リチウムイオン電池パックの容量の計算方法

リチウムイオンバッテリーパックの容量を計算するには、各セルに表示されている容量を加算するだけでは不十分です。

最終的な容量は、セルの接続方法によって異なります。

• 直列接続すると 電圧が高くなります。

• 並列接続により アンペア時容量が増加します。

• 直並列構成では、 電圧と容量の両方が増加します。

たとえば、4 つの 3.7 V、1000 mAh セルをさまざまな方法で配置できます。

• 4S1P：約14.8V、1000mAh

• 2S2P：約7.4V、2000mAh

• 1S4P：約3.7V、4000mAh

したがって、同じ数のセルでも、非常に異なるバッテリ パック仕様が生成される可能性があります。

このガイドでは、リチウムイオン電池パックの容量を mAh、Ah、Wh で計算する方法を説明します。また、定格容量と使用可能な容量の違いが明確になるため、OEM エンジニアはより正確なバッテリー仕様を準備できます。

電圧、容量、BMS、実行時間の間のより広範な関係については、を参照してください。 リチウムイオン電池パックの設計: 電圧、容量、BMS、実行時間.

簡単な答え: バッテリーパックの容量はどのように計算しますか?

同じ容量の一致するセルの場合:

パック容量 (Ah)

パック容量（Ah）＝セル1個の容量（Ah）×並列セル数

パック容量 (mAh)

パック容量 (mAh) = セル 1 個の容量 (mAh) × 並列セル グループの数

パック電圧

パック電圧 (V) = 公称セル電圧 (V) × 直列セルの数

エネルギーをパックする

パックエネルギー (Wh) = パック電圧 (V) × パック容量 (Ah)

直列に接続されたセルの数は Sで表されます。並列接続されたセルの数は Pで表されます.

例えば：

• 2S1P は、直列の 2 つのセルと 1 つの並列パスを意味します。

• 1S2P は、1 つのセル グループが直列で、2 つのセルが並列であることを意味します。

• 3S2P は、各グループに 2 つの並列セルを含む 3 つの直列グループを意味します。

1. 容量、電圧、エネルギーを理解する

バッテリー パックを計算する前に、3 つの基本値を区別することが重要です。

容量

容量は、バッテリーがどれだけの電荷を蓄えることができるかを表します。一般的には次のように表現されます。

• ミリアンペア時、または mAh

• アンペアアワー、または Ah

変換は次のとおりです。

1Ah = 1000mAh

3000 mAh セルは 3 Ah セルに相当します。

電圧

電圧はバッテリーの電位を表します。通常はボルトで表されます。

多くの標準的なリチウムイオンおよびリチウムポリマー電池の公称電圧は約 3.6 V または 3.7 V です。正確な値は電池の化学的性質とメーカーの仕様によって異なります。

エネルギー

エネルギーは電圧と容量を組み合わせたものです。ワット時で表されます。

エネルギー (Wh) = 電圧 (V) × 容量 (Ah)

バッテリー電圧が異なる場合、mAh 定格が高くても総エネルギーが高くなるとは限りません。

例えば：

• 3.7V × 2Ah = 7.4Wh

• 7.4V × 2Ah = 14.8Wh

2 つのパックのアンペア時容量は同じですが、電圧が異なるためエネルギーが異なります。

2. 直列接続が容量に与える影響

セルが直列に接続されている場合、1 つのセルのプラス端子は次のセルのマイナス端子に接続されます。

直列接続すると電圧が高くなります。

直列に接続された一致したセルの場合:

• 電圧が上昇する

• Ah 容量はほぼ同じ

• 電圧が上昇するため、総エネルギーが増加します

例: 2S1P バッテリーパック

各セルには次のものがあると仮定します。

• 公称電圧: 3.7 V

• 容量: 1000mAh

2S1P パックには 2 つのセルが直列に含まれています。

パック電圧:

3.7V×2＝7.4V

パック容量:

1000mAh

パックエネルギー:

7.4V × 1Ah = 7.4Wh

したがって、2S1P バッテリー パックはおよそ次のようになります。

7.4V、1000mAh、7.4Wh

シリーズ構成表

これらは 3.7 V セルに基づく公称値です。フル充電電圧はより高いため、充電器と保護システムを選択する際には考慮する必要があります。

3. 並列接続が容量に与える影響

セルが並列に接続されている場合、それらの正端子は互いに接続され、負端子は互いに接続されます。

並列接続により容量が増加します。

並列接続された一致したセルの場合:

• 電圧はほぼ同じまま

• ああ、容量が増えます

• 現在の能力は増加する可能性があります

• 容量が増加するため、総エネルギーが増加します

例: 1S2P バッテリーパック

各セルには次のものがあると仮定します。

• 公称電圧: 3.7 V

• 容量: 1000mAh

1S2P パックには 2 つのセルが並列に含まれています。

パック電圧:

3.7V

パック容量:

1000mAh × 2 = 2000mAh

パックエネルギー:

3.7V × 2Ah = 7.4Wh

したがって、1S2P バッテリー パックはおよそ次のようになります。

3.7V、2000mAh、7.4Wh

並列構成テーブル

並列容量計算では、セルのモデル、容量、状態、電気的特性が同じであると仮定します。

4. 直並列電池パックの計算方法

直並列バッテリ パックは、両方の接続方法を組み合わせたものです。

一般的な式は次のとおりです。

パック電圧 = セル電圧 × S

パック容量 = セル容量 × P

総セル数 = S × P

どこ：

• S = 直列セルの数

• P = 並列セルの数

例: 2S2P バッテリーパック

各セルには次のものがあると仮定します。

• 公称電圧: 3.7 V

• 容量: 1000mAh

2S2P パックの場合:

パック電圧:

3.7V×2＝7.4V

パック容量:

1000mAh × 2 = 2000mAh

セルの総数:

2 × 2 = 4 セル

パックエネルギー:

7.4V × 2Ah = 14.8Wh

結果は次のとおりです。

7.4V、2000mAh、14.8Wh

例: 3S2P バッテリーパック

同じ 3.7 V、1000 mAh セルを使用する場合:

パック電圧:

3.7V×3=11.1V

パック容量:

1000mAh × 2 = 2000mAh

セルの総数:

3 × 2 = 6 セル

パックエネルギー:

11.1V × 2Ah = 22.2Wh

結果は次のとおりです。

11.1V、2000mAh、22.2Wh

これらの構成がデバイスの互換性にどのように影響するかについてのより広範な説明については、を参照してください。 直列バッテリーパックと並列バッテリーパック.

5. 必要な並列数の計算方法

目標容量と個々のセル容量がわかっている場合は、必要な並列セルの数を次のように見積もることができます。

並列数 = ターゲットパック容量 ÷ セル容量

例: 7.4 V、3000 mAh ターゲット

仮定する：

• 目標公称電圧: 7.4 V

• 目標容量：3000mAh

• セル公称電圧: 3.7 V

• セル容量: 1500 mAh

ステップ 1: シリーズ数を決定します。

7.4V ÷ 3.7V = 2S

ステップ 2: 並列数を決定します。

3000mAh ÷ 1500mAh = 2P

初期設定は次のとおりです。

2S2P

セルの総数:

2 × 2 = 4 セル

例: 11.1 V、5000 mAh ターゲット

仮定する：

• 目標公称電圧: 11.1 V

• 目標容量：5000mAh

• セル公称電圧: 3.7 V

• セル容量: 2500 mAh

シリーズ数:

11.1V ÷ 3.7V = 3S

並列数:

5000mAh ÷ 2500mAh = 2P

初期設定は次のとおりです。

3S2P

セルの総数:

3 × 2 = 6 セル

この計算により、初期構成が得られます。最終設計では、現在の需要、利用可能なスペース、セルの放電能力、保護要件、および生産の実現可能性を検証する必要があります。

6. バッテリーパックのエネルギーをWhで計算する方法

アンペア時容量は、同じ電圧のバッテリーを比較するのに役立ちます。異なる電圧レベルのパックを比較する場合は、ワット時がより役立ちます。

式は次のとおりです。

パックエネルギー (Wh) = 公称パック電圧 (V) × パック容量 (Ah)

