公称電圧とは何ですか?

公称電圧は、電圧クラスを指定するために電気システムまたはバッテリーに割り当てられる標準電圧値であり、正確な測定値ではなく基準点として機能します。たとえば、「12V」の自動車バッテリーは、充電状態に応じて実際には 10V ～ 13.7V で動作しますが、識別しやすく、システムの互換性を高めるために、公称電圧として 12V を使用します。

「公称」という用語は、「名前付き」または「指定された」を意味するラテン語に由来しています。エンジニアが回路やデバイスに公称電圧を割り当てると、業界全体で標準化された設計、製造、テストを可能にするベースライン基準が確立されます。

公称電圧は、電気システムの電圧の「名札」と考えてください。 240 V の家庭用回路は、常に正確に 240.0000 ボルトを維持するわけではありません。-通常の動作中は 235 V と 245 V の間で変動する可能性があります。公称値 240V は、一定の変動に悩まされることなく、システムを分類して議論するための便利な方法を提供するだけです。

この標準化はいくつかの理由から不可欠であることがわかります。機器メーカーは、「120V 家電」が世界中の家庭で予測可能な範囲内の電圧に遭遇することを認識して製品を設計できます。電力システムエンジニアは、あらゆる小さな変動を考慮する必要なく、11kV、33kV、または 132kV などの電圧クラスに基づいてコンポーネントを指定できます。公称電圧は、電気インフラを可能にする共通言語になります。

バッテリーシステムは、公称電圧分類に大きく依存します。公称電圧が 3.7V のリチウム- イオン電池は、完全に充電すると実際の測定値は 4.2V になり、空になると 3.0V に下がりますが、メーカーはこれを 3.7V と表示しています。これは、バッテリーが使用可能なエネルギーのほとんどを供給する放電曲線の実質的な中間点を表すためです。

電気業界ではいくつかの電圧分類が使用されており、互いに混同されることがよくあります。それぞれがシステム設計と安全性において明確な目的を果たします。

公称電圧基準点-システムの電圧クラスまたは「名前」を確立します。それは機器のラベルや仕様に記載されているものです。 24V 定格のデバイスを購入した場合、それがその公称電圧指定になります。

動作電圧リアルタイム動作中に機器の端子で測定された実際の電圧を表します。{0}}この値は、負荷条件、電力品質、環境要因によって変動します。公称 24V システムでは、重負荷か軽負荷かに応じて、動作電圧が 22V ～ 28V の間で表示される場合があります。

定格電圧機器が損傷や性能低下なしに継続的に処理できる最大電圧しきい値を定義します。定格電圧は、電源の電圧変動に対応するために十分なマージンを持って公称電圧を超える必要があります。公称 132kV システム用に設計された機器の場合、定格電圧は 132kV ±10% として指定され、許容可能な動作範囲は 118.8kV ～ 145.2kV になります。

住宅用サーキットブレーカーの実際の例を考えてみましょう。公称電圧は 240V (システム分類)、通常使用時の動作電圧は 230V から 250V の間で変化し、定格電圧は 275V (ブレーカーが損傷せずに安全に遮断できる最大値) になる場合があります。

この区別はバッテリー用途では重要になります。 24V リチウムバッテリーの公称電圧は 25.6V (直列の 3.2V LiFePO4 セル 8 個に基づく)、充電状態に応じて 20V ～ 29.2V の電圧範囲で動作し、セルへの損傷を防ぐための定格最大充電電圧は 29.2V です。

nominal voltage

バッテリーは、放電中に出力電圧が連続的に変化するため、公称電圧に特有のケースが存在します。電圧が比較的安定している AC 電源システムとは異なり、バッテリーは蓄えられたエネルギーを放出するときに電圧降下を経験します。

