ビュー: 0 著者: ZERNE Battery Technical Content Team 公開時間: 2026-08-25 起源: サイト
リチウムイオン電池パックは容量だけで決まるわけではありません。適切なパックは、必要な電圧を供給し、十分な使用可能なエネルギーを提供し、デバイスの電流需要をサポートし、利用可能なスペースに適合し、適切な保護機能を備えている必要があります。
OEM プロジェクトの場合、バッテリー パックの設計には以下に関する決定も含まれます。
セルの選択
直列および並列構成
公称電圧
容量
ピーク電流と連続電流
BMS または PCM
充電方法
コネクタとケーブル
機械的統合
動作温度
予想される実行時間
テストと本番環境の要件
バッテリーパックの容量は正しいが、電圧が間違っている可能性があります。十分なエネルギーを供給できますが、ピーク電流需要時に故障する可能性があります。エンクロージャには適合しますが、ホスト デバイスに必要な保護機能や通信機能が欠けている場合があります。
このガイドでは、リチウムイオン バッテリー パック設計の主な原理を説明し、OEM チームが詳細な開発に移る前に、電気的、機械的、およびシステム要件をどのように結び付けることができるかを示します。
商用バッテリー パック ソリューションについては、ZERNE を参照してください。 リチウム電池パック。製品ページは製品およびソリューションに関するお問い合わせを目的としていますが、この記事ではバッテリー パック設計の背後にあるエンジニアリング上の決定に焦点を当てています。
リチウムイオン電池パックは、次の要素を考慮して設計する必要があります。
必要な動作電圧
目標容量と利用可能エネルギー
連続電流とピーク電流
直列セルと並列セルの構成
BMSまたはPCM保護機能
充電電圧と充電電流
利用可能なバッテリーコンパートメント
コネクタとケーブルの要件
動作温度および保管温度
必要なランタイム
テストとコンプライアンスのニーズ
予想生産量
正しい設計とは、安全で再現性のある生産を維持しながら、ホスト デバイスの電気的および機械的要件を満たしているものです。
バッテリー パックの設計は、バッテリー モデルではなくデバイスから始める必要があります。
セルを選択する前に、OEM チームは以下を定義する必要があります。
デバイスの動作電圧
最大入力電圧
最低動作電圧
継続的な電力需要
起動時またはピーク時の電力需要
予想稼働時間
充電方法
バッテリーの空き容量
コネクタとケーブルの位置
動作温度
製品ライフサイクル
予想生産量
バッテリーは完全な電源システムの一部として評価される必要があります。充電器、電源管理回路、モーター、コントローラー、ディスプレイ、通信モジュール、その他の負荷はすべてバッテリーの仕様に影響を与える可能性があります。
たとえば、デバイスが消費する平均電流はわずかですが、モーターの起動時やワイヤレス モジュールの送信時には高電流パルスが必要な場合があります。平均電力のみを考慮すると、バッテリーは適切に見えても、実際の動作中に故障する可能性があります。
サイズ、容量、電圧、BMS、コネクタなどの OEM 要件については、ZERNE の カスタム バッテリー ソリューションは、 適切な商用エントリ ポイントを提供します。
電圧は、バッテリーがデバイスの電気システムで動作できるかどうかを決定します。
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セルの場合、一般的な公称電圧は約 3.6 V または 3.7 V ですが、満充電電圧は通常約 4.2 V です。正確な値は、セルの化学的性質と仕様によって異なります。
セルを直列に接続すると電圧が上昇します。
構成 |
公称電圧 |
標準的なフル充電電圧 |
|---|---|---|
1S |
3.7V |
4.2V |
2S |
7.4V |
8.4V |
3S |
11.1V |
12.6V |
4S |
14.8V |
16.8V |
これらの値は、標準の Li-ion または LiPo 構成の共通の基準点です。実際のバッテリー設計は、選択したセルのデータシートと充電システムの要件に従う必要があります。
デバイスの入力電圧範囲を注意深く確認する必要があります。 7.4 V とラベル付けされたバッテリーは、動作中ずっと正確に 7.4 V を維持するわけではありません。充電時と放電時に電圧が変化します。
OEM エンジニアは以下を区別する必要があります。
公称電圧
満充電電圧
代表的な動作電圧
カットオフ電圧
デバイスの最小入力電圧
デバイスの最大入力電圧
狭い電圧範囲のみを受け入れるデバイスには、DC-DC コンバータ、電圧レギュレータ、または特定のバッテリ管理戦略が必要な場合があります。
OEM デバイスが約 7.4 V の公称バッテリ電圧を必要とする場合、一般的なソリューションでは、2S 構成として知られる 2 つの 3.7 V セルを直列に使用します。
ただし、設計チームは次の点を確認する必要があります。
デバイスがフル充電電圧を受け入れるかどうか
充電器が2Sパックに対応しているかどうか
セルバランシングが必要かどうか
BMS が 2 つの直列セルをサポートするかどうか
デバイスが最小パック電圧で動作できるかどうか
直列構成と並列構成のより焦点を絞った比較については、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.
