自作の電池パック組立(セル間のスポット溶接・配線の自作)、損傷した電池の修理・改造は、発火・破裂の危険を伴うため本冊の範囲外とし、その作業手順は一切示さない。とりわけリチウムイオン電池を含む**リチウム系電池**は、アルカリ・ニッケル水素・鉛蓄電池といった他の化学系と比べて、損傷・過充電・過放電・高温放置をきっかけに熱暴走(発火・破裂)へ至る危険性が高いことが広く知られており、第七章で専用の安全知識をまとめて扱う。
> 接続先: →BOOK-0300『実践工学: 回路の読み方と設計』第1巻(オームの法則、抵抗の直列・並列という「回路側」の基礎はそちらが土台になっている)、→BOOK-0301『実践工学: 電子工作の実践』第1巻(乾電池を使った実際の作例)、→BOOK-0005『電子回路』第1冊(電流・電圧・抵抗の基礎)、→BOOK-0001『物理学』第1冊(エネルギーと仕事という、電力量を理解するための基礎概念)、→DIC-0008『単位と計測辞典』(アンペア時・ワット時など単位の成り立ち)、→DIC-0009『工具と工作辞典』(テスターなど計測工具の使い方)。
> 水準: 三〜九(電池の種類と公称電圧という基礎から、容量〈mAh・Ah・Wh〉の計算、直列接続による電圧設計、並列接続による容量設計、直並列複合バッテリーパックの設計、内部抵抗と放電特性、そしてリチウム系電池を安全に取り扱うための知識までを扱う。電流・電圧・抵抗の基礎とオームの法則〈水準一・二〉は→BOOK-0300を前提とする)。
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# BOOK-0310 実践工学: 電池と電源の実学 — 回路にいのちを吹き込む「もう半分」
> 学問の宇宙・応用の軌道ステーション群(工学)実践工学シリーズ 通し番号0310。ガイド役: Fable 5 監修 / Sonnet 5 執筆(脚本班)
> トーン規約: GAKUMON_UNIVERSE.md準拠。専門用語は初出で必ず説明する。
> **安全枠(§16.18・絶対厳守)**: 本冊はアルカリ乾電池・ニッケル水素電池・鉛蓄電池・リチウムイオン電池という、市販されている完成品の電池セルやパックを対象に、電圧・容量・接続方法の**計算と設計知識**だけを扱う。電池の分解、自作の電池パック組立(セル間のスポット溶接・配線の自作)、損傷した電池の修理・改造は、発火・破裂の危険を伴うため本冊の範囲外とし、その作業手順は一切示さない。とりわけリチウムイオン電池を含む**リチウム系電池**は、アルカリ・ニッケル水素・鉛蓄電池といった他の化学系と比べて、損傷・過充電・過放電・高温放置をきっかけに熱暴走(発火・破裂)へ至る危険性が高いことが広く知られており、第七章で専用の安全知識をまとめて扱う。
> 接続先: →BOOK-0300『実践工学: 回路の読み方と設計』第1巻(オームの法則、抵抗の直列・並列という「回路側」の基礎はそちらが土台になっている)、→BOOK-0301『実践工学: 電子工作の実践』第1巻(乾電池を使った実際の作例)、→BOOK-0005『電子回路』第1冊(電流・電圧・抵抗の基礎)、→BOOK-0001『物理学』第1冊(エネルギーと仕事という、電力量を理解するための基礎概念)、→DIC-0008『単位と計測辞典』(アンペア時・ワット時など単位の成り立ち)、→DIC-0009『工具と工作辞典』(テスターなど計測工具の使い方)。
> 水準: 三〜九(電池の種類と公称電圧という基礎から、容量〈mAh・Ah・Wh〉の計算、直列接続による電圧設計、並列接続による容量設計、直並列複合バッテリーパックの設計、内部抵抗と放電特性、そしてリチウム系電池を安全に取り扱うための知識までを扱う。電流・電圧・抵抗の基礎とオームの法則〈水準一・二〉は→BOOK-0300を前提とする)。
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## 入口の物語 — 光ったLEDの、電源側の話
→BOOK-0300で新人技師が組んだLED点灯回路は、単三形乾電池2本(合計3V)と100Ωの抵抗器1個という、ごく小さな回路だった。回路図は読めるようになり、オームの法則で抵抗値も計算できるようになった。先輩に見せると、今度はこう言われた。「回路の設計はよくできている。じゃあ次はこれを、丸一日持ち歩ける道具に組み込んでくれ。電池はどれを何本、どうつなぐ?」
新人技師は言葉に詰まった。抵抗器の値なら計算できる。しかし電池そのものについては、「乾電池は乾電池だろう」という程度の理解しかなかった。先輩はさらに畳みかけた。「アルカリ電池とニッケル水素電池は、同じ単三形でも電圧が違う。電池を2本直列につなぐのと並列につなぐのとでは、何が変わる? もし丸一日ではなく一週間持たせたいと言われたら、電池は何本用意すればいい? そして、もし誰かが『リチウムイオン電池ならもっと長持ちしますよ』と渡してきたら、そのまま同じようにつないでいいのか?」
