電力とエネルギー基礎

効率・損失・電力予算

バッテリー駆動システムの電力予算を組み立てます。入出力電力、効率、熱として失われる電力、利用可能なエネルギー、実際の駆動時間を考慮します。

難易度: 中級者向け
読了時間: 16分
主な規格・出典: IEC 80000-6、エネルギー保存則、コンバーターと電池セルのデータシート
最終確認日: 2026年9月13日
関連ツール: バッテリー駆動時間計算器

執筆・技術レビューElectroDesignForge Engineering Team

要点：電池駆動製品が電池に蓄えられたエネルギーをすべて利用できるわけではありません。各段階で一部の電力が熱になり、待機中にも消費されます。電力予算を作ると、負荷で使う電力、入力電力、損失、最終的な動作時間を結び付けられます。

早見表

量	記号	単位	電力予算での役割
入力電力	P_in	W	電源または電池から取り出す電力
出力電力	P_out	W	負荷へ実際に供給される電力
効率	η	% または無次元	P_inのうちP_outに変換される割合
損失	P_loss	W	熱などになって失われる電力
利用可能なエネルギー	E	Wh	一定期間に使える総エネルギー
動作時間	t	h	指定した停止電圧に達するまでの時間

単純な直流の電力予算には、平均電力を使います。

P = V × I
η = Pout / Pin
Pin = Pout / η
Ploss = Pin − Pout = Pin × (1 − η)
E = P × t
t = E / P

式には0から1の効率値を代入します。90% = 0.90です。

1. 入力電力、出力電力とエネルギー保存

コンバータ、レギュレータ、ケーブル、保護回路はエネルギーを生み出しません。取り出した電力は負荷で使う分と損失に分かれます。

Pin = Pout + Ploss

レギュレータが5 Vで1 Aを供給する場合、負荷は5 Wを受け取ります。その動作点で効率が90%なら、電池は5 Wより大きい電力を供給する必要があります。

Pout = 5 V × 1 A = 5 W
Pin = 5 W / 0.90 = 5.56 W
Ploss = 5.56 W − 5 W = 0.56 W

この0.56 Wは消えるわけではなく、主にレギュレータと周辺部品の熱になります。そのため、電池は5.56 Wを供給し、負荷には5 Wが届きます。

電圧の異なる領域に注意

コンバータの入力電圧と出力電圧が異なる場合、電流は同じになりません。電力で比較してください。12 Vから3.3 Vへ降圧し、出力に1 Aを供給するコンバータの出力は3.3 Wです。効率90%なら、理想化した入力電流は約0.306 Aであり、1 Aではありません。

Pin = 3.3 W / 0.90 = 3.67 W
Iin = 3.67 W / 12 V = 0.306 A

複数の電源系統がある場合は、各系統の電力を先に求め、段階ごとに電池側へさかのぼって計算します。

2. 効率を明確に計算する

効率は、有効な出力電力と総入力電力の比です。

η = Pout / Pin
η (%) = 100 × Pout / Pin

効率は入力電圧、出力電圧、電流、制御モード、温度、使用部品を定めた動作点でのみ意味を持ちます。データシートには効率曲線の最大値として95%と記載されていても、製品が大半の時間を15 µAで過ごすなら、静止電流の影響が支配的になり得ます。

効率	有効出力1 Wあたりの損失	必要な入力電力
95%	52.6 mW	1.053 W
90%	111 mW	1.111 W
80%	250 mW	1.250 W
60%	667 mW	1.667 W

高効率と損失電力の小ささを混同しないでください。95%でも、100 Wを扱う段階では5.26 Wを失い、熱設計上の大きな問題になり得ます。

3. 損失の発生源

損失の仕組みは回路構成によって異なります。初期計算で各損失を個別に分けなくても、電力予算には含めてください。

損失源	代表的な関係または原因	実際の影響
抵抗、ケーブル、配線パターン	P = I²R	発熱、電圧降下、ピーク時の余裕の減少
リニアレギュレータ	P_loss ≈ (V_in − V_out) × I_out	入出力電圧差が大きいと損失が大きい
スイッチングコンバータ	P_loss = P_in − P_out	スイッチング、導通、インダクタ、ダイオード、制御回路の損失
静止電流	V_in × I_q	待機時の動作時間を左右し得る
保護・計測回路	MOSFET、ヒューズ、シャント、残量計回路での電圧降下	利用可能な電圧を下げ、エネルギーを消費する
電池	内部抵抗と自己放電	発熱、電圧低下、停止電圧までに取り出せないエネルギー

リニアレギュレータは特に損失を計算しやすい回路です。12 Vから5 Vへ変換し、電流が200 mAの場合：

Pout = 5 V × 0.2 A = 1 W
Ploss = (12 V − 5 V) × 0.2 A = 1.4 W
η = 1 W / 2.4 W = 41.7%

