内部AC抵抗は、放電の半分までは通常安定していますが、バッテリーが放電終止に近づくにつれて上昇します。 チューブラー式鉛蓄電池やポケット式ニッケル・カドミウム（Ni/Cd）電池では、抵抗値は放電深度（DOD）約50%までは比較的一定に保たれます。それ以降は抵抗値が増加し、特にNi/Cd電池では放電終止付近で急激な上昇が見られ、鉛蓄電池ではより緩やかな上昇が見られます。
バッテリーのサイジングは、単一の公称抵抗値に頼ることはできません。 充電状態（SOC）ごとの抵抗プロファイルが、電圧降下、発熱、利用可能な故障電流、ヒューズの動作、パルス電力、そしてバッテリーがシステム負荷をサポートできなくなる限界点を決定します。
放電中に内部抵抗が変化する理由
放電初期領域は比較的予測可能
DODが低〜中程度の範囲では、チューブラー式鉛蓄電池もポケット式Ni/Cd電池も、一般的に内部AC抵抗はほぼ安定しています。これにより、特定の負荷条件下で比較的安定した電圧応答が得られます。
この安定領域は通常の動作予測には役立ちますが、放電サイクル全体が同様の挙動を示すと誤解してはなりません。
深放電は抵抗を増加させる
容量の約50%が消費された後、内部抵抗は上昇し始めます。この増加は、電池が放電状態に近づくにつれて、電極活物質や電解液の状態が変化することを反映しています。
抵抗が高くなるため、同じ負荷電流でもより大きな電圧偏差が生じます：
[ \Delta V = I \times R ]
そのため、理論上の電気化学的容量を完全に使い切る前に、バッテリーがシステムの低電圧カットオフに達する可能性があります。
Ni/Cd電池と鉛蓄電池では変化の仕方が異なる
放電終止付近では、Ni/Cd電池の抵抗は突然かつ急激に上昇することがあります。一方、鉛蓄電池の抵抗は一般的に緩やかに上昇するため、負荷性能の低下への移行がそれほど急激ではありません。
この違いは、システムの電圧マージンが小さい場合に重要となります。Ni/Cd電池は負荷を十分にサポートしていた状態から急激に電圧能力を失う可能性がある一方、鉛蓄電池はより段階的な劣化を示す可能性があります。
抵抗がバッテリーシステムのサイジングに与える影響
電圧降下は関連するDODで計算する必要がある
新品時、満充電時、または放電中期の抵抗値のみに基づいたサイジング計算では、必要なバックアップ期間終了時の電圧降下を過小評価する可能性があります。設計には、バッテリーの予想される充電状態、温度、放電レート、および測定条件に対応する抵抗値を使用する必要があります。
大電流負荷の場合、わずかな抵抗増加でも大幅な追加電圧降下を引き起こす可能性があります。
保護ヒューズのサイジングは利用可能な電流に依存する
内部抵抗は、故障時にバッテリーが供給できる電流を制限します。放電中に抵抗が上昇すると、想定されるDC短絡電流は減少します。
これは以下の選択と調整に影響します：
- DCヒューズの遮断定格
- ヒューズの電流遮断特性（時間-電流特性）
- 回路遮断器の動作
- ケーブルの故障耐性要件
- 保護の協調
保護設計は、充電された低抵抗のバッテリーから得られる高い故障電流と、大幅に放電した後に得られる低い電流の両方の条件を考慮しなければなりません。通常の動作電流に適したヒューズが、全抵抗範囲にわたって意図した保護を提供できるとは限りません。
バックアップ時間は容量だけでなく負荷電圧によって制限される
バッテリーに化学的な容量が残っていても、接続された機器が必要とする最小電圧を維持できない場合があります。抵抗の上昇により、負荷時の電圧は開回路電圧よりもさらに低下します。
その結果、使用可能な容量はシステムのカットオフ電圧と負荷電流に依存します。定格アンペア時（Ah）の値だけでは、バッテリーシステムのサイジングには不十分です。
大電流では熱的影響がより重要になる
内部電力損失は近似的に以下の通りです：
[ P_{\text{loss}} = I^2R ]
抵抗が上昇すると、放電中にバッテリーがより多くの入力エネルギーを熱に変換します。これは効率を低下させ、特に大電流や繰り返しのパルスアプリケーションでは熱ストレスを増大させる可能性があります。
温度も抵抗に影響を与えます。一般的に周囲温度が低いと電解液のイオン伝導率が低下するため、抵抗が増加します。そのため、低温条件でのサイジングは室温でのサイジングよりも厳しくなる可能性があります。
抵抗が動的な電力供給に与える影響
高抵抗は端子電圧を低下させる
負荷時の端子電圧は、オーム抵抗と電気化学的分極のために開回路電圧よりも低くなります。通常の動作電流では、オーム成分がこの差の主な要因となることがあります。
非常に高い放電レートでは、濃度や物質移動の制限が支配的になる可能性があります。そのため、完全な性能モデルでは、抵抗に関連する電圧降下を他の分極損失と区別する必要があります。
パルス性能は放電状態によって変化する
短いパルスの間、バッテリーは端子電圧が機器の制限を下回らないように電流を供給しなければなりません。DODが増加し内部抵抗が上昇すると、利用可能なパルス電力は減少します。
電気化学的および輸送上の制限が顕在化する時間があるため、通常、パルスが長いほど電圧損失は大きくなります。短いパルス試験に合格したバッテリーでも、より長い時間の負荷要件には失敗する可能性があります。
動作電圧の制限が実用的なバッテリー寿命を短縮する
許容電圧範囲が狭い機器は、抵抗の増大に特に敏感です。特に深放電や大電流動作時には、公称容量が大幅に残っているにもかかわらずシステムがシャットダウンする可能性があります。
