直列バッテリー パックと並列バッテリー パック: OEM デバイスに適合する構成はどれですか?

リチウムイオンセルの接続方法によって、バッテリーパックの基本的な電気的動作が決まります。

• 直列接続すると 電圧が高くなります。

• 並列接続により、 容量と電流能力が増加します。

• 直並列構成では、 電圧と容量が同時に増加します。

OEM デバイスの場合、正しいバッテリー パック構成は以下と一致する必要があります。

• デバイスの電圧範囲

• 必要な容量

• 連続電流とピーク電流

• ランタイムターゲット

• 充電器の設計

• BMS または PCM の要件

• 設置可能スペース

• 重量と熱の制限

• 製造およびテストの要件

したがって、直列と並列の選択は電気的な計算だけではありません。これはシステムレベルの設計上の決定です。

クイックアンサー: 直列バッテリーパックと並列バッテリーパック

たとえば、3.7 V、2500 mAh セルを使用すると、次のようになります。

• 2S1P = 7.4V、2500mAh

• 1S2P = 3.7V、5000mAh

• 2S2P = 7.4V、5000mAh

適切な構成は、ターゲットの電圧、容量、電流、および機械設計によって異なります。

1.「S」と「P」は何を意味しますか?

バッテリーパックの構成は通常、 の文字を使用して書かれます。 S と P.

S ミーンズシリーズ

の前の数字は、 S 直列に接続されたセルまたはセル グループの数を示します。

例:

• 1S: 直列の 1 つのセルグループ

• 2S: 直列の 2 つのセル グループ

• 3S: 3 つのセルグループを直列に配置

• 4S: 4 つのセル グループを直列に接続

直列接続すると電圧が高くなります。

Pはパラレルを意味します

の前の数字は、 P 各直列グループ内で並列接続されたセルの数を示します。

例:

• 1P: 各並列グループに 1 つのセル

• 2P: 2 つのセルを並列に接続

• 3P: 3 つのセルが並列

• 4P: 4 つのセルが並列

並列接続により、容量と電流能力が増加します。

総セル数

セルの総数は次のとおりです。

セルの総数 = S × P

例えば：

• 2S1P = 2 セル

• 1S2P = 2 セル

• 2S2P = 4 セル

• 3S2P = 6 セル

2. シリーズバッテリーパックの仕組み

直列に接続されたセルは端と端で接続されます。 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。

直列にある一致したセルの場合:

パック電圧 = セル電圧 × 直列セル数

アンペア時容量は、1 つのセルまたは 1 つの並列グループの容量とほぼ同じままです。

例：2S1P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: 2500mAh

2S1P パックは以下を提供します。

• 電圧：3.7V×2＝7.4V

• 容量: 2500mAh

• エネルギー: 7.4 V × 2.5 Ah = 18.5 Wh

結果は次のとおりです。

7.4V、2500mAh、18.5Wh

例：3S1Pパック

同じセルを使用する場合:

• 電圧：3.7V×3＝11.1V

• 容量: 2500mAh

• エネルギー: 11.1 V × 2.5 Ah = 27.75 Wh

結果は次のとおりです。

11.1V、2500mAh、27.75Wh

直列構成は、デバイスまたは電源システムがより高い公称電圧を必要とする場合に適しています。

3. 並列バッテリーパックの仕組み

並列接続されたセルは、正端子が互いに接続され、負端子が互いに接続されます。

並列に一致するセルの場合:

パック容量 = セル容量 × 並列セル数

電圧は、1 つのセルまたは 1 つの直列グループの電圧にほぼ等しいままです。

例：1S2P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: 2500mAh

1S2P パックは以下を提供します。

• 電圧: 3.7V

• 容量：2500mAh×2＝5000mAh

• エネルギー: 3.7 V × 5 Ah = 18.5 Wh

結果は次のとおりです。

3.7V、5000mAh、18.5Wh

並列構成は、デバイスが 1 つのセルまたは直列グループと同じ電圧で動作するが、より多くの容量、より長い実行時間、またはより高い電流能力が必要な場合に適しています。

4. シリーズとパラレル: 何が変わるのか?

詳しい容量の計算式については、次の記事で説明しています。 リチウムイオン電池パックの容量の計算方法.

5. 直並列バッテリーパックとは何ですか?