さまざまなバッテリーの化学的性質により、電気化学的特性に基づいて公称電圧が確立されています。

リチウム-イオン（リチウム-イオン）バッテリーは公称電圧としてセルあたり 3.7V を使用します。これらのセルは 4.2V まで充電され、寿命を延ばすためには 3.0V 以上放電する必要があります。公称 3.7V は、これらのバッテリーがその容量の大部分を供給できる電圧を表します。

リン酸鉄リチウム（LiFePO4）バッテリーはセルあたり公称 3.2V で動作し、完全充電電圧は 3.65V、最低安全電圧は 2.5V です。標準リチウム-イオンと比較して公称電圧が低いこのことは、化学的性質と放電特性の違いを反映しています。

鉛酸-バッテリーの公称電圧はセルあたり 2.0V です。標準の「12V」鉛酸自動車バッテリーには、実際には 6 つのセルが直列に含まれています (公称 6 × 2.0V=12V) が、完全充電時の測定値は 12.6V、放電時の測定値は 10.5V です。

ニッケル-金属水素化物（NiMH）ニッケル-電池とニッケル-電池の公称電圧はどちらも 1.2V ですが、完全に充電されると 1.4V、空になると 1.0V に達します。

公称電圧は、バッテリパックの設計と消費者の理解を容易にする標準化された基準として機能します。「48V」というラベルの付いたバッテリーパックを見ると、各充電レベルでの正確な電圧を追跡する必要がなくても、おおよその電圧クラスがすぐにわかります。

バッテリーメーカーは、安全性とマーケティング上の理由から、ラベルには最大電圧ではなく公称電圧を意図的に使用しています。まったく同じ電圧のセルを生産することは非常に難しいことがわかります。-同じ生産ラインからのバッテリーであってもわずかなばらつきが見られます。メーカーはバッテリーを公称電圧で販売することで、消費者を誤解させたり、広告基準に違反したりする可能性のある、実際には11.7Vを測定する可能性のある「12Vバッテリー」を販売するという問題を回避します。

24V リチウム電池システムは、実際の用途、特に電気自動車、太陽エネルギー貯蔵、海洋用途で公称電圧がどのように機能するかを示します。

24V リチウム電池は、実際には正確に 24 ボルトで動作するわけではありません。公称電圧はセルの化学的性質と構成によって異なります。 LiFePO4 化学反応 (24V システムで最も一般的) の場合、実際の公称電圧は 25.6V で、8 つの 3.2V セルを直列に接続することによって達成されます (8 × 3.2V=25.6V)。

24V リチウム電池の電圧範囲は、充電状態によって大きく異なります。

フル充電済み：29.2V（各セル3.65V）公称値 (50% 充電)：25.6V（各セル3.2V）
完全放電：20V（各セル2.5V）

この広い電圧振幅はシステム設計に影響を与えます。「24V 互換」とラベル付けされた機器は、この電圧範囲全体に対応する必要があります。たとえば、24V ～ 230V のインバータは、放電サイクル全体にわたるバッテリの電圧変動に対応するために、通常、入力範囲を 19V ～ 33V に指定します。

24V リチウムシステム用の充電コントローラーは、バッテリーを適切に充電するために 29.2V ±0.2V を供給する必要があります。鉛蓄電池用に設計された標準の 24V 充電器を使用すると、-機能しません-リチウム電池を完全に充電するのに十分な電圧が得られません。これは、ユーザーが充電機器をアップグレードせずに鉛蓄電池からリチウム電池にアップグレードするときによくある間違いです。-

公称電圧は、24V システムのソーラーパネル構成も決定します。ほとんどの個々のソーラーパネルは 12V で動作するため、24V バッテリーバンクには、充電に十分な電圧を生成するために直列に配線された 2 枚の 12V パネルか、1 枚の高電圧パネルが必要です。-。充電システムは、セルに電流を流すために、バッテリーの公称 25.6V よりも高い電圧を出力する必要があります。

