【解説：バッテリーの種類と充電方式】

はじめに

　バッテリー（鉛蓄電池）には様々な種類があり、選定に迷うこともありますが、最も重要な点としてシステムに対して適切な容量（アンペアアワー）であることがバッテリーを長持ちさせ、ランニングコストの低減にもつながります。　仮に必要な電力使用量を満たしていたとしても、少ない容量のバッテリーを深く放電する状態が繰り返されるとバッテリーの寿命は加速度的に短くなります。　逆に過大な容量のバッテリーは充電終止（満充電）状態に至るまで長い時間を要するため、バッテリーの電極が常に放電状態に晒される結果となり、やはり性能の低下を引き起こす可能性もあります。ここではバッテリーの寿命に重点を置いた種類ごとの特徴と充電方式について解説します。

１．ベント式

　開放式、非密閉式、補水式、液式、湿式(wet-cell)、flooded type等々、他の方式と対比して様々な呼称がありますが、歴史的に最も基本的な方式であり、現在も自動車用バッテリーの標準でもあります。　その一番の特徴は充電に伴い発生するガス（気体状の水素及び酸素）を大気に放出する構造、即ち密閉されない構造を取ることがあげられます。　本来、鉛蓄電池の充放電に伴う化学反応式には水素等の気体が発生する化学反応は存在しません。実は充電が終了してバッテリー内で蓄えられる化学反応を全て使い切った状態でさらに充電を続けると、バッテリー液（希硫酸）中の水が電気分解を起こすことによって電気エネルギーを消費している状態が、ガスの発生状態なのです。

　言い換えれば水を電気分解して電気エネルギーを水素と酸素の状態に蓄えているとも言えますが、大気中に放出することによってエネルギーを解放している状態とも言えます。しかも放出されたガスの分だけ電解液中の水を失うことになり実に無駄の多いことと思われるかも知れませんが、ベント式バッテリーにとってこのガス化の過程には重要な役割があります。　そのひとつは、均等化充電と称するセルごとの充電量のバラつきをバランスさせるため、充電が早く終了したセルはガス化により電気エネルギーを放出しながら他の充電が終了していないセルに電流を流し続ける役割りがあります。　バッテリーは鉛蓄電池に限らず充放電を繰り返すうちにセルごとの充電バランスが少しずつ崩れてきます。そのまま放置すると充電完了は充電量の多いセルに制限され、放電容量は最も充電量の少ないセルに支配されるばかりか、充電量の多いセルに逆充電され、劣化を早めてしまいます。　これを防止するために均等化充電によってセルごとの充電量の再バランスを取ります。参考までにリチウムイオン電池の場合、セルバランスの崩れは致命的な事故を起こす要因となるため、高度な電子回路（セルバランサー）によって常に監視、均等化を行う対策が取られます。

　もうひとつガス化に伴う重要な役割りとして、電解液の攪拌作用があります。　電極の構造や形状により反応が早く進む部分とゆっくりと反応する部分があり、反応に伴い液の濃度（比重）に濃い部分と薄い部分とに分離する傾向があるため、これをガスの気泡により攪拌する作用があると言われます。　特に太陽電池充電システムのような定置式のバッテリーには重要な働きとも言えます。　ちなみに自動車のバッテリーは走行に伴う揺れによって電解液の攪拌が行われるため、定電圧充電方式と呼ばれるガス化を伴わない充電方式が採用されています。

