リチウム バッテリー パックの設計方法 (ステップバイステップ ガイド)

A リチウム電池パック単にセルを配線しただけではありません。これは、電気化学、機械工学、熱制御、電気アーキテクチャ、安全管理を組み合わせた完全なエネルギー システムです。リチウム バッテリー パックがどのように設計されているかを理解すると、バッテリー パックの製造を管理する基準をよりよく理解できるようになります。このガイドでは、クライアントから新しいプロジェクトが持ち込まれたときに私たちが従う実際のプロセスを説明します。

ステップ 1: アプリケーションの要件と制約を定義する

成功したバッテリー パックはすべて次のことから始まります。明確な要件。このステップをスキップすると、後の再設計や現場での失敗の際にその代償を払うことになります。

次の 4 つの主要な領域をロックダウンする必要があります。

• パフォーマンスのニーズ: 電圧、容量、連続電流およびピーク電流、エネルギー密度目標
• 使用環境：温度範囲、振動レベル、湿度、IP等級
• 予想寿命:サイクル数特定の時点で放電の深さ
• 規制要件: 最終製品がどの認証に合格する必要があるか

たとえば、電動工具は短期間に 10 ～ 15 ℃のバーストを要求する場合がありますが、家庭用エネルギー貯蔵システムは 80% の DOD と低コストの 3000+ サイクルを優先します。電動バイクには、据え置き型UPSにはない強い耐振動性や防水性が求められます。

私たちは常にトレーサビリティマトリックスGEBで。あらゆる要件を特定の設計上の決定およびテスト方法に結び付けます。この文書は、認証機関が質問を始めるときに非常に役立ちます。

最初に要件を正しく把握することで、時間とコストを最大限に節約できます。

ステップ 2: 最適なセルの化学的性質とフォーマットを選択する

要件が明確になったら、セルの選択その後のほぼすべてのことを決定します。

私たちが日常的に使用する実際的な比較は次のとおりです。

化学的性質を選択した後、フォームファクターを決定します。

• 円筒形セル(18650、21700、4680) は成熟した生産、優れた一貫性、強力な機械構造を提供しますが、充填密度は低くなります。
• 角形セルスペース利用率が向上し、モジュールの組み立てが簡単になりますが、膨張する可能性があり、より強力なケーシングが必要になります。
• パウチセル最高のものをお届けしますエネルギー密度体重は最も軽いですが、外部からのサポートと腫れの管理には細心の注意が必要です。

私たちが使うのはグレードAセル老舗メーカーから。能力と内部抵抗の一貫性は、ほとんどの人が思っている以上に重要です。わずかな違いでも不均衡が生じ、パックの寿命が短くなり、安全上のリスクが生じます。

セルの選択「最適な」セルを選択することではありません。特定のデューティ サイクルとコスト目標に合わせて適切なセルを選択することが重要です。

ステップ 3: バッテリーパックの電気設計

セルを選択したら、それを使用可能な電圧と容量のプラットフォームに変える必要があります。

直列接続電圧が増加します:

V_total=V_cell × 直列セルの数

並列接続容量と電流処理が増加します。

Ah_total=Ah_cell × 並列文字列の数

一般的な 48V エネルギー貯蔵パックは、インバーターの電圧ウィンドウに応じて 13S または 16S 構成を使用することがよくあります。高電力アプリケーションでは、セルあたりの電流を安全な制限内に維持するために 4P または 6P が必要になる場合があります。

接続方法は信頼性にとって重要です。セルを直接はんだ付けすることは避けます。-熱により内部構造が損傷し、時間が経つと内部抵抗が上昇する可能性があります。ニッケル条のスポット溶接または、タブをレーザー溶接すると、長期的にははるかに優れた結果が得られます。{0}}高電流パスの場合は、-銅バスバーホットスポットを避けるために複数の接続ポイントを使用します。

高電圧線と低電圧線の間を適切に絶縁すると、電磁干渉が軽減され、沿面問題が防止されます。-

電気アーキテクチャは、接触抵抗を低く保ち、電流共有のバランスを保ちながら、必要な電力を供給する必要があります。

ステップ 4: バッテリー管理システム (BMS) を統合する

BMS は群れの頭脳であり、守護者です。

セルの電圧、温度、電流をリアルタイムで監視する必要があります。 SOC と SOH を計算し、バランシングを実行し、制限を超えた場合に保護をアクティブにします。

重要な決定には次のものが含まれます。

• パッシブバランシング(安い) 対アクティブバランシング(大きなパックの場合はより効率的です)
• 通信プロトコル - 車載用の CAN バス、定置システム用の RS485 または Bluetooth
• 電流定格とサポートされる直列セルの数

私たちの経験では、優れた BMS は潜在的な現場の問題の 80% を防ぎます。冗長保護回路と素早い短絡応答を備えたものを選択してください。-高電圧システムの場合、-隔離監視は不可欠です。

BMS を思いつきとして扱わないでください。最初から設計しておく必要があります。

ステップ 5: 熱管理システムを設計する

パックの寿命が 5 年か 15 年かは、多くの場合温度管理によって決まります。

リチウム電池は 25 度から 40 度の間で最もよく機能します。細胞間の差が 5 度を超えると老化が促進されます。急速充電または高放電中、発熱はセルあたり数ワットに達する可能性があります。

一般的なアプローチ:

• 空冷：シンプルで低コストですが、容量が限られています
• 液体冷却:優れた熱伝達、EVで広く使用されている
• 相変化材料 (PCM):パッシブで温度スパイクを滑らかにするのに適しています
• ハイブリッドシステム:極限状態に対応する方法を組み合わせる

寒冷地では、PTC ヒーターまたは加熱フィルムを追加して、充電前にセルを動作温度まで上げます。

プロジェクトの初期段階で熱シミュレーションを実行します。パッシブ冷却で十分なのか、それともアクティブ冷却なのかを判断するのに役立ちます。液体冷却必要です。優れた熱設計により熱暴走を防ぎ、季節を問わず一貫したパフォーマンスを維持します。

ステップ 6: 機械的および構造的な設計

次に、パックは現実世界の状況に耐える必要があります。{0}}

を使用するかどうかを早めに決定してくださいモジュラー設計またはレンガ-スタイルのパック。モジュール設計は、製造、テスト、修理が容易です。ブリックパックはより高い目標を達成できるエネルギー密度しかし、メンテナンスが難しくなります。

細胞の固定は非常に重要です。位置決めと間隔確保にはプラスチック製セル ホルダーを使用し、慎重に塗布したホットメルト接着剤または中性シリコーンと組み合わせて、熱放散を妨げることなく振動を吸収します。-

通常、筐体の材質は、重量比の強度を考慮してアルミニウム、据え置き用途ではコストを抑えるためにスチールになります。{0}{1}IP67 シーリング、圧力逃しベント、クラッシュ ゾーンは自動車グレードのパックに標準装備されています。-

機械設計では、セルを振動、衝撃、水から保護しながら、必要なときに保守できるようにする必要があります。

ステップ 7: プロトタイピング、テスト、検証

デザインはテストされるまで完成しません。

3 つのプロトタイプ ステージを構築します。

• EVT:基本的な機能チェック
• DVT:完全な性能テストと環境テスト
• PVT:最終ツールからのプロダクション インテント ユニット-

主なテストには、さまざまな C レートでの容量と効率、ホットスポットを見つけるための負荷下の熱画像、{0}}などが含まれます。サイクル寿命試験、振動と衝撃、および安全性乱用テスト (過充電、短絡、釘刺し)。

パックが到達したとみなします人生の終わり定義された条件下で容量が初期値の 80% に低下したとき。

徹底した検証により、問題が顧客に届く前に発見されます。

ステップ 8: 認証と生産開始

最後に、パックは対象市場の認証に合格する必要があります。

一般的な要件には次のものがあります。UN38.3配送のため、UL2580またはIEC 62619安全性、および中国の GB 38031 やヨーロッパの UN ECE R100 などの地域規格に準拠しています。

生産側では、セルの選別、可能な場合は自動溶接、ライン終了後のテストを実装します。{0}}-自動車および高信頼性アプリケーションでは、入荷するセルから完成したパックまでのトレーサビリティが必須です。-

結論

を設計するリチウム電池パックバランスをとる必要があるパフォーマンス、安全性、コスト、製造可能性。順序は重要です:明確な要件まず、それからセルの選択、電気アーキテクチャ、熱および機械システムに基づいて、厳格な検証が行われます。

GEB では、長年にわたり、何百ものプロジェクトを経て、このプロセスを改良してきました。プロトタイプ用の小規模なカスタム パックが必要な場合でも、量産用に数千ユニットが必要な場合でも、基本は変わりません。

リチウム電池プロジェクトに取り組んでおり、要件定義から量産までの経験豊富なサポートが必要な場合は、お気軽に当社のエンジニアリング チームにお問い合わせください。お客様の仕様を確認し、同様のアプリケーションでうまく機能したものを共有させていただきます。