リチウムイオン電池テクノロジーは、最新のアプリケーション全体で電力密度、安全性、パフォーマンスをどのように向上させることができるのでしょうか?

なぜ充電式リチウム技術がこれほど広く使われるようになったのでしょうか?

充電式リチウムベース電池は、繰り返しの充放電サイクルをサポートしながら、比較的コンパクトなパッケージに有意義な量の電気エネルギーを蓄えることができるため、魅力的です。柔軟な電気アーキテクチャにより、メーカーは非常に異なる電圧と容量の要件に対応するパックを構築することもできます。

この技術は現在、幅広い機器に使用されています。ポータブル電子機器にはコンパクトな電源が必要です。電動モビリティ プラットフォームには、限られた物理的空間内でエネルギーと電力の両方を供給できるバッテリーが必要です。産業用機器では、長期間の動作期間にわたって予測可能な放電動作が必要な場合があります。エネルギー貯蔵システムは、サイクル寿命、熱安定性、モニタリング、制御された充電を優先する場合があります。

これらのアプリケーションには共通の原則があります。それは、バッテリーが機器の電気的および機械的要件に適合する必要があるということです。

それは簡単に聞こえますが、実際の機器が単一の一定の負荷で動作することはほとんどありません。モーターは起動中に高電流を消費し、動作速度に達するとはるかに低い電流を消費することがあります。ポータブル デバイスは、スリープ、スタンバイ、通信、およびピーク パフォーマンス モードを切り替えることができます。移動ロボットは、同じデューティ サイクル全体で加速、停止、上昇、および補助モーターの操作を行うことができます。

したがって、バッテリーは、設計された電気的および熱的制限内に留まりながら、変化する電流需要に対応する必要があります。

パックのデザインがセルの選択と同じくらい重要な理由

セルは基本的な構成要素にすぎません。複数のセルを組み合わせると、システムには追加のエンジニアリング要件が導入されます。細胞はバランスを保つ必要があります。電流パスは正しく設計する必要があります。電気接続には適切な絶縁と機械的サポートが必要です。エンクロージャは、パックからの熱の流出を妨げずにセルを保護する必要があります。

多くの産業用途では、バッテリー パックには外部コネクタ、充電インターフェイス、ヒューズ、通信インターフェイス、取り付け構造、またはサービス切断も必要です。これらの要素は、パックの最終的なサイズとパフォーマンスに影響を与える可能性があります。

なぜアプリケーション要件が最初に来るのか

バッテリーの選択は、好みのセル モデルから始めるのが一般的です。より信頼性の高いプロセスは装置から始まります。

エンジニアはまず、動作電圧、平均負荷、ピーク負荷、動作時間、充電条件、周囲温度、物理的空間、振動、および必要な通信または保護機能を特定する必要があります。その場合にのみ、セルの化学的性質とパック構造を選択する必要があります。

エンジニアはどの細胞化学を比較する必要がありますか?

「リチウム電池」は単一の化学物質ではありません。いくつかのカソード システムが存在し、エネルギー密度、熱安定性、電圧特性、出力能力、サイクル挙動、および推奨される用途が大幅に異なる場合があります。

リン酸鉄リチウム

リン酸鉄リチウム（通常 LFP と略称）は、適切な動作条件下での強力な熱安定性と長いサイクル性能で知られています。公称セル電圧は一部のニッケルリッチなリチウム化学反応よりも低いため、同じシステム電圧に達するにはパックには異なる直列構成が必要です。

LFP は、定置式保管庫、バックアップ システム、太陽エネルギー システム、およびサイクル寿命と熱特性が特に重要な用途で検討されることがよくあります。

NMCの化学

ニッケルマンガンコバルト酸化物系は、一般に NMC と呼ばれます。これらのセルは、多くの LFP 設計よりも高いエネルギー密度を提供できるため、重量に敏感な用途にとって魅力的です。

その代償として、システムには慎重な熱管理と充電管理が必要であり、正確な特性はセルの配合に依存するということです。

LCO の化学

コバルト酸リチウムは家庭用電化製品に広く使用されています。高いエネルギー密度を提供できますが、その熱特性とサイクル特性により、慎重なバッテリー管理とアプリケーション制御が重要になります。

NCA化学

ニッケル コバルト アルミニウム システムは、別の高エネルギー リチウム化学です。これらは高いエネルギー密度を必要とする用途に使用されてきましたが、パックレベルの熱設計と安全設計は依然として不可欠です。