比較例

この例では mAh 値は同じですが、総エネルギーは電圧によって変化します。

このため、OEM チームは mAh のみを使用してバッテリー パックを比較すべきではありません。電圧が異なる場合は、ワット時も比較してください。

7. 定格容量と使用可能容量

バッテリーに表示されている容量は通常、指定されたテスト条件下で測定された定格容量または公称容量です。

実際に使用可能な容量は、次の理由により少なくなる可能性があります。

• 放電電流

• カットオフ電圧

• 温度

• 細胞の老化

• 内部抵抗

• BMS 保護の制限

• デバイスの電力変換

• 必要な耐用年数

簡単な概念的公式は次のとおりです。

使用可能容量 ≒ 定格容量 × 適用ディレーティング係数

ディレーティング係数は普遍的な数値ではありません。セルのデータシート、放電条件、およびアプリケーション要件に従って確立する必要があります。

たとえば、次の場合、2000 mAh パックはすべてのアプリケーションで正確に 2000 mAh を供給できない可能性があります。

• 負荷は高いです。

• デバイスは、セルが最小電圧に達する前に停止します。

• 気温は低いです。

• パックは古くなっています。

• BMS は保護のために負荷を切断します。

したがって、パックは次の両方で指定する必要があります。

• 定格容量

• 定義された条件下で必要な使用可能容量

8. セルのマッチングが重要な理由

基本的な容量の計算式は、すべてのセルが一致していることを前提としています。

同じパックで使用されるセルは、以下の点で互換性がある必要があります。

• 容量

• 電圧

• 内部抵抗

• セルモデル

• 生産バッチ

• 経年劣化

• 充電状態

セルの特性が大きく異なる場合、最も弱いセルが他のセルより早く電圧限界に達する可能性があります。これにより、パック全体の使用可能な容量が減少し、バランス要件が増加する可能性があります。

セルの不一致の詳細については、次を参照してください。 リチウムイオンバッテリーパックが不安定になる理由とその対処法.

OEM 仕様では、目標のバッテリ容量を指定するだけでなく、必要なセル モデルと一致する要件を定義することをお勧めします。

9. セル容量がパックサイズに与える影響

セルの容量が大きくなると、必要な並列セルの数が減りますが、物理的に大きくなったり、放電特性が異なったりする場合もあります。

OEM エンジニアは以下を評価する必要があります。

• セルの寸法

• パックレイアウト

• 空きスペース

• 目標容量

• 現在の需要

• 重さ

• 熱条件

• セルの利用可能性

たとえば、3000 mAh のセルでは、1500 mAh のセルよりも少ない並列カウントが可能になる可能性があります。ただし、3000 mAh セルが大きすぎる場合、または必要な電流を満たせない場合は、最適な選択ではない可能性があります。