実際のアプリケーションでは、これらの電圧特性を理解することが重要であることがわかります。{0} 24V リチウムバッテリーを使用する電気自動車では、バッテリー管理システム (BMS) がセル電圧を監視して、20V 未満での過放電や 29.2V を超える過充電を防ぎます。{3}}これらの制限を超えて動作すると、セルに永久的な損傷を与えたり、安全上の問題が発生したりする可能性があります。

世界中の電気システムは、機器の互換性と安全性を可能にする標準化された公称電圧分類に従っています。これらの規格は、AC (交流) システムと DC (直流) システムの間で異なります。

AC電源システム地域によって異なる公称電圧を使用します。

北米の住宅用システムは、公称 120V (単相) および公称 240V (分流-) で動作します。通常、120V システムの場合、実際の電圧は 114V と 126V の間で変化します。

ヨーロッパおよびほとんどの国際的な住宅システムは、公称 230V を使用します (以前はさまざまな国で 220V または 240V でしたが、現在は両方の範囲を許容するために 230V ±6% に標準化されています)。

産業および商用システムでは、480V (北米の産業で一般的)、400V (ヨーロッパの三相システム) などのより高い公称電圧が採用されており、配電ネットワークではさらに高い送電電圧 11kV、33kV、132kV、230kV、765kV も採用されています。

直流電源システムさまざまな公称電圧規格に従ってください。

自動車システム: 公称 12V (ほとんどの自動車)、公称 24V (トラックおよびバス)、公称 48V (一部のハイブリッド車)

通信: 公称 48V (通信機器、データセンター)

太陽光発電および蓄電池: 公称 12V、24V、48V (住宅システム)、商業施設向けの高電圧

家庭用電化製品: 3.7V または 3.6V (リチウム- イオンを使用する電話、ラップトップ)、1.5V (アルカリ電池)、9V (一般的な角形電池)

これらの標準化された公称電圧により、メーカーや地理的地域を超えた互換性が生まれます。 12V で動作するように設計されたデバイスは、電流容量が要件を満たしていれば、車のバッテリー、AC アダプター、ソーラー充電コントローラーなど、あらゆる 12V 電源で動作します。-

国際電気標準会議 (IEC) は、100 V を超える標準電圧を定義する IEC 60038 を通じて、公称電圧仕様の世界標準を維持しています。この標準化により、各メーカーが製品に任意の電圧レベルを選択した場合に生じる混乱が防止されます。

電力システム設計者は、これらの公称電圧の枠組み内で作業する必要があります。 132kV 送電線用の回路ブレーカーを指定する場合、エンジニアは通常の電圧変動に対処するにはブレーカーの定格電圧が 132kV を超える必要があることを知っており、通常は最大定格電圧として 145.2kV (132kV + 10%) を指定します。

nominal voltage

電気機器は、設計者が適切な電圧安全マージンを組み込んでいる場合にのみ安全に動作します。{0}現実世界の電圧変動に対応する、公称電圧と定格電圧の間のバッファです。{1}

ほとんどの電気システムは、公称値付近の ±10% の電圧許容差を維持しています。公称 240V システムは、216V ～ 264V の範囲で確実に動作する必要があります。このシステム向けに評価された機器は、パフォーマンスの低下や安全性の問題を発生させることなく、これらの変動に対処する必要があります。

機器の定格電圧は、常にこの安全マージンだけ公称電圧を超えます。銘板定格が「440V ±10%」の産業用モーターを考えてみましょう。このモーターの公称電圧は 440V ですが、396V ～ 484V で安全に動作できます。-この電圧範囲は、モーターの絶縁や巻線を損傷することなく、通常の電力システムの変動に対応できます。

いくつかの要因により、これらの安全マージンが必要になります。

電圧降下伝送線路やケーブルでは抵抗により、特に重負荷時に発生します。電源側で公称 240V の電力線は、長い配電の遠端では 230V しか供給しない可能性があります。