　ここで自動車用バッテリーの特性について少し触れてみます。　自動車のバッテリーにはエンジンを始動するための重要な役割があり、セルモーターの消費電流は車種にもよりますが数百アンペアの電流をバッテリーから瞬時に放電します。ただし放電時間は数秒で済むためバッテリーの特性は放電容量（仕事量）よりも出力容量(仕事率）を重視した構造を取ります。　具体的には電極の反応表面積を増すため、電極材を微粒子化したり導電性の良い合金が使われたりします。その結果として深放電に対する耐久性に犠牲を伴います。　定電圧充電方式はガス化を伴わないため、補水等のメンテナンスの負担を軽減する効果はありますが、均等化充電が行われないためバッテリーの寿命はあまり期待できないとも言えます。　ただし自動車のバッテリーは出力容量が大きいが故、急速充電にも耐える特性によりエンジンの始動と共には直ちに充電され、走行中は常にフル充電状態を保つことにより、ライトの消し忘れ等が無い限り通常の使用状態では深放電は起こり得ないため、定電圧充電方式に適しているとも言えます。さらにレギュレータの電子化に伴う充電電圧の精密な管理や温度補正・パルス充電等により、昔に比べるとバッテリーの持ちは良くなって来ているようにも思えます。

２．密閉式

　バッテリーの電極に使われる鉛は金属の中でも特に軟らかく変形しやすいため、強度を増すためにベント式バッテリーの電極には鉛とアンチモンとの合金が使われます。　アンチモンを含むことにより自己放電が起こりやすく、規定の充電電圧で充電した場合にも電解液のガス化が発生しやすくなります。

　そこで、アンチモンの代わりにカルシウム及びスズなどの合金を用いることにより自己放電を抑えガス化が起こり難くなります。　さらに発生した水素と酸素が気体分子になる前に電極の表面に吸収され再び水に戻す作用があります。　この性質を使って補水を不要としたのがメンテナンスフリーバッテリーです。　ガス化が起こらなければ密閉構造にすることも可能ですが、もし充電器の故障や誤った充電により電気分解によるガスが発生すると、密閉された容器が内圧に耐え切れず爆発を起こす危険性を伴います。　そこで、内圧がある程度上昇した場合に安全にガスを放出する安全弁を備えた、制御弁式(VRLA:Valve Regulated Lead Acid)バッテリーが登場しました。

　密閉構造により危険な水素ガスや希硫酸が漏れ出す心配が無くなり、バイクなど転倒の可能性のある用途に使われる他、無停電電源装置（UPS）や無人観測所・中継所等のメンテナンスの負担を軽減する目的に多く使用されます。　補水が“不要”であることと同時に“不可能”であることにも注意しなければなりません。もし過充電によって電解液が失われた場合には再び使用することは不可能となります。　充電時の温度管理も重要な点です。バッテリーの開放電圧は電解液の濃度に比例しますが、温度が上がると電解液の体積が膨張して濃度が下がり、開放電圧も下がります。　また、温度が上がると充電に必要な化学反応の閾値が下がり、より低い電圧で充電反応が進行します。　さらに発生した水素と酸素が水に戻る際に蓄えられたエネルギーを熱として解放するため、温度上昇が加速されます。　このため、複数の密閉式バッテリーを並列接続した場合、充電が早く終了したバッテリーの温度上昇と開放電圧の低下により、充電が完了していないバッテリーに充電電流が流れ難くなる傾向があり、さらに充電を続けると充電が終了したバッテリーが過充電と温度上昇により劣化する可能性があります。　またベント式のようにガス化によりエネルギーを解放しながら均等化充電を行うことは不可能なため、セルのバラつきが生じると劣化がすぐに進行します。

　ここで話をベント式に戻しますが、補水の頻度を減らすため、発生した気体の水素を酸化触媒を使って水に戻すための触媒栓と呼ばれるフタを注水口に取り付ける場合があります。ところが水素と酸素が結合する際にやはり熱が発生するため、均等化充電を行う際には取り外して使うことが原則となっています。

　かなり私見をはさみますが、海外から輸入される高性能を謳ったバッテリーは密閉式が多数を占めています。　実はベント式にも優れた製品が海外に多く存在しますが、輸送上の制約からあまり輸入されないのでしょう。そのためか密閉式＝高性能といった概念が数多く見受けられます。　非常用電源や産業用機器の多くにベント式が用いられているのは、メンテナンスを上手に行えば長期に渡り高い信頼性を維持できるからに他なりません。　メンテナンスフリーであることとバッテリーの寿命が長いことは必ずしも関係しない点に注意が必要です。

