重要なポイント:
- リチウムイオンバッテリーパックは、セル、バッテリー管理システム（BMS）、パッシブコンポーネント、エンクロージャー、および熱管理システムを含む複雑なアセンブリです。彼らは、家電から電気自動車まで、膨大なアプリケーションに駆動し、安全性、効率、信頼性を確保するために慎重なエンジニアリングを必要とします。
あ リチウムイオン電池 Packは、リチウムイオン細胞、バッテリー管理システム、およびすべてエンクロージャー内に含まれるさまざまなサポートコンポーネントのアセンブリです。数え切れないほどの家電、電気自動車、グリッド貯蔵システム、およびその他の産業用途に充電式のエネルギー貯蔵と電力を提供します。
リチウムイオン細胞は基本的な電気容量を提供しますが、他の統合コンポーネントは、安全で効率的で信頼性の高い機能を可能にする上で同様に重要です。このガイドでは、各コアリチウムイオンバッテリーパックコンポーネントの技術的側面を詳しく見ていきます。
重要なコンポーネントの概要
リチウムイオンバッテリーパックには、次の主なコンポーネントが含まれています。
- リチウムイオン細胞 – 電気貯蔵容量を提供する基本的な電気化学ユニット。複数のセルを組み合わせて、目的の電圧と容量を実現します。
- バッテリー管理システム（BMS） – セルの条件を監視し、安全性とパフォーマンスを制御する「脳」。
- パッシブコンポーネント – 構造、相互接続、断熱、および冷却を提供します。
- 囲い – すべての内部コンポーネントを家と保護します。
- 熱管理システム – 動作に最適な細胞温度を維持します。
- 追加の電子機器 – 機能を強化する機能と統合を強化しました。
次に、これらの各コンポーネントをより技術的に詳細に調べます。
リチウムイオン細胞：電気化学電源
リチウムイオン細胞は、リチウムイオンインターカレーション化学を利用して、電気エネルギーを電気化学的に電気エネルギーを貯蔵します。細胞内では、グラファイトアノードと細胞が充電および放電として砕石金属酸化物カソードの間のリチウムイオンシャトルを正に帯電させました。有機電解質はイオン輸送を可能にし、多孔質分離器は電極間の電気接触を防ぎます。
セルにはさまざまな標準サイズとフォームファクターがあります。
- 円筒形（例：18650、21700、4680）：円筒形の金属缶の螺旋状の電極/分離層。より高い出力密度ですが、ポーチセルと比較してエネルギー密度が低くなります。一般的な形式：
- 18650 – 直径18mm、高さ65mm、典型的な容量1.5〜3Ah
- 21700 – 直径21mm、高さ70mm、最大5Ah容量
- 4680 – 直径46mm、高さ80mm、10-50Ah容量
- プリズム状 – 交互のカソード、アノード、セパレーター層は、積み重ねられ、プリズムアルミニウムハウジングに折り畳まれました。体積エネルギー密度を最大化しますが、電力密度が低くなります。一般的な形式：
- 低いCレートでの10AHおよび30AH能力
- 約100 x 200 x 10mm前後の寸法
- ポーチ – 金属化されたプラスチックラミネートポーチで密閉された電極と分離器。ポリマー細胞とも呼ばれます。柔軟で軽量。費用対効果はありますが、耐久性の低いケーシング。 1AHから300AH以上の典型的な容量評価。
リチウムイオン細胞はまた、異なるカソード化学物質を利用して、電圧、容量、安全性に影響を与えます。
- リチウムコバルト酸化物（LCO） - 3.6Vの公称電圧、高エネルギー密度ですが、高温での安全性の懸念
- リチウムマンガン酸化物（LMO） - 3.7V、より安全で、より長いサイクル寿命ですが、より低い容量
- リチウム鉄リン酸 （LFP） – 3.2V、非常に安全で耐久性があるが、エネルギー密度が低い
- リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物（NMC） – 3.6/3.7V、大容量とエネルギー密度ですが、より複雑な製造
