ベント型NiCd電池は、一般的に充電試験中に最大の換気需要を発生させます。 そのガス放出係数は1.0であり、標準的なガス発生電流は浮動充電（フロート充電）時に15 mA/Ah、ブースト充電時に50 mA/Ahです。ベント型鉛蓄電池も放出係数は1.0ですが、ガス発生電流はより低く（浮動充電時に5 mA/Ah、ブースト充電時に20 mA/Ah）、VRLA電池はさらに低い係数0.2で、ガス発生電流はそれぞれ1 mA/Ahおよび8 mA/Ahとなります。
換気設計は、公称値や浮動充電時のみではなく、想定される最も高い充電条件に基づいて行う必要があります。 ベント型NiCd電池は通常、最も大きな気流を必要とし、ベント型鉛蓄電池はそれより少なく、VRLA電池は同条件下で最も少なくて済みます。ただし、VRLA電池であっても、過充電、高温、または故障によって水素が放出される可能性があるため、制御された換気が必要です。
バッテリータイプの違い
ベント型鉛蓄電池
ベント型鉛蓄電池のガス放出係数はfg = 1.0です。これは、充電中に発生したガスがセルの通気口から直接排出されるためです。
標準的なガス発生電流は以下の通りです：
- 浮動充電： 5 mA/Ah
- ブースト充電： 20 mA/Ah
したがって、ブースト充電は浮動充電の約4倍のガス発生電流を生じさせます。ラボの気流は、そのモードが許可されている場合、ブースト充電やその他の最悪の試験条件に合わせて設計する必要があります。
VRLA電池
VRLA電池のガス放出係数はfg = 0.2と低くなっています。これは、通常の充電中に発生する水素と酸素の大部分が内部で再結合するためです。
標準的なガス発生電流は以下の通りです：
- 浮動充電： 1 mA/Ah
- ブースト充電： 8 mA/Ah
係数が低いからといって、VRLA電池からガスが全く出ないわけではありません。過剰な充電電流、高温、経年劣化、または再結合メカニズムの故障により、圧力解放弁からラボ内に水素と酸素が放出される可能性があります。
ベント型NiCd電池
ベント型NiCd電池のガス放出係数は、ベント型鉛蓄電池と同様にfg = 1.0ですが、記載されているガス発生電流はより高くなります：
- 浮動充電： 15 mA/Ah
- ブースト充電： 50 mA/Ah
ブースト充電時、NiCdの値はベント型鉛蓄電池の値の2.5倍であり、VRLAの低い放出係数を適用する前の値と比較すると6倍以上になります。このため、複数の化学種を扱うバッテリーラボにおいて、ベント型NiCd電池は最も注意すべき対象となります。
放出係数の意味
放出係数とガス発生電流の比較
ガス発生電流（Igas）は、ガス発生に関連する充電電流の割合を表し、ここではバッテリー容量1 AhあたりのmAで表されます。
ガス放出係数（fg）は、発生したガスのうちどれだけが周囲の環境に放出されると予想されるかを考慮したものです。ベント型セルはfg = 1.0を使用しますが、VRLAセルは内部再結合によって通常の外部ガス放出が低減されるため、fg = 0.2を使用します。
換気計算を行う際は、適用される設計手法において両方のパラメータを一貫して使用する必要があります。ラボの計算基準でガス源を fg × Igas × バッテリー容量 に比例すると定義している場合、VRLAの低い係数は計算上の通常放出源を減少させます。バッテリーが「密閉型」と説明されているという理由だけで、この係数を省略してはなりません。
充電モードが重要な理由
充電モードによってガス源は大幅に変化します。上記の数値では、浮動充電からブースト充電に移行すると、ガス発生電流は以下のように増加します：
- VRLA： 1から8 mA/Ahへ
- ベント型鉛蓄電池： 5から20 mA/Ahへ
- ベント型NiCd： 15から50 mA/Ahへ
これが、連続的な浮動充電のみを想定して設計されたラボでは、容量試験、均等化充電、試運転、その他のブースト充電手順の際に換気不足に陥る可能性がある理由です。
換気設計への影響
水素希釈のための気流サイズ設定
換気の目的は、水素濃度を空気中の爆発下限界である約4%（体積比）未満に保つことであり、指定された安全率5を使用します。
ガス発生率が高いほど、水素を希釈するために必要な気流も大きくなります。実際には、設計上のソース項は以下によって増加します：
- Ah単位のバッテリー容量
- 適用されるガス発生電流
- 放出係数
- 同時に動作するセルまたはバッテリーの数
- 選択された充電モード
- 許容される試験温度および充電制限
したがって、換気計算は代表的な1つのセルだけでなく、設置されている試験対象全体を反映させる必要があります。
想定される最悪の動作条件を使用する
混合バッテリーラボの場合、設計上のケースは通常、以下の組み合わせとなります：
- 最もガス放出の可能性が高い化学種
- 接続されている最大の容量
- 許容される最も高いガス発生電流
- 最も負荷の高い同時試験条件
- 適用される安全基準で要求される、想定される異常または故障に関連する充電条件
提供された基準値に基づくと、ブースト充電中のベント型NiCd電池が、通常の運用において支配的なケースとなります。その50 mA/Ahというガス発生電流は、ベント型鉛蓄電池およびVRLAの両方の対応する値よりも高くなっています。
水素が蓄積する場所に排気口を設置する
水素は非常に軽く、筐体や部屋の最も高い場所に溜まる傾向があります。したがって、換気システムは上部の滞留ゾーンを防ぎ、水素が蓄積する可能性のある場所から効果的に排気を行う必要があります。