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、通常はミリアンペア時またはアンペア時で表されます。
ただし、容量だけでは利用可能なエネルギーを完全に説明することはできません。エネルギーは電圧と容量の両方に依存します。
基本的な関係は次のとおりです。
エネルギー（ワット時） = 電圧（ボルト） × 容量（アンペア時）
例えば：
3.7V × 1Ah = 3.7Wh
7.4V × 2Ah = 14.8Wh
14.8V × 3Ah = 44.4Wh
異なるバッテリー構成を比較する場合、電圧が異なる可能性があるため、多くの場合、ミリアンペア時よりもワット時の方が役立ちます。
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: 1000 mAh または 1 Ah
構成が異なると結果も異なります。
構成 |
公称電圧 |
容量 |
約エネルギー |
|---|---|---|---|
1S1P |
3.7V |
1000mAh |
3.7Wh |
2S1P |
7.4V |
1000mAh |
7.4Wh |
1S2P |
3.7V |
2000mAh |
7.4Wh |
2S2P |
7.4V |
2000mAh |
14.8Wh |
直列接続すると電圧が高くなります。並列接続により容量が増加します。直並列構成では、両方を増やすことができます。
セル数、直列接続、並列接続の詳細な計算は、 リチウムイオン電池パックの容量の計算方法.
バッテリ パックは、通常の動作と一時的なピーク需要の両方に十分な電流を供給する必要があります。
OEM 購入者は以下を特定する必要があります。
平均動作電流
連続電流
ピーク電流
ピーク持続時間
起動電流
デューティサイクル
ピーク負荷時の最小バッテリー電圧
バッテリーセル、BMS、ワイヤー、溶接点、およびコネクターはすべて、必要な電流をサポートする必要があります。パックには十分な蓄えられたエネルギーが含まれている可能性がありますが、その放電経路がデバイスの現在の需要をサポートできない場合は、依然として故障します。
連続電流は、通常の動作中にバッテリーが供給する必要がある電流です。これはセルの選択、導体サイズ、BMS 定格、熱設計に影響します。
ピーク電流は次のときに発生する可能性があります。
モーターの起動
無線伝送
加熱
ポンプの動作
照明の活性化
急速なプロセッサーアクティビティ
一時的な高出力出力
ピークの持続時間は重要です。短いパルスをサポートするバッテリーは、同じ電流を継続的にサポートできない場合があります。
デバイスの電力がわかっている場合、次を使用して電流を推定できます。
電流 = 電力 ÷ 電圧
たとえば、7.4 V バッテリから供給される 20 W の負荷には、およそ次のものが必要です。
20W ÷ 7.4V ≈ 2.7A
実際の設計では、変換損失、電圧変動、ピーク需要、温度も考慮する必要があります。
直並列構成は、バッテリー パックの電気構造を定義します。
直列に接続されたセルは電圧を増加させますが、アンペア時容量は 1 つのセルの容量とほぼ同じままです。
3.7 V、1000 mAh セルで作られた 2S1P パックは、およそ次の機能を提供します。
7.4 V 公称電圧
1000mAhの容量
セルを並列接続すると、電圧は 1 つのセルの電圧とほぼ同じままで、容量と電流能力が増加します。
同じ細胞から作られた 1S2P パックは、およそ次の効果を提供します。
3.7 V 公称電圧
2000mAhの容量
2S2P パックでは、およそ次のものが提供されます。
7.4 V 公称電圧
2000mAhの容量
設計では次のことも考慮する必要があります。
セルマッチング
バランスを取る
保護
溶接または接続方法
パックの寸法
発熱
BMS アーキテクチャ
原理は簡単ですが、最終的な設計は実際のデバイスや製造プロセスと照らし合わせて確認する必要があります。記事 直列バッテリー パックと並列バッテリー パックでは、 より狭い比較が可能です。
セルの物理的および電気的特性は、完全なパック設計に影響を与えます。
重要なセルパラメータには次のものがあります。
セルのフォーマット
寸法
公称容量
吐出量
内部抵抗
サイクル性能
動作温度
充電条件
重さ
可用性
生産の一貫性
パウチセルは、薄いデザインや成形されたデザインをサポートする場合があります。円筒形セルは、標準化された寸法と機械的一貫性を提供します。最適なフォーマットはホストデバイスと必要なパフォーマンスによって異なります。
セルの選択は容量のみに基づいて行うべきではありません。必要な電流を供給できない場合、または利用可能なスペースに適合できない場合、より高い容量のセルは不適切な場合があります。
円筒セル形式の具体的な比較については、を参照してください。 26650 対 18650 バッテリー: サイズ、電圧、容量.
