直列と並列の LiPo バッテリー パック: 電圧、容量、保護要件

直列接続と並列接続により、バッテリー メーカーはデバイスの電圧、容量、実行時間、電力要件に合わせてパックを構築できます。

基本的なルールは単純に見えます。直列接続は電圧を増加させ、並列接続は容量を増加させます。ただし、実際には、構成の選択は、充電電圧、電流能力、セルバランス、配線、保護回路、物理レイアウト、故障動作にも影響します。

2S1P リポ バッテリー パックと 1S2P リポ バッテリー パックには、同じ数のセルが含まれており、ほぼ同じ総エネルギーを蓄えますが、互換性はありません。 1 つはより高い電圧を供給し、もう 1 つは単一セルの電圧を維持して、より大きなアンペア時容量を提供します。

このガイドでは、直列、並列、および直列並列 LiPo バッテリー パックがどのように機能するか、主な電気仕様の計算方法、パック構造を選択する前に考慮すべき保護要件について説明します。

重要なポイント

• セルを直列に接続すると、パック電圧は増加しますが、アンペアアワー容量は増加しません。

• セルを並列接続すると、1 つのセルの電圧を維持しながら容量が増加します。

• 直並列構成では、電圧と容量の両方が増加します。

• 文字 S は、直列接続されたセル グループの数を示します。

• 文字 P は、各グループ内で並列接続されたセルの数を示します。

• 2S2P パックには、各並列グループに 2 つのセルを含む 2 つの直列グループとして配置された 4 つのセルが含まれています。

• パックの電圧が異なる場合、ワット時は mAh よりも優れたエネルギー比較を提供します。

• 直列接続されたグループには個別の電圧監視が必要であり、場合によってはバランスをとる必要があります。

• 並列グループ内のセルは、完全に接続する前に厳密に一致させ、適切な電圧にする必要があります。

• 保護ボードは、セルの化学的性質、シリーズ数、充電電圧、連続電流、ピーク電流、および必要な機能に適合する必要があります。

• 並列セルを追加しても、あらゆる動作条件下で安全パック電流が自動的に 2 倍になるわけではありません。

• 電圧、容量、使用年数、充電状態が異なるパックは、特別な設計を行わずに組み合わせてはいけません。

• バッテリー構成、充電器、BMS、コネクタ、配線、およびデバイスの電源システムを合わせて評価する必要があります。

1S、2S、2P、2S2P とは何を意味しますか?

バッテリーパックの構成は通常、文字 S と Pを使用して説明されます。.

• Sはシリーズを意味します。

• Pは平行を意味します。

• 各文字の前の数字は、その接続を使用するセルまたはセル グループの数を示します。

一般的な例は次のとおりです。

総セル数は次のように計算できます。

総セル数 = 直列数 × 並列数

例えば：

3S2P = 3 × 2 = 6 セル

ほとんどのバッテリー仕様では、並列数が別途記載されていない限り、「2S」とのみ書かれている構成は 2S1P を意味すると理解されます。ただし、OEM プロジェクトの場合は、曖昧さを避けるために両方の値を文書化する必要があります。

直列と並列の LiPo バッテリー パックの概要

以下の比較では、化学的性質、公称電圧、容量、放電能力が同じである同一のセルを想定しています。

これらは構成原則であり、完成したパックの定格を保証するものではありません。実際のパフォーマンスは、セルの仕様、相互接続、保護ボード、コネクタ、ケーブル サイズ、温度、製品設計によって制限される場合があります。

シリーズ LiPo バッテリー パックの仕組み

セルは、1 つのセルの正端子を次のセルの負端子に接続することによって直列に接続されます。残りの 2 つの外側端子はパック出力を形成します。

直列経路内のすべてのセルまたは並列グループには同じ電流が流れます。

直列接続が電圧に与える影響

公称パック電圧は、直列接続されたセルの公称電圧の合計です。

パック公称電圧 = セル公称電圧 × 直列数

標準 3.7 V セルの場合:

満充電電圧は次のように計算されます。

最大パック電圧 = セル充電限界 × 直列数

4.2 V の値は、その充電限界に合わせて設計された従来のリチウムイオン ポリマー セルに適用されます。高電圧化学反応では、セルごとに 4.35 V、4.4 V、または別の指定された制限が必要な場合があります。

を中心に設計された製品 したがって、高電圧 LiPo バッテリーに は互換性のある充電器と保護システムが必要です。公称電圧だけから、セルあたりのより高い充電制限を決して想定すべきではありません。

直列接続が容量に与える影響

同一の 1000 mAh セルを直列に接続しても、mAh 定格は加算されません。

例えば：

• 3.7 V 1000 mAh セル 1 個: 3.7 V、1000 mAh

• 2 つのセルを直列に接続: 7.4 V、1000 mAh

• 3 セル直列: 11.1 V、1000 mAh

Ah 値は変わらないにもかかわらず、電圧が上昇したため、パックにはより多くのエネルギーが含まれています。

直列接続が電流に与える影響

2S1P パックでは、両方のセルに同じ電流が流れます。セルの定格が所定の連続電流である場合、別の同一のセルを直列に追加しても、その電流定格が自動的に 2 倍になるわけではありません。

完成したパック電流は、次の中で適用可能な最小値によって制限されます。

• セルの連続放電電流

• セルのピーク電流能力

• PCM または BMS 電流定格

• MOSFETと電流検出設計

• ニッケル ストリップ、タブ、バスバー、または PCB の容量

• 電線サイズ

• コネクタ定格

• ヒューズまたは電流制限コンポーネント

• 熱条件

パック電圧が高いほど、デバイスはより低い電流で同じ電力を得ることができますが、それは負荷と電力変換アーキテクチャによって異なります。

シリーズ パックにセル グループのモニタリングが必要な理由

直列接続されたセルは、耐用年数を通じて完全に同じ状態を保つわけではありません。容量、内部抵抗、自己放電、温度、経年変化などのわずかな違いにより、充電状態が異なる可能性があります。

充電中、1 つのシリーズ グループが他のグループよりも先に電圧の上限に達する場合があります。放電中、最も弱いグループが最初に下限に到達する可能性があります。

したがって、保護および監視システムは、パックの合計電圧のみに依存するのではなく、個々の直列グループの電圧に応答する必要があります。

たとえば、パックの合計読み取り値が 8.0 V であっても、2S パックのバランスが取れていることは証明されません。それは次のもので構成されます:

• 4.0Vと4.0V

• 4.15Vと3.85V

• 4.25Vと3.75V

最後の例では合計電圧は同じですが、すでに 1 つのグループがその許容限度を超えている可能性があります。

並列 LiPo バッテリー パックの仕組み

並列接続では、正端子が互いに接続され、負端子が互いに接続されます。

したがって、グループ内のすべてのセルは同じ端子電圧を共有します。

並列接続が電圧に与える影響

電圧は 1 つのセルの電圧と同じままです。

パック電圧 = セル電圧

並列接続された 2 つの標準 3.7 V セルの場合:

• 公称電圧: 3.7 V

• 通常のフル充電電圧: 4.2 V

• 構成: 1S2P

並列セルを追加しても 7.4 V や 11.1 V は生成されません。引き続き単一の電圧グループが形成されます。

並列接続が容量に与える影響

厳密に一致する並列セルの容量が追加されます。

パック容量 = セル容量 × 並列数

同一の 1000 mAh セルの場合:

これにより、アプリケーションでより長い動作時間が必要だが、単一セルの電圧プラットフォームを維持する必要がある場合に、並列構築が役立ちます。

並列接続が電流能力に与える影響

理論的には、平衡電流経路を介して接続された同一のセルが負荷を共有できます。したがって、並列した 2 つの適切なセルは、1 つのセルよりも多くの電流を供給できます。

ただし、さらなる評価をせずに、セル定格を乗算して安全パック電流を計算しないでください。

現在の共有は次の影響を受ける可能性があります。

• セルの内部抵抗

• 容量変化

• 温度差

• タブと配線の抵抗

• パック内のセルの位置

• ケーブル配線の対称性

• 充電状態の違い

• エージング

• コネクタ抵抗

• 保護基板の制限

1 つのセルの抵抗が低い場合、または電流経路が短い場合、1 つのセルが負荷の大部分を担う可能性があります。合計電流が単純な理論的制限内にあるように見える場合でも、パックは局所的に発熱する可能性があります。

放電率の意味と容量との関係については、以下で詳しく説明します。 リチウムポリマー電池のC定格の意味.

並列セルのバランス調整は必要ですか?

