世界がリチウムイオン電池を活用した技術への依存を強めるにつれ、より効率的で強力な電池パックに対する需要が高まっています。 直並列リチウムイオン電池パックモジュール設計ソリューションは、リチウム電池パックエンジニアや技術者の注目を集めています。 さまざまな用途のバッテリーパック設計業界。
なぜ多くの製品マネージャーが並列、直列、直並列バッテリー パックの設計を好むのでしょうか?
2024 年には、次の XNUMX つの主な理由により、並列、直列、および直並列リチウムイオン バッテリー パックの設計を選択する人が増えます。
1) 100 ワット時 (Wh) を超えるバッテリーは航空機に搭載できないため、並列、直列、および直並列バッテリー パックがより最適になります。
2) 並列、直列、直並列のバッテリー パック設計により、交換が簡単で、携帯性に優れ、大型の屋外機器などの特殊な用途に柔軟な構成が可能です。
並列、直列、および直並列リチウムイオン バッテリー パックとは何ですか?
1. シリーズリチウムイオン電池パック
一方、直列バッテリー パックの設計では、バッテリー パックをエンドツーエンドで接続して、バッテリー パックの電圧を高めます。直列充電式バッテリー パックの主な利点は、電圧が高いことですが、欠点は、並列バッテリー パックと比較した場合、容量と放電電流が低いことです。
上図の点線のボックスは BMS を表し、抵抗 R1 は MOS のインピーダンスを表します。 MOS がオンの場合、R1 = 0.001Ω と仮定すると、MOS は低インピーダンス状態になります。 MOS がオンになっていないとき、R1 = 1000MΩ と仮定すると、MOS はハイインピーダンス状態になります。
例として 4 個のリチウム電池を直列に接続した場合、直列接続後の回路図は次のように簡略化されます。
各電池の電圧が4Vであると仮定します。 4 つのバッテリーすべての BMS が導通状態にある場合。
That is, R1=R2=R3=R4=0.001Ω;
各抵抗の両端の電圧はそれぞれ U1、U2、U3、U4 です。
Then, U1=U2=U3=U4=4V.
4つのセルのうち最初のセルのBMSがすべて非導通状態にある場合、
つまり、R1=1000MΩです。 R2=R3=R4=0.001Ω;
各抵抗の両端の電圧はそれぞれ U1、U2、U3、U4 です。
Then, U1≈16V; U2=U3=U4≈0V.
上記の分析の後、次の結論が得られます。
複数の LiPo バッテリーを直列に接続した後、そのうちの XNUMX つの LiPo バッテリーの BMS が何らかの保護をトリガーし、MOS が高抵抗状態に切り替わった場合、MOS 端子は回路全体のほぼ全電圧に耐えることになります。この場合、合計電圧が MOS の制限を超えると、MOS が焼き切れます。
したがって、直列接続するように設計された電池のみを直列接続することができ、ストリングの数は設計値を超えてはなりません。
2. 並列リチウムイオン電池パック
並列バッテリーパック設計では、個々のバッテリーセルを並列に接続することで、バッテリーパックの容量を増加させます。並列バッテリー接続は、高電流出力を必要とするアプリケーションで一般的に使用されます。バッテリーを並列接続する利点には、容量と放電電流の増加が挙げられます。しかし、この設計には、バッテリー管理システム（BMS）の高度な技術開発が必要です。
4個のリチウム電池を並列接続した例を取り上げます。簡略化した回路図は以下のとおりです。各電池の電圧はU1、U2、U3、U4、内部抵抗はR1、R2、R3、R4です。
R1 = R2 = R3 = R4 = 0.03 Ωと仮定します。
理想的には、U1=U2=U3=U4 の場合、回路は正常に動作します。
U1>U2=U3=U4 の場合、バッテリー 1 はバッテリー 2、3、4 を充電します。
充電電流は次のように単純化できます。
バッテリー 2、3、4 の充電電流。
I2 = I3 = I4 = (U1 – U2) / (0.03 + 0.03/3) / 3
U1=12V、U2=U3=U4=9V と仮定すると、上記の式を代入すると次のようになります。
I2=I3=I4=25A
上記の計算によれば、次のように結論付けることができます。
1. リチウム電池を並列接続した際に圧力差が十分小さければ可能です。
2. リチウム電池を比較的大きな圧力差で並列接続すると、瞬間的に大きな電流が発生し、電池が損傷する可能性があります。
3. 直並列リチウムイオン電池パック
直並列バッテリー パックの設計は、並列バッテリー パックと直列バッテリー パックの両方の機能を組み合わせたものです。 このタイプのバッテリー パックでは、電圧と容量の増加に加えて、より高い放電電流出力が可能になります。 並列-直列バッテリー接続の主な欠点は、コストが増加することです。
モジュラー型と集中型バッテリー管理システム (BMS): バッテリー パックの設計にはどちらが適していますか?