ほとんどのカスタム OEM バッテリー パックは、直列接続と並列接続を組み合わせて使用​​します。

直列並列パックでは次のものが使用されます。

• 必要な電圧を達成するための直列接続。

• 必要な容量と電流能力を実現するための並列接続。

例：2S2Pパック

4 つの 3.7 V、2500 mAh セルを使用:

• シリーズ数: 2

• 並列数：2

• 合計セル数: 4

• 公称電圧: 7.4 V

• 容量: 5000mAh

• エネルギー: 37Wh

計算：

3.7V×2＝7.4V

2500mAh × 2 = 5000mAh

7.4V × 5Ah = 37Wh

結果は次のとおりです。

7.4V、5000mAh、37Wh

2S2P 構成は、7.4 V プラットフォームと 2S1P パックが提供できるより多くのエネルギーを必要とする OEM デバイスに適している場合があります。

6. 同じ 2 つのセルを使用した実際の比較

2 つの同一の 3.7 V、2500 mAh セルを使用すると、セルをさまざまな方法で接続できます。

どちらの構成も同じ 2 つのセルを使用するため、ほぼ同じ公称エネルギーが含まれます。ただし、これらは交換可能ではありません。

デバイスは次のことを考慮して設計されている必要があります。

• 入力電圧;

• 充電電圧;

• 現在;

• BMS;

• コネクタ;

• 機械的なレイアウト。

これは OEM 設計にとって重要なポイントです。2 つのバッテリー パックのワット時は同様であっても、同じ製品には不適切である可能性があります。

7. OEM デバイスはどのような場合にシリーズ構成を使用する必要がありますか?

デバイスが 1 つのセルで供給できる電圧よりも高い電圧を必要とする場合、一般に直列構成が検討されます。

一般的な理由は次のとおりです。

• モーターまたは電源システムにはより高い電圧が必要です。

• 電圧を高くすると、所定の電力レベルでの電流を減らすことができます。

• このデバイスはすでに 2S、3S、または 4S の電気アーキテクチャを使用しています。

• コンバーターまたはモーターコントローラーには、より高い電圧入力が必要です。

• 利用可能なシステム コンポーネントは、定義された電圧プラットフォーム向けに設計されています。

定電力負荷の場合:

電流 = 電力 ÷ 電圧

同じ電力でも、バッテリ電圧が高くなると、パックから引き出される電流が減少します。これは、導体のサイズ設定、コネクタの選択、電源管理の設計に影響を与える可能性があります。

ただし、電圧が高くなれば自動的に性能が向上するわけではありません。デバイスの電子機器、充電器、絶縁体、BMS、およびモーター コントローラーはすべて、選択された電圧をサポートする必要があります。

実際の電圧レベルの比較については、を参照してください。 7.4V 対 11.1V 対 14.8V バッテリーパック.

8. OEM デバイスはどのような場合に並列構成を使用する必要がありますか?

並列構成は通常、デバイスが同じ公称電圧でより多くの容量またはより多くの電流を必要とする場合に検討されます。

一般的な理由は次のとおりです。

• 必要な実行時間が長くなります。

• より高い連続電流。

• 短時間の大電流需要。

• 同じ電圧プラットフォーム内でより多くのエネルギー。

• 個々の容量が制限されたセルの使用。

• 複数のセルに電流を分配する必要があります。

並列セルは電流を共有できますが、設計では次の点を考慮する必要があります。

• セルのマッチング。

• 現在の分布。

• 接続抵抗;

• セル温度。

• 溶接の品質。

• BMS または保護設計。

• 機械的なサポート。

並列セルは自動的に同一として扱われるべきではありません。内部抵抗や充電状態の違いは、電流共有や長期的なパックの一貫性に影響を与える可能性があります。

9. セルのマッチング要件

直列バッテリーパックと並列バッテリーパックの両方に互換性のあるセルが必要です。

同じパックで使用されるセルは、次のような関連する特性と一致する必要があります。

• モデル;

• 公称容量;

• 電圧;

• 内部抵抗。

• 生産バッチ。

• 経年劣化の状態。

• 温度履歴。

シリーズ パックでマッチングが重要な理由

直列パックでは、最も弱いセルが他のセルよりも先に電圧の上限または下限に達する場合があります。これにより、使用可能なパック容量が減少し、保護が早期に切断される可能性があります。

パラレルパックでマッチングが重要な理由

並列グループでは、電圧または内部抵抗が異なるセルが電流を均等に共有しない可能性があります。あるセルは、別のセルよりも多くの負荷を運んだり、より多くの充電電流を受け取ったりすることがあります。

パックの不一致とセルの違いの詳細については、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.

10. シリーズおよびパラレル パックの BMS 要件

バッテリー管理システムはパック構成と一致する必要があります。

シリーズパック

複数のセルを直列に接続したパックでは、通常、個々のセル グループを監視する必要があります。

BMS は以下を提供する必要がある場合があります。

• セル電圧監視。

• セルバランシング。

• 過充電保護。

• 過放電保護。

• 過電流保護。

• 短絡保護;

• 温度監視。

シリーズ数が増加するにつれて、BMS は対応するセル数に合わせて設計する必要があります。

パラレルパック

並列セルは同じ電圧測定ポイントを共有できますが、BMS または保護システムは依然として以下を考慮する必要があります。

• 合計電流。

• セルのマッチング。

• 温度;

• 充電動作。

• 接続抵抗;

• 障害状態。

直並列パック

直並列パックでは通常、BMS がパックの合計電流を管理しながら各直列グループを監視する必要があります。

BMS は、セル構成が完成した後に追加するのではなく、バッテリーの設計段階で選択する必要があります。

11. 充電要件

直列構成と並列構成では、異なる充電に関する考慮事項が必要になります。

直列充電

充電器は直列合計電圧をサポートする必要があります。

例えば：

• 1S パック: 1 つのセル用に設計された充電器。

• 2S パック: 2S バッテリー用に設計された充電器。

• 3S パック: 3S バッテリー用に設計された充電器。

• 4S パック: 4S バッテリー用に設計された充電器。

単一セル用に設計された充電器をマルチシリーズ パックで直接使用しないでください。

並行充電

並列パックは依然として 1 つのセルまたは 1 つの直列グループの電圧を使用しますが、充電システムはより多くの電流を供給するか、より長い充電時間を受け入れる必要がある場合があります。

直並列充電

充電システムは次の両方に一致する必要があります。

• 合計直列電圧。

• パック容量と充電電流の要件。

充電器、バッテリー、BMS は 1 つのシステムとしてテストする必要があります。

12. 構成を OEM デバイスに一致させる

正しい構成は、デバイスの実際の要件によって異なります。

これは単なる予備的な選択ガイドです。最終的な構成は、現在の需要、寸法、充電、温度、生産要件と照らし合わせてチェックする必要もあります。

13. OEM の例: 7.4 V デバイスの構成の選択

OEM 製品には次のものが必要であると仮定します。

• 公称電圧: 約 7.4 V;

• 目標容量: 5000 mAh。

• 連続電流: 中程度。

• コンパクトな長方形のバッテリーコンパートメント。

• 充電式動作。

• 細胞レベルのモニタリング。

事前設定は次のようになります。

3.7 V、2500 mAh セルを使用した 2S2P

計算：

• 電圧: 3.7 V × 2 = 7.4 V;

• 容量: 2500 mAh × 2 = 5000 mAh;

• 総セル数: 2 × 2 = 4 セル。

• 公称エネルギー: 7.4 V × 5 Ah = 37 Wh。

その後、設計チームは次のことを確認する必要があります。

• 2S 電圧範囲がデバイスと互換性があるかどうか。

• バランシング機能を備えた 2S BMS が必要かどうか。

• 細胞が電流をサポートできるかどうか。

• 充電器が 2S 用に設計されているかどうか。

• パックが筐体に適合するかどうか。

• コネクタが必要な電流をサポートしているかどうか。

• バッテリーが計画されたテストに合格するかどうか。

ゼルネさん 7.4V リチウム バッテリ パックのページは、 2S バッテリ パック構成の製品レベルのリファレンスとして使用できますが、カスタム設計は実際の OEM デバイスに対して評価する必要があります。

14. 高電圧デバイスの構成例

別の OEM 製品には次のものが必要であると仮定します。

• 公称電圧: 約 11.1 V。

• 容量: 5000 mAh;

• 連続運転時でも安定した出力が得られます。

事前設定は次のようになります。

3.7 V、2500 mAh セルを使用した 3S2P

計算：

• 電圧: 3.7 V × 3 = 11.1 V;

• 容量: 2500 mAh × 2 = 5000 mAh;

• 総セル数: 3 × 2 = 6 セル。

• 公称エネルギー: 11.1 V × 5 Ah = 55.5 Wh。

11.1 V パックには、3S 構成用に設計された充電器と BMS が必要です。

既存の製品リファレンスについては、ZERNE のを参照してください。 11.1Vリチウム電池パックのページ.

15. 機械設計の考慮事項

直列接続と並列接続は物理パックのレイアウトにも影響します。

設計者は次のことを考慮する必要があります。

• セルの向き。

• セルの間隔。

• 溶接点。

• バスバーまたは導体。

• 絶縁;

• BMS の場所。

• ケーブル配線。

• コネクタの位置。

• ハウジングの寸法。

• 熱放散;

• 取り付けポイント。

• 振動と衝撃。

電気的に正しい構成であっても、利用可能なエンクロージャに適合しない場合は不適切である可能性があります。

円筒形のセルパックの場合、セルの配置がパックの幅、長さ、高さに影響する可能性があります。パウチセルパックの場合、タブの直列および並列の位置が内部レイアウトとケーブル出口に影響を与える可能性があります。

バッテリーコンパートメントの詳細なクリアランス、圧縮および膨張の許容値は、別個に処理する必要があります。 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.