回路図を読み、抵抗値を計算する力だけでは、この問いには答えられない。電源そのもの――電池が何ボルトで、どれだけの電気を蓄えられ、どうつなげば電圧や容量がどう変わるのか、そしてどの電池がどんな注意を必要とするのか――を知らなければ、せっかく設計した回路に、いのちを吹き込むことができないのである。本冊は、この「回路のもう半分」である電源側の実学を、乾電池からリチウムイオン電池までを対象に、水準三から水準九まで一段ずつ積み上げていく。
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## 第一章: 電池の正体 — 一次電池と二次電池(水準三)
### なぜ「電池の種類」を知る必要があるのか
一口に「電池」と言っても、その中身の化学反応はさまざまであり、化学反応の種類によって、繰り返し使えるかどうか、そして1本あたり何ボルトの電圧を生み出すかが変わってくる。**一次電池(いちじでんち、水準三: 電池内部の化学反応が一方向にしか進まず、使い切ったら再び電気を蓄えることができない電池)**と、**二次電池(にじでんち、水準三: 外部から電気を流し込むことで内部の化学反応を逆向きに進め、繰り返し充電して使える電池)**という大きな区別が、電池を選ぶときの最初の分かれ道になる。
### 代表的な化学系と公称電圧
電池のパッケージや仕様書には、その電池がどれだけの電圧を生み出すかの目安として**公称電圧(こうしょうでんあつ、水準三: 電池の種類ごとに、設計上の基準として定められている電圧の値。実際にテスターで測った電圧は、充電状態や劣化の度合いによってこの値より高くも低くもなる)**が記載されている。代表的な化学系とその公称電圧は次のとおりである。
- **アルカリ乾電池**(一次電池): 公称1.5V。単三形・単四形・単一形などのサイズで広く流通している。
- **リチウム一次電池**(一次電池): 公称3V。腕時計やパソコンのマザーボードに使われる、コイン型のCR2032などが代表例である。
- **ニッケル水素電池**(二次電池): 公称1.2V。単三形・単四形サイズのものが、くり返し充電できる乾電池の代替として広く使われている。
- **鉛蓄電池**(二次電池): 公称2.0V(1セルあたり)。自動車のバッテリーは、この2.0Vのセルを6個直列につないで公称12Vを作り出している。
- **リチウムイオン電池**(二次電池): 公称3.6V〜3.7V(1セルあたり)。同じ「リチウム系」でも、リン酸鉄リチウム(LiFePO4)という化学系は公称3.2V前後と、やや低い電圧になる点に注意が必要である。
同じ「単三形」というサイズであっても、アルカリ乾電池(1.5V)とニッケル水素電池(1.2V)では公称電圧が異なる。回路を設計するときは、サイズだけでなく、この公称電圧の違いを必ず確認しなければならない。
### 化学系ごとの得意分野
化学系が違えば、電圧だけでなく「得意な使われ方」も違ってくる。アルカリ乾電池は、リモコンや時計のように、少しずつ長い時間電流を流し続ける機器に向いている。ニッケル水素電池は、内部抵抗(→第六章で扱う)が比較的小さく、デジタルカメラのフラッシュのように一時的に大きな電流を必要とする機器でも電圧が下がりにくいという特徴がある。鉛蓄電池は、自動車のセルモーターを回すような瞬間的に非常に大きな電流を得意とし、価格の割に大きな容量を作りやすいという長所がある。リチウムイオン電池は、同じ大きさ・重さでもっとも多くのエネルギーを蓄えられるため、スマートフォンやノートパソコンのように「軽く・長時間」が求められる携帯機器で主流になっている。どの化学系を選ぶかは、電圧の計算だけでなく、この「得意分野」も踏まえて決める設計判断である。
### コラム — ボタン電池CR2032は一次電池
パソコンのマザーボードや腕時計によく使われているコイン型のボタン電池、CR2032は、公称3Vのリチウム一次電池である。「リチウム」という名前から、スマートフォンに使われているリチウムイオン電池(二次電池)と同じもののように思われがちだが、CR2032は充電を前提としない一次電池であり、使い切ったら新しいものに交換する。同じ「リチウム」という言葉が、化学系の異なる一次電池と二次電池の両方に使われている点は、実践工学では見分けを間違えやすい落とし穴のひとつである。
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> **定着量の目安(第一章)**: 一次電池・二次電池という区別と、アルカリ乾電池(1.5V)・リチウム一次電池(3V)・ニッケル水素電池(1.2V)・鉛蓄電池(2.0V/セル)・リチウムイオン電池(3.6V〜3.7V/セル)という代表的な化学系の公称電圧を即座に言えるようにするには、電池の種類と公称電圧を当てるドリルを15問程度こなすと、ほぼ完全に定着すると見込まれる。