なぜ化学をアプリケーションから選択する必要があるのか

正しい化学反応は、普遍的なランキングではなく、装備の義務に依存します。

なぜ化学をマーケティングラベルから選択すべきではないのか

同じ化学的性質を持つ 2 つのセルであっても、電極の配合、製造プロセス、粒子構造、電解質システム、セパレーターの設計、セルのサイズ、品質管理により、動作が異なる場合があります。

したがって、専門家を選択する場合は、化学ラベルのみに依存するのではなく、実際の技術データを検討する必要があります。

セルのマッチングも同様に重要です

同じパック内で接続されたセルは、特性がほぼ一致している必要があります。容量、内部抵抗、または充電状態に大きな違いがあると、動作中に不均衡が生じる可能性があります。

これは、ストリング内のすべてのセルに同じ電流が流れる直列接続されたパックでは特に重要です。

放電率と C レートが重要なのはなぜですか?

バッテリーの容量は、エネルギーをどれだけ早く放出できるかを完全には表しません。放電率は、モーター、電動工具、ドローン、ロボット工学、牽引装置、およびピーク電流需要が大きいその他のシステムにとって重要です。

Cレートを理解する

C レートは、バッテリーの容量に対する電流を表します。 1C の放電は、電流がアンペア時単位の定格容量に数値的に等しいことを意味します。

20 Ah バッテリの場合、1C の放電は 20 A に相当します。2C の放電は、バッテリの実際の仕様に応じて 40 A に相当します。

連続電流とピーク電流

アプリケーションによっては、数秒または数分だけ高電流を消費するものもありますが、継続的に高い電流を必要とするアプリケーションもあります。

持続的な電流はより多くの熱を発生させ、セルに大きな電気化学的ストレスを与えるため、短期間のピークをサポートできるバッテリーは、連続的な高速動作には適していない可能性があります。

内部抵抗

内部抵抗により電流が流れると電圧降下や発熱が発生します。電流が大きいほど影響は大きくなります。

したがって、公称電圧が変わらない場合でも、バッテリは、重負荷の場合、軽負荷の場合よりも低い端子電圧を示す可能性があります。

電動工具およびモバイル機器

電動工具、スクーター、ロボット、ドローンなどのアプリケーションでは、高電流の短時間バーストが必要となる場合があります。このような場合、高レートのセル、低抵抗の接続、適切な熱経路、および適切に定格された BMS が重要です。

コネクタと配線の設計が重要な理由

高電流バッテリーパックには、高レートセル以上のものが必要です。コネクタ、ニッケル ストリップ、バスバー、ワイヤ、ヒューズ、リレー、スイッチにはすべて抵抗があります。

小さなコンポーネントがボトルネックになると、セル自体が電力を供給できる場合でも、バッテリーが期待した電力を供給できない可能性があります。

放電カットオフ

バッテリー管理電子機器は、パックの電圧が指定された制限を下回るのを防ぐことができます。これにより、セルが過剰な放電から保護されます。

カットオフポイントは、普遍的であると仮定するのではなく、化学薬品およびセルメーカーの要件に従って定義する必要があります。

セルの形式はパックのデザインにどのような影響を与えますか?

セルの形式は、物理的な外観以上のものを決定します。これは、セルの配置、冷却、接続、密閉、保守、保護の方法に影響します。

円筒形セル

18650、21700、26650 フォーマットなどの円筒形セルは、充電式バッテリー パックで広く使用されています。標準化された円筒寸法により、自動組み立てが簡素化され、モジュラーパック構造の作成が容易になります。

ただし、円筒形のセルでは、隣接するセルの間にスペースが生じます。したがって、熱経路と機械的固定は慎重に設計する必要があります。

パウチセル

パウチ電池は、硬い円筒形または金属缶ではなく、柔軟なラミネートパッケージを使用します。その形状は、パッケージングに強力な柔軟性を提供することができるため、特殊な内部形状を持つ機器に役立ちます。