- リチウムニッケルコバルトアルミニウム（NCA） - 3.6V、大容量と電力密度が短いが、バッテリー寿命は短い
セルを選択するとき、エンジニアは、公称電圧、容量、Cレート、サイクル寿命、フォームファクター、安全性、コスト、アプリケーション要件を満たすようなパラメーターを評価します。大容量のNMCおよびNCA化学は、高性能アプリケーションで一般的になりました。
バッテリー管理システム（BMS）
の バッテリー管理システム バッテリーパックの全体的な動作を制御する「脳」として機能します。 BMSは、細胞条件を監視し、安全メカニズムを制御し、細胞のバランスをとり、通信インターフェイスを提供します。 BMSの複雑さは、パックのサイズと機能に依存します。小規模な消費者BMSには、次のものを含めることができます。
- 細胞の電圧と温度の監視
- 過充電と過剰充電の防止
- 細胞電圧のバランス
大規模なEVトラクションパックBMSは広範な機能を提供します。
- 各セルの電圧（±15mV）、電流（±1-2％）、および温度（±1°C）の高精度モニタリング
- シャントまたはマルチワインディングトランスを介したアクティブセルバランス
- 電気分離のためのコンタクタとヒューズを制御します
- 複雑な充電および健康推定アルゴリズム
- 冷却システム制御による熱管理
- 高速クリティカル障害検出 – オープン/ショートサーキット、過剰摂取
- 数百のセンサー入力と制御出力
- 車両通信インターフェイス – Can、Lin、Flexray、Automotive Ethernet
- 保護された認証、改ざん防止、空中でのファームウェアの更新
- 診断とサイクルカウントのための詳細なデータロギング
ソース： ResearchGate
BMSハードウェアは通常、印刷回路基板に取り付けられたセンサーインターフェイスIC、ADC、マイクロコントローラー、および電源管理回路で構成されています。安全性と信頼性には、高電圧断熱と堅牢な接続が重要です。
パッシブコンポーネント
細胞とBMSに加えて、リチウムイオンバッテリーパックにはさまざまなパッシブコンポーネントが含まれています。
- バスバー - セルと端子の間の低抵抗接続を提供します。高電流容量が必要です – EVパックで最大1000A。銅またはアルミニウムのバスバーは、むき出し、メッキ、またはコーティングされている場合があります。バスバーの設計は、隔離を維持しながらインダクタンスを最小限に抑えます。
- サーマルインターフェース材料 – セルとエンクロージャーの壁または冷却チャネルの間で使用されます。シリコンエラストマー、熱導電性テープ、ギャップ充填パッドは熱伝達を最大化します。相変化材料は、高い熱容量を提供します。
- 接着剤とテープ - 電気断熱と振動抵抗を提供します。材料には、ポリウレタン、アクリル接着剤、シリコンが含まれます。両側の熱伝導テープが一般的です。厳密なUL94 V-0可燃性評価。
- ヒューズとコンタクター - 過電流断層から保護します。また、安全な電気分離を許可します。高電圧と電流定格が必要です。ヒューズはBMSに統合される場合があります。事前充電回路は、イングラッシュ電流を制限します。
- セルインターコネクト - セル端子を直列に結合します。高電流密度を処理する必要があります。使用された超音波、レーザー、抵抗溶接。
これらのパッシブコンポーネントを慎重に選択すると、厳しい条件下でバッテリーパックの電気的、熱的、機械的完全性が保証されます。
バッテリーパックエンクロージャー
バッテリーパックのエンクロージャーまたはハウジングが提供します。
- 保護 – 機械的乱用、衝撃、ほこり、液体から細胞を保護します。適切な電気接続のみを許可します。アプリケーションに基づいてIP評価を提供します。