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## 第二章: 容量という物差し — mAh・Ah・Whの計算(水準四)
### 容量とは何か
電池が何ボルトかがわかっても、それだけでは「どれだけ長く使えるか」はわからない。そこで必要になるのが**容量(ようりょう、水準四: 電池がどれだけの電気の量を蓄えられるかを表す量。単位はアンペア時〈Ah〉、または1000分の1のミリアンペア時〈mAh〉が使われる)**という物差しである。1Ahは1000mAhに等しい。
容量と、実際に取り出す電流がわかれば、その電池がおよそ何時間使えるかを計算できる。
```
放電時間(h) = 容量(Ah) ÷ 放電電流(A)
```
### 検算1 — 2000mAhの電池を0.5Aで使い続けたら何時間もつか
容量2000mAh(=2Ah)の電池を、0.5A(500mA)の電流を流し続ける機器で使う場合を考える。
```
放電時間 = 2Ah ÷ 0.5A = 4時間
```
同じ2000mAhの電池でも、流す電流を0.1A(100mA)に減らせば、使える時間は次のように延びる。
```
放電時間 = 2Ah ÷ 0.1A = 20時間
```
流す電流を5分の1に減らすと、使える時間はちょうど5倍に延びている。「容量は同じでも、取り出す電流が少ないほど長持ちする」という、容量計算のもっとも基本的な感覚である。
### C-レートという表し方
電池の世界では、充放電に使う電流の大きさを、アンペア(A)の実数値ではなく、その電池自身の容量に対する比率で表すことがよくある。この表し方を**C-レート(シーレート、水準四: 電池の容量に対する充放電電流の比率を表す単位。「1C」は、その電池の容量分の電流を1時間で使い切る、または満たす大きさの電流を意味する)**と呼ぶ。
```
1Cの電流(A) = 容量(Ah)
```
容量2000mAh(2Ah)の電池であれば、1Cは2A、0.5Cは1A、2Cは4Aという電流を意味する。検算1で使った0.5A(500mA)という電流は、この2000mAh電池にとっては0.25Cに相当する。C-レートを使うと、容量の異なる電池どうしでも「その電池にとってどれだけ負荷の大きい使い方か」を、容量の実数値に左右されずに比較できる。
### 電力量(Wh)という第三の物差し
電圧の異なる電池同士を比べるときには、容量(Ah・mAh)だけでは比較がしづらい。そこで使われるのが**電力量(でんりょくりょう、水準四: 電池が蓄えているエネルギーの総量。電圧と容量〈Ah〉の掛け算で求められ、単位はワット時〈Wh〉)**である。
```
電力量(Wh) = 電圧(V) × 容量(Ah)
```
### 検算2 — 3.7V・2000mAhのリチウムイオン電池のエネルギー量
公称電圧3.7V、容量2000mAh(2Ah)のリチウムイオン電池1本が蓄えているエネルギー量を計算する。
```
電力量 = 3.7V × 2Ah = 7.4Wh
```
同じ2000mAhでも、公称1.2Vのニッケル水素電池では電力量が次のように変わる。
```
電力量 = 1.2V × 2Ah = 2.4Wh
```
同じ「2000mAh」という容量表示であっても、電圧の高いリチウムイオン電池のほうが、蓄えているエネルギー量そのものは大きい。電池を比較するときは、mAhという数字だけでなく、電圧と掛け合わせたWhという物差しで見ることが、実践工学では欠かせない。
### コラム — 100Whという境界線: 電力量(Wh)が空港で意味を持つとき
モバイルバッテリーの側面には、mAhだけでなくWh表示が印刷されていることが多い。これは単なる仕様表示ではなく、実際に旅行の場面で意味を持つ数字である。多くの航空会社では、機内に持ち込める予備のリチウムイオン電池(モバイルバッテリーなど)について、電力量がおおむね100Wh以下のものは特別な許可なしに持ち込め、100Whを超えて160Wh以下のものは航空会社の事前承認が必要、160Whを超えるものは旅客機への持ち込み自体が認められない、という区分を設けているとされる。具体的な基準値は航空会社や国によって細部が異なることがあるため、実際に利用する際は搭乗する航空会社の最新の規定を確認する必要があるが、「電圧×容量=Wh」という第二章の計算式が、荷物検査という現実の場面でそのまま使われている好例である。
