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新技術調査レポート

リチウムイオン二次電池を利用した交流無停電電源装置（UPS）について（一財）建築コスト管理システム研究所・新技術調査検討会

方式、ラインインタラクティブ方式または常時商用給電方式等であること、更に、リチウムイオン二次電池は、「JIS C 8715 産業用リチウム二次電昨今、情報インフラの重要性はますます高まっており、サーバ等の重要機器が停電等でダウンし1池の単電池及び電池システム」によることが規定されている。

ないように予備電源としてUPS が広く導入され（一社）公共建築協会では、営繕工事の公共工ている。

事発注者が行う監督業務の簡素化及び迅速化を図

従来、UPS用の蓄電池は、鉛蓄電池が主に利用るため、営繕工事において標準的に使用される材

さ れ て い る。 し か し、 欧 州 で は「 改 正RoHS指料や機材等のうち、重要なものを対象として、通2

令 」により有害物質である鉛の使用が制限されて常、各工事現場において確認している品質や性能おり、日本でも環境性の観点から鉛蓄電池以外の等について、予め審査を行って評価基準に適合し蓄電池を利用する検討が進んでいる。このようなた機材に評価書を交付している。UPSは、常時イ背景から、近年、UPS用の蓄電池にリチウムイオン バ ー タ 給 電 方 式（300kVA以 下、 ま た は 簡 易ン二次電池を利用することが増えている。

型）、ラインインタラクティブ方式、常時商用給リチウムイオン二次電池は鉛蓄電池と比較して、環境性だけでなく、エネルギー密度が高いことで寸法を小さくできることや、蓄電池寿命が長電方式を評価対象としている。
本レポートでは、UPSとリチウムイオン二次電池の技術動向を紹介する。

いこと等の様々なメリットがある。
公共建築工事に利用される電気機器は、国家機関の統一基準である、「公共建築工事標準仕様書（電気設備工事編）」で仕様が規定され、UPSは、情報インフラに用いられるサーバ等の重要度のJEC-2433 無停電電源システム、JIS C 4411-３ 無高い設備のUPSと、そのシステムに求められる要停電電源装置（UPS）―第３部：性能及び試験要件は、主に次のとおりである。

求事項によること、方式は、常時インバータ給電①24時間365日無休止運転を実現する高信頼性
やUPS構成の冗長性

1238UPS（Uninterruptible Power Supply）：交流無停電電源装置
RoHS（ローズ）指令：2003年2月に発効した電気・電子機器における特定有害物質の使用制限に関するEUの法律。2011年6月に改正され「改正RoHS指令（通称RoHS）」という。

建築コスト研究No.1192023.1②電力損失を抑制する高効率性③小型、軽量④省メンテナンス

新技術調査レポート⑤急速充放電性能

返し使用できる二次電池がある。リチウムイオン

前記②の電力損失を抑制する高効率性の技術の3一つに、最新の半導体デバイスであるSiC パワー

二次電池は、鉛蓄電池等と同様に二次電池に該当する。
UPSに利用される鉛蓄電池とリチウムイオン二デバイスを利用することが挙げられる。
また、前記③の小型、軽量、④の省メンテナン

次電池の比較を表１に示す。

ス、⑤の急速充放電性能の技術として、リチウムリチウムイオン二次電池は鉛蓄電池よりエネルイオン二次電池を利用することでUPS全体の小型ギー密度が高いため、同容量で比較すると外形、化、軽量化や省メンテナンス化、急速充放電化、重量が低減できる。また、繰り返して充放電を蓄電池の長寿命化が期待できる。

行った場合のサイクル寿命は、鉛蓄電池が300 ～500回程度で容量が大きく減少して寿命を迎えることに対し、リチウムイオン二次電池は一般的に3,000 ～ 10,000回程度の充放電後も容量が大きく3．1

