特殊用途向けカスタムバッテリーソリューション カスタムバッテリーパック製造 コンセプトからテスト、大規模製造まで、当社のチームと顧客との共同設計プロセスが含まれます。
電動自転車プロジェクトはKickstarterで300,000万ドル以上を集め、電動自転車への高い需要を証明した。 カスタムバッテリーパック 今日の市場全体で。 カスタムバッテリーパック 標準オプションが顧客の要件を満たせない場合に、正確な電源ソリューションを提供します。
標準バッテリーパックは、3.6V、7.2V、12V、または24Vの固定電圧出力のため、柔軟性は限られています。カスタムリチウムバッテリーパックは、独自のアプリケーションに最適な仕様設計を提供します。 18650バッテリーパック 高容量のニーズに卓越した性能を発揮します。バッテリーパックの設計には、様々な技術的考慮が必要です。12s8p 21700パックのような複雑な構成や過酷な環境向けソリューションは、無限のカスタマイズの可能性を秘めています。
この記事では、カスタムバッテリーパックの性能最適化に関する専門家の知見をご紹介します。要件定義からBMSの統合、セル選定戦略、そして必須のテスト手順に至るまで、重要な側面を詳しく検証します。カスタムバッテリーパックの設計には、お客様との連携が不可欠です。当社が設計するすべてのシステムは、お客様の正確な電力仕様を満たすために、業界横断的な専門知識を活用しています。当社のチームは仕事に大きな誇りを持ち、カスタムバッテリーパック製造における品質と専門知識へのコミットメントを重視しています。
カスタムバッテリーパックの要件の定義
カスタムバッテリーパックの成功には、設計開始前の正確な要件定義が不可欠です。設計プロセスの初期段階からエンジニアを関与させることで、カスタムバッテリーパックの正確な要件定義が可能になります。バッテリーパックは、電力仕様から環境条件に至るまで、アプリケーションのニーズを満たす必要があります。明確なパラメータ定義により、最適な性能が実現します。
電圧、容量、およびアンペア数の目標
カスタムバッテリーパック設計の基盤となるのは、3つの基本的な電力仕様です。お客様のニーズに柔軟に対応できるよう、少量生産から大量生産まで、お客様のニーズに合わせたバッテリーパックを設計いたします。
電圧要件 デバイスの電気的な「圧力」を決定します。各バッテリーの化学組成は、充電時に特定の公称電圧を提供します。 リチウムイオン電池は約3.6～3.7Vを供給しますNiMH セルは 1.2V、NiCad セルは 1.2V、鉛蓄電池は 2.0V を生成します。
放電中の電圧変化:
- 完全に充電された場合：リチウムイオンは4.2V、ニッケル水素とニッカドは1.4V、鉛蓄電池は2.1Vに達します。
- 完全放電: リチウムイオンは2.5～3.0Vを下回らない、ニッケル水素とニッカドは1.0Vまで安全に到達、鉛蓄電池は1.75Vまで放電
合計電圧の計算：個々のセルの電圧に直列接続されたセルの数を掛けます。直列接続されたリチウムイオンセル14.8個で3.7V（4V × 12）、ニッケル水素セル1.2個で10V（XNUMXV × XNUMX）となります。
容量 測定にはアンペア時間（Ah）またはミリアンペア時間（mAh）を使用します。これは再充電までの動作時間を表します。デバイスの消費電力（ワット）と希望する動作時間（時間）を掛けて計算します。例：50ワットのデバイスを4時間動作させるには、200ワット時間のバッテリーパックが必要です。
アンペア ニーズは動作中の電流消費を反映します。これによりセルの放電レート要件が決まります。アプリケーションは、安定した低電流から高電流バーストまで多岐にわたります。
フォームファクタの制約と環境条件
物理的な寸法は設計上の決定に影響を与えます。カスタムリチウム電池市場は、主に以下の3つのフォームファクターで支配されています。
円筒形セル (18650)は、優れた熱性能と有利な表面積対体積比を備え、セル間に冷却経路を形成します。標準化された製造方法により、体積効率は低いものの、コスト面でのメリットがあります。
プリズムセル 積層構造を採用することで放熱性を高め、利用可能な体積を最大化します。これらの長方形セルは優れたスペース効率を実現し、セル・トゥ・パック設計によるエネルギー密度向上を実現する大型アプリケーションで人気が高まっています。
ポーチセル 密閉されたフレキシブルなアルミ箔容器を使用することで、重量が軽減され、形状の柔軟性が向上します。この容器は90～95%の包装効率を達成しますが、支持構造と膨張余裕（8サイクル後10～500%）が必要です。