　これらを考慮し、適切な用途に正しく使ってはじめてメンテナンスフリーと密閉性のメリットが生かされることをあえて付け加えておきます。

・ゲル(Gel)式
・AGM(Absorbed Glass Mat)式

　密閉式（制御弁式）バッテリーは電解液の保持形態によりゲル式とAGM式が主流を占めます。　両方式に共通する特徴として、ベント式のような電解液の流動性が無く電極間に保持されているため、液量が少ない代わりに高めの濃度になっています。　ゲル式とAGM式の違いは、ゲル式は電解液を増粘材（Fumed silica:微細な酸化ケイ素の粉末など）と混ぜ合わせてゼリー状に固めて使用しているのに対し、AGM式の場合はマット状のガラス繊維に電解液を滲み込ませています。　これにより制御弁が開いても電解液の希硫酸が漏れ出す危険が少なくなる点と、バッテリーを横に倒した状態でも使用可能になるなど、バイクのような搭載スペースに制限のある用途にも配置の自由度が増すなどの利便性があります。　もう一つ重要な役割りとしてゲル状電解液またはガラス繊維が電極板に密着・保持する働きにより、充放電に伴う電極材の膨潤を抑制すると共に劣化した電極材が脱落することによる二次的な損傷を防ぐ効果があるとも言われています。

　両方式とも発展段階でもあり、メーカーごとに特徴を表に出し易いと共に、特性や信頼性の差も大きいとも言えます。長期試験に基づく詳細な特性や他の方式に劣る点を明確にしていない場合など、選定には注意が必要です。

一部下記サイトの資料を基に解説しています。
http://www.mkbattery.com/images/VRLA_TechManual.pdf

・純鉛式

　合金を用いる方法以外に鉛電極の変形を防ぐためにシート状の鉛電極に電解液を滲み込ませたガラス繊維のシートを重ねてロール状に巻き取ることにより、純粋な鉛で蓄電池を作る方式があります。　セル単体は円筒形の乾電池を大きくしたような形状で、断面が渦巻状になるためスパイラル式とも呼ばれます。　ロール形状の他に、ケースを補強することにより板状のシートを積層する方式もあります。合金電極の場合は網目状の電極に粒子状の電極材を練り固め、電解液に接する表面積を稼ぎますが、純鉛式はシート状の電極を可能な限り薄く広くすることにより表面積を稼ぎます。　カルシウム合金と同様に自己放電が少なく電解液のガス化が起こり難いため密閉式（制御弁式）として使用されます。　特性的にはAGM式に分類でき、内圧を高めることによりガス化の抑制及び水への還元促進が行われます。

３．充電方式

　太陽電池によるバッテリーの充電はAC充電器による充電と基本的に共通する部分と、太陽電池システム特有の制御が必要な部分があります。　初期のシンプルな充電方式には充電コントローラを使わずに逆流防止ダイオードのみでバッテリーの充電を行うことが一般的でした。　実はシリコン結晶系の太陽電池とベント式鉛蓄電池は相性が良く、バッテリーの放電深度が深く端子電圧が低いほど太陽電池の出力電流が大きく、充電が進むに従い充電電流が下がり、太陽電池の開放電圧まで上昇すると充電電流は殆ど流れなくなります。　さらにバッテリーと太陽電池共に、温度が上がるほど開放電圧が下がる温度特性を持つため、特別な温度補正無しにある程度最適な充電状態が維持できる点は特筆すべき特性と言えます。　しかし太陽電池の性能やバッテリーの多様化等に伴いより信頼性のある充電方式が求められ、単純な電圧監視によるリレー制御式からアナログ制御、PWM制御等に移行して来ました。　この点はAC充電器にも共通し当初はトランスの鉄心に間隙を有し、漏れインダクタンスによる電流制限特性を利用したテーパー充電式の充電器が主流でしたが、定電圧定電流（CVCC）電源方式、スイッチング電源方式へと変遷しています。これらもバッテリー特性の多様化に対応した結果とも言えます。