直接接続された並列セルは同じ端子電圧を共有するため、BMS は通常、完全な並列グループを 1 つの電圧ノードとして扱います。

だからといって、セルのマッチングが不要というわけではありません。端子電圧が等しいからといって、容量、抵抗、温度、電流の寄与が等しいことは保証されません。

1 つの並列グループに対して選択されたセルには通常、互換性がある必要があります。

• 化学

• 充電電圧制限

• 容量

• 内部抵抗

• 放電特性

• 生産履歴

• 年齢と周期の状態

• 物理設計

• 組み立て時の充電状態

セルが損傷または著しく劣化すると、残りのセルにさらなる負荷がかかり、グループ全体の信頼性が低下する可能性があります。

並列接続前に電圧を確認する必要がある理由

異なる電圧のセルを単純に接続すべきではありません。

接続すると、高電圧セルは低電圧セルに急速に放電できます。結果として生じる均等化電流は主にセルと接続の抵抗によって制限される可能性があり、通常の充電電流よりもはるかに大きくなる可能性があります。

このため、並列グループは、適格で厳密に適合したセルを使用し、管理された製造プロセスを通じて組み立てられる必要があります。エンドユーザーは、検証済みの設計と適切な機器を使用せずに、古いパックに新しいセルを追加したり、2 つのルーズパウチセルを並列に接続したりしないでください。

直列並列 LiPo パックの仕組み

シリーズパラレル パックは、両方の接続方法を組み合わせたものです。

4 つの同一の 3.7 V、1000 mAh セルで作られた 2S2P 設計を考えてみましょう。

1. 2 つのセルが並列接続されて、最初の 3.7 V、2000 mAh グループが形成されます。

2. さらに 2 つのセルが 2 番目の 3.7 V、2000 mAh グループを形成します。

3. 2 つの並列グループは直列に接続されます。

結果として得られる理論的仕様は次のとおりです。

• 公称電圧: 7.4 V

• 容量: 2000mAh

• エネルギー: 14.8Wh

• 構成: 2S2P

• 合計セル数: 4

式は次のとおりです。

パック電圧 = セル公称電圧 × S

パック容量 = セル容量 × P

総セル数 = S × P

公称エネルギー = パック電圧 × パック容量 (Ah)

この設計では、BMS は 2 つの直列グループの電圧を監視します。各監視対象グループには 2 つの並列セルが含まれます。

したがって、2S2P パックは 4S パックとしては監視されません。直列数ではなく個々のセルの総数に基づいて保護ボードを選択するのは間違っています。

電圧、容量、ワット時の比較

同一の 3.7 V、1000 mAh セルを使用してパックを比較すると、直列構造と並列構造の違いがより明確になります。

2S1P と 1S2P の両方の例には 2 つのセルが含まれており、約 7.4 Wh を蓄えます。電圧と容量定格は異なりますが、理論上の公称エネルギーは似ています。

デバイスは異なる入力電圧を認識するため、これらを互いに置き換えることはできません。

mAhだけでは異なるバッテリーパックを比較できない理由

3.7 V 2000 mAh パックと 7.4 V 1000 mAh パックには、どちらも約 7.4 Wh の電力が含まれます。

3.7V × 2.0Ah = 7.4Wh

7.4V × 1.0Ah = 7.4Wh

mAh だけを見ると、最初のパックの容量が 2 倍あるように見えます。エネルギーの点では、それらは似ています。

したがって、異なる電圧のパックを比較する場合は、ワット時がより役立ちます。

ただし、Wh が等しいからといって、デバイスのランタイムが同一であることは保証されません。実際の動作時間は以下によっても異なります。

• 電圧変換効率

• さまざまな入力電圧でのデバイス電流

• バッテリーの内部抵抗

• カットオフ電圧

• 吐出量

• 温度

• 細胞の老化

• 保護基板の電圧降下

• 実際の負荷での使用可能容量

実行時間は、mAh のみから予測するのではなく、完成したデバイスで最終的に検証する必要があります。

シリーズ数が増えるとより多くの電力が供給されますか?

