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ノートパソコンのバッテリー基礎知識

ノートパソコンで使われているセルバッテリーとは、セルという単体の電池を複数個接続させ、バッテリーパックに格納したもの。また、セル以外には充電回路や保護回路が格納されている。複数セルの接続では直列式や並列式がある。例えば、2セルバッテリーで直列式の場合、「2直」と呼ばれる。

DELLのセルバッテリーとはセルバッテリーの動作原理にはリチウムイオンが採用されており、格納されるセルの形状は円筒形など様々である。

バッテリーパック参考:このバッテリーではセルが韓国製で、そのセルをバッテリーパックにつめて製造しているのが中国と記載されている。

セル・バランス

高熱環境で酷使していると一部のセルが劣化して、「セル・バランス」を崩す場合がある。他のセルが充分残量を残していても、劣化したセルのひとつが「容量減少・電圧が低下」するとバッテリーパックとしての残量は0となる。

セル・バランス
例えば3セルバッテリーで図解してみる。工場出荷時の新品ではフル充電時でのバランスが保てている。しかし劣化してセルバランスが崩れると、ヘタっているセルに合わせて残量が0となる。(状態良好のセルが無駄になる)

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リチウムイオン電池

リチウムイオン電池の動作原理リチウムイオン電池は電気を帯びた原子や分子の集まり(リチウムイオン)を利用している。内部では電解液に浸っており、正極と負極がセパレーターで仕切られている。

なお、リチウムイオン電池は「メモリ効果」がないので、継ぎ足し充電しても大丈夫である。※メモリ効果とは、継ぎ足し充電をすると、そのレベルを最大値と記憶してしまう現象。ニッカド電池では完全に使い切ってからの充電が必須だった。

リチウムイオン電池の動作原理

リチウム原子

充電時の現象

電圧をかける ⇒ 正極側のリチウム原子の電子(e-)が回路経由で負極に移動 ⇒ 電子をなくしたリチウム原子がイオン化
⇒セパレーターを通過して負極に移動

放電時の現象

負極側のリチウムイオンが正極に移動 ⇒ 電子(e-)が回路経由で正極に移動

リチウムポリマー電池

動作原理はリチウムイオン電池リチウムポリマー電池も、動作原理はリチウムイオン電池と同じ。ただし電解質が液状ではなくジェル状となっている。

バッテリー成形ジェル状の電解質は漏れにくいため、バッテリー成形が自由にできる。PC製品に合わせた薄型などのデザインが可能なので、タブレットPC用のバッテリーなどでよく採用されている。

バッテリーの劣化

初期の頃より「バッテリーの持ちが悪い」と感じたら、劣化が進んでいると考えられる。バッテリーの劣化は内部の化学変化によるものである。

充放電の繰り返し、サイクルによる劣化

放電時では負極側のリチウムイオンが正極に移動するが、正極材料(コバルト)が化学変化を起こし、膜ができる。これがリチウムイオンの移動を妨げてしまう。この化学変化がサイクルによる劣化である。

劣化

「充放電サイクル 300回」などとメーカーが表記する寿命目安があるが、これは定格容量が50%あたりになった状態を寿命と定めている場合が多い。そのため300回目でまったく使えなくなるという意味ではない。

1サイクルのカウント

フル充電保存の劣化

バッテリーをフル充電状態で長期間保管すると劣化が進みやすい。フル充電はセルにストレスがかかっている状態なので、フル充電での放置が良くない。80%程度をフル充電と認識させるアプリもあるが、本来のフル充電であってもすぐ使うようならば「問題ない」とされる。

逆に過放電もよくないので、使わず長期保管するなら50%ほどの残量を目安にすると良い。また過充電もバッテリーを傷めるが、バッテリーパックには保護回路が搭載されているので、過充電をシビアに考える必要はない。

高温保存での劣化

バッテリーは高温に弱いため、保存温度が高いほど寿命は短くなる。リチウムイオン電池は「メモリ効果」がないので、継ぎ足し充電しても劣化の心配はないが、「継ぎ足しで劣化した」と感じたなら、それは高熱保存による劣化かもしれない。

良くない使い方の例

バッテリーを装着したままACアダプタを接続したノートPCだと、「高熱保存した状態でさらにフル充電状態」という、最も良くない使い方である。これにより「セルバランス」を崩すと、対してサイクルを繰り返していないのにバッテリーの持ちが悪くなっていることがある。 ※バッテリーが着脱できない内蔵型タイプのノート製品では、対策としてアプリで「充電・放電」を管理するものがある。

サイクルによる劣化があるとは言え、充放電をほどよく繰り返しているバッテリーは、電解質が活性化しているためコンディションが良い。やはり「道具は使ってなんぼ」という感性が必要。

バッテリーの駆動時間

バッテリー容量を表す単位が「Ah」で、これは1時間放電できる電流値である。(補足:600mAhなら0.6Ahと同じ)。
ただし、バッテリー容量には「標準値または最小値」というアバウトな記載例もある。実際使用できる電力量(W)は、A(電流)に加えV(電圧)次第となる。つまり、機器により電圧が異なるので、バッテリー容量を表す単位「Ah」だけでは、バッテリー駆動時間が長いとは判断できない。駆動時間の目安になるのが電力量である。

「Wh」の単位1時間に使用できる電力量は「Wh」の単位で表される。なお、W(ワット)は「A(電流) × V(電圧)」で計算できる。

JEITAバッテリ駆動時間測定も参考に

メーカー独自のバッテリー駆動時間では、統一性がないので他社製での比較は難しい。ひとつの参考になるのが、JEITAバッテリ駆動時間測定法による駆動時間である。JEITA 測定法にはバージョンがあり、後期のほうが現在の使用環境に見合った条件となっている。測定条件は以下の通り。

  高負荷 低負荷
JEITA 1.0
(2001年8月施行)
320 × 240pixel MPEG-1の動画再生
(輝度20カンデラ/㎡)
待機状態での動作(輝度最低値)
「両方の動作時間を足した合計÷2」で算出した時間
JEITA 2.0
(2014年4月施行)
1920 × 1080pixelのフルスクリーン
H.264/AVCの動画再生
(輝度150カンデラ / ㎡、RGB最大値)
待機状態での動作
(150カンデラ / ㎡、RGB最大値)
「両方の動作時間を足した合計÷2」で算出した時間

この測定では、「バッテリーの半分を動画再生に当て、残りは待機状態で消費した環境」で調べている。ただしJEITA 2.0のほうが、ディスプレイ輝度が高く、再生する動画の条件も厳しくなっているため、同一のPCであってもJEITA 1.0と2.0とでは大きく駆動時間が異なる。ノートPC購入ではJEITA 2.0を目安にしておいたほうがいいだろう。

消費電力の高い動作とは

ノートパソコンではCPUが全体の1/3、ディスプレイで1/3くらいの消費と言われる。Windowsダブレットでは半分近くがディスプレイに消費されている場合が多い。「USB接続をした、Bluetooth接続した、Wi-Fi接続した」などの動作は似たような消費電力だが、光学ドライブ内の光ディスクにアクセスするときや、ウィルススキャンを実行すると、これらの倍以上の消費電力となる。

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