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> **定着量の目安(第二章)**: `放電時間 = 容量(Ah) ÷ 放電電流(A)`と`電力量(Wh) = 電圧(V) × 容量(Ah)`という二つの式を即座に使えるようにするには、容量とmAh・Ah・Whの換算計算ドリルを10問程度こなすと、水準四の内容がほぼ完全に定着すると見込まれる(本章の10問は、次章以降の直並列ドリル30問と合わせて、カタログの「容量計算・直並列ドリル40問」を構成する)。
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## 第三章: 直列接続の設計 — 電圧を足す(水準五)
### 電池を一列につなぐと電圧が足し算になる
複数の電池を、プラス極とマイナス極を順番につないでいく方法を**直列接続(ちょくれつせつぞく、水準五: 電池を一列につなぎ、それぞれの電圧を足し合わせて、より高い電圧を作り出す接続方法)**と呼ぶ。直列につないだ電池全体の電圧は、それぞれの公称電圧を単純に足し算した値になる。
```
合計電圧 = V1 + V2 + V3 + …
```
ここで注意したいのは、→BOOK-0300第三章で扱った「抵抗器の直列接続」との違いである。抵抗器を直列につなぐと合成抵抗が足し算で増えたのに対し、電池を直列につないでも容量(mAh)は増えない。容量は、直列につないだ電池のうち1本分の値のまま変わらない。直列接続で足し算になるのは、あくまで電圧だけである。
### 検算3 — ニッケル水素電池4本を直列につなぐ
公称電圧1.2V、容量2000mAhのニッケル水素電池4本を直列につないだ場合を考える。まず合計電圧を求める。
```
合計電圧 = 1.2V + 1.2V + 1.2V + 1.2V = 4.8V
```
このとき、4本の電池パック全体の容量は、4本分を足し算した8000mAhにはならず、1本あたりの容量と同じ2000mAhのままである。直列につないだ電池には、どの電池にも同じ大きさの電流が流れる(→BOOK-0300第三章の直列回路の性質と同じ)ため、電流を送り出せる量そのものは1本分にとどまるからである。
```
合計電圧 = 4.8V、合計容量 = 2000mAh(1本分のまま)
```
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> **定着量の目安(第三章)**: `合計電圧 = V1 + V2 + …`という式と、「直列接続では容量は1本分のまま変わらない」という性質を身につけるには、電池2〜6本の直列接続による電圧計算ドリルを10問程度こなすと、水準五の内容がほぼ完全に定着すると見込まれる。
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## 第四章: 並列接続の設計 — 容量を足す(水準六)
### 電池を並べてつなぐと容量が足し算になる
複数の電池を、プラス極同士・マイナス極同士をそれぞれつなぐ方法を**並列接続(へいれつせつぞく、水準六: 電圧が等しい電池どうしを並べてつなぎ、それぞれの容量を足し合わせて、より大きな容量を作り出す接続方法)**と呼ぶ。並列につないだ電池全体の電圧は変わらず、容量だけが足し算になる。
```
合計容量 = 容量1 + 容量2 + …(電圧は変わらない)
```
### 検算4 — アルカリ乾電池2本を並列につなぐ
公称電圧1.5V、容量2000mAhのアルカリ乾電池2本を並列につないだ場合を考える。
```
合計容量 = 2000mAh + 2000mAh = 4000mAh、合計電圧 = 1.5V(変わらない)
```
容量が2倍の4000mAhになったことで、同じ電流を流し続けたときに使える時間も、検算1の式に当てはめれば2倍に延びることがわかる。
### よくある誤解 — 「並列につなぐと電圧も容量も両方増える」という思い込み
直列接続で電圧が増えることを学んだあとに並列接続を計算すると、「電池を2本使うのだから、電圧も容量も両方増えるはずだ」と思い込んでしまうことがある。しかし検算4で確かめたとおり、並列接続で増えるのは容量だけであり、電圧は1本のときと変わらず1.5Vのままである。電圧が増えるのは直列接続、容量が増えるのは並列接続、という対応関係を取り違えないことが、電源設計の基本動作になる。
### 設計上の注意 — 電圧が異なる電池を並列につながない
並列接続は、必ず公称電圧が等しい電池どうしで行う。もし公称電圧の異なる電池(例えば1.5Vのアルカリ乾電池と1.2Vのニッケル水素電池)を並列につないでしまうと、電圧の高い電池から低い電池へ向かって、設計されていない電流が流れ込んでしまう。この種の組み合わせ方は、本冊の対象である低電圧の乾電池・充電池であっても避けるべき設計上の誤りであり、電池を並列に組み合わせるときは、種類・容量・充電状態(できるだけ同程度に揃えたもの)をそろえることが実践工学の基本である。
