デバイスに長寿命、高性能が必要な場合LifePo4バッテリーパック各セルのバランスをとる必要があります。 
LifePo4 バッテリーパックにバッテリーバランス調整が必要なのはなぜですか? LifePo4バッテリーは、過電圧、低電圧、過充電・過放電電流、熱暴走、バッテリー電圧の不均衡など、多くの特性の影響を受けます。最も重要な要因の一つはセルの不均衡です。これは、パック内の各セルの電圧を時間の経過とともに変化させ、バッテリー容量を急速に低下させます。LifePo4バッテリーパックを複数のセルを直列に接続するように設計する場合、セル電圧を常にバランスさせるように電気特性を設計することが重要です。これは、バッテリーパックの性能だけでなく、ライフサイクルを最適化するためにも重要です。バッテリーバランス調整はバッテリーの製造前後に行われ、バッテリーのライフサイクル全体を通して実施される必要があるという原則が必要です。 バッテリーバランス調整によりバッテリーの充電状態 (SOC) が向上するため、アプリケーションに合わせてより高容量のバッテリーを設計できます。多数の LifePo4 セルユニットを直列に接続すると、多数の犬ぞりで犬ぞりを引くようなものになります。犬ぞりを最大効率で引くには、すべての犬ぞりが同じ速度で走る必要があります。4 匹の犬ぞりの場合、1 匹の犬ぞりがゆっくり走ると、他の 3 匹の犬ぞりも速度を落とさなければならず、効率が低下します。一方、1 匹の犬ぞりが速く走ると、他の 3 匹の犬ぞりの荷物を引っ張ることになり、犬自身を傷つけることになります。したがって、複数の LifePo4 セルを直列に接続するときは、より効率的な LifePo4 バッテリーパックを得るために、すべてのセルの電圧値を等しくする必要があります。 
通常のLifePo4バッテリーの定格電圧はわずか3.2Vですが、家庭用エネルギー貯蔵システム、ポータブル電源、産業、通信、電気自動車、マイクログリッドアプリケーションでは、公称電圧よりもはるかに高い電圧が必要です。近年、充電式LifePo4バッテリーは、軽量、高エネルギー密度、長寿命、高容量、急速充電、低い自己放電レベル、環境に優しいため、パワーバッテリーとエネルギー貯蔵システムで重要な役割を果たしています。 セルバランシングにより、各LifePo4セルの電圧と容量が同じレベルになることが保証されます。そうでない場合、LiFePo4バッテリーパックの範囲と寿命が大幅に減少し、バッテリーのパフォーマンスが低下します。したがって、LifePo4セルバランスは、バッテリーの品質を決定する最も重要な要素の1つです。動作中にわずかな電圧ギャップが発生しますが、セルバランシングによって許容範囲内に保つことができます。 バランシング中は、高容量セルが完全な充放電サイクルを実行します。セルバランシングを行わないと、最も容量の低いセルが弱点となります。セルバランシングは、温度監視、充電、そしてパック寿命を最大限に延ばすその他の機能とともに、BMSの中核機能の一つです。 バッテリーバランス調整のその他の理由： LifePo4バッテリーパックの不完全なエネルギー使用 バッテリーの設計容量を超える電流を消費したり、バッテリーをショートさせたりすることは、バッテリーの早期故障につながる可能性が最も高くなります。LifePo4バッテリーパックの放電中、劣化したセルは正常なセルよりも速く放電し、他のセルよりも早く最低電圧に達します。あるセルが最低電圧に達すると、バッテリーパック全体が負荷から切り離されます。その結果、バッテリーパックのエネルギー容量が未使用のままになります。 細胞分解 LifePo4セルは、推奨値よりも少しでも過充電されると、セルの効率と寿命が低下します。例えば、充電電圧を3.2Vから3.25Vにわずかに上昇させるだけで、バッテリーの劣化が30%早まります。したがって、セルバランスが正確でない場合、わずかな過充電でもバッテリーの寿命は短くなります。 セルパックの充電が不完全 LifePo4バッテリーは、0.5～1.0%の定電流で充電されます。LifePo4バッテリーの電圧は、充電が進むにつれて上昇し、完全に充電されるとピークに達し、その後低下します。例えば、それぞれ85Ah、86Ah、87Ahの3つのセルがあり、SoCが100%の場合を考えてみましょう。その後、すべてのセルが放電され、SoCが低下します。セル1は容量が最も低いため、最初に電力を使い果たしてしまうことがすぐにわかります。 セルパックに電源が投入され、同じ電流がセルを流れると、セル1は充電中に停滞し、他の2つのセルが完全に充電されているとみなされる可能性があります。これは、セル1の自己発熱によってセル間の不均衡が生じ、電量効率（CE）が低下することを意味します。 熱暴走 最も恐ろしいのは熱暴走です。私たちが理解しているようにリチウム電池過充電と過放電に非常に敏感です。4セルパックで1つのセルが3.5V、他のセルが3.2Vの場合、直列接続されているため全てのセルが同時に充電されます。また、他のバッテリーはまだ充電が必要なため、3.5Vセルは推奨電圧よりも高い電圧まで充電されます。その結果、内部発熱量が放熱量を上回ると、熱暴走が発生します。これにより、LifePo4バッテリーパックは熱的に制御不能になります。 バッテリー パックのセルの不均衡を引き起こす原因は何ですか? バッテリーパック内のすべてのセルのバランスを保つことがなぜ重要なのか、これで理解できました。しかし、この問題に適切に対処するには、まずセルのバランスが崩れる理由を理解する必要があります。前述のように、セルを直列に接続してバッテリーパックを構成する際には、すべてのセルが同じ電圧レベルを維持するように設計されます。そのため、新品のバッテリーパックではセルのバランスは常に保たれています。しかし、パックが使用されると、以下の要因によりセルのバランスが崩れてしまいます。 SOCの不一致 セルのSOC（残存容量）の測定は複雑であるため、バッテリー内の特定のセルのSOCを測定するのは非常に困難です。最適なセル調整方法は、同じ電圧（OCV）レベルではなく、同じSOCのセルをマッチングさせることです。しかし、パック製造時にセルを電圧のみでマッチングさせることはほぼ不可能であるため、SOCの変動はやがてOCVの変動につながる可能性があります。 内部抵抗変異体 内部抵抗（IR）が同一のセルを見つけるのは非常に困難です。また、バッテリーの経年劣化に伴い、セルのIRも変化するため、バッテリーパック内のすべてのセルのIRが同一になるわけではありません。ご存知の通り、IRはセルの内部抵抗率を高め、セルを流れる電流を決定します。IRが変化すると、セルを流れる電流と電圧も変化します。 温度レベル セルの充電能力と放電能力は、周囲の温度にも左右されます。EVや太陽光発電システムのような大型バッテリーパックでは、セルが複数の領域に分散配置されており、パック内部に温度差が生じることがあります。その結果、あるセルの充電または放電が他のセルよりも速くなり、不均衡が生じます。 上記の要因から、プロセス全体を通してセルのアンバランスを防ぐことはできないことは明らかです。そのため、唯一の解決策は、アンバランスになったセルを再びバランスさせる外部システムを利用することです。このシステムはバッテリーバランシングシステムと呼ばれます。 
LiFePo4 バッテリーパックのバランスを実現するにはどうすればよいでしょうか? バッテリー管理システム（BMS） 一般的に、LiFePo4バッテリーパックは単独ではバッテリーバランスを実現できませんが、バッテリー管理システム（BMS）。バッテリーメーカーは、このBMSボードにバッテリーバランス機能や、充電過電圧保護、SOCインジケーター、過熱アラーム／保護などのその他の保護機能を統合します。 バランス機能付きリチウムイオンバッテリー充電器 「バランスバッテリーチャージャー」とも呼ばれるこのチャージャーは、異なるストリング数（例：1～6S）の異なるバッテリーに対応するバランス機能を内蔵しています。バッテリーにBMSボードが搭載されていない場合でも、このチャージャーでリチウムイオンバッテリーを充電することでバランス調整が可能です。 バランスボード バランス型バッテリー充電器を使用する場合は、バランスボードから特定のソケットを選択して、充電器とバッテリーをバランスボードに接続する必要があります。 保護回路モジュール（PCM） PCM ボードは、LiFePo4 バッテリー パックに接続される電子ボードであり、その主な機能はバッテリーとユーザーを誤動作から保護することです。 LiFePo4バッテリーは、安全な使用を確保するために、非常に厳格な電圧パラメータの下で動作する必要があります。バッテリーメーカーや化学組成によって、この電圧パラメータは、放電バッテリーではセルあたり3.2V、充電式バッテリーではセルあたり3.65Vの範囲で変化します。PCMボードはこれらの電圧パラメータを監視し、パラメータを超えた場合はバッテリーを負荷または充電器から切断します。 LiFePo4バッテリーを1個だけ、または複数個を並列接続した場合は、PCMボードが個々の電圧を監視するため、この設定は簡単に行えます。しかし、複数のバッテリーを直列接続した場合は、PCMボードで各バッテリーの電圧を監視する必要があります。 バッテリーバランス調整の種類 LiFePo4バッテリーパック向けには、様々なバッテリーバランス調整アルゴリズムが開発されています。バッテリー電圧とSOCに基づいて、パッシブ方式とアクティブ方式の2つに分類されます。 
パッシブバッテリーバランシング パッシブバッテリーバランシング技術は、完全に充電されたLiFePo4バッテリーから抵抗素子を介して過剰な電荷を分離し、すべてのセルに最も低いLiFePo4バッテリーの電荷と同程度の電荷を与えます。この技術は信頼性が高く、使用する部品数も少ないため、システム全体のコストを削減できます。ただし、この技術ではエネルギーが熱として消費され、エネルギー損失が発生するため、システム効率が低下します。そのため、この技術は低電力アプリケーションに適しています。 
アクティブバッテリーバランシング アクティブ充電バランスは、LiFePo4 バッテリーに関連する課題に対するソリューションです。アクティブセルバランシング技術は、高エネルギー LiFePo4 バッテリーから電荷を放電し、低エネルギー LiFePo4 バッテリーに電荷を移動します。パッシブセルバランシング技術と比較して、この技術は LiFePo4 バッテリーモジュールのエネルギーを節約し、システムの効率を向上させます。また、LiFePo4 バッテリーパックのセル間のバランス調整にかかる時間を短縮し、より高い充電電流を可能にします。LiFePo4 バッテリーパックが休止状態にある場合でも、完全に適合した LiFePo4 バッテリーであっても、自己放電速度は温度勾配によって変化するため、充電率は異なります。バッテリー温度が 10°C 上昇するだけで、自己放電率は 2 倍になります。しかし、アクティブ充電バランスは、セルが休止状態にある場合でも、セルを平衡状態に戻すことができます。ただし、この技術は回路が複雑であるため、システム全体のコストが増加します。そのため、アクティブセルバランシングは高出力アプリケーションに適しています。コンデンサ、インダクタ/トランス、電子コンバータなどのエネルギー貯蔵コンポーネントに応じて分類されるさまざまなアクティブバランス回路トポロジがあります。 全体的に見て、アクティブバッテリーマネジメントシステムは、LiFePo4バッテリー間のばらつきや経年劣化の不均一性を補正するためにセルを大型化する必要がないため、LiFePo4バッテリーパックの全体的なコストを削減します。アクティブバッテリーマネジメントは、古いセルを新しいセルに交換し、LiFePo4バッテリーパック内に大きなばらつきがある場合に特に重要になります。アクティブバッテリーマネジメントシステムにより、LiFePo4バッテリーパックにパラメータが大きく異なるセルを搭載できるため、生産歩留まりが向上し、保証およびメンテナンスコストが削減されます。したがって、アクティブバッテリーマネジメントシステムは、バッテリーパックの性能、信頼性、安全性を向上させると同時に、コスト削減にも貢献します。 要約する セル電圧ドリフトの影響を最小限に抑えるには、不均衡を適切に調整する必要があります。あらゆるバランス調整ソリューションの目的は、LiFePo4バッテリーパックが本来の性能レベルで動作し、利用可能な容量を拡張できるようにすることです。 バッテリーバランス調整は、パフォーマンスを向上させるだけでなく、電池のライフサイクルLiFePo4バッテリーパックの安全性も向上します。これは、バッテリーの安全性を向上させ、バッテリー寿命を延ばすための新たな技術の一つです。新しいバッテリーバランシング技術は、個々のLiFePo4セルに必要なバランス調整量を追跡するため、LiFePo4バッテリーパックの寿命を延ばし、バッテリー全体の安全性を高めます。
投稿日時: 2024年5月8日