負荷変動電圧の安定性に影響を与えます。大型モーターまたはその他の重い負荷が起動すると、システム電圧が一時的に低下する可能性があります。これらの負荷が遮断されると、電圧が一時的に公称値を超えて上昇することがあります。

電力品質の問題高調波、過渡現象、電圧低下などは、電力網内で定期的に発生します。機器はこれらの妨害に故障なく耐える必要があります。

地理的な違い電源の「公称」電圧は地域によってわずかに異なることを意味します。欧州の 230V 標準は、歴史的に 220V を使用していた国と 240V を使用していた国に対応しています。

バッテリーシステムでは特に注意深い電圧管理が必要です。リチウム電池は、最大定格電圧を超えて充電したり、最小カットオフ電圧を下回って放電した場合、永久的な損傷を受けます。 24V リチウム電池の公称電圧は 25.6V ですが、BMS は 29.2V (定格最大値) を超える充電と 20V (カットオフ最小値) を下回る放電を防止する必要があります。

定格電圧と公称電圧の差は、予想される変動に対応できるほど大きくなければなりませんが、効率を維持するには十分小さくなければなりません。過剰なマージンは、過大で高価なコンポーネントを意味します。マージンが不十分な場合、電圧変動中に機器が損傷する危険があります。

公称電圧は技術的には測定された値ではなく指定された値ですが、実際の電圧が公称値とどのように関係するかを理解するには、適切な測定技術が必要です。

バッテリーの場合、開回路電圧（OCV）-負荷を接続していない状態での電圧-を測定すると、最も正確な測定値が得られます。デジタルマルチメーターをバッテリー端子に接続し、負荷を外してから電圧が安定するまで 15-30 分間待ちます。 50% 充電時の 12V 鉛蓄電池の測定値は通常約 12.2V ですが、50% 充電時の 12V リチウム電池の測定値は 13V 近くになります。

新しいバッテリー設計の公称電圧は、その化学的性質とメーカーのテストによって決まります。エンジニアは、室温で標準速度 (通常は 0.2C ～ 1 時間あたりバッテリー容量の 20%) でバッテリーを放電し、電圧曲線をプロットします。公称電圧は、バッテリーが使用可能な放電時間のほとんどを費やす場所に基づいて選択されます。

AC システムの場合、電圧を正確に測定するには、真の RMS (二乗平均平方根) マルチメータを使用してください。非正弦波波形を使用する最新の電子機器では、標準メーターが誤った測定値を表示する場合があります。-配線内の電圧降下を考慮して、分電盤ではなく機器の端子で電圧を測定します。

バッテリー電圧の測定値は、いくつかの要因に基づいて変化します。

充電状態が主な影響です。完全に充電された 24V LiFePO4 バッテリーの出力は 29.2V ですが、同じバッテリーの 20% 充電時の出力は約 24V で、10% 充電では 22V に低下します。

負荷条件直ちに電圧降下を引き起こします。バッテリは無負荷時に 25.6V と表示されますが、インバータに 50 アンペアを供給すると 24.5V に低下します。この電圧低下は内部抵抗によって発生します。

温度バッテリー電圧に大きな影響を与えます。冷たいバッテリーは、同じ充電状態で温かいバッテリーよりも低い電圧測定値を示します。 12V リチウム電池の場合、20 度では 12.8V と表示されますが、-10 度では 12.4V しか表示されません。

年齢と健康衝撃電圧特性。内部抵抗が増加した古いバッテリーは、たとえ開路電圧が正常に見えても、負荷がかかると電圧降下が大きくなります。

専門的なバッテリー監視システムは電圧を継続的に追跡し、測定された電圧を特定のバッテリーの化学的性質の既知の放電曲線と比較することによって充電状態の推定値を提供します。これらのシステムは、特に放電範囲のほとんどにわたって比較的平坦な電圧を維持する LiFePO4 バッテリーの場合、単純な電圧測定のみよりもはるかに高い精度を提供します。

