電池の内部抵抗（インピーダンス）による電圧低下と誤動作の原因・対策

# 電池の内部抵抗（インピーダンス）による電圧低下と誤動作の原因・対策 電池駆動機器の開発において、「電池残量は十分あるはずなのにICがリセットされる」「無線送信（BluetoothやWi-Fiなど）のたびにシステムが誤動作する」といったトラブルは珍しくありません。 これらの多くは、電池の「内部抵抗（インピーダンス）」に起因する瞬間的な電圧低下が原因です。 この記事では、電池の内部抵抗による電圧低下のメカニズムとその具体的な回路・ソフト側の対策について解説します。 ## 電池の内部抵抗とは 電池は理想的な電圧源ではなく、内部に必ず抵抗成分（内部抵抗）を持っています。電池から負荷回路へ電流が流れると、この内部抵抗による電圧降下（オームの法則）が発生するため、実際に回路へ供給される「電池端子電圧」は無負荷時よりも低下します。 $$V_{\text{terminal}} = V_{\text{BAT}} - I_{\text{BAT}} \times R_{\text{BAT}}$$ - $V_{\text{terminal}}$：実際の電池端子電圧 [V] - $V_{\text{BAT}}$：無負荷時の電池電圧（起電力） [V] - $I_{\text{BAT}}$：放電電流 [A] - $R_{\text{BAT}}$：電池の内部抵抗（インピーダンス） [$\Omega$] ※電池の内部抵抗は直流抵抗だけでなく、化学反応の遅れに起因する容量成分も含むため、周波数特性を持ちます。 そのため、パルス状の大電流が流れた瞬間と、継続して電流を流し続けた場合では電圧の落ち込み方が異なります。 一般的な電池では、以下の条件で内部抵抗が著しく増大するため注意が必要です。 * **低温環境下**：電解液の粘度が上がり、イオン導電率が低下するため * **放電末期（電池残量少）**：活物質の消耗や内部組成の変化によるもの * **経年劣化**：充放電サイクルの増加に伴い、内部構造が劣化するため ## 発生する主なトラブル * **瞬間的な電圧低下によるシステムリセット** 無線送信・モータ起動・LED点灯など、ミリ秒単位で大電流が流れる「パルス負荷」の瞬間に、電池端子電圧が一瞬だけ大きく落ち込みます。この落ち込みがマイコンや電源ICの動作下限電圧（UVLO閾値）を下回ると、システムに予期せぬリセットが発生します。 * **昇圧DC/DCコンバータの起動不良** 昇圧DC/DCが起動する際、出力コンデンサへの突入電流によって電池電圧がグッと落ち込みます。 昇圧DC/DCコンバータは電圧が下がると「さらに多くの入力電流を引いて電力を補おうとする」特性があるため、電池の電圧降下がさらに加速し、起動不可のループに陥ることがあります。 * **電池残量の誤判定** 電圧の高さだけで電池残量を推定している簡易的なシステムでは、負荷電流による一時的な電圧低下を「電池の寿命（消耗）」と誤判定し、まだ残量があるのにローバッテリー警告を出してしまうことがあります。 ## 確認方法 電池端子電圧と負荷電流をオシロで同時にモニタし、大電流タイミングで電池電圧が低下していないか確認します。 ## 電池電圧の低下を抑制する対策 * **$C_{IN}$（入力コンデンサ）の増量と低ESR化** 電源ラインの入力容量を増やし、瞬時のパルス大電流をコンデンサ側から放電させて補うことで、電池から引き出される電流の急峻な変化をなだらかにし、電圧の落ち込みを抑制します。 大容量化と同時に、**ESR（等価直列抵抗）が低いコンデンサ（セラミックコンデンサや低ESRのポリマーコンデンサ）を選定すること**が重要です。ESRが高いとコンデンサ自身で電圧降下が生じ、バックアップ効果が激減します。 * **低内部抵抗な電池への変更** 内部抵抗が低い電池種・グレードへの変更を検討します。 パルス放電特性はデータシートや製品仕様で確認してください。 * **ソフトウェアによる負荷ピークの低減・分散** 複数の周辺機能（無線送信、センサー計測、LED駆動など）の動作タイミングが重ならないよう、ソフト側でタイムスロットをずらして電流ピークを分散させます。また、電池電圧を事前にチェックし、低電圧時は送信出力を一時的に落とすといった制御も有効です。 ## まとめ - 電池には内部抵抗があり、「電池電流 × 内部抵抗」の分だけ必ず端子電圧が低下する - 低温・放電末期・経年劣化時には内部抵抗が急増し、トラブルが顕在化しやすい - 無線送信などのパルス大電流による瞬間的な電圧低下が、ICのリセットや起動不良を引き起こす - 対策は低ESRコンデンサによるバックアップが最も手軽。根本対策として低内部抵抗電池の選定や、ソフトによる電流ピークの分散を行う