ごく小さい電流なら適する場合もありますが、損失が動作時間や温度に影響するなら、一般に降圧コンバータが必要です。

4. 損失電力と温度：もう一つの予算

失われた電力は温度上昇を引き起こします。一次近似では次のように表せます。

ΔT ≈ Ploss × θJA
Tj ≈ Ta + ΔT

ここでθJAは実際の基板条件における接合部から周囲への熱抵抗、T_aは周囲温度、T_jは推定接合部温度です。この近似は温度上昇の規模を把握するのに有用ですが、θJAはパッケージ、銅箔、サーマルビア、気流、近くの部品に大きく依存します。

例：コンバータの損失が0.8 Wで、基板上で推定した実効熱抵抗が45 °C/Wなら、温度上昇は約36 °Cです。周囲温度が40 °Cなら、余裕、ピーク負荷、隣接部品からの加熱を考慮する前でも、接合部温度は約76 °Cに達する可能性があります。

最大接合部温度、インダクタとコンデンサのディレーティング、過負荷時の動作を必ず確認してください。動作時間の改善は信頼性の向上にもつながります。

5. 電池のエネルギーから動作時間を求める

電圧が変化する場合、Ahをそのままエネルギー予算として扱うことはできません。Whを使います。

Enominal battery (Wh) ≈ Vnominal × capacity (Ah)
Eusable = Enominal battery × capacity factor × total efficiency × available margin
t ≈ Eusable / average load power

「総合効率」には、電力が通るすべての段階を含めます。効率が92%と90%の二段構成なら：

ηtotal = 0.92 × 0.90 = 0.828 = 82.8%

効率は掛け合わせ、足し算はしません。そのほかの係数には、低温や劣化によって実際に取り出せる容量、自己放電、停止前に確保する予備分を反映できます。

計算例：電池駆動センサ

3.7 V、2 Ahの電池には約7.4 Whが蓄えられます。製品が負荷側の電源系統で平均0.40 Wを消費するとします。目標温度で使用可能な容量を85%、コンバータ効率を90%、停止前の予備分を10%と仮定します。

Eusable = 7.4 Wh × 0.85 × 0.90 × 0.90 = 5.09 Wh
t = 5.09 Wh / 0.40 W = 12.7 h

2 Ahを負荷電流で割るだけでは、変換損失、電圧変化、予備分を反映しないため、大きく異なる結果になり得ます。

6. 実用的な電力予算を作る

電源系統と動作状態を区別した表から始めます。静止電流や断続的な負荷を単一の平均値に埋もれさせないでください。

段階・負荷	電圧	平均電流	有効電力	効率または損失	上流側から見た電力
MCUとセンサ	3.3 V	30 mA	99 mW	—	99 mW
無線回路、動作周期での平均	3.3 V	60 mA	198 mW	—	198 mW
3.3 Vコンバータ	—	—	出力297 mW	88%	入力338 mW
保護回路・残量計	3.7 V	2 mA	—	7.4 mW	7.4 mW
電池	3.7 V	—	—	—	約345 mW

ある行の入力電力は、その上流段階に必要な有効出力電力になります。周期的な負荷では、一周期あたりのエネルギー（Ecycle = P × duration）を求め、周期全体の長さで割ります。離れた値の電流を見た目だけで平均するより確実です。

7. 試作機での検証手順

すべての電源系統、コンバータ、常時接続される負荷、一時的な動作状態を列挙します。
適切な位置で電圧と電流を測定し、異なる電圧の領域を比較する前に電力へ換算します。
スリープモードやバーストモードを含む実際の条件で、効率と静止電流を確認します。
出力電力を合計し、電池側へさかのぼって計算した値を、実測した電池電流と比較します。
ピークを確認します。平均電力は消費エネルギーを予測しますが、ピーク電流と電源インピーダンスによって電圧低下が決まることがよくあります。
高い周囲温度で温度を測定し、重要な部品のディレーティング曲線を確認します。
代表的な動作周期で、低温や劣化した電池、または同等の余裕を考慮して動作時間を検証します。

よくある間違い

間違い	結果がずれる理由	対処法
異なる電源系統の電流を足す	それぞれ電圧が異なります。	先にすべての負荷をワットに換算します。
データシートの最大効率を使う	通常は特定の負荷点でのみ達成されます。	使用時のV_in、V_out、電流に対応する曲線値を読みます。
静止電流を忘れる	負荷がスリープ中でも継続して流れます。	待機時の予算にI_q、残量計、LED、漏れ電流を含めます。
Ah / Aで動作時間を推定する	電池電圧、変換損失、停止電圧を無視しています。	Whで計算し、試験で検証します。
平均電力だけ確認する	エネルギーが残っていても、ピークで電圧が落ちる場合があります。	ピーク、ESR、配線、デカップリングを確認します。
損失電力を軽視する	効率、信頼性、電流上限に影響します。	重要な段階について熱設計の予算を作ります。

参考資料

IEC 80000-6 — 量と単位：電磁気。
BIPM — 国際単位系（SI文書）。
使用するコンバータのデータシート：効率曲線、静止電流、熱的制限、試験条件。
電池セルのデータシート：放電曲線、温度・電流による容量変化、内部インピーダンス、停止電圧。

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