マルチセル パックの場合、セルは次のような関連パラメータに従って一致する必要があります。
容量
電圧
内部抵抗
生産バッチ
経年劣化
セルの不一致は、バランス、使用可能な容量、温度、耐用年数に影響を与える可能性があります。この問題の詳細な説明は、次のリンクで参照できます。 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.
保護電子機器は、ほとんどの充電式リチウム バッテリー パックに不可欠な部分です。
保護回路モジュールは、より単純なバッテリ構成に適している可能性があります。次のような基本的な機能を提供できます。
過充電保護
過放電保護
過電流保護
短絡保護
パックに複数のセルが含まれている場合、または追加の制御および通信機能が必要な場合は、より高度なバッテリー管理システムが必要になる場合があります。
BMS は以下をサポートする場合があります。
セル電圧監視
セルバランシング
電流監視
温度監視
充電状態の推定
故障検出
ホスト機器との通信
充放電制御
イベントまたは障害の記録
通常、BMS は次の場合に関連性が高くなります。
バッテリーには複数のセルが直列に接続されています
セルバランスが必要です
デバイスにはバッテリーステータス情報が必要です
バッテリーは大電流で動作します
アプリケーションには詳細な障害監視が必要です
ホストデバイスはバッテリーと通信します
プロジェクトにはスマート バッテリー機能が必要です
設計では、プロトタイプを作成する前に BMS 要件を定義する必要があります。後で基本保護ボードからスマート BMS に変更すると、バッテリーの寸法、コネクタ、ファームウェア、テスト、およびコストに影響が出る可能性があります。
バッテリー管理が充電ステータスとバッテリーの動作にどのような影響を与えるかに関する追加の背景については、次を参照してください。 リチウムイオン電池の最後の 1% が思ったよりも長持ちする理由.
実行時間は、バッテリーの使用可能なエネルギーとデバイスの実際の電力需要によって異なります。
基本的な見積もりは次のとおりです。
推定実行時間 = バッテリーのエネルギー × 使用可能な効率 ÷ デバイスの電力
電圧と容量で指定されたバッテリーの場合:
バッテリーエネルギー = 公称電圧 × 容量 (アンペア時)
仮定する：
バッテリーパック：7.4V、2000mAh
公称エネルギー: 7.4 V × 2 Ah = 14.8 Wh
推定使用可能なシステム効率: 85%
デバイス電力: 5 W
使用可能なエネルギー:
14.8Wh × 0.85 = 12.58Wh
推定実行時間:
12.58Wh ÷ 5W ≈ 2.5 時間
これは技術的な推定値であり、動作時間を保証するものではありません。
実際の実行時間は次の影響を受ける可能性があります。
変動するデバイス負荷
電圧変換効率
バッテリーカットオフ設定
温度
バッテリーの寿命
吐出量
セル抵抗
BMS 保護の制限
デバイスのスタンバイ消費量
完全な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.