バッテリーキャビネット、試験チャンバー、サイクル試験用筐体は、専用のガス排気、圧力解放、および適切な監視規定が含まれていない限り、気密性の高い箱として扱ってはなりません。
試験システムの制御と換気の連携
換気は保護の一層に過ぎません。バッテリー試験システムは、過充電がガス発生を増加させセルを損傷させる可能性があるため、充電電圧、電流、温度、および試験終了条件も制御する必要があります。
鉛蓄電池とNiCdシステムでは、異なる電圧制限が必要です。例えば、ガス発生は鉛蓄電池でセルあたり約2.4 V、NiCdでセルあたり1.6～1.7 Vで始まるため、一方の化学種用に設定された充電器が他方にも安全に使用できると想定してはなりません。
実用的な比較
浮動充電中の相対的なガス発生需要
記載されたガス発生電流値を使用した場合：
| バッテリータイプ | 放出係数 (fg) | 浮動充電時のガス発生電流 | 相対的な記載電流 |
|---|---|---|---|
| VRLA | 0.2 | 1 mA/Ah | 1× |
| ベント型鉛蓄電池 | 1.0 | 5 mA/Ah | 5× |
| ベント型NiCd | 1.0 | 15 mA/Ah | 15× |
ベント型NiCdは、記載されている浮動充電時のガス発生電流が最も高くなっています。ベント型鉛蓄電池は中間であり、VRLAは通常の外部放出係数と記載電流が最も低くなっています。
ブースト充電中の相対的なガス発生需要
| バッテリータイプ | 放出係数 (fg) | ブースト充電時のガス発生電流 | 相対的な記載電流 |
|---|---|---|---|
| VRLA | 0.2 | 8 mA/Ah | 8× |
| ベント型鉛蓄電池 | 1.0 | 20 mA/Ah | 20× |
| ベント型NiCd | 1.0 | 50 mA/Ah | 50× |
ブースト充電の比較は特に重要です。なぜなら、高い充電レートでは化学種間の差がより重大になるからです。ベント型NiCdとVRLAを同じ空間で試験するラボでは、VRLAのケースのみに基づいて換気量を設定してはなりません。
トレードオフの理解
VRLAは通常の換気需要を低減するが、安全義務を免除するものではない
VRLAの再結合機能は、予想される日常的なガス放出を低減するため、ベント型セルと比較して計算上の気流を減らすことができます。しかし、過充電、高温、セル故障、または再結合性能の低下時には、安全弁からガスが放出される可能性があります。
したがって、VRLAは制御された条件下では低放出として扱うべきであり、危険な雰囲気を生成する能力がないものとして扱ってはなりません。
より高い気流は、適切な充電の代わりにはならない
気流を増やすことは水素を希釈できますが、過充電、熱ストレス、電解液の損失、またはセル故障を防ぐことはできません。充電制御と換気は、共に設計される必要があります。
適切に制御されていないブースト充電試験は、想定された基準値よりも速くガスを生成する可能性があり、本来であれば十分なはずの換気システムを機能不全に陥らせる可能性があります。
平均的な動作条件は、設計上のケースを隠す可能性がある
浮動充電運用が通常のサービスを支配しているかもしれませんが、ラボ試験には多くの場合、ブースト充電、ディープサイクル、温度スイープ、および繰り返される高電流イベントが含まれます。平均的なガス発生のみを考慮した設計では、最大のリスクを生むまさにその試験において、不十分なマージンしか残らない可能性があります。
化学種ごとの試験構成が不可欠
NiCdセルと鉛蓄電池セルは、公称電圧、充電電圧、ガス発生閾値、および動作温度が異なります。誤った電圧設定はガス発生を増加させ、換気計算に使用された前提を無効にする可能性があります。
目的のための正しい選択
換気設計は、化学種、容量、充電モード、同時動作、および筐体構成の文書化されたインベントリから始める必要があります。
- 主な焦点が通常の浮動充電試験である場合： 化学種ごとの浮動充電時のガス発生電流と放出係数を使用し、異常な充電やVRLA弁の放出に対する安全策を維持してください。
- 主な焦点がブースト試験や試運転試験である場合： ブースト充電条件に合わせて気流をサイズ設定してください。50 mA/Ahのベント型NiCdが、提示されたケースの中で重要な基準となります。
- 主な焦点が混合化学種ラボである場合： 各バッテリーグループを個別に計算し、1つの平均係数を使用するのではなく、想定される最悪の同時ガス発生源に合わせて設計してください。
- 主な焦点がVRLA試験である場合： その低い通常の放出係数を活用してください。ただし、VRLAセルは故障や過充電時に水素を放出する可能性があるため、換気、解放、および監視を提供してください。
- 主な焦点が筐体の安全性である場合： 高い場所での水素蓄積を防ぎ、専用の排気および圧力解放規定がない気密チャンバーを避けてください。
安全なバッテリーラボは、ガス発生データを設計入力として扱い、その結果として得られる換気システムを、想定される最も高い充電および故障条件に対して検証します。
要約表：
| バッテリータイプ | 放出係数 (fg) | 浮動充電時のガス発生電流 (mA/Ah) | ブースト充電時のガス発生電流 (mA/Ah) |
|---|---|---|---|
| VRLA | 0.2 | 1 | 8 |
| ベント型鉛蓄電池 | 1.0 | 5 | 20 |
| ベント型NiCd | 1.0 | 15 | 50 |
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