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» 2017年09月15日 09時30分 公開

山手線での発火事故:安価なバッテリーの落とし穴、設計上の問題を探る (1/2)

2017年9月にJR山手線で発生した、リュックサックの発火事故は、中に入っていたモバイルバッテリーが原因だと見られています。バッテリー発火の原因を探ると、設計者として注意すべきことが見えてきます。

[アリオン,EE Times Japan]

リュックに入れたモバイルバッテリーが発火

 2017年9月11日午後、東京のJR山手線神田駅で男性が背負っていたリュックサックが発火する事故が発生しました。リュックに入れていたモバイルバッテリーが原因とみられ、男性によれば「秋葉原で安いものを購入した」とのことです。実は、モバイルバッテリーが原因とみられる同様の事故は、2016年12月にもJR山手線で起きています。

 こうした事故について、IT製品に対する品質検証などを手掛けるアリオンは、技術的な側面から考察しました。

 モバイルバッテリーの構造は、図1のように、内部電池への充電部(以下、充電部)、内部電池、携帯電話機への給電回路(以下、給電部)の3つの機能に分けられます。

図1:モバイルバッテリーの構造 出典:アリオン(クリックで拡大)

 充電部は、AC100VかUSB電源に接続され、モバイルバッテリーの内部電池を充電する機能を持ちます。内部電池は、モバイルバッテリーの主要部品であり、繰り返し充電が可能な二次電池が用いられます。ここに蓄えたエネルギーを使って携帯電話機を充電します。電池には、大容量のリチウムイオン電池などが利用されますが、充電時の温度管理や携帯時の落下衝撃などへの対策が必要になります。

 給電部は、内部電池のエネルギーを変換し、携帯電話への給電(充電)を行います(一部のモバイルバッテリーは、充電部と内部電池ではなく、乾電池などの一次電池を用いていますが、今回事故を起こした製品とは無関係なので、ここでは割愛します)。

 昨今は、携帯電話機の充電にはUSBポートを使用するのが一般的なので、USB規格に従った電圧、電流設定が必須であり、急速充電の場合には携帯電話機の充電プロトコルへの対応が必要となっています。

「安価なモバイルバッテリー」の問題点

 今回のような、「安価なモバイルバッテリー」の場合には、どのような点に問題があるかを推測してみましょう。

 充電という機能に着目すると、大容量の内部電池と急速充電ができる大電流に対応した給電回路があれば、携帯電話機を長時間使えて急速充電ができるモバイルバッテリーを実現できるはずです。一方で、安全面に配慮した場合には、モバイルバッテリーを落とした際に内部電池を保護できるような耐衝撃の構造と、内部電池を放電(充電)する場合に、電池の放電(充電)状態に応じた電流の管理、温度を監視する保護回路が重要となります(図1の赤字の部分)。

 安価な製品の場合、メーカーは機能面についてはコストを払いますが、安全面についてはユーザーの注意に依存して配慮しない場合があります。つまり、発生するかどうかが不明な事故に対しては、コストを掛けないことで安価な製品を実現している場合があるのです。

画像はイメージです

 モバイルバッテリーをリュックの中に入れて長時間使った場合、内部で発生した熱を逃がすことができずに、高温になってしまう危険性があります。この熱は、内部電池の放電と給電回路により発生します。給電回路の設計が、携帯電話機の充電特性に適合していない場合、給電効率が低くなります。そして給電効率が低いと、内部で熱が発生することになります。

 保護回路が適切に実装されている場合は、内部電池の温度上昇を検知して、携帯電話への給電を止める、または電流を小さくなるように設計されるはずです。これが図1における「安全のためのフィードバック」系、つまり保護回路です。しかし、このような保護回路が実装されていない、または設計が不適切な場合には、電池が発熱しているにもかかわらず、給電が継続され、さらに温度が上昇してしまいます。

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