電気的性能はバッテリー パック設計の一部にすぎません。また、バッテリーはホスト製品に安全に収まる必要があります。
設計では以下を定義する必要があります。
最大長さ
最大幅
最大厚さ
取付方向
取付方法
コネクタへのアクセス
ケーブル出口
圧縮限界
振動暴露
熱源
サービスと交換の要件
パウチバッテリーは、鋭い端や集中した圧力によって圧縮されるべきではありません。円筒形パックには、ホルダー、スペーサー、または構造的保護が必要な場合があります。バッテリー収納部は、製造公差と予想される動作環境を考慮する必要があります。
詳細なコンパートメント設計、クリアランス、熱および膨張許容量については、別個に説明されています。 LiPo バッテリー コンパートメントの設計: クリアランスと膨らみ.
この記事の主な設計原則は次のとおりです。
バッテリーコンパートメントは、バッテリーを選択した後でではなく、バッテリーパックと一緒に設計する必要があります。
コネクタとケーブルはバッテリーインターフェースの一部です。
OEM チームは以下を指定する必要があります。
コネクタの種類
ピン数
電流定格
定格電圧
極性
ロック方式
ケーブル長
ワイヤーゲージ
電線出口位置
ストレインリリーフ
設置スペース
必要な信号線または通信線
電源コネクタは通信コネクタと異なる場合があります。スマート BMS では、データ通信、温度検知、または識別のために追加の信号ピンが必要になる場合があります。
コネクタの選択では、組み立て、嵌合サイクル、振動、現場でのメンテナンスも考慮する必要があります。
詳細なコネクタの選択は、この設計概要の範囲外であり、次のセクションで説明されています。 カスタム リチウム バッテリー パックのコネクタを選択する方法.
バッテリーパックは充電器および充電システムと互換性がある必要があります。
OEM バイヤーは以下を定義する必要があります。
充電電圧
充電電流
充電時間
充電方法
充電器の出力許容差
温度制限
充電終了方法
バランス要件
バッテリーがデバイスの内部または外部で充電されているかどうか
2S バッテリー パックは、単一セル用に設計された充電器を使用して充電できません。充電システムはパックの構成と保護電子機器に一致する必要があります。
BMS または PCM は、充電器の動作条件にも適合する必要があります。充電動作はバッテリーの寿命、温度、安全性に影響を与える可能性があるため、実際のデバイスと充電器を使用してテストする必要があります。
プロトタイプをリクエストする前に、OEM チームは電気、機械、インターフェイスの要件を 1 つの管理された仕様にまとめる必要があります。
有用な仕様には以下を含める必要があります。
カテゴリ |
必要な情報 |
|---|---|
応用 |
デバイスの種類と動作環境 |
電圧 |
公称電圧、最小電圧、最大電圧 |
容量 |
目標容量と利用可能エネルギー |
現在 |
連続電流とピーク電流 |
構成 |
直列および並列セルの配置 |
細胞 |
フォーマット、モデル、およびパフォーマンスの要件 |
保護 |
PCM、BMS、NTCおよび保護機能 |
充電 |
電圧、電流、充電方法 |
寸法 |
最大の長さ、幅、厚さ |
コネクタ |
種類、ピン、ケーブル、電線取り出し位置 |
温度 |
動作範囲と保管範囲 |
ランタイム |
目標動作時間とデューティサイクル |
テスト |
電気的、機械的、およびアプリケーションのテスト |
音量 |
試作、パイロット、年間生産数量 |
詳細な要件パッケージにより、再設計が減り、サプライヤーの見積もりの比較が容易になります。
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：2000mAh
平均電力: 5 W
ピーク電流: 通常の動作電流よりも高い
コンパクトな長方形の設置スペース
充電式動作
バッテリー状態の監視
考えられる予備的な設計の方向性は次のとおりです。
2S 構成の 2 つのセルを直列に接続
必要な容量に対応する 2 つの並列セル パス
セルバランシング機能を備えたBMS
温度監視
カスタムコネクタ
ホストデバイスエンクロージャを中心に設計されたパック
実際の5W負荷での実行時検証
各シリーズ グループに 2 つの 1000 mAh セルを並列に使用すると、約 7.4 V、2000 mAh のパックが生成されます。
公称エネルギーは次のとおりです。
7.4V × 2Ah = 14.8Wh
推定 85% の使用可能なシステム効率を使用すると、予想される使用可能なエネルギーは次のようになります。
14.8Wh × 0.85 = 12.58Wh
連続 5 W 負荷での初期実行時間の推定値はおよそ次のとおりです。
12.58Wh ÷ 5W = 2.5 時間
承認の前に、設計チームはさらに次のことを確認する必要があります。
実際の現在の需要
ピーク電流応答
充電器の互換性
BMS設定
熱的挙動
機械的なフィット感
コネクタの信頼性
実際のデバイス条件での実行時間
この例は、設計ロジックを示しています。これは、アプリケーション固有のバッテリーエンジニアリングレビューに代わるものではありません。
電圧範囲が間違っている場合、十分な mAh のバッテリーでもデバイスと互換性がない可能性があります。
平均消費量が許容範囲に見える場合でも、ピーク需要により電圧降下、BMS カットオフ、またはコネクタの過熱が発生する可能性があります。
バッテリーの電圧は充電中と放電中に変化します。デバイスは完全な動作範囲に耐える必要があります。
BMS の寸法、配線、通信、テストは、パックの設計全体に影響を与える可能性があります。
電気的に動作するバッテリーは、筐体に適合しなかったり、有害な圧縮が発生したりする可能性があります。
定格容量は、あらゆる負荷および温度条件下で使用可能なエネルギーと同じではありません。
同じ容量の 2 つのパックでも、セルの品質、放電能力、BMS 機能、寸法、テストが異なる場合があります。
デザインを承認する前に、次のことを確認してください。
デバイスの電圧範囲が定義されています
バッテリーの公称電圧、最小電圧、最大電圧が識別されます
容量と使用可能なエネルギーが定義されている
連続電流とピーク電流がわかっている
直列および並列構成が選択されています
セルのモデルと性能グレードが特定される
セルのマッチング要件が定義されている
PCMまたはBMS機能が指定されている
充電状況を確認しました
バッテリーの寸法は管理されています
コネクタとケーブルの要件が文書化されている
動作温度が定義されています
実行時ターゲットが指定されている
ホストとデバイスの統合テストが計画されています
プロトタイプの承認基準が定義されています
生産および変更管理の要件を理解している
より広範な OEM 購入基準については、次を参照してください。 OEM デバイス用の充電式リチウムイオン バッテリー パックを選択する方法.
最も重要な要素は、バッテリーをホスト デバイスの完全な電気的および機械的要件に適合させることです。電圧、容量、電流、BMS、寸法、充電を合わせて評価する必要があります。
公称電圧にアンペア時単位の容量を掛けます。たとえば、7.4 V、2 Ah のバッテリ パックの公称エネルギーは約 14.8 Wh です。
いいえ。直列接続は主に電圧を増加させます。並列接続により、容量と電流能力が増加します。直並列構成では、電圧と容量の両方を高めることができます。
必要な保護システムはパックの構成と用途によって異なります。単純なシングルセル パックでは PCM を使用できますが、マルチセル パックではバランシング機能とモニタリング機能を備えた BMS が必要な場合があります。
実行時間は、バッテリーのエネルギー、デバイスの電力、変換効率、カットオフ設定、温度、負荷の変動によって異なります。基本的な見積もりは、バッテリーのワット時をデバイスの電力で割ったもので、使用効率を考慮して調整されます。
カスタム バッテリー パックは、OEM 製品の電圧、容量、電流、寸法、コネクタ、BMS、およびアプリケーション要件に基づいて設計されています。標準パックは通常、事前定義された構成を使用します。
通常は、デバイスの電圧範囲を最初に確立する必要があります。実行時間、利用可能なスペース、現在の需要、重量制限に応じて容量を選択できます。
リチウムイオン電池パックの設計はシステムレベルのプロセスです。信頼性の高い設計では、以下を接続する必要があります。
電圧
容量
エネルギー
現在の需要
直列および並列構成
セルの選択
PCM または BMS
充電
ランタイム
機械的統合
コネクタの要件
テストと実稼働のニーズ
3.7 V セルは、必要な電圧と容量に応じて、さまざまなバッテリー パックに構成できます。ただし、電気的構成は設計の一部にすぎません。また、バッテリーは、充電器、ホストデバイス、保護システム、および機械的筐体とともに正しく動作する必要があります。