リ チウムイオン二次電池と鉛蓄電池減少しない。また、リチウムイオン二次電池は、の性能の比較鉛蓄電池と比べて、急速充放電性能が高い。

電池の種類を図１に示す。電池は大別すると化

イニシャルコストは、リチウムイオン二次電池

学電池、物理電池、生物電池の３種類に分かれより鉛蓄電池の方が安価だが、寿命はリチウムイる。その中で、化学電池は一度放電すると充電でオン二次電池の方が長いため、ライフサイクルコきずに使い切りとなる一次電池と、充電して繰りストで比較をする必要がある。
表１

化学電池

一次電池

化学反応により生じるエネルギーを利用する電池

使い切りの電池

アルカリ電池マンガン電池リチウム電池空気亜鉛電池二次電池

鉛蓄電池
ニッケルカドミウム電池
ニッケル水素電池
リチウムイオン二次電池

充電して繰り返し使える電池

燃料電池
物理電池

太陽電池

生物電池

光や熱などの物理的なエネルギーから電気エネルギーに変換して使用する
電池

原子力電池

酵素や葉緑素等の生体触媒や微生物による生物化学的な変化を利用して電気エネルギーに変換する
電池

図１

3

人工衛星の電源等に使われる、放射線のエネルギーを変換して使用する電池

電池の種類

鉛蓄電池とリチウムイオン二次電池の比較

出典：東芝インフラシステムズ㈱SiC（シリコンカーバイド）：炭化ケイ素。電力用半導体の材料の一種として使用される。スイッチング効率を向上させ電力損失の低減を図ることができる。

建築コスト研究No.1192023.139

新技術調査レポート

リチウムイオン二次電池の性能向110

分野の文部科学大臣表彰にて、「出100908070605040302010

入力性能と安全性に優れた長寿命大0

上は日進月歩であり、様々な特長を有するリチウムイオン二次電池が開発されている。
本レポートでは㈱東芝のリチウムイオン二次電池SCiBTM 4 を紹介する。
SCiBTMは、令和２年度科学技術型二次電池の開発」の業績で科学技術 賞（ 開 発 部 門 ） を 受 賞 し た。

SCiBTM■SCiBTM の試験条件
環境温度 ︓25℃
充放電電流 ︓3C（60A）
5,000
図２

10,00015,000
サイクル数（回）SCiBTMのサイクル寿命

20,000

出典：東芝インフラシステムズ㈱SCiBTMはサイクル寿命が長く、図２に示すように量規制がある。指定数量（1,000ℓ）の10倍以上20,000回の充放電後も容量維持率が70％を上回る。

（リチウムイオン二次電池の電解液の場合10,000ℓ以上）の危険物を取り扱う場合は建築物を、耐火ま３．２ リチウムイオン二次電池に関する法規制

たは準耐火構造とする必要がある。また建築物の設UPSにリチウムイオン二次電池を利用する際

置地域による用途規制により設置できる総量に上限に、関連する法規制を説明する。
①消防法～蓄電池設置届の提出
鉛蓄電池と同様に、リチウムイオン二次電池は蓄電池総量（定格容量と電槽数の積の合計）が4,800Ah・セルを超える場合、所轄消防署に対し蓄電池設置届の提出が必要となる。
②消防法～危険物取扱所の設置
リチウムイオン二次電池はバッテリ内部の電解液が消防法上の危険物である第四類第二石油類非水溶液体に該当する。そのため、電解液の総量が指定数量の1,000ℓを超える場合は蓄電池の設置場所が一般危険物取扱所となり、指定数量の５分の１である200ℓを超える場合は少量危険物取扱所となる。これらに該当する場合、法令に従い防火区画や必要な消防設備を設ける必要がある。
③建築基準法～危険物の総量規制②の消防法以外に、建築基準法でも危険物の総440SCiBTM（エスシーアイビー）：㈱東芝のリチウムイオン二次電池

建築コスト研究No.1192023.1がある場合もあるため、注意が必要である（表２）。
表２

建築基準法による危険物の用途規制

危険物の種類 第二石油類（灯油・軽油）
用途地域

貯蔵量

備考

第一種低層住居専用地域
第二種低層住居専用地域
第一種中高層
住居専用地域

貯蔵できない

第二種中高層
住居専用地域
第一種住居地域
第二種住居地域
準住居地域

5,000ℓ

指定数量の５倍

近隣商業地域
商業地域

10,000ℓ

指定数量の10倍

準工業地域

50,000ℓ

指定数量の50倍

工業地域
工業専用地域
指定なし

貯蔵制限なし出典：建築基準法抜粋

新技術調査レポート④労働安全衛生法～危険物の総量規制

ン二次電池の監視盤が必要となる（図３）。

危険物を一定以上設置する工事を行う際は、当リチウムイオン二次電池はJIS C 8715「産業用該工事の開始30日前までに労働基準監督署長宛にリチウム二次電池の単電池及び電池システム」に届出が必要となる。リチウムイオン二次電池の電より、その監視、保護項目が定められている。こ解液は引火点が30℃以上65℃未満であるため、電の規格では過充電、過温度、過電流からの保護を解液の総量が500ℓを超える場合が該当する（表３）。

求められているため、各蓄電池の電流、電圧、温表３度を監視し、異常が発生した場合にその蓄電池を労働安全衛生法の届け出基準

危険物の種類
燈油、軽油、テレビン油、イソペン
チルアルコール（別名イソアミルアルコール）、酢酸その他の引火点が30℃以上65℃未満の物

回路から切り離す必要があり、リチウムイオン二数量次電池を監視する監視盤を設ける。
蓄電池に異常が発生した場合、各蓄電池盤に設けられたコンタクタにより異常が発生した蓄電池盤のみを回路から切り離し、その他の健全な蓄電500ℓ池は運用を継続することができる。また、監視盤は省メンテナンス化にも役立っている。

4．2

出典：労 働安全衛生規則第273条の３第１項及び別表第７の３の項の規定に基づき厚生労働大臣が定める基準より抜粋

リ チウムイオン二次電池を利用する
メリット

鉛蓄電池に比べリチウムイオン二次電池は寸法が小さく、軽いので蓄電池部分を減らすことができ る。 例 え ば、 東 芝 イ ン フ ラ シ ス テ ム ズ ㈱ の500kVA単機UPSの場合で比較すると、制御弁式

4．1

UPSの構成及び電池監視について鉛蓄電池を利用する場合は整流器・インバータ据置鉛蓄電池（MSE 5 ）に比べ蓄電池部分の設置面積は65％減、質量は74％減となる（図４）。

盤と蓄電池盤の構成となるが、リチウムイオン二また、リチウムイオン二次電池を利用すると、次電池を利用する場合はそれに加えリチウムイオ鉛蓄電池を利用する場合と比較してイニシャルコ

蓄電池盤※蓄電池盤の⾯数は、UPSの機種・容量などによって変わります。

整流器・インバータ盤

蓄電池監視盤図３

UPSシステムの構成例

5

出典：東芝インフラシステムズ㈱5MSE（Middle rate Stationary Enclose）：制御弁式据置鉛蓄電池© 20XX Toshiba XXX Corporation

建築コスト研究No.1192023.141

新技術調査レポート

急速充放電が可能である。また、■鉛蓄電池の場合4.1のとおり電流、電圧、温度500kVA
UPS

MSE形鉛蓄電池
10分保持

160010500

1900

利活用することが可能である。そ蓄電池部分で設置面積65%減■SCiB の場合
TM0年

1900

SCiBTM

500kVA
UPS

10分保持

16004800

図４を常に監視しており、その情報を蓄電池の質量は、約74%減
鉛︓16.6t → SCiBTM︓4.25t

蓄電池盤の設置面積

出典：東芝インフラシステムズ㈱鉛蓄電池

SCiBTM

1回の更新

15年間更新不要設置

0年

れらの特長を活用したUPSシステ
ムの高機能化について紹介する。
①ピークシフト対応
UPSシステムでは高い給電性を確保するため実際に使用される負荷容量に加えて、バックアップ分を設けた冗長構成とすることが多い。通常使用されていないバックアップ分を有効活用する機能が設置