- 構造的サポート – 細胞の積み重ねと取り付けに必要な剛性を提供します。アプリケーションフレームとブラケットを使用したインターフェイス。
- 冷却チャネル – 細胞とBMS間の気流または液体クーラント循環を可能にします。統合冷却フィンが含まれる場合があります。
- 絶縁 – バスバーやターミナルなどの高電圧コンポーネントを電気的に分離します。
- 環境シーリング - 水分の侵入を防ぎます。リチウムイオン化学に必要です。
一般的なエンクロージャー材料には、優れた熱特性のためのアルミニウムなどの金属が含まれ、より軽量と耐食性のための設計されたプラスチックブレンドが含まれます。金属化および炭素繊維強化プラスチックは、構造的な剛性とシールドを提供します。
エンクロージャーは、多くの場合、サービス用の取り外し可能なアクセスパネルと、インストールの柔軟性のためのモジュラーパック設計を備えています。構造接着剤、ガスケット、および絶縁膜は、コンポーネントをしっかりと取り付けて分離します。
熱管理システム
適切な細胞温度を維持することは、リチウムイオンバッテリーパックの安全で最適な性能に不可欠です。リチウムイオン細胞は15〜35°C前後でうまく機能しますが、この範囲外の動作はパフォーマンスと寿命を低下させます。
- 排出容量は凍結以下で減少します。内部抵抗が増加します。
- 〜50°Cを超える急速容量が衰退し、老化が発生します。
- 〜60°C以上の熱暴走のリスクはエスカレートします。
したがって、熱管理システムは、操作中に細胞を冷却し、寒い周囲条件で静的にそれらを加熱する必要があります。典型的な冷却方法は次のとおりです。
- 受動的な空気 – フィンとチャネルによる冷却。熱出力が低い小さなパックで使用されます。
- 強制空気 – 軸方向または遠心ファンは、気流率と熱伝達を改善します。ダクトはフロー分布を最適化します。
- 液体冷却 – ジャケット、プレート、またはマイクロチャネル循環水/グリコール混合または誘電体液。高パワーパックに非常に効果的です >5kw。
- 位相変更材料 – ワックス状の材料が溶けると熱を吸収します。エンクロージャーまたはサーマルパッドとして使用されます。
- 熱電 - ペルティエデバイスは、電源が入ったときに温度差を生成します。コンパクトなソリッドステート冷却。
暖房は、寒冷気候の操作にも重要です。暖房方法は次のとおりです。
- 電気ヒーター – パックエンクロージャーに取り付けられた抵抗ヒーター。
- ヒートポンプ – 逆熱電デバイスまたはコンパクト冷媒ループ。
- 廃熱 – 充電と排出による抵抗損失を獲得します。
BMSは、独自の制御アルゴリズムに基づいて、細胞温度を監視し、それに応じて冷却または暖房を制御します。大きなバッテリーパックは、独立した温度調節でサーマルゾーンに分割される場合があります。
追加のコンポーネント
コスト、フォームファクター、およびアプリケーションの要件に応じて、リチウムイオンバッテリーパックには追加のコンポーネントが含まれる場合があります。
- ウェイクアップサーキット – 充電/退院が始まると眠っているBMSを目覚めさせます。スタンバイ電流を改善します。
- セルバランス 回路 – アクティブバランスは、パッシブバランスだけよりも精度を高めます。追加の複雑さが必要です。
- Precharge Circuit – パックを接続するときにインラッシュ電流を制限します。抵抗またはアクティブスイッチングを使用します。 BMSとコンタクタを保護します。
- 充電器 – DC高速充電用のオンボード充電制御電子機器。外部充電器の必要性を削除します。
- コミュニケーション – 基本的なBMSインターフェイスを超えて、パックには、リモートコントロールと診断用のワイヤレスモジュールまたは電力線通信（PLC）が含まれる場合があります。
- ヒーター – 寒い気候操作のために制御された加熱を提供します。最適な細胞温度を達成するのに役立ちます。