### コラム — 水タンクのたとえで直列と並列を思い出す
→BOOK-0005で電流・電圧・抵抗を説明するのに使われた「水の流れ」のたとえは、電池の直列・並列を思い出すときにも役立つ。電池を、水を押し出すポンプを備えた水タンクだと考えてみよう。直列接続は、このタンクを縦に積み重ねる操作に近い。積み重ねた高さの分だけ水を押し出す圧力(電圧)が強くなるが、タンク1個分の水の量(容量)そのものは増えない。一方、並列接続は、タンクを横に並べてホースでつなぐ操作に近い。押し出す圧力(電圧)は1個のタンクのときと変わらないが、使える水の総量(容量)はタンクの数だけ増える。「縦に積めば圧力(電圧)、横に並べれば水量(容量)」という対応づけを覚えておくと、直列・並列のどちらで何が増えるかを混同しにくくなる。
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> **定着量の目安(第四章)**: `合計容量 = 容量1 + 容量2 + …`という式と、「並列接続では電圧は変わらない」という性質、そして「電圧が異なる電池は並列につながない」という設計上の注意を身につけるには、電池2〜4本の並列接続による容量計算ドリルを10問程度こなすと、水準六の内容がほぼ完全に定着すると見込まれる。
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## 第五章: 直並列複合バッテリーパックの設計 — nSmP表記(水準七)
### 二つのつなぎ方を組み合わせる
実際に市販されているバッテリーパック(電動工具やモバイルバッテリー、電動アシスト自転車などの電池パック)の多くは、直列接続と並列接続を組み合わせた**直並列複合バッテリーパック(ちょくへいれつふくごうバッテリーパック、水準七: 複数の電池を、まず直列につないで電圧を高め、その直列の組をさらに並列につなぐことで容量も増やした電池パック)**という構成をとっている。この構成は、電池が何本、どうつながれているかを表す**nSmP表記(水準七: 「n本を直列」「m組を並列」の頭文字を組み合わせて、バッテリーパックの構成を短く表す表記法。例えば「3S2P」は、3本を直列につないだ組を2組、並列につないだ構成を表す)**で表される。
### 検算5 — 3.7V・2000mAhのリチウムイオン電池を3S2Pで組む
公称電圧3.7V、容量2000mAhのリチウムイオン電池を、3本直列(3S)にした組を2組、並列(2P)につないだ「3S2P」構成(電池は合計6本)を考える。まず直列部分(3S)で合計電圧を求める。
```
合計電圧 = 3.7V + 3.7V + 3.7V = 11.1V
```
次に、この3本直列の組を2組並列につなぐことで、合計容量を求める。
```
合計容量 = 2000mAh + 2000mAh = 4000mAh(4Ah)
```
最後に、この3S2Pバッテリーパック全体が蓄えているエネルギー量を、第二章の式で求める。
```
合計電力量 = 11.1V × 4Ah = 44.4Wh
```
電池6本を「3本直列×2組並列」につなぐだけで、1本あたり3.7V・2000mAh(7.4Wh)だった電池が、11.1V・4000mAh(44.4Wh)というバッテリーパックに組み上がる。7.4Whの6倍がちょうど44.4Whになっていることからも、直並列という組み合わせが、電圧と容量それぞれの足し算を正しく積み重ねた結果であることが確かめられる。
電動アシスト自転車や電動工具、モバイルバッテリーの内部を分解した写真がインターネット上で紹介されることがあるが、そこに並んだ電池セルの多くは、この3S2Pのような直並列複合の構成をとっている。何本のセルが、何本ずつ直列で、何組並列になっているかを見分けられるようになると、市販の製品カタログに書かれた電圧・容量の仕様が、どのようなセルの組み合わせから作られているかを逆算できるようになる。
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> **定着量の目安(第五章)**: nSmP表記の読み方と、「まず直列部分で電圧を求め、次に並列部分で容量を求める」という直並列複合バッテリーパックの設計手順を身につけるには、nS・mPの組み合わせを変えた設計ドリルを10問程度こなすと、水準七の内容がほぼ完全に定着すると見込まれる(第二章10問・第三章10問・第四章10問・本章10問を合わせて、カタログの「容量計算・直並列ドリル40問」を構成する)。
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## 第六章: 内部抵抗と放電特性(水準八)