電圧を上げると利用できる電力が増えますが、これはセル、保護システム、配線、デバイスが必要な電流を供給し受け入れることができる場合に限られます。

電力は次のように計算されます。

電力 = 電圧 × 電流

2 A を供給する 7.4 V パックは約 14.8 W を供給します。3.7 V パックは同じ入力電力を供給するために、変換損失を考慮する前に約 4 A を供給する必要があります。

これが、設計者がモーター、ヒーター、ポンプ、ロボット工学、またはその他の電力を必要とする製品に高電圧パックを選択する理由の 1 つです。同じ電力に対する電流が低いと導体損失を減らすことができますが、直列数が増えると充電器の電圧、BMS の複雑さ、コンポーネントの電圧要件、および絶縁に関する考慮事項も増加します。

選択は、直列セルが多いほど自動的に優れているという仮定ではなく、デバイスの入力電圧範囲と負荷プロファイルから始める必要があります。

1S パックの保護要件

単一直列パックには電圧グループが 1 つだけあるため、直列セル間のバランスを取る必要はありません。

その PCM は引き続き以下を提供する必要がある場合があります。

• 過充電保護

• 過放電保護

• 過電流保護

• 短絡保護

• 充放電制御

• 温度監視

• NTC出力

• バッテリーの識別

• 燃料計または通信

充電器はセルの化学的性質と最大充電電圧に適合する必要があります。 PCM は異常な状態を遮断しますが、適切に制御された充電器に代わるものではありません。

1S2P または 1S3P 設計では、保護回路は並列グループを 1 つのより大きな容量の電圧ノードとして認識します。電流定格は、1 つのセルの容量ではなく、パック全体の負荷に基づく必要があります。

マルチシリーズ パックの保護要件

2S、3S、またはそれ以上のシリーズ設計には、その正確なシリーズ数に適した保護回路が必要です。

マルチセル BMS または PCM は、以下を実行する必要がある場合があります。

• 個別の直列グループ電圧監視

• パック電流監視

• 充電過電流保護

• 放電過電流保護

• 短絡保護

• 過充電カットオフ

• 過放電カットオフ

• セルグループのバランシング

• 温度監視

• MOSFET制御

• 充電状態の推定

• 障害記録

• ホスト機器との通信

コンポーネントの電圧定格は、適切な設計マージンを含め、最大パック電圧にも対応する必要があります。

パック合計電圧が十分ではない理由

合計電圧のみを監視しても、過充電または過放電している個々のグループを確実に識別することはできません。

このため、3S 保護回路は通常、以下にアクセスする必要があります。

• パックネガティブ

• シリーズグループ1以降の接続

• シリーズグループ2以降の接続

• シリーズ グループ 3 後のパック ポジティブ

したがって、従来の監視ハーネスには、直列数よりも 1 つ多くの電圧接続があります。

電圧検出接続 = S + 1

統合 BMS を備えたパックは、これらの接続を外部に公開しない可能性がありますが、個別のシリーズ グループの監視には依然として内部的に必要です。

セルバランシングの機能

バランスをとることは、直列接続されたグループ間の差異を制限するのに役立ちます。

パッシブバランシングシステムは通常、高電圧グループから少量のエネルギーを除去し、低電圧グループが充電を継続できるようにします。より高度なアクティブバランシングシステムは、グループ間でエネルギーを再分配できます。

バランス調整では完全に修正できません:

• 損傷した細胞

• 重大な容量損失

• 高い自己放電

• 電気接続不良

• 内部抵抗の主な違い

• 間違って一致したセル

• 不適切なパックレイアウト

大きな不均衡が繰り返し発生するパックは、根本的な問題を隠すためにバランシング回路に依存するのではなく、検査する必要があります。

並列グループの保護要件

並行して構築すると、異なる一連の設計優先順位が作成されます。

セルマッチング

セルは、互換性のある生産グループとパフォーマンス グループから選択する必要があります。容量、化学的性質、電圧制限、使用年数、内部抵抗が異なるセルを混合すると、電流共有が不均一になる可能性があります。

セル変動の実際的な影響については、以下で詳しく説明します。 リチウムイオン電池パックが不安定になる理由.