環境条件には細心の注意が必要です。バッテリーパックは、温度、湿度、振動、埃、水への曝露に耐える必要があります。高温環境では、優れた熱管理機能を備えた角柱型セルが効果的です。
さらに、特定の環境条件に合わせてカスタマイズされたバッテリー パックを製造できるため、最適なパフォーマンスと耐久性が保証されます。
安全上の優先事項と規制の必要性
熱暴走の危険性が高いリチウムベースの化学物質では、安全機能は依然として不可欠です。必須の安全機能には以下のようなものがあります。
- 特定の電圧カットオフによる過充電保護（LiFePO3.65の場合は最大4V）
- 1ms以内に応答する短絡検出
- 均一な電圧レベルを維持するセルバランスシステム
- 過熱を防ぐ熱管理
- 高出力アプリケーション向け液体冷却システム
カスタム バッテリー パックは、さまざまな規制基準を満たす必要があります。 UN38.3認証は必須です リチウム電池の輸送には、高度シミュレーション、熱テスト、振動、衝撃、外部短絡、衝撃/圧縮、過充電、強制放電などの厳格なテストが必要です。
IATA 規制 別送のリチウム電池は、充電状態を30%に制限してください。用途によっては、EV用バッテリーの場合はISO 12405、米国市場ではUL 2580、EU市場ではCE認証など、追加の規格が必要となる場合があります。
徹底した要件定義により、カスタム バッテリーとカスタム バッテリー パックの設計の強固な基盤が確立され、安全性と規制遵守を備えたアプリケーション固有のパフォーマンスが保証されます。
安全で合法的な運用を確保するには、UN38.3 認証やその他の関連認証を含む米国の規制基準を満たすことが重要です。
バッテリーパックの設計と構成の最適化
画像ソース: ResearchGate
セルの戦略的な配置は、電圧、容量、そして熱挙動に直接影響します。カスタムバッテリーパックの設計には、単にセルを選択するだけでなく、精密な構成が必要です。適切な設計は、効率、性能、そしてバッテリー寿命を最大限に高めます。
当社のエンジニアリング チームの協調的なアプローチにより、バッテリー パック設計のあらゆる側面が最適化され、最大限の効率とパフォーマンスが実現されます。
テクノロジー: シリアル、パラレル、ハイブリッド
シリーズ構成 元の容量を維持しながら電圧を上げます。あるセルの負極端子を次のセルの正極端子に接続すると、電圧はセル数に応じて増加します。3.6Vのリチウムイオンセルを14.4個直列に接続すると、公称電圧はXNUMXVになります。
並列構成 電圧は変化せずに容量を増強します。すべての正極端子と負極端子が相互に接続されます。この配置により、アンペア時間は並列セルの数に比例します。
直列並列ハイブリッドレイアウト 両方のアプローチを組み合わせることで、最大限の柔軟性が得られます。業界表記の「4s2p」は、セル4個を直列、セル2個を並列に接続した状態を示します。ノートパソコンのバッテリーでは、通常、14.4sXNUMXp構成でXNUMXVに達し、容量をXNUMX倍にすることができます。
直列構成ではセルのマッチングが重要になります。パックの性能は、最も弱いセルの性能に左右されます。電動自転車用の高電圧パック（36V～48V）では、特に高電流用途において、セルの正確なマッチングが求められます。
物理フォーマット
CUBIC（B）フォーマット セルを整然と並べ、長方形のパックを形成します。寸法はnD × mD × Hの式に従います。ここで、nは1列あたりのセル数、mは列数、Dはセルの直径、Hはセルの高さです。この配置により、組み立てと熱設計が容易になります。
ネストされた（C）形式 セルをハニカムパターンに配置することで、スペース利用率が向上します。この構成では、構造的なサポートとしてシュリンクラップを外側に、セルを保護するためにフィッシュペーパーが必要です。体積効率の向上は、製造工程の複雑化に伴って実現されます。
円形の配置 円筒形のハウジングに適しています。2.15セルパックは直径2.41Dのチューブに適合しますが、XNUMXセル構成の場合は約XNUMXDのチューブ径が必要です。
スポット溶接を用いた純ニッケルバス材は、ほとんどのセルを接続します。高電流用途では、適切な導電性を得るためにバス材の選定に特別な注意が必要です。
技術：熱管理
カスタムバッテリーパックでは、熱管理が依然として重要です。リチウムイオンセルは-20℃～60℃で安全に動作し、最適な充電は0℃～45℃です。極端な温度は、低温でのリチウムメッキや高温での熱暴走など、不可逆的な損傷を引き起こします。 高温.