16. よくある直列設計と並列設計の間違い

間違い 1: シリーズが mAh 増加すると仮定する

直列接続すると電圧が増加しますが、通常はアンペア時容量は増加しません。

間違い 2: 並列接続により電圧が増加すると仮定する

並列セルは、1 つのセルまたは 1 つの直列グループとほぼ同じ電圧を保持します。

間違い 3: 間違ったシリーズ数の充電器を使用する

1S パック用の充電器は、2S、3S、または 4S パックには適していません。

間違い 4: 一致しないセルを接続する

容量、抵抗、または経年劣化の条件が異なると、パックの一貫性や使用可能なパフォーマンスが低下する可能性があります。

間違い 5: パック レイアウトの後に BMS を選択する

BMS を選択する前に、シリーズ数、現在の需要、通信要件を把握しておく必要があります。

間違い6: mAhだけを比較する

3.7 V、5000 mAh パックと 7.4 V、5000 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 7: ピーク電流を無視する

構成は、デバイスの平均電流だけでなく、デバイスのピーク需要もサポートする必要があります。

17. 直列および並列バッテリーパックのチェックリスト

バッテリー構成を承認する前に、次のことを確認してください。

• デバイスの公称電圧。

• デバイスの最小電圧と最大電圧。

• 目標容量。

• 連続電流。

• ピーク電流。

• 必要なシリーズ数。

• 必要な並列数。

• セルのモデルと容量。

• 総細胞数。

• セルのマッチング要件。

• BMS または PCM 構造。

• 充電器の互換性。

• コネクタとケーブルの定格。

• 機械的なフィット感。

• 温度条件;

• ランタイムターゲット。

• テスト要件。

• 予想される生産量。

より広範なバッテリー設計基準については、次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.

よくある質問

直列バッテリーパックと並列バッテリーパックの違いは何ですか?

直列バッテリーパックは電圧を増加させ、並列バッテリーパックは容量と電流能力を増加させます。シリーズパラレル パックは両方の効果を組み合わせます。

電池を直列に接続すると容量が増えますか?

通常は、いいえ。同じ容量のセルを直列に接続すると、アンペア時容量はほぼ同じままで電圧が増加します。

電池を並列に接続すると電圧が上がりますか?

通常は、いいえ。等しい電圧のセルを並列に接続すると、ほぼ同じ電圧を維持しながら容量が増加します。

2S2Pってどういう意味ですか？

2S2P は、直列に接続された 2 つのセル グループを意味し、各グループ内で 2 つのセルが並列に接続されます。合計 4 つのセルが含まれています。

2500 mAh セルを使用した 2S2P パックの容量はどれくらいですか?

パック容量は約5000mAhです。セルの公称電圧が 3.7 V の場合、パック電圧は約 7.4 V になります。

シリーズバッテリーパックにはBMSが必要ですか?

マルチシリーズ リチウム バッテリ パックには通常、適切な保護とバランスが必要です。正確な BMS 構造は、セルの化学的性質、シリーズ数、電流、充電器、およびアプリケーションによって異なります。

直並列バッテリー パックは直列のみまたは並列のみのパックよりも優れていますか?

自動的ではありません。直並列構成は、デバイスが高電圧と高容量の両方を必要とする場合に便利ですが、最終的な選択はアプリケーションと物理的制約によって異なります。

異なるバッテリーセルを並列接続できますか?

モデル、容量、電圧、内部抵抗、状態が異なるセルを安易に接続しないでください。認定されたバッテリー設計では、互換性があり、適切に適合したセルを使用する必要があります。

結論

バッテリーパック構成の基本ルールは次のとおりです。

直列にすると電圧が上がります。

並列により容量と電流能力が増加します。

直並列では、電圧と容量の両方が増加します。

OEM デバイスの場合、正しい構成は以下とも一致する必要があります。

• 電圧範囲;

• 容量とエネルギー。

• 現在の需要。

• 充電器;

• BMS;

• セルのマッチング。

• 機械的空間。

• コネクタ;

• 温度;

• テスト要件。

例えば：

• 2S1P はより高い電圧を提供します。

• 1S2P は同じセル電圧でより高い容量を提供します。

• 2S2P は、より高い電圧とより高い容量の両方を提供します。

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