電流経路の設計

相互接続の抵抗は低く保ち、適度にバランスをとる必要があります。レイアウトでは、1 つのセルまたはタブに不釣り合いな電流のシェアが強制されることを避ける必要があります。

設計要素には次のものが含まれます。

• タブの形状

• ニッケルストリップまたはバスバーの寸法

• PCBの銅の厚さ

• 接続位置

• リードの配置

• 溶接品質

• セル間隔

• 放熱

• コネクタの位置

障害の封じ込め

永続的に接続された並列グループでは、正常なセルが故障したセルまたは故障したブランチに電流を供給することがあります。

パックのサイズとリスク評価に応じて、設計では次のことが必要になる場合があります。

• 可融性相互接続

• 分岐電流制限

• 熱分離

• 温度センサー

• 難燃性素材

• 機械的バリア

• パックレベルの融合

• 制御された通気スペース

• 追加の障害検出機能

必要なアプローチは、パックのエネルギー、セルの種類、アプリケーション、エンクロージャ、コンプライアンス要件、および予見可能な故障状況によって異なります。

保護基板の電流定格

BMS は、次のような予想される合計パック電流をサポートする必要があります。

• 通常動作電流

• 最大連続電流

• 起動サージ

• モーターストール電流

• ヒーター突入電流

• 通信送信機のピーク

• 充電電流

• 障害検出のしきい値

MOSFET の損失、温度上昇、冷却条件、導体サイズ、カットオフ タイミングを確認することなく、ボードの公表電流を使用可能なデバイス電流として扱うべきではありません。

直列および並列パックの充電器要件

充電器は、パックの化学的性質、シリーズ数、充電電圧制限、および許容充電電流と一致する必要があります。

従来の 4.2 V セルの場合:

2S パックは 1S 充電器を使用して充電しないでください。同様に、標準 4.2 V セル用の充電器は、充電限界が異なる高電圧化学反応には適さない場合があります。

並列容量は充電電流の計算に影響します。 2 つの同一のセルが並列に配置されている場合、適切なパックは 1 つのセルよりも多くの合計電流を受け入れる可能性がありますが、正しい値は次の条件によって異なります。

• セルの充電速度制限

• パック容量

• 温度

• 並列電流共有

• 保護基板の定格

• コネクタとワイヤの定格

• 目標充電時間

• サイクルライフ要件

充電器と BMS は異なる機能を実行します。充電器は充電プロファイルを調整し、保護システムは定義された異常状態に対応します。一方を他方の代わりとして使用しないでください。

セルのマッチング要件

信頼性の高いマルチセル パックは、適切なセルの選択から始まります。

同じアセンブリで使用されるセルは、次の点で一致する必要がある場合があります。

• セルモデル

• 化学

• 公称容量

• 測定された容量

• 開放電圧

• 内部抵抗

• 厚さと寸法

• 自己放電

• 生産バッチ

• 年

• サイクル履歴

直列構造でも並列構造でもマッチングは重要です。

直列ストリングでは、最も低い容量または最も高い抵抗のグループが最初に電圧制限に達し、使用可能なパック容量が制限される可能性があります。

並列グループでは、抵抗と接続の違いが電流の共有方法に影響します。ある細胞は他の細胞よりもより激しく働き、より早く老化する可能性があります。

電池メーカーは、印刷された仕様が同じであるという理由だけでセルを組み合わせるのではなく、製品に適したセルのスクリーニング基準を確立する必要があります。

完成した LiPo パックを直列に接続できますか?

完成した 2 つのパックは、完全なシステムがその配置に合わせて設計および検証されていない限り、直列に接続しないでください。

潜在的な問題には次のようなものがあります。

• さまざまな充電状態

• 能力や年齢が違う

• 互換性のない保護回路

• 不適切な接地

• 充電器の非互換性

• 残高監視のギャップ

• コネクタの電圧制限

• 予期しない BMS カットオフ動作

• 1 つのパックがもう 1 つのパックによって逆充電されている

• 危険なサービスまたは交換手順

一部の保護パックでは、外部直列接続が不適切となるローサイド スイッチングまたは通信インターフェイスが使用されています。スタンドアロン製品として安全なバッテリーは、別のパックと組み合わせると自動的に安全になるわけではありません。

アプリケーションでより高い電圧が必要な場合は、通常、製造後に個別に保護されたバッテリーを接続するよりも、専用設計のマルチシリーズ アセンブリを使用する方が信頼性が高くなります。

完成したLiPoパックを並列接続できますか?