### 電池の中にも抵抗がある
ここまでの計算では、電池の電圧は公称電圧のまま一定であるとして扱ってきた。しかし実際の電池は、内部に**内部抵抗(ないぶていこう、水準八: 電池自身が持っている、電流の流れをわずかに妨げる抵抗成分。電流を取り出すほど、電池の端子に実際に現れる電圧が公称電圧より下がる原因になる)**という小さな抵抗を持っている。電池から電流を取り出しているときの実際の電圧(端子電圧)は、次の式で表される。
```
端子電圧 = 公称電圧 − (取り出す電流 × 内部抵抗)
```
### 検算6 — 内部抵抗0.1Ωの電池から2Aを取り出す
公称電圧3.7V、仕様書に内部抵抗0.1Ωと記載されているリチウムイオン電池から、2A(2000mA)の電流を取り出す場合を考える。
```
端子電圧 = 3.7V − (2A × 0.1Ω) = 3.7V − 0.2V = 3.5V
```
取り出す電流が大きいほど、内部抵抗による電圧降下も大きくなり、端子電圧は公称電圧より下がる。同じ電池から4Aを取り出すと、電圧降下はさらに次のように大きくなる。
```
端子電圧 = 3.7V − (4A × 0.1Ω) = 3.7V − 0.4V = 3.3V
```
内部抵抗は、電池の種類や劣化の度合い、そして気温によって変化する値であり、本章の検算はあくまで「仕様書に書かれた特定の値を使った設計例」であることに注意する。特に気温が低い環境では、電池内部の化学反応の進みが遅くなることで内部抵抗が大きくなる傾向があり、真冬の屋外でスマートフォンの表示上の残量が急に減って見えることがあるのは、この低温による内部抵抗の増加(それにともなう端子電圧の低下)が一因とされる。実際の内部抵抗は、テスターと既知の負荷を使った実測(→DIC-0009参照)によって確かめるのが望ましい。
### 放電カーブとカットオフ電圧
電池を使い続けると、電圧は一定のまま急に0になるのではなく、緩やかに下がりながら、使い切る直前になって急激に落ち込むという曲線を描く。この電圧の変化を表したものを**放電カーブ(ほうでんカーブ、水準八: 電池を放電させ続けたときに、時間の経過とともに電圧がどう変化するかを表したグラフ)**と呼ぶ。過放電(電圧が下がりすぎるまで使い続けること)は電池の寿命を縮め、リチウムイオン電池では特に劣化を早める原因になるとされ、多くの民生用リチウムイオン電池の保護回路は、およそ2.5V〜3.0V付近を下限(**カットオフ電圧**、水準八: それ以上電圧が下がると電池を保護するために放電を止める、あらかじめ定められた電圧の下限値)に設定しているとされる。
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> **定着量の目安(第六章)**: `端子電圧 = 公称電圧 − (電流 × 内部抵抗)`という式と、放電カーブ・カットオフ電圧という考え方を身につけるには、内部抵抗による電圧降下の計算ドリルを15問程度こなすと、水準八の内容がほぼ完全に定着すると見込まれる。
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## 第七章: リチウム系電池を安全に取り扱う(水準九)
### なぜリチウム系電池だけ特別に扱うのか
第一章で触れたとおり、リチウムイオン電池を含む**リチウム系電池**は、アルカリ乾電池やニッケル水素電池と比べてエネルギー密度(同じ大きさ・重さでどれだけのエネルギーを蓄えられるかの度合い)が高く、小型・軽量でありながら長時間使える電源として広く普及している。しかしその高いエネルギー密度は、扱いを誤ったときに解放されるエネルギーも大きいことを意味する。損傷・過充電・過放電・高温放置などをきっかけに、内部で連鎖的な発熱反応が起きる**熱暴走(ねつぼうそう、水準九: リチウムイオン電池が損傷や異常な使用条件をきっかけに、内部で発熱と反応がさらなる発熱を呼ぶ連鎖反応を起こし、最終的に発火や破裂に至ることがある現象)**が広く知られており、これがリチウム系電池に専用の安全知識を必要とする理由である。
### 保護回路(BMS)の役割
市販のリチウムイオン電池パックの多くには、**保護回路(ほごかいろ、水準九: 過充電・過放電・過電流・短絡〈ショート〉といった異常な状態を検知し、自動的に電流を遮断して電池を保護する電子回路。バッテリー・マネジメント・システム〈BMS〉とも呼ばれる)**が内蔵されている。第六章で触れたカットオフ電圧の管理も、この保護回路が担っている役割の一つである。本冊は、この保護回路そのものを自作する回路設計は範囲外とし、既製の保護回路つきバッテリーパックを前提として扱う。
### してはいけないことの一覧
以下は、リチウム系電池を安全に使うために避けるべき事柄の一覧である。いずれも本冊の安全枠(§16.18)にもとづき、危険な作業の手順ではなく「何をしてはいけないか」という禁止事項として示す。
- 針で刺す・強く圧迫する・分解するなど、電池のパッケージを物理的に損傷させないこと。