公称電圧仕様は、互換性のあるコンポーネントの選択からさまざまなアプリケーションにわたる安全な動作の確保に至るまで、電気システム設計における重要な決定の指針となります。

太陽光発電システムパネル、充電コントローラー、バッテリー、インバーター間の電圧マッチングを慎重に行う必要があります。 24V ソーラーシステムでは通常、次のものが使用されます。

8 つの 3.2 V LiFePO4 セルを直列に接続 (公称 25.6 V バッテリー) 2 つの 12 V ソーラーパネルを直列に接続 (バッテリーを充電するために 36 ～ 40 V を供給)
24V MPPT 充電コントローラ (19 ～ 33V 入力を受け入れる) 24V ～ 230V インバータ (20 ～ 30V 入力で動作)

各コンポーネントは、公称 25.6V 値だけでなく、公称 24V システムの電圧範囲を処理する必要があります。電圧が一致しないと、非効率な充電、機器の損傷、または完全なシステム障害が発生します。

電気自動車の設計バッテリーパックの公称電圧に大きく依存します。 48V 電動自転車は次のいずれかを使用します。-

3.7V リチウム- イオン 13 セル直列 (13 × 3.7V=48.1V 公称) 3.2V LiFePO4 15 セル直列 (15 × 3.2V=48V 公称)

モーター、コントローラー、BMS は、完全放電から完全充電までの全電圧範囲に対応する必要があります。公称 48V システムは、実際には 39V (放電) ～ 54.6V (リチウム- イオンの充電) または 37.5V ～ 54.75V (LiFePO4 の場合) で動作します。

産業機器仕様は常に公称電圧を参照します。「440V、3 相」定格のコンベアモーターは公称 440V システムで動作しますが、396V ～ 484V (440V ±10%) を安全に処理する必要があります。このモーターを 380V システムに取り付けると、パフォーマンスが低下する可能性があります。 690V システムに接続すると、絶縁が損傷する可能性があります。

海洋用途電力伝送効率と安全性のバランスが優れているため、24V システムが一般的に使用されています。典型的な巡航ヨットでは次のものが使用されます。

24V バッテリーバンク (公称 25.6V=20.5kWh で容量 800Ah) 24V オルタネーター (29.2V、100A で充電)
24V DC 負荷 (さまざまな電圧の照明、ポンプ、電子機器) 24V から 12V へのコンバータ (従来の 12V 機器用) 24V から 230V へのインバータ (AC 機器用)

この「24V システム」が実際には 20V ～ 29.2V の間で動作することを理解することで、適切な機器の選択が保証され、電圧の不一致による損傷を防ぐことができます。

データセンターの設計は、従来の AC 配電と比較して効率が向上するため、48V DC 配電を使用します。公称 48V により、大部分の電力 (40A で回路あたり最大 2000W) を供給できると同時に、ほとんどの電気法規で特別な安全性の考慮が必要な 60V のしきい値を下回ります。

nominal voltage

公称電圧に関するいくつかの誤解が広まっており、機器の問題やユーザーの混乱を引き起こしています。

「12V バッテリーの表示値は 13.7V ですが、故障していますか?」これはおそらく、公称電圧と実際の電圧を混同するという最も一般的な誤解を反映しています。{0} 12V 鉛酸バッテリーはフル充電時に 12.6 ～ 12.8V と表示されますが、12V リチウムバッテリーはフル充電時に 13.3 ～ 13.4V に達します。公称電圧定格を超えているにもかかわらず、両方とも正常に動作しています。

「24V バッテリーでは、どんな 24V 充電器でも使用できます。」バッテリーの化学的性質は非常に重要です。 24V 鉛酸充電器は鉛酸バッテリーを充電するために約 27.6V を出力しますが、24V リチウムバッテリーはフル充電に 29.2V 必要です。間違ったタイプの充電器を使用すると、充電が不完全になり、容量が減少します。