熱は電気抵抗と化学反応によって発生します。放電は熱を発生（発熱）し、充電は熱を吸収（吸熱）します。
パッシブ冷却オプション:
- ヒートシンクによる空冷
- 冷媒または水を使用するヒートパイプシステム
- 熱吸収性フィラーを含む相変化材料
アクティブ冷却方法：
- 中程度の熱負荷に対する強制空冷
- 高出力用途向け液体冷却プレート
- 極度の熱要求に対応する直接液体冷却
適切な細胞と材料の選択
高性能カスタムバッテリーアセンブリとパックの基盤は、コンポーネントの選択によって形成されます。セルの選択と接続材料は、性能、安全性、そして寿命に直接影響します。これらの重要な決定が、カスタムリチウムバッテリープロジェクトの成否を左右します。
当社は、さまざまな化学物質や用途のバッテリー アセンブリを生産する能力を備えており、防衛、航空宇宙、医療などの業界の複雑な仕様を満たすカスタマイズされたソリューションへの取り組みを示しています。
パナソニック vs LG vs サムスン セル性能
主要メーカーは、パナソニック、LG、サムスンなどの主要メーカーが独自の性能特性を持つ高性能セルを供給し、リチウムイオン市場を支配しています。日本製のサンヨー/パナソニックNCR18650GAセルは、 3491C放電率で0.2mAh競合他社を上回ります。
放電率が高くなると、パフォーマンスの違いは大きくなります。
- パナソニックは3295A放電で5mAhを維持
- Samsung 35Eは、より高いカットオフ電圧（3317V対5V）で2.65Aで2.5mAhを供給します。
- LG MJ1セルは3258A放電で5mAhを供給
中国製のパナソニック製セルは、日本製セルと比べて容量がわずかに低い（3448mAh対3491mAh）。電動自転車用途では、この違いが顕著に表れています。サムスン製セルは8A放電でも安定した性能を維持するのに対し、LG製セルは容量損失が大きくなります。
セルグレード品質分類
メーカーは、バッテリーパックの性能に影響する品質グレードごとにセルを分類します。
グレードAセル 優れたエネルギー密度、最小限の内部抵抗、そして最大の容量を提供します。安全性と性能が最優先される電気自動車に最適です。これらのセルは通常、5～7年の保証付きバッテリーパックに電力を供給します。
グレードB細胞 適度な内部抵抗で、妥当な性能を提供します。コスト重視が性能要件を上回る民生用電子機器やバックアップ電源システムに適しています。Bグレードセルを使用したバッテリーパックには、通常2～3年の保証が付いています。
グレードCセル 内部抵抗が最も高く、容量が最も低いため、クリティカルでない用途にのみ適しています。
セルのマッチングによりパックの寿命が決まります。 セル間の容量許容差は±2.5%を超えてはならない 産業用バッテリーにおいて、セルの不一致は、より強いセルが弱いセルを補う際にホットスポットを発生させ、劣化を加速させます。セルの不一致は、パックの早期故障の主な原因となっています。
ニッケルストリップの要件
接続材料は電気性能と安全性に大きく影響します。ニッケルストリップは、適切な寸法設定により低抵抗のセル接続を実現します。
ストリップの厚さは電流容量と直接相関します。
- 0.15mm厚のニッケルストリップは5～10Aに対応します
- 0.2mmストリップは10～15Aを安全に管理します
幅が広いため接触面積が広く、抵抗と発熱が低減します。純ニッケル（純度200%のNi6/N99.7グレード）はニッケルメッキ鋼よりも抵抗が低く、発熱とエネルギー損失を最小限に抑えます。
高電流アプリケーションでは、複数の並列ストリップまたは多層接続が必要です。0.2×8mmの単層で約10Aを処理でき、18層にすることで容量は60Aに増加します。75～XNUMXAの電流を消費するバッテリーパックでは、より安全な動作のために、並列セルグループ全体に均等に分散された複数の接続ポイントが必要です。
適切なサイズの接続材料は、熱暴走につながる危険なホットスポットを防ぎ、カスタム バッテリー パックが最適なパフォーマンスと安全性を発揮することを保証します。
パフォーマンスと安全性のためのスマートBMSの統合
イメージソース： ResearchGate
バッテリー管理システム（BMS）は、カスタムバッテリーパックの中核的な情報処理機能として機能し、動作を継続的に監視し、安全パラメータが許容範囲内に維持されるようにします。ほとんどのリチウムおよびニッケル水素カスