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高容量の海洋観測用リチウム電池パックは、海洋学者が使用する電池パックの一種です。物理海洋学者は、長期展開において、展開期間を延長し、より多くのデータを収集するために、高容量のリチウム電池パックを使用します。海洋学者は、アクセスが困難な遠隔地で調査を行うことがよくあります。これらの遠隔地への移動費用（多くの場合、船舶による移動）は、調査費用の大部分を占めることがあります。そのため、海洋学者は、調査地への訪問頻度を減らすために、展開期間を延長しようとします。これは、とりわけ、電池パックの容量を増やすことを意味します。
海洋学者は、可能な限りアルカリ電池を使用する。アルカリ電池は安価で入手しやすいためである。しかし、アルカリ電池の容量が不足する場合、海洋学者は容量が3倍になるリチウム電池パックを使用する。塩化チオニルリチウムをベースとした電池パックはアルカリ電池パックよりも高価だが、重量は約60%（いずれも体積比）で、エネルギー密度は約3倍となる。リチウム電池には他にも利点がある。発生するガスはごくわずかで、発生したガスも密閉された金属容器に封入される。電池パックの寿命期間中の電圧変動は、アルカリ電池パックの電圧変動よりもかなり小さい。低電流リチウム電池は自己放電も比較的少なく、10年間で容量の10%未満しか低下しない。
Doppler Ltd. の海洋観測用バッテリーパックは、Tadiran の TL6930 [ 1 ]低電流リチウムチオニルクロリド一次電池と、ハイブリッド層コンデンサ (HLC) [ 2 ]と呼ばれる小型充電式電池を組み合わせて使用しています。低電流リチウム電池は多くの用途に必要な電流を供給できませんが、高電流電池よりも多くのエネルギーを蓄えることができます。高電流電池は、らせん状に巻かれた電極[ 3 ]を使用します。これは、セル内部でらせん状に巻かれたシート状の電極です。シートの表面積が大きいため、セルが供給できる電流が増加します。低電流電池は、ボビン電極[ 3 ]を使用します。これは、内側の陽極、外側の金属リチウム層、およびその間の電解質からなるシンプルな設計です。この設計は製造コストが低く、より多くのエネルギーを蓄えることができます。
TL6930セルは 、一般的な海洋温度（0～40℃）および一般的な海洋展開期間（1ヶ月～2年）において良好に動作します。5～10 ℃の温度では、TL6930セル1個は、同じサイズのアルカリ電池の約3倍のエネルギーを保持します。この差の大部分は、リチウムセルの高電圧（公称3.8VDC対1.5VDC）によるものです。図1は、両方のセルが同じ連続電力を供給すると仮定した場合の、これらのセルの電圧が時間とともにどのように変化するかの例を示しています。リチウムセルはアルカリ電池の3倍長持ちし、寿命の間、より一定の電圧を維持します。一次リチウムセルは、充電式リチウムセルの数倍の容量も保持します。
ほとんどの海洋観測機器は、ほとんどの時間消費電力が少なく、高電流を必要とするのは短時間だけです。例としては、イリジウムを介してデータをテレメトリする機器システムや、音響モデム（Benthos [ 4 ]や Link-Quest [ 5 ]など）が挙げられます。ADCPも、高出力の音響伝送をサポートするために、短時間の高電流パルスを必要とします。HLC は、低電流のリチウム電池パックが短時間の高電流パルスを供給できるようにする鍵となります。HLC は実際には充電式リチウムセルであり、狭い電圧範囲で巨大なコンデンサのように動作します（図 2）。
海洋学者が使用するアルカリ電池パックのほとんどは、セルストリングで構成されています。一般的なアルカリ電池パックは、総容量を増やすために並列接続された複数のアルカリセルストリングで構成されています。PulsesPlusパックはこれとは逆のアプローチを採用しています。パックは並列接続された一次セルの「ブランチ」で構成され、各ブランチが1つ以上のHLCを充電します。高電流が必要なときはHLCが電流の大部分を供給し、その後、HLCは一次セルから低電流でゆっくりと充電されます。セルの低電流により、より効率的に動作します。高電流は低電流セル内部で熱としてエネルギーを消費し、その他の悪影響も及ぼします。これらは計測機器に供給できるエネルギーを減少させます。一次リチウムセルとHLCを組み合わせることで、パックは蓄積されたエネルギーをより多く計測機器システムに供給することができます。
図3は、Pulses Plusの典型的な回路図を示しています。このパックには、セルの逆充電の可能性を最小限に抑えるために、各分岐にダイオードが組み込まれています。PTC（正温度係数サーミスタ）は、リセット可能なヒューズとして機能します。PTCは、トリップ電流に達すると発熱し始めます。発熱によって抵抗が増加し、さらに熱が発生するため、PTCはすぐに「トリップ」して電流の大部分を遮断します。一般的なADCPパックでは、安全回路が短絡（約8Aを超える電流と定義される）に対する主要な保護機能であるため、PTCがトリップすることはほとんどありません。安全回路は、電圧が閾値を下回る前にパックの電源をオフにします。パックが完全に放電した場合、1つの分岐が他の分岐よりも先に放電する可能性があり、放電した分岐が残りのセルによって充電される可能性があります。リチウムセルを充電しようとすると、潜在的に危険であるため、パックを始動電圧の約75～80%でオフにすることで、このような事態を防ぎます。この電圧では、容量の約3%しか残っていませんが、残りの容量により、パックが完全に放電する前に廃棄するまでに数年使用できます。
海洋学者は長期展開にかなりの時間と費用を費やし、結果が出るまで待つため、実験の成功を確実にするために展開前に並々ならぬ努力を注ぎます。彼らの懸念の 1 つはバッテリーの故障です。[ 6 ] Doppler Ltd の音響ドップラー流速計(ADCP) バッテリー[ 7 ]は、海洋学者が展開前にテストできるリチウムバッテリーパックの一例です。これらのバッテリーパックは、RD Instruments [ 8 ] Workhorse Sentinel [ 9 ]および Long Ranger [ 10 ]や Nortek [ 11 ] AWAC [ 12 ]で一般的に使用されています。Tadiran の PulsesPlus [ 13 ]テクノロジーに基づくこれらのリチウムパックは、一般的なアルカリバッテリーパックとはかなり異なる設計になっています。
安全回路は、安全機能に加えて、展開前にバッテリーパックの状態を確認する自己診断機能も備えています。LEDが点灯する窓がない場合、バッテリーパックを短絡させてはいけません。安全回路を搭載したバッテリーパックのみが、短絡を検知すると即座に電源を遮断します。
自己診断テストの結果、バッテリーとその安全回路が正常に動作し、バッテリー電圧が許容範囲内であり、8Aの電流パルスを供給でき、短絡からバッテリーを保護することが確認されました。また、バッテリーパックが新品であることも確認されました。新品のバッテリーが使用済みと判定された場合は、供給元に連絡してください。低温で保管されたバッテリーは、本来の容量を維持しているにもかかわらず、使用済みと判定される場合があります。
一部の計測器には入力部に電流制限器が搭載されています。最も一般的な例は、RD Instruments社のWorkhorseです。電流制限器が故障すると、計測器はバッテリーの短絡保護機能を作動させるのに十分な電流を消費し、計測器は動作しなくなります。このような場合は、ACアダプター（ADCPの内部コンデンサバンクを充電します）を接続し、次にバッテリーを接続してください。これで計測器は正常に動作するようになります。
安全回路は、バッテリーパックの電圧が閾値を下回った場合、または最小パルス数を検出した場合に、パックが使用されたと判断します。通常、テストだけではパックが「使用済み」と判断されることはありません。しかし、通常の動作では、容量の約1%が消費された時点で「使用済み」と判断されます。安全回路は、バッテリーパックの電圧が寿命末期電圧を下回ると、パックを「消耗済み」と判断して電源をオフにします。使用済みのパックは引き続き正常に動作しますが、消耗済みのパックは使用できなくなります。