・リレー制御式

　現在ほとんど見かけることはありませんが、スイッチング素子(MOSFET等）のON抵抗による電力損失および発熱を低減する目的で特に大電流のシステム向けに水銀リレーを使用した製品が存在します。
http://www.flexcharge.com/flexcharge_usa/products/nchc/nchc.htm
　本来は過充電を防ぐ目的でバッテリーの充電電圧が一定値を越えた時点でリレーをOFFする動作が基本ですが、敢えて短時間の過充電をその電圧上昇率に基づき繰返し制御することによってバッテリーに負担を掛けずに均等化充電を行なっています。　原理的にはPWM充電制御に近いとも言えますが、メカニカルリレーで有るが故に周期の長いPWM制御方式とも言えます。

・電流制限（定電流・バルク・Bulk）充電

　充電の初期段階は制御方式に関わらずほぼ全ての充電方式において電流制限を行います。　ただし太陽電池システムの場合、電流制限を行う主体はコントローラではなく、太陽電池そのものの電流特性によって制限されます。　従って充電コントローラを選定する際には太陽電池の短絡電流以上の最大定格入力電流を扱えるものを選定する必要がありますが、逆にそれ以上の定格のコントローラを使用しても太陽電池の最大出力以上の入力電流は得られません。但し将来パネルの増設を見込んで余裕のあるものを選定することも正しい選択と言えます。

・吸収（定電圧・アブソーブ・Absorption）充電

　電流制御充電により規定の電圧（バルク電圧）に到達した時点から充電終止状態に至るまで一定の電圧を維持する状態が吸収充電と呼ばれます。　普通に考えると電圧が一定の値に到達した時点が充電終了と考えがちですが、この時点ではまだ充電反応による電流が流れているためにバッテリーの内部抵抗による電圧降下相当分、電解液の濃度（比重）が上昇し切っていません。充電終止状態に近づくにつれ、充電電流は流れにくくなるため、AC充電器においてはこの電流値を監視することにより定電圧充電の完了と判断します。

　ところが太陽電池用充電コントローラは、電流の低下が充電終止によるものなのか、時々刻々と変化する日射量によるものなのかの判断がつかないため、一定時間吸収充電を行った時点で一旦フロート充電に移行するか、あるいはそのまま定電圧充電を維持する方法を取ります。　バルク・吸収まで行う場合は“2ステージ”(2段階)、フロート充電まで移行する場合は“3ステージ”(3段階)充電などと呼ばれます。

・フロート（Float・トリクル）充電

　吸収充電により充電終止（電解液が規定の濃度に到達した）状態に到達した後、自己放電による容量の減少を補うことを目的にフロート充電を行ないます。　定電圧制御により自己放電分の電流を補う方式が主流ですが、微弱な定電流制御を行うAC充電器も存在します。ここでも太陽電池システム特有となるフロート解除という動作が必要となります。　AC充電の場合、バッテリーは単体で充電されることが基本であり放電は充電器から取り外された状態で行われますが、太陽電池システムは充電と放電が同一システム上で同時進行することを前提に、放電に伴う電圧低下を検出後、直ちにバルク充電に移行しなければなりません。