したがって、容量の計算は、機械的および電気的な実現可能性のレビューと組み合わせる必要があります。

10. カスタム OEM パックの容量計算例

OEM デバイスには次のものが必要であると仮定します。

• 公称電圧：約7.4V

• 目標容量：4000mAh

• セル公称電圧: 3.7 V

• セル容量: 2000 mAh

ステップ 1: シリーズ数を計算します。

7.4V ÷ 3.7V = 2S

ステップ 2: 並列数を計算します。

4000mAh ÷ 2000mAh = 2P

ステップ 3: 総細胞数を計算します。

2S×2P＝4セル

ステップ 4: 公称エネルギーを計算します。

7.4V × 4Ah = 29.6Wh

予備パックの仕様は次のとおりです。

2S2P、公称 7.4 V、4000 mAh、約 29.6 Wh

この構成が承認される前に、OEM およびバッテリーのメーカーは以下を確認する必要があります。

• セルが必要な電流を供給できるかどうか。

• パックが利用可能なスペースに適合するかどうか。

• バランス調整機能を備えた BMS が必要かどうか。

• 充電器に互換性があるかどうか。

• コネクタと配線が負荷をサポートしているかどうか。

• 目標容量が必要なテスト条件下で測定されているかどうか。

11. バッテリーパックの容量計算におけるよくある間違い

間違い 1: 容量を直列に追加する

2 つの 1000 mAh セルで作られた 2S1P パックは 2000 mAh パックではありません。約7.4V、1000mAhです。

間違い 2: 並列数を無視する

パックが複数の並列パスを使用する場合、容量は並列セルの数で乗算する必要があります。

間違い 3: 電圧を比較せずに mAh を比較する

3.7 V の 2000 mAh パックと 7.4 V の 2000 mAh パックには、同じ量のエネルギーが含まれません。

間違い 4: エネルギー計算にフル充電電圧を使用する

公称エネルギーは通常、最大充電電圧ではなく公称電圧を使用して計算されます。

間違い 5: 定格容量が使用可能容量と等しいと仮定する

実際に使用可能な容量は、電流、温度、カットオフ電圧、経年劣化、および保護設定によって異なります。

間違い 6: 異なるセル モデルを混合する

容量、内部抵抗、または経年劣化状態が異なるセルを、同じパック内に不用意に組み合わせてはいけません。

間違い 7: デバイスの電力需要を無視する

容量の計算だけでは実行時間は決まりません。実行時間は、デバイスの電力とシステム効率にも依存します。

個別の実行時の計算方法については、を参照してください。 リチウム電池パックの稼働時間を計算する方法.

12. OEM バイヤー向けの容量計算チェックリスト

バッテリーパックの見積もりをリクエストする前に、次の点を確認してください。

• 目標公称電圧

• 最小および最大デバイス電圧

• ターゲット容量 (mAh または Ah)

• 必要な使用可能エネルギー (Wh)

• セルの公称電圧

• セルの定格容量

• 必要なシリーズ数

• 必要な並列数

• 総細胞数

• 連続電流

• ピーク電流

• 動作温度

• バッテリーの空き容量

• 充電方法

• BMS または保護要件

• 容量試験条件

• 予想される実行時間

• 試作と生産数量

容量の数値は、常に定義されたテスト条件に関連付けられる必要があります。 「4000 mAh バッテリーパック」のみを記載した見積書は、サプライヤーが電圧、セルモデル、構成、測定条件も特定しない限り不完全です。

よくある質問

リチウムイオン電池パックの容量はどのように計算すればよいですか?

1 つのセルの容量に並列接続されたセルの数を掛けます。たとえば、2S2P 構成の 4 つの 1000 mAh セルは、約 2000 mAh の容量を提供します。

直列接続するとバッテリー容量が増加しますか?

いいえ、直列接続すると電圧が増加します。アンペア時容量は、通常、1 つの並列グループの容量とほぼ同じままです。

並列接続するとバッテリー容量が増加しますか?

はい。並列接続すると、並列セルの数に応じてアンペア時容量が増加します。

2S2Pバッテリーパックの容量はどれくらいですか?

各セルの定格が 3.7 V および 1000 mAh の場合、2S2P パックは合計 4 つのセルで約 7.4 V および 2000 mAh になります。

バッテリーパックのワット時はどのように計算すればよいですか?

公称パック電圧にアンペア時単位の容量を掛けます。 7.4 V、2 Ah のパックには、約 14.8 Wh の公称エネルギーが含まれています。

3.7 V、2000 mAh バッテリーは 7.4 V、2000 mAh バッテリーと同じですか?

いいえ。7.4 V、2000 mAh パックには、3.7 V、2000 mAh パックの公称エネルギーの約 2 倍が含まれています。

実際のバッテリー容量が定格値より低いのはなぜですか?

結果は、放電電流、温度、カットオフ電圧、セルの経年劣化、内部抵抗、BMS 設定および測定条件の影響を受ける可能性があります。

カスタムバッテリーパックには何セル必要ですか?

総セル数は次のとおりです。

総セル数 = 直列数 × 並列数

最終的なカウントは、電圧、容量、電流、サイズ、重量、および保護要件も満たさなければなりません。

結論

リチウムイオン電池パックの容量を計算するには、直列接続と並列接続の違いを理解することから始まります。

中心となる式は次のとおりです。

パック電圧 = セル電圧 × 直列数

パック容量 = セル容量 × 並列数

総セル数 = 直列数 × 並列数

パックエネルギー = パック電圧 × パック容量 (Ah)

たとえば、3.7 V、1000 mAh セルを使用すると、次のようになります。

• 1S1P = 3.7V、1000mAh

• 2S1P = 7.4V、1000mAh

• 1S2P = 3.7V、2000mAh

• 2S2P = 7.4V、2000mAh

これらの計算は、バッテリー パック設計の開始点となります。最終的なバッテリーについても、現在の需要、セルのマッチング、使用可能な容量、BMS 要件、機械的適合性、充電の互換性、生産の実現可能性をチェックする必要があります。

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