ピークシフトである。
ピークシフト機能は、電気料金

7～8 年の高い日中に蓄電池のバックアッ更新

プ分からのアシスト放電を行うことで、購入電力量を減らす。ま

15 年

15 年

た、電気料金の安い夜間に蓄電池

・ 鉛蓄電池は、7～8年で蓄電池単体の更新が必要
・ SCiBTMは整流器、インバータの期待寿命の15年間と同等の寿命で15年間は更新が不要
図５

蓄電池の寿命についてへ充電を行うことで、放電した容量を回復させる。
このように日中と夜間に蓄電池

出典：東芝インフラシステムズ㈱を活用することで電気料金の低減に寄与する機能であるピークシフ
ストは約２～３倍となるが、鉛蓄電池よりも寿命ト機能を利用して、設備全体のランニングコストが長いため、蓄電池更新時の工事費用等も考慮す低減が期待できる（図６）。

るとライフサイクルコストではリチウムイオン二次電池を利用する方が有利となる。整流器、インバータの期待寿命は15年間で、整流器、インバータを更新するまでに、鉛蓄電池は１回の更新が必

アシスト放電急速充電

要だが、リチウムイオン二次電池は更新が不要で15年に１回の整流器、インバータ、蓄電池の更新で済む（図５）。

4．3リ チウムイオン二次電池を利用したUPSシステムの高機能化

リチウムイオン二次電池は鉛蓄電池と比較して

42

建築コスト研究No.1192023.1

図６

ピークシフト運用例
出典：東芝インフラシステムズ㈱新技術調査レポート②蓄電池の放電可能推定時間の算出
UPSに用いる鉛蓄電池は、一般的に蓄電池の温度異常のみを監視しているが、リチウムイオン二蓄電池は環境負荷が大きく、SDGsへの取組みを進める某大手金融機関としてはSCiBTMを選択する意義もあり、SCiBTMの導入が実現した。

次電池は電流、電圧、温度を常に監視しており、この事例からも、耐用年数を迎えた有害物質をその情報を利用し蓄電池の現状の容量の算出が可含む鉛蓄電池の更新にあたって、SCiBTMを利用能となる。SCiBTMの場合、蓄電池監視盤は蓄電したUPSシステム導入のメリットは、コスト削減

6

池 のSOH の 確 認 が で き る 機 能 を 有 し て い る。

も含め大きかったと考える。

SOHとは、初期の容量を100%としたときの現在使用できる容量の割合を目安として示すものである。これを基に、UPSを停止させずに蓄電池の放電可能推定時間を算出することができる。

本レポートでは、リチウムイオン二次電池を利用したUPSについて紹介した。

4．4

事例紹介

今後の情報化社会の高度化に伴い、サーバ等のTM

SCiB を利用したUPSシステムの事例として情報機器に安定した電源を供給するUPSの重要度

某大手金融機関のデータセンターに利用した事例はますます高まると考えられる。また、導入されを紹介する。

るUPSの容量や台数も毎年増加していることか

某 大 手 金 融 機 関 で は、 デ ー タ セ ン タ ー にTMら、建物設計や管理面の要求からUPSに対する小SCiB を利用したUPSシステムを導入している型化、軽量化、省メンテナンス化のニーズは高（写真１）。

まっている。そのため、UPSにリチウムイオン二TM

SCiB を利用することで、設置スペースの確保が容易な上、積載荷重に対する床補強工事等が次電池の利用を進め、その社会的要求に応えていく必要があると考える。

不要となるメリットがあった。更に、鉛を使う鉛
最後に、本レポートをまとめるにあたり、東芝インフラシステムズ㈱様には多大なご協力をいただきました。
ここに感謝の意を表します。

写真１

 大手金融機関のデータセンターに導入された
某
SCiBTMを使用したUPSシステム
出典：東芝インフラシステムズ㈱6

SOH（State Of Health）：健全度や劣化状態を表す指標

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