- 電池のプラス極とマイナス極を金属で直接つなぐ(ショートさせる)ことを絶対にしないこと。
- 電池に対応していない充電器や、専用でない充電器を使わないこと。
- 炎天下の車内やストーブのそばなど、高温になる場所に電池を放置しないこと。
- 氷点下に近いような低温環境で充電しないこと(低温での充電はリチウムイオン電池の内部で望ましくない反応が起きやすくなるとされ、多くの機器が低温時には自動的に充電を制限する設計になっている)。
- 電池のパッケージが膨らんでいるのを見つけたら、それ以上使用せず、自治体や販売店の回収ルールに従って処分すること(膨らみは内部でガスが発生しているサインとされる)。
### コラム — 使用済み電池の回収と法規
使用済みの充電式電池(ニッケル水素電池・リチウムイオン電池など)は、家庭ごみとして捨てず、家電量販店などに設置されている充電式電池の回収ボックスに出すことが、資源の再利用と安全な処分の両面から推奨されている。また日本国内では、電気用品安全法という法律にもとづき、対象となるリチウムイオン蓄電池には**PSEマーク**(電気用品安全法に定める基準を満たしていることを示す表示)を付けることが義務づけられているとされ、リチウムイオン蓄電池は2008年ごろにこの規制の対象品目に追加されたとされる。なお、商用のリチウムイオン電池そのものは、ソニーが1991年に世界に先駆けて商用化したとされる、比較的新しい二次電池である。航空機や船舶でリチウム電池を輸送する場合には、国連が定める試験基準(UN38.3)に合格した電池だけが輸送を許可されるとされ、身の回りの電池ひとつにも、こうした国際的な安全規格が関わっている。
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> **定着量の目安(第七章)**: 熱暴走・保護回路(BMS)・カットオフ電圧という仕組みの理解と、「してはいけないことの一覧」5項目、そして膨らみ=使用中止のサインという判断を即座にできるようにするには、リチウム系電池の安全知識チェックリストを10問程度、繰り返し自問自答すると、水準九の内容がほぼ完全に定着すると見込まれる。
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## 三つの実践解(§16.21) — 低電圧でできる電源実験
理論と計算を、実際に手を動かして確かめる方法を三つ紹介する。いずれも市販の乾電池・充電池とテスターだけで完結する、安全な実践解である。
1. **ラベル読み取り実践**: 手元にあるアルカリ乾電池・ニッケル水素電池・モバイルバッテリーなどのパッケージや本体に印刷されている、公称電圧(V)・容量(mAh・Ah)・電力量(Wh)の表示を読み取り、第一章・第二章の式を使って、電圧×容量がだいたいの電力量と一致するかどうかを確かめる。あわせて、リチウムイオン電池を使った製品にPSEマークが表示されているかどうかも見比べてみる。
2. **直列・並列の電圧実測実践**: 同じ種類の乾電池2本と、テスター(→DIC-0009参照)を用意し、まず2本を直列に、次に並列につないで、それぞれの端子電圧をテスターで測定する。直列につないだときは電圧がほぼ2倍になり、並列につないだときは電圧が1本のときとほぼ変わらないことを、実際の測定値で確かめる、第三章・第四章の理論の検算実践である。
3. **内部抵抗による電圧降下の体感実践**: 使い始めたばかりの乾電池と、ある程度使い込んだ乾電池を用意し、それぞれについて、無負荷時(何もつながない状態)の電圧と、既知の抵抗器(→BOOK-0300参照)をつないで電流を流した状態での電圧をテスターで測定して比較する。使い込んだ電池のほうが、負荷をかけたときの電圧の下がり方が大きい傾向を確かめられれば、第六章で学んだ内部抵抗の増加を、自分の手で実測したことになる。
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## まとめ — 電圧を選び、容量を積み、安全を守る
本冊では、光ったLEDの「電源側」を問われて言葉に詰まった新人技師の物語から出発し、一次電池・二次電池という区別と代表的な化学系の公称電圧(第一章)、mAh・Ah・Whによる容量とエネルギー量の計算(第二章)、直列接続による電圧の設計(第三章)、並列接続による容量の設計(第四章)、直並列複合バッテリーパックのnSmP設計(第五章)、内部抵抗と放電特性による端子電圧の変化(第六章)、そしてリチウム系電池を安全に取り扱うための知識(第七章)までをたどってきた。
