バッテリーパック電圧の計算方法:LiFePO4および三元リチウム電池の簡単なガイド

バッテリー電圧は、充電式バッテリーパックの設計や選択において最も重要なパラメータの一つです。バッテリーがPOS端末、医療機器、携帯機器、スマート照明システム、エネルギー貯蔵装置、または産業用用途で使用される場合でも、電圧は製品の電気的要求に合致しなければなりません。

エンジニア、製品開発者、調達チームにとって、バッテリー電圧の計算方法を理解することで、出力不足、動作不安定、稼働時間短縮、充電器や制御システムとの互換性問題など、一般的な設計問題を回避できます。

この記事では、リチウム電池の2つの一般的な化学成分、LiFePO4電池と三元リチウム電池を用いてバッテリーパック電圧の計算方法について説明します。

1. 一般的なリチウム電池セルの基本電圧

バッテリーパックは通常、複数のセルを直列・並列に接続して構成されます。バッテリーパックの総電圧を計算する前に、単一のセルの電圧を理解することが重要です。

LiFePO4電池セル電圧

LiFePO4はリン酸リチウム鉄とも呼ばれ、高い安全性、長いサイクル寿命、安定した放電性能を必要とする用途で広く使用されています。

単一のLiFePO4セルの典型的な電圧値は以下の通りです:

• 満充電電圧:3.65V
• 公称電圧:3.20V
• 放電電圧:2.50V

LiFePO4バッテリーは、エネルギー貯蔵システム、産業用機器、バックアップ電源、電動モビリティ、安全性やサイクル寿命が優先される用途で選ばれます。

三元リチウム電池セル電圧

三元リチウム電池は通常、NCMまたはNCA化学を用いたリチウムイオン電池を指します。これらは、より高いエネルギー密度とコンパクトなサイズが必要な場合に一般的に用いられます。

単一の三元リチウム電池の典型的な電圧値は以下の通りです:

• 満充電電圧:4.20V
• 公称電圧:3.70V
• 放電電圧:3.00V

三元リチウム電池は、家電、医療機器、POS端末、スマートウェアラブル、Bluetoothオーディオ製品、モバイル照明、美容デバイス、そして多くの携帯型電子機器で広く使用されています。

2. 「直列のバッテリーパック」とはどういう意味ですか?

バッテリーセルが直列に接続されると、電圧は上昇し、容量は変わらないままです。

例えば、1つのLiFePO4セルの公称電圧が3.2Vの場合、20シリーズバッテリーパックは以下の電圧を持ちます:

3.2V × 20 = 64V 公称電圧

そのため、バッテリーパックはしばしば13S、16S、17S、20S、または24Sと表現されます。「S」は直列に接続されたセルの数を示します。

シリーズ数が多いほどバッテリーパックの電圧も高くなります。

3. バッテリーパック電圧の計算方法

公式はシンプルです:

バッテリーパック電圧 = 単一セル電圧 ×直列セル数

この式は、満充電電圧、公称電圧、放電電圧の計算に利用できます。

例えば、20セルの直列を持つLiFePO4バッテリーパックを設計すると、

• 満充電電圧:3.65V × 20 = 73.0V
• 公称電圧:3.20V × 20 = 64.0V
• 放電電圧:2.50V × 20 = 50.0V

バッテリーは「60Vバッテリーパック」と呼ばれますが、実際の電圧は充電・放電時に変化します。これはリチウム電池では普通のことです。

4. 一般的なLiFePO4バッテリーパック電圧

LiFePO4バッテリーパックは、用途要件に応じて構成されることが多いです。以下はいくつかの一般的な電圧構成です。

これらの構成は、より安全な化学的要件、長いサイクル寿命、安定した出力性能を必要とする用途で一般的に用いられます。

5. 一般的な三元リチウムバッテリーパックの電圧

三元リチウムバッテリーパックはより高い単一セル電圧を使用するため、必要なシリーズ数はLiFePO4とは異なります。

三元リチウム電池はエネルギー密度が高いため、サイズや重量が重要なコンパクトなバッテリーパック設計でよく使われます。

6. なぜ公称電圧は実際の電圧と同じではないのか

多くの顧客は、48V、60V、72Vとラベル付けされたバッテリーが、測定時に必ずしもその電圧を正確に表示しないのかと尋ねます。

理由は簡単です。リチウムバッテリーの電圧は充電状態に応じて変化します。

バッテリーが満充電になると、電圧は高くなります。使用中は電圧が徐々に低下します。バッテリーが電圧の上限に達すると、BMSは通常、セルの過放電を防ぐために放電を遮断します。

例えば、48V LiFePO4バッテリーパックは満充電時に58.4Vに達し、放電後は約40.0Vまで下がることがあります。これはバッテリーが不良だという意味ではありません。これは通常の動作電圧範囲の一部です。

7. バッテリーパック設計における電圧計算の重要性

バッテリー駆動製品には正しい電圧設計が不可欠です。電圧が低すぎると、機器が正しく始動したり、十分な電力を供給できなかったりします。電圧が高すぎると、デバイス、充電器、コントローラー、電子部品が損傷する可能性があります。

電圧設計は以下に影響を与えます:

• デバイス互換性
• チャージャーの選択
• BMS構成
• モーターまたはコントローラーの性能
• 実行時間と出力
• 安全保護設定
• 認証および試験要件
• 長期的な製品信頼性

だからこそ、バッテリーパックの設計は容量だけに注目すべきではありません。電圧、電流、セルの化学組成、保護設計、温度範囲、適用環境をすべて考慮する必要があります。

8. LiFePO4と三元リチウム:どちらを選ぶべきか?

LiFePO4電池と三元リチウム電池は広く使われていますが、用途によって異なります。

LiFePO4バッテリーの利点

LiFePO4バッテリーは安全性、熱安定性、長いサイクル寿命、そして強力な耐久性で知られています。コンパクトサイズよりも長寿命と安全性が重視される製品に適しています。

一般的な用途には以下があります:

• エネルギー貯蔵システム
• 産業用電力機器
• バックアップ電源システム
• 電動モビリティの応用
• 屋外用電源装置
• 高安全性バッテリーシステム

三元リチウム電池の利点

三元リチウム電池は、より高いエネルギー密度、軽量化、そしてよりコンパクトな構造を提供します。限られたスペースで長時間の稼働が必要な携帯型デバイスに適しています。

一般的な用途には以下があります:

• POS端末
• 医療機器
• スマートウェアラブル
• Bluetoothオーディオ製品
• 美容機器
• スマートホームデバイス
• ポータブル照明製品
• 民生用電子機器

最適なバッテリー化学は、製品の電圧、容量、サイズ、重量、放電率、充電要件、安全基準によって異なります。

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Glofluxでは、実際の用途要件に基づいたリチウムバッテリーソリューションの設計と製造を支援しています。標準的なバッテリーを提供するだけでなく、当社のエンジニアリングチームは各プロジェクトの電気的および機械的な要件全体を評価します。

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• BMSと保護回路の統合
• カスタム電圧および容量設計
• コネクタ、配線、ラベル、ハウジング、パッケージのカスタマイズ
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製品にコンパクトな3.7Vバッテリー、多電池電池パック、大容量充電式ソリューション、または特定の電圧要件を持つカスタムバッテリーシステムが必要であっても、Glofluxはサンプル開発から大量生産までエンジニアリングサポートを提供します。

10. 最終的な感想

バッテリーパックの電圧は、単一セルの電圧に直列に接続されたセル数を掛けて計算されます。しかし、バッテリー設計は単なる電圧計算だけではありません。信頼できるバッテリーパックは、化学的成分、BMS保護、充電方法、放電電流、動作温度、サイクル寿命、製品構造、安全認証も考慮しなければなりません。

LiFePO4と三元リチウムバッテリー電圧の違いを理解することで、製品開発者は早期段階でより良い設計判断を下すことができます。

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