ラベルに公称電圧が同じであるという理由だけで、既製のパックを並列接続しないでください。

並列動作の前に、設計で以下に対処する必要があります。

• パック電圧差

• 充電状態の違い

• 能力と年齢

• 内部抵抗

• BMS インタラクション

• 逆電流

• 充電電流分布

• コネクタの順序

• 通電中のパック取り外し

• 分岐保護

• 誤った隔離

1 つのパックの電圧が高い場合、コネクタが接触するとすぐに大きな均等化電流が流れる可能性があります。

並列バッテリーモジュールは安全に設計できますが、定義された接続方法、互換性のある保護アーキテクチャ、必要に応じて制御された事前充電、および検証された障害動作が必要です。

構成がバッテリーのサイズとレイアウトに与える影響

セルを追加するとエネルギーが増加しますが、機械設計も変わります。

直列および並列アセンブリは以下に影響を与える可能性があります。

• 総厚さ

• 幅と長さ

• 重さ

• 重心

• ケーブル配線スペース

• 曲げ半径

• 放熱

• セル拡張許容値

• 落下防止

• 耐振動性

• サービスアクセス

• エンクロージャアセンブリ

2 つのパウチセルを並べて配置すると、幅広で薄いパックを作成できます。積み重ねると、厚みが増して設置面積が小さくなる可能性があります。

直並列構造では、次のものも必要となる場合があります。

• 追加の断熱材

• 溶接点の増加

• より大きなBMS

• 電圧検出配線

• 温度センサー

• より強力なサポートフレーム

• より複雑なパック包装

• タブと保護コンポーネントの周囲の間隔を拡大

したがって、電気的構成は、エンクロージャが完成した後ではなく、利用可能なバッテリ コンパートメントと一緒に選択する必要があります。

直列と並列: どの構成を選択する必要がありますか?

デバイスが必要とする電圧に応じてシリーズ数を選択してください。

必要なエネルギー、実行時間、電流能力、スペース、重量に応じて並列数を選択してください。

シリーズに重点を置いた設計は、次のような場合に適しています。

• デバイスにはより高い入力電圧が必要です

• モーターやヒーターは電圧が高いほど効率的に動作します

• システムは 1S パックの範囲を超える電圧レールを使用します

• 所定の電力レベルでは、電流が低い方が好ましい

• デバイスには互換性のあるマルチセル充電器がすでに含まれています

• 複数シリーズのBMSに対応できる製品です。

並列重視の設計は、次のような場合に適しています。

• 製品は公称 3.7 V プラットフォームを維持する必要があります

• より長い実行時間が必要です

• 単一セルでは十分な容量を提供できない

• セルの検証された動作条件内では、より多くの出力電流が必要です

• エンクロージャは複数のセルを収容可能

• 充電器と保護システムは、結果として得られる容量と電流をサポートします。

直並列設計は、次のような場合に適しています。

• デバイスには、より高い電圧とより長い実行時間の両方が必要です

• 単一の直列ストリングでは必要な電流を供給できません

• 必要なエネルギーは実際の単一弦の容量を超えます

• スペースは複数のセル位置に分散する必要があります

• アプリケーションは追加の BMS とアセンブリの複雑さを正当化します

ゼルネさん カスタム リチウムポリマー バッテリー ソリューションは、 デバイスの電圧、容量、サイズ、電流、コネクタ、保護要件に基づいて、単一セル、多直列、並列、および直並列構造をサポートします。

実用的なバッテリー構成の選択プロセス

1. デバイスの電圧範囲を確認する

識別する：

• 最低動作電圧

• 通常動作電圧

• 最大安全入力電圧

• 起動電圧要件

• シャットダウン電圧

• 電圧レギュレータ入力範囲

• モーター、ヒーター、またはアクチュエーターの電圧

• 充電器の入力および出力電圧

完全に充電されたパックの最大電圧は、接続されているすべてのコンポーネントの安全範囲内にとどまる必要があります。

2. 負荷プロファイルを定義する

記録：

• 待機電流

• 標準動作電流

• 最大連続電流

• ピーク電流

• ピーク持続時間

• 起動または停止電流

• 毎日の稼働時間

• 充電ごとに必要なランタイム

平均電流だけでは、セル、BMS、およびコネクタが短時間の大電流イベントをサポートできるかどうかはわかりません。

3. 必要なエネルギーを計算する

最初の推定値は次を使用して計算できます。

必要なエネルギー (Wh) = 平均電力 (W) × 動作時間 (時間)

実用的な設計では、次の点も考慮する必要があります。

• 電圧変換損失

• バッテリーの劣化

• 低温での容量損失

• 高負荷電圧低下

• 予備容量

• BMS の消費

• デバイスのスタンバイ消費量

• 許容排出深度

4. シリーズ数を選択します

デバイスの電圧を満たすために必要な直列グループの数を選択します。

公称電圧のみを使用しないでください。チェック：

• 最大充電電圧

• 代表的な動作範囲

• BMSカットオフ電圧

• デバイスの低電圧しきい値

• 充電器の電圧

• コンポーネントの電圧定格

5. 並列数を選択します

1 つの直列ストリングが提供できる容量と電流を決定します。並列セルは、エネルギー、ランタイム、電流、またはパッケージングのために必要な場合にのみ追加してください。

並列セルが増えると、重量、体積、コスト、溶接点、故障エネルギーも増加します。

6. 保護システムの設計

定義する：

• 化学

• シリーズ数

• パック容量

• 充電電流制限

• 連続放電電流

• ピーク電流と持続時間

• 過充電閾値

• 過放電閾値

• 過電流閾値

• 短絡応答

• 温度制限

• バランス戦略

• 通信要件

7. 充電器とコネクタの確認

充電器は完全なパックと一致する必要があり、メインのコネクタとワイヤは実際の電流をサポートする必要があります。

サンプルを作成する前に、コネクタのシリーズ、極性、ピン配列、ワイヤゲージ、ケーブル長、およびバランス接続を文書化する必要があります。

8. サンプルのビルドとテスト

検証は実機内で完了する必要があります。

関連するテストには次のものが含まれる場合があります。

• 充電の互換性

• 満充電電圧

• 個別の直列グループ電圧

• セルバランシング

• ランタイム

• 最大負荷電圧降下

• ピーク電流応答

• 温度上昇

• BMS カットオフ動作

• 短絡保護

• コネクタの加熱

• ケーブルの配線

• エンクロージャの適合

• 落下および振動性能

• 繰り返しのサイクリング

• 貯蔵と自己放電

の リチウムポリマー電池の品質管理システムは、 セルのテスト、組み立て検査、電気的検証、および完成パックの管理に関する追加情報を提供します。

動作した構成例

例 1: コンパクトな追跡デバイス

トラッカーが単一セルの電圧プラットフォームで動作し、1000 mAh のセル 1 つで提供できるよりも長い実行時間を必要とすると仮定します。

可能な構成は次のとおりです。

• セル: 3.7 V、1000 mAh

• 構造: 1S2P

• パック電圧: 公称 3.7 V

• パック容量: 2000 mAh

• 公称電力量: 7.4Wh

この設計では単一セルの充電電圧を維持しますが、組み合わせた電流と容量に適した保護回路とコネクタが必要です。

例 2: 7.4 V を必要とするポータブル デバイス

ハンドヘルド製品には約 7.4 V と 2000 mAh が必要だとします。

3.7 V、2000 mAh セルを使用する場合:

• 構造: 2S1P

• パック電圧: 公称7.4 V

• パック容量: 2000 mAh

• 公称電力量: 14.8Wh

• 通常のフル充電電圧: 8.4 V

このパックには 2S 保護システムと 8.4 V リチウムイオン充電プロファイルが必要です。

例 3: より高い電圧と容量を必要とするロボット

ロボットに公称 11.1 V と 4000 mAh が必要だとします。 2000 mAh セルを使用する場合:

• 構造: 3S2P

• 総セル数: 6

• パック電圧: 公称 11.1 V

• パック容量: 4000 mAh

• 公称電力量: 44.4Wh

• 通常のフル充電電圧: 12.6 V

BMS は、ロボットの通常電流、起動サージ、および発生する可能性のあるモーター停止電流をサポートしながら、3 つの直列グループを監視する必要があります。

よくある直列および並列バッテリー設計の間違い

カスタム バッテリー パックに提供する情報

メーカーは、次の情報が利用可能な場合、直列構成と並列構成をより正確に評価できます。

デバイス要件

• 製品タイプ

• 必要な入力電圧範囲

• 最大安全入力電圧

• 標準動作電流

• 最大連続電流

• ピーク電流と持続時間

• 必要なランタイム

• 充電方法

• 動作温度

• バッテリーの空き容量

• 目標パック重量

バッテリー要件

• 好ましい化学的性質

• 公称パック電圧

• 必要な容量

• エネルギー要件

• 予想される直列および並列構成

• サイクルライフ目標

• 充電時間

• 必要吐出量

• 低温または高温の要件

• 高電圧セルの要件

保護要件

• PCM または BMS

• 過充電および過放電保護

• 過電流および短絡保護

• 温度センサーの数と位置

• セルバランシング

• 燃料計

• 充電状態表示

• SMBus、CAN、またはその他の通信プロトコル

• 認証またはバッテリーの識別

• ヒューズまたは分岐保護の要件

機械的要件と接続要件

• 最大の厚さ、幅、長さ

• セルの配置

• 同梱またはラッピング

• コネクタのメーカーと部品番号

• 極性とピン配列

• ワイヤーゲージ

• ケーブル長

• バランスリード

• NTCまたは通信線

• 取り付けと張力緩和

• 振動と落下の要件

の リチウム バッテリ パックは、 電圧と mAh の値だけではなく、完全なシステムとして指定する必要があります。

結論

直列接続と並列接続は、LiPo バッテリー パックにおいて異なる目的を果たします。

直列接続すると、1 つの直列パスの Ah 容量を維持しながら、パック電圧が上昇します。並列接続により、1 つのセルの電圧が維持されると同時に、容量が追加され、電流能力が増加する可能性があります。直列並列構造により、両方の効果が組み合わされます。

これらの電気ルールは出発点にすぎません。完成したパックでは、最大充電電圧、ワット時、デバイス負荷、セルのマッチング、電流共有、バランス、BMS 電流、温度、配線、コネクタ、充電器の互換性、機械的保護も考慮する必要があります。

マルチシリーズ パックの場合、保護システムは個々のシリーズ グループの電圧を監視し、正確なシリーズ数と一致する必要があります。並列設計では、厳密に一致したセルと制御された電流パスが不可欠です。いずれの場合も、理論値は生産前にパックレベルおよびデバイスレベルのテストを通じて確認する必要があります。

よくある質問

LiPoバッテリーを直列に接続すると容量が増加しますか?

総蓄積エネルギーとパック電圧が増加しますが、Ah または mAh 定格は 1 つの直列パスの容量と同じままです。 2 つの 3.7 V、1000 mAh セルを直列に接続すると、7.4 V、1000 mAh パックが形成されます。

LiPoバッテリーを並列に接続すると電圧が上がりますか?

いいえ。並列セルは、容量が追加される間、1 つのセルの電圧を保持します。 2 つの 3.7 V、1000 mAh セルを並列に接続すると、3.7 V、2000 mAh パックが形成されます。

2S2Pと4S1Pの違いは何ですか?

2S2P パックには 2 つの直列グループがあり、各グループに 2 つの並列セルがあります。 4S1P パックには 4 つのセルが直列に接続されているため、同一のセルを使用すると公称電圧の 2 倍になりますが、Ah 容量は半分になります。

2S2P パックには 2S または 4S BMS が必要ですか?

保護システムは 2 つの直列電圧グループを監視するため、通常は 2S BMS が必要です。 BMS は、合計容量、充電電流、放電電流、および 2 つの並列グループのバランス要件もサポートする必要があります。

異なる容量の LiPo セルを並列接続できますか?

完全な設計が特別に評価されていない限り、通常はこれらを OEM パックに組み込むべきではありません。容量、抵抗、使用年数、または状態の違いにより、電流配分が不均一になり、劣化が加速される可能性があります。

2 つの保護された LiPo バッテリー パックを並列接続できますか?

バッテリーシステムが並列モジュール動作用に設計されている場合のみ。パック電圧の違い、逆電流、BMS の相互作用、接続シーケンス、および分岐保護のすべてに対処する必要があります。

並列セルを追加すると放電電流が 2 倍になりますか?

同一のセルと平衡電流パスが使用されている場合、利用可能な電流は増加する可能性がありますが、安全な完成パック電流は、BMS、タブ、相互接続、配線、コネクタ、温度、および電流共有動作によって依然として制限されます。

直列と並列のどちらの構成で実行時間が長くなりますか?

実行時間は、S または P カウントだけから判断することはできません。入力電圧、変換効率、負荷動作、カットオフ電圧、温度、放電率も使用可能な実行時間に影響を与えるため、合計ワット時を比較してデバイス全体をテストします。