バッテリー管理システム（BMS）を設計する際、エンジニアはバッテリーセルがサイクルと動作温度の良好なバランスを維持するようにする必要があります。バッテリーセルは、放電と充電のサイクル全体を通じて同じ充電状態（SOC）を維持する必要があります。 CM Batteries当社の CTO は計算とシミュレーションを活用して、バッテリー パックの安全性を確保し、バッテリーのライフサイクルと信頼性を延ばすシステムを設計します。
CM Batteries では、次の BMS 設計オプションが提供されます。
図1に示すように、モジュール型BMSは多数の同一サブモジュールに分割されており、各パックにはパネルの異なる部分を接続する配線が備わっており、バッテリーの各領域を監視します。XNUMXつのBMSモジュールが「マスター」として割り当てられ、パック全体のスケジュール管理と外部との通信を担当します。「スレーブ」BMSは通信バスを介して「マスター」BMSと通信しますが、最終的にはどちらも同じ機能を持ちます。
Advantages:
- 集中型 BMS の小型化: 複数のカスケードと、メンテナンスの容易さ、コストの削減など、集中型 BMS の利点のほとんどを備えています。
- 単一モジュールのサイズが小さい: 単一バッテリーのワイヤーまでのサブモジュールは比較的短く、バッテリーの近くに配置することで、長すぎるワイヤーによって引き起こされる隠れた問題やエラーを回避できます。
- 拡張が簡単: さらにサブモジュールを追加して拡張できます。
短所：
- 集中型 BMS よりも多くのワイヤが必要: モジュラー BMS はバッテリ パックに接続する必要があるだけでなく、各モジュールをワイヤ間で接続する必要もあります。
- 高コスト: 各モジュールの機能は同じですが、すべての機能が使用されるわけではないため、特にスレーブ モジュールがほとんど使用されないことを考慮すると無駄が生じます。
このデザインは特に効率的ではないと感じたため、 CM Batteries 図 2 に示すように、この BMS 設計の改良版が提供されています。
今回の設計では、マスターとスレーブの機能の違いに応じてスレーブモジュールを分離し、スレーブモジュールで使用しない機能を削除することで大幅なコスト削減を実現しました。
メイン BMS は、計算、予測、意思決定、通信など、比較的多くの機能を担当します。スレーブ モジュールは測定のみを担当します。 この設計は、モジュール構造の利点のほとんどを継承しながら、拡張コストも削減します。
また、分散型 BMS 設計ソリューションも利用可能です。これは、高い接続信頼性、過度に長いケーブルがないこと、バッテリーと測定回路の緊密な統合を特徴としており、干渉やエラーを軽減するのに役立ちます。このモデルはより安全です。ただし、コストが高く、プロセスが非常に複雑であるため、多くのお客様にとって選択される設計ではありません。
並列、直列、および直並列バッテリー パックの設計オプションは、バッテリー パック ソリューション、特に屋外機器アプリケーションでますます一般的になってきています。機内でのバッテリーの最大電流容量の制限と、これらの設計が提供する利便性と柔軟性により、2024 年を通じてより多くの人が並列、直列、直並列バッテリー パック ソリューションを選択すると予想されます。各モデルには長所と短所があり、各バッテリの安全な動作、信頼性、寿命の延長を確保するには、慎重なバッテリ管理システム (BMS) 設計が重要です。モジュラー BMS 設計ソリューションは、さまざまな要件を満たし、コストを削減できます。 エンジニアたちは CM Batteries 私たちはまさにそれを実現するためにお手伝いをします。