電池の種類と公称電圧を見分けられるようになり、mAh・Ah・Whという物差しで容量とエネルギーを計算できるようになり、直列・並列・直並列複合という組み合わせ方を自分で設計できるようになり、内部抵抗という現実の誤差要因を計算に織り込めるようになり、最後にリチウム系電池特有の危険性と安全な取り扱い方を身につける――この一直線の積み上げこそが、「回路にいのちを吹き込む、もう半分」である電源側の実学である。すべての計算・実践は、市販の完成品の電池・バッテリーパックを対象とし、自作の電池パック組立や損傷した電池の修理・改造という危険工程には一切踏み込まない。
回路図を読み、抵抗値を計算する力(→BOOK-0300)と、電池の種類・容量・接続を設計する力(本冊)がそろって、初めて「電源を入れたら、狙いどおりに、狙った時間だけ動く」道具を最初から最後まで自分の手で設計できるようになる。冒頭で先輩に問い詰められた新人技師が、次に同じ質問をされたときは、電圧・容量・接続方式・安全上の注意という四つの観点を、迷わず順番に答えられるようになっているはずである。
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## 章末: バッテリーパック構成図とまとめの階段図
まずは第五章で設計した3S2Pバッテリーパックを、ASCII図で表してみよう。
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[3.7V]-[3.7V]-[3.7V] ← 3本直列(3S) = 11.1V の組
‖ ‖ ‖
[3.7V]-[3.7V]-[3.7V] ← もう1組を並列(2P)接続
関係式: 合計電圧 = 3.7V×3 = 11.1V
合計容量 = 2000mAh×2 = 4000mAh(4Ah)
合計電力量 = 11.1V × 4Ah = 44.4Wh
```
続いて、本冊全体の歩みを階段図としてまとめる。
```
[水準九] リチウム系電池の安全な取り扱い
熱暴走・保護回路(BMS)・してはいけないことの一覧
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│ 危険性を知り、安全に扱う
[水準八] 内部抵抗と放電特性
端子電圧 = 公称電圧 − (電流×内部抵抗)(検算6: 3.5V)
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│ 現実の電圧降下を織り込む
[水準七] 直並列複合バッテリーパック
nSmP表記(検算5: 3S2P = 11.1V・4000mAh・44.4Wh)
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│ 二つのつなぎ方を組み合わせる
[水準六] 並列接続
合計容量 = 容量1 + 容量2 + …(検算4: 4000mAh)
▲
│ 道を増やして容量を積む
[水準五] 直列接続
合計電圧 = V1 + V2 + …(検算3: 4.8V)
▲
│ 一列につないで電圧を積む
[水準四] 容量とmAh・Ah・Wh
放電時間=容量÷電流、電力量=電圧×容量(検算1・検算2)
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│ 「どれだけ長く使えるか」を数値化する
[水準三] 電池の種類(一次電池・二次電池・公称電圧)
化学系という共通言語を読む
安全枠: 市販の完成品電池・パックに限定。自作パック組立・分解・損傷電池の修理は範囲外。
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## 参照文献(定番教科書・一般規格)
1. 基礎電気回路・電池工学の標準的教科書(大学初年次・高等専門学校向けに広く使われている、一次電池・二次電池の化学系、容量とエネルギー量、内部抵抗を扱う定番の入門教科書群)。
2. 国際電気標準会議(IEC)61960規格(ポータブル機器用アルカリ・非酸性電解液リチウム二次電池の要求事項を定める規格)、および日本産業規格(JIS)C 8712(リチウム二次電池の安全性要求事項を定める規格)。
3. 電気用品安全法(通称PSE法)、および経済産業省が公表する対象品目・PSEマークに関する公的な制度資料。
4. 国際連合『危険物輸送に関する勧告(モデル規則)』第III部38.3節(リチウム電池の輸送試験基準、通称UN38.3)。
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（本冊子は現代学問宇宙図鑑シリーズ BOOK-0310。応用の軌道ステーション群・工学分野・実践工学シリーズ(通し番号0310・電池と電源の実学)。→BOOK-0300『回路の読み方と設計』第1巻、→BOOK-0301『電子工作の実践』第1巻と接続する。GAKUMON_UNIVERSE.md 進捗台帳・CATALOG_実践工学シリーズ.mdを参照。）
# BOOK-0310 実践工学: 電池と電源の実学 — 回路にいのちを吹き込む「もう半分」