パックの設計では、機械的圧縮と膨張や穴からの保護を考慮する必要があります。

角形セル

角柱状セルは、堅い長方形の筐体を使用します。それらのジオメトリは長方形のスペースを有効に活用できるため、特定の大型パックのレイアウトを簡素化できます。

セルのフォーマットが冷却に影響する理由

熱は電気化学反応ゾーンから周囲環境に伝わらなければなりません。セルの形状によって、熱が逃げる経路が決まります。

密に詰められた円筒状の配置は、平らなパウチ構成とは非常に異なる熱挙動を示す可能性があります。

セルの配置

直並列構成は、最終的なバッテリー プラットフォームを定義します。たとえば、13S7P 構成は、13 の直列グループと各グループ内の 7 つの並列セルを示します。

このようなアーキテクチャは、個々のセルの電流能力の範囲内に留まりながら、目標の電圧と容量に到達するように選択できます。

溶接接続と機械接続の比較

セルは、パックの設計に応じて、溶接タブ、バスバー、フレキシブル コネクタ、またはその他の方法を通じて相互接続できます。

接続抵抗は低く、機械的に安定した状態を保つ必要があります。接続が不十分だと、局所的な発熱や電圧損失が発生する可能性があります。

パックエンクロージャ

エンクロージャは、十分な換気または熱伝達能力を提供しながら、衝撃、湿気、ほこり、振動、および偶発的な接触からセルを保護する必要があります。

また、エンクロージャは、コネクタ、サービス コンポーネント、および通信インターフェイスへの適切なアクセスを許可する必要があります。

したがって、セルの形式はシステムレベルの設計上の決定になります。最小の物理的配置が、熱的、機械的、組立て、またはサービス上の問題を引き起こす場合、必ずしも最良の配置であるとは限りません。

リチウム電池パックを充電する際に考慮すべきことは何ですか?

充電は制御された電気化学プロセスであり、セルの化学的性質、パック電圧、BMS アーキテクチャ、および充電器の仕様に常に一致させる必要があります。

CC/CV充電

多くの充電式リチウム システムは、定電流および定電圧充電方式を使用しています。充電器は最初に制御された電流を供給します。目標電圧に到達すると、充電器は電流が徐々に減少する間、電圧を保持します。

正確な充電電圧と電流は、セルの化学的性質とパックの設計によって異なります。

充電電圧

最大充電電圧は化学薬品によって異なります。不適切な電圧を印加すると、セルが損傷したり、危険な動作状態が発生したりする可能性があります。

充電電流

充電電流は、セルまたはパックの指定された充電能力に制限する必要があります。充電電流が高いと、発熱や電気化学的ストレスが増加する可能性があります。

充電器とバッテリーの互換性

充電器は、バッテリーの電圧プラットフォームと化学反応に合わせて特別に設計する必要があります。あるバッテリータイプ用に設計された充電器が、コネクターが物理的に似ているという理由だけで、別のバッテリータイプにも適していると想定すべきではありません。

低温での充電

一部のリチウム化学物質は、定義された温度しきい値未満で充電すべきではありません。したがって、BMS は、セルが許容可能な温度に戻るまで充電を防止する場合があります。

充電筐体の設計

バッテリーは充電中、特に大電流で熱を発生する可能性があります。充電器、パック、ケーブル、コネクタなどは、不必要に熱がこもらないように配置してください。

充電器の交換が重要な理由

別の電池の化学的性質をリチウムパックと交換する場合、元の充電器は互換性がない可能性があります。化学的性質が異なると、充電曲線と電圧要件も異なります。

したがって、充電器は無関係の付属品としてではなく、バッテリー システムの一部として扱う必要があります。

重要な安全性と輸送要素は何ですか?

バッテリーの安全性は、セルの化学的性質、製造品質、機械設計、電気的保護、充電制御、熱管理、および動作条件の間の相互作用によって決まります。

物理的保護

セルは、粉砕、穿刺、過度の振動、および導電性物体との偶発的な接触から保護する必要があります。

エンクロージャと内部サポートは、不必要な機械的ストレスを避けながらセルをしっかりと保持する必要があります。

電気的保護

ヒューズ、回路ブレーカー、MOSFET 保護段、コンタクター、BMS ロジックはすべて、異常な電流状態を防止または制限する役割を果たします。

保護アーキテクチャは、パックの最大電流と障害シナリオに基づいて設計する必要があります。

熱保護

温度センサーと保護ロジックにより、許容範囲外での動作を防止します。熱は集団から出る予測可能な経路も必要です。

絶縁

直列接続されたバッテリ パックは比較的高い電圧に達することがあります。したがって、導電性部品、セルグループ、バスバー、および筐体表面の間の電気絶縁が不可欠です。

輸送上の注意事項

リチウム セルとバッテリー パックは、電気化学エネルギーが蓄えられ、特定の条件下では危険が生じる可能性があるため、輸送が規制されています。

国際輸送では、UN38.3 試験文書、安全データ情報、輸送評価、適切な梱包、ラベル貼り、およびモード固有の輸送手順などの文書が必要になる場合があります。

要件は、バッテリーの種類、ワット時定格、充電状態、梱包配置、輸送モードによって異なる場合があります。

認証を実際の製品にリンクする必要がある理由

認証および輸送文書は、供給される実際のセルまたはパックの構成に対応する場合にのみ役立ちます。

1 つのバッテリーモデルに対して発行された文書が、実質的に異なる構造をカバーしていると自動的に想定されるべきではありません。

アセンブリの品質が重要な理由

バッテリーの安全性は、セルの化学的性質だけによって決まるわけではありません。溶接の品質、コネクタの配線、絶縁材、BMS アセンブリ、温度センサーの配置、ヒューズの取り付け、および筐体の構造はすべて、完成品に影響します。

プロフェッショナル向けのバッテリー仕様には何を含めるべきですか?