負荷がこの挙動を許容できない場合は、電圧レギュレーション、より大きなバッテリー構成、低電流アーキテクチャ、またはより平坦な放電特性を持つ化学組成が必要になる場合があります。
抵抗プロファイルの特性評価方法
全放電範囲にわたって試験する
抵抗は単一の公称値として報告するのではなく、複数のDODポイントで測定する必要があります。少なくとも以下の条件をカバーするように試験を行うべきです：
- 満充電状態
- 比較的平坦な放電初期から中期にかけての領域
- DOD約50%付近の遷移領域
- 深放電領域
- 放電終止領域
Ni/Cd電池の場合、放電終止付近で抵抗が急激に上昇する可能性があるため、その付近での細かいサンプリングが特に重要です。
試験条件を制御する
抵抗測定は、その条件が記録されている場合にのみ意味を持ちます。特性評価では以下を指定する必要があります：
- バッテリー温度
- 測定前の静止時間
- 充放電履歴
- 試験電流または信号振幅
- AC信号周波数
- 測定時間
- バッテリーの経年劣化と状態
- セル数と接続構成
AC抵抗は周波数依存性があり、長時間のDC放電中に観察される有効抵抗と必ずしも一致しません。したがって、測定方法は工学的な問いと一致させる必要があります。
AC抵抗と動的抵抗を分離する
小信号AC測定は、特定の動作点と周波数周辺のインピーダンス挙動を記述します。動的抵抗測定は、多くの場合以下のように表され：
[ R_{\text{dynamic}} = \frac{\Delta V}{\Delta I} ]
電流変化に対する電圧応答を記述し、オーム成分、分極成分、および時間依存性の影響を含むことができます。
サイジング計算において、どちらか一方の測定値を自動的に他方の代わりに使用すべきではありません。AC抵抗は再現性のある健全性状態（SOH）や充電状態（SOC）の比較に有用であり、動的負荷試験は保護や電力供給の挙動をより正確に表します。
負荷時電圧と温度も測定する
抵抗データは、端子電圧、電流、DOD、温度と組み合わされたときに最も有用です。これにより、エンジニアは電圧低下が主に抵抗の増大、分極、熱的影響、または物質移動の制限のいずれによって引き起こされているかを判断できます。
結果は単なる抵抗値ではなく、性能マップであるべきです。
トレードオフの理解
単一の抵抗値は便利だが不完全である
公称抵抗値を1つ使用すると計算は簡略化されますが、深放電中に発生する急激な上昇を隠してしまう可能性があります。これは、大電流負荷、狭い電圧ウィンドウ、および全定格バックアップ時間を必要とするシステムにとって特に危険です。
抵抗曲線を追加すると試験の労力は増えますが、システム設計のためのより説得力のある根拠が得られます。
AC測定は再現性があるがアプリケーションに依存する
AC抵抗はバッテリーの比較や状態監視には価値がありますが、その結果は信号周波数、振幅、温度、および測定機器に依存します。数秒間のパルスや持続的なDC負荷中の電圧応答を必ずしも再現するとは限りません。
正しい測定とは、分析対象となるシステムイベントを表現するものです。
容量を増やせば電圧問題が常に解決するわけではない
並列容量を追加すると、各セルに要求される電流が減り、システムレベルの電圧降下を低減できる可能性があります。しかし、深く放電したセルの根本的な抵抗増加を排除するものではなく、電流の分担、保護、バランス調整に関する考慮事項が増える可能性があります。
バッテリー構成は、負荷プロファイルおよびカットオフ要件と併せて評価する必要があります。
化学組成固有の挙動を可視化し続ける必要がある
すべてのバッテリータイプに汎用的な放電終止抵抗曲線を適用すると、誤った結論を導く可能性があります。鉛蓄電池の緩やかな上昇とNi/Cd電池の急激な上昇には、異なるサンプリング密度、電圧マージンの仮定、および放電終止モデルが必要です。
目標に合わせた正しい選択
システムが回避すべき故障モードに応じて、抵抗データと試験方法を選択してください。
- 主な焦点がバックアップ時間のサイジングである場合： 深放電領域および必要な温度範囲を含む、全DOD範囲にわたる負荷時電圧と抵抗データを使用してください。
- 主な焦点がヒューズと保護の協調である場合： 最大故障電流に対しては最も抵抗の低い満充電状態を、最小想定電流に対しては抵抗の高い放電状態を評価してください。
- 主な焦点がパルス電力能力である場合： 小信号AC抵抗だけに頼るのではなく、いくつかのDODおよび温度ポイントで動的な電流ステップ試験またはパルス試験を実施してください。
- 主な焦点がバッテリーの特性評価や健全性監視である場合： 制御された周波数、温度、静止時間、充電状態の条件下でAC抵抗を追跡し、化学組成固有のプロファイルを使用して傾向を解釈してください。
- 主な焦点が大電流効率と熱設計である場合： 抵抗増加に伴う(I^2R)損失を含め、セル温度が許容動作範囲内に留まることを確認してください。
正確なバッテリーシステム設計には、化学組成、動作条件、およびアプリケーションの実際の電気的需要を反映した「抵抗対放電」のプロファイルが必要です。
要約表：
| DOD範囲 | 抵抗の挙動 | 主な影響 |
|---|---|---|
| 0-50% | 安定、ほぼ一定 | 通常の負荷に対して予測可能な電圧降下 |
| 50-80% | 緩やかな上昇（鉛蓄電池）または急激な上昇（Ni/Cd） | 電圧マージンが縮小し、容量が制限される可能性がある |
| 80-100% | 大幅な上昇 | 放電終止時の電圧崩壊リスク、保護協調への影響 |
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