・均等化(Equalizing)充電

　均等化充電は単セルで無い限り、セルが直列接続された全てのバッテリーについてセルごとの充電量をバランスさせるために必要な充電方式です。　しかし鉛蓄電池に関して、均等化充電を行うことのできるのはベント式と条件付きでAGM式にのみ適用されます。バッテリーの放電深度にもよりますが、1ヶ月に一度1～2時間程度の均等化充電を行うことにより、バッテリーの性能を長く維持できます。　均等化充電は余分な充電エネルギーを放出するため、電解液のガス化を伴います。従ってその前後には液量のチェックと必要に応じ精製水を補給しなければなりません。さらに電解液の比重（濃度）をチェックし、セルごとのバラつきが無いかを確認することも性能を維持する上で重要な事項です。　ここで注意が必要なのは、補給する水の品質（純度）です。勘違いされる場合があるのは、補給するのは希硫酸ではなく、100％純粋な水だけです。硫酸は不揮発性の液体であり、電気分解や蒸発により失われるのは水のみです。衣服等にごくわずかかな希硫酸が付着しただけでも乾燥に従って硫酸の濃度が高まり、濃硫酸の強力な脱水反応にによって繊維（有機分子）中の酸素と水素を奪い取るため、気が付いたら穴だらけという経験は良くあります。　以前はバッテリーの補給水と言えば蒸留水が主流でしたが、最近は逆浸透膜により不純物を取り除いた精製水が普通に入手可能です。ミネラル分や塩素等を含む水道水は補給水として使用してはなりません。

・回復（Recovery)充電

　店頭でよく「○万キロ、○年保証」と書かれたバッテリーを目にすることがあります。バッテリーはごく普通のベント式のようですが、何が違うのでしょう？　恐らくクルマ側の充電精度の進化が貢献している面もありますが、実際のところユーザー側のうっかりミスによりバッテリー上がりを起こしてしまい、保障期間内に使用不能となる事例も多々あるものと思われます。　素直にミスを認めるユーザーもいれば、中には自分のミスを棚上げにして販売店に噛み付く猛者もいることでしょう。　そのような事態に対処するため販売店またはメーカーは“回復充電”と言う伝家の宝刀を備えています。　深放電により電極表面が不活性化したバッテリーは車載充電はおろか市販のAC充電器を使っても回復は極めて困難です。　電極の奥深くから徐々に活性化することによって保証期間内のバッテリーであればある程度回復させることも可能です。　具体的には少ない電流で時間を掛けてある程度高い電圧に到達するまで充電と放電を何回か繰り返す方法を取ります。　電流を少なくするのは急激なガスの発生を抑え電極の損傷を防ぐため、電圧を高めにするのは化学反応の閾値を上げるために行ないますが、ある程度時間を掛けて奥深くからゆっくり反応を進めます。　市販充電器にも簡易的な回復充電機能を備えたものがありますので、もしそのような事態に陥った場合には諦める前に試してみる価値はあるかも知れません。

・パルス(pulse,PWM)充電

　バルク充電から定電圧充電に移行した時点より電圧を一定に保つため、充電の進行に伴い徐々に充電電流を制限しますが、アナログ式レギュレータを使用した場合、太陽電池とバッテリー間の電位差と充電電流の積に相当する電力を熱として排出しなければなりません。　そこで登場したのがスイッチング方式でON/OFF動作を細かく繰り返すことにより充電電圧を一定に保つとともに発熱を抑えることが可能です。　この方式にはもうひとつ重要なメリットがあり、ON期間に化学反応に必要な閾値を上回る電気エネルギーが瞬間的に供給されるため、反応が不活性となった電極を回復させる効果があると言われます。見方を変えると微細な回復充電を繰返し行っているとも言えます。　この原理を応用してバッテリーの劣化を防止するため、バッテリーに取り付ける電流パルス発生装置が市販されていますが、この装置を最初に作った人は太陽電池システムのバッテリーの劣化を防ぐことが目的だったことは興味深い点です。

・以上、当商品をより有効かつ安全にご使用いただく目的で解説いたしましたが、分かりづらい記述や説明不足な点もあるかと思います。　また、内容は私（出品者：We_Love_ELT)個人の独自研究に基づくものですので、誤りや著作権の侵害等ございましたらご指摘ください。