プロフェッショナルな仕様により、エンジニア、調達チーム、メーカー、機器インテグレータは同じ技術情報に基づいて作業できるようになります。

機器の負荷プロファイルから始める

セルを選択する前に、機器の電圧、平均電流、最大電流、動作時間、スタンバイ期間、および予想されるデューティ サイクルを特定します。

モーター駆動の機器の場合、起動電流はモーターの平均消費量から推定するのではなく、測定または計算する必要があります。

電圧プラットフォームを定義する

機器の電子機器、モーターコントローラー、インバーター、充電器に適合する公称電圧を選択してください。

直列セル数は、選択した化学的性質と必要な電圧プラットフォームから計算する必要があります。

エネルギー要件を定義する

実際のデューティ サイクルを使用して、毎日またはサイクルごとのエネルギー消費量を推定します。次に、変換損失、使用可能な放電深度、温度の影響、その他のシステム制限を考慮します。

電力要件を定義する

予想される最大電流とそれがどれくらい持続するかを決定します。これは、モーター、コンプレッサー、ポンプ、工具、移動機械にとって特に重要です。

物理的制約を定義する

利用可能なバッテリー収納部の寸法と取り付けポイントを提供します。仕様には、コネクタの位置、ケーブルの出口方向、保守アクセス、通気スペース、および取り付け方向も記載する必要があります。

熱要件を定義する

予想される最高周囲温度、予想される最低温度、デューティ サイクル、および利用可能な冷却条件を述べます。

BMS アーキテクチャを定義する

BMS は、直列セルの数、電流要件、充電電圧、温度センサー、バランス方法、および通信インターフェイスと一致する必要があります。

充電要件を定義する

正確な充電器の出力電圧、電流、コネクタ、および制御方法は、バッテリの設計が完了する前に定義する必要があります。

品質とテストの定義

品質手順には、セルのスクリーニング、容量テスト、内部抵抗チェック、溶接検査、絶縁テスト、BMS 機能テスト、充放電テスト、寸法検査、最終パック検証が含まれます。

1. 機器を定義します。電圧、平均負荷、ピーク負荷、デューティ サイクル、および動作環境を特定します。
2. 化学を選択してください:エネルギー、電力、熱挙動、サイクル要件、およびアプリケーションの適合性を比較します。
3. セルの配置を計算します。電圧と容量の要件に基づいて直列構成と並列構成を確立します。
4. 現在の機能を指定します。連続放電要件とピーク放電要件、および許容充電電流を定義します。
5. BMS を設計します。保護、バランス、センシング、通信機能をパックに合わせます。
6. 熱管理の設計:セルとパワーエレクトロニクスのための明確な熱経路を作成します。
7. エンクロージャを設計します。寸法、取り付け、換気、保護、保守アクセスを確認してください。
8. 充電を定義します。充電器の電圧、電流、コネクタ、および制御動作をパックに合わせます。
9. 安全性を確認してください:電気絶縁、短絡保護、温度保護、輸送要件を確認してください。
10. 完全な検証:完成したパックを代表的な電気的、熱的、機械的、環境的条件下でテストします。

カスタマイズされた構成をリクエストする前に、購入者は何を提供する必要がありますか?

• 機器の電圧:公称および許容動作電圧を提供します。
• ロード情報:該当する場合、平均、最大、起動電流または過渡電流を提供します。
• 動作期間:サイクルごとの予想実行時間と使用頻度を定義します。
• バッテリー収納部:長さ、幅、高さ、取り付けポイント、および利用可能な冷却スペースを提供します。
• コネクタの要件:電源コネクタと通信インターフェイスの要件を提供します。
• 充電システム:充電器の電圧、電流、コネクタ、充電方法を定義します。
• 環境：予想される温度、湿度、振動、粉塵、屋外暴露を記載します。
• 制御インターフェース:機器に CAN、RS485、UART、Bluetooth、またはその他の通信インターフェイスが必要かどうかを定義します。

このように構築された仕様は、製品のマッチングのためのより強力な基盤を提供します。また、製造が開始された後に電気的または機械的な不適合が発見される可能性も低くなります。