- セルスイッチング – 熱管理とバランスのために、セルのグループのオン/オフを切り替えます。多くの追加されたスイッチと複雑な制御ロジックが必要です。
- ステータスLED – ユーザーに基本的なパックステータスを視覚的に示します – 充電、障害、スタンバイなど。
リチウムイオンバッテリーパックアプリケーション
内部コンポーネントを調査したので、主要な産業とアプリケーションでリチウムイオンバッテリーパックがどのように適用されるかを調べてみましょう。
- 電気自動車 - 完全に電気およびハイブリッド車に推進力を提供します。非常に大容量（50〜100kWh）、電力密度、安全性、サイクル寿命が必要です。複雑な液体冷却設計。
- 家電 - 携帯電話、ラップトップ、電動工具、その他のポータブルデバイス。コスト、コンパクトサイズ、軽量に焦点を当てます。プラスチックエンクロージャーの空冷ポーチまたはプリズムセル。 1-100WH容量範囲。
- 航空宇宙 - 緊急電源およびエンジンを開始するために航空機で使用されます。耐久性のあるデザインは振動に耐えます。安全性と信頼性は重要です。
- 固定貯蔵 - グリッドエネルギー貯蔵、バックアップ電源、オフグリッドソーラー/風力システム。低コストの長いサイクル寿命に焦点を当てます。ラックまたは容器で冷却された空気/液体。
- 医療機器 - 埋め込み型でウェアラブルな医療機器。非常にコンパクトで安全で耐久性のあるバッテリーが必要です。厚さ100ミクロンまでの柔軟な細胞。
この概要は、業界全体で非常に異なるアプリケーション要件を満たすように調整されたリチウムイオンバッテリーパック設計の幅広い範囲を示しています。
リチウムイオンバッテリーの安全性
リチウムイオンバッテリーパックを使用するには、適切な安全上の注意事項が必要です。正しく設計および処理された場合は一般的に安全ですが、欠陥または損傷した細胞は急速に過熱して点火する可能性があります。重要なリスクは次のとおりです。
- 外部短絡 – すぐに高電流と暖房につながります。
- 内部短絡 – 細胞損傷によって引き起こされます。最も危険な障害モード。
- 熱暴走 – セルが噴出または燃えるまで自己加熱。セル間で伝播できます。
- 過充電 – 制限上の細胞電圧は、電解質の分解を引き起こします。
- クラッシュ/インパクト – 内部短絡を可能にするセパレーターを押しつぶします。
- 間違ったアセンブリ – ゆるい成分と高い抵抗点は、局所的な熱を生成します。
BMSおよびその他の保護回路は、通常の操作と障害中のこれらのリスクを最小限に抑えるように設計されています。ただし、リチウムイオンバッテリーパックの輸送、設置、サービス、または廃棄の際に、労働者は予防策を講じる必要があります。
- 適切なPPEを着用してください – 目の保護、手袋、炎に耐える衣服。メタリックジュエリーは避けてください。
- ライブバッテリーパックで使用するためにマークされた断熱ツールを使用します。
- 短絡ターミナルやバスバーは避けてください。
- 厳密に付着します 配送 リチウム電池の処理規制。
- 廃棄前に電圧を節約するための使用済みバッテリーを放電します。
- 可燃性の表面から充電して充電します。
- 火災の緊急事態の場合は、消火器を手元に置いてください。
リチウムイオンバッテリーパックを使用する場合、安全な取り扱いのためのベストプラクティスガイドラインに従うことが不可欠です。
結論
リチウムイオンバッテリーパックには、セル、BMSエレクトロニクス、熱管理、エンクロージャー設計など、多くのコンポーネントがあります。エンジニアは、バッテリーパックを設計する際に、コスト、パフォーマンス、安全性、製造可能性のバランスをとる必要があります。
継続的なテクノロジーの改善により、より安全で、より安価で、より小さく、より強力なリチウムイオンパックが可能になります。企業は、競争力を維持するために、最新の進歩について最新の状態を維持する必要があります。
関連記事：