「電圧が公称値を下回っているため、バッテリーが劣化しています。」電圧が公称電圧を下回っている場合は、通常、バッテリーの欠陥ではなく、放電していることを示します。 24V リチウムバッテリーは 24V で約 40% 充電されていますが、損傷はありません。-電圧がカットオフ電圧 (24V リチウムの場合は 20V) を下回った場合にのみ、問題が発生します。

「240V 回路で 245V を測定しました。何かが間違っています。」電圧が公称値よりわずかに高いのは正常です。ほとんどの電源システムは、±5 ～ 10% の変動で動作します。 245V の読み取り値は、240V 公称システムの許容範囲内に収まります。電圧が定格電圧制限を常に超えている場合にのみ、懸念が保証されます。

電圧の問題のトラブルシューティング体系的なアプローチが必要です。

まず、高品質のマルチメーターを使用して実際の電圧を測定します。電圧の問題の多くは、安価なメーターを使用した誤った測定や、回路内の間違ったポイントでの測定に起因します。

次に、電圧の問題の種類を特定します。負荷時の電圧が低い場合は、配線のサイズが小さいか接続不良による過度の電圧降下を示します。無負荷時の電圧が低い場合は、電源の問題またはバッテリーの放電を示唆しています。高電圧は、レギュレータの故障または充電器の設定が正しくないことを示している可能性があります。

第三に、複数の点での電圧を確認します。バッテリー端子の電圧は正常であるにもかかわらず、機器の電圧が大幅に低下している可能性があり、コンポーネント間の配線または接続に問題があることを示しています。

バッテリーシステムの場合は、充電状態に対して電圧を追跡します。特定のバッテリー化学反応に対する電圧-対-SOC グラフにより、観察された電圧が現在の充電レベルに対して正常であるかどうかがわかります。 LiFePO4 バッテリーは、90% から 20% の充電状態まで比較的一定の電圧を維持するため、電圧だけでは残容量を示す信頼性の低い指標となります。

正しい公称電圧のシステムで動作しない機器には、通常の範囲外の特定の電圧要件がある可能性があります。一部の高感度電子機器では、電源システムの許容誤差が ±10% であっても、厳密に調整された電圧 (±2 ～ 3%) が必要です。電圧調整を追加するか UPS を使用すると、これらの問題を解決できます。

バッテリーの公称電圧は、最大電圧ではなく、平均動作点を表します。公称電圧は、バッテリーがそのエネルギーのほとんどを供給する放電曲線の中点に基づいて選択されるため、完全に充電されたバッテリーは公称電圧を超えます。 3.7V リチウム- イオン電池は 4.2V まで充電し、3.0V まで放電します。3.7V は有効な放電時間の大部分を費やす電圧を表します。

公称電圧の 2 倍にデバイスを接続すると、デバイスが損傷または破壊されます。ただし、24V から 12V への DC- DC コンバータを安全に使用して電圧を降圧することができます。これらのコンバータは、24V の家庭用バッテリーを使用するものの、12V の電子機器に電力を供給する必要がある車両やボートで一般的です。

定格電圧を超えて動作させると、絶縁破壊、コンポーネントの過熱、または即時の故障によって機器が損傷する危険があります。一時的な電圧スパイクに対しては安全マージンが存在しますが、定格電圧を超えて継続的に動作すると、機器の寿命が低下したり、致命的な故障が発生したりすることがあります。バッテリーの場合、最大電圧を超えると、特にリチウム化学の場合、熱暴走を引き起こす可能性があります。

無負荷状態でマルチメータを使用して出力電圧を測定します。これにより、公称値よりわずかに高い開回路電圧が得られます。ほとんどの DC 電源は、無負荷時に公称定格を 5 ～ 15% 上回る出力を出力しますが、定格負荷時には公称電圧まで低下します。 13.8V を示すラベルのない電源は公称定格 12V である可能性が高く、29V を示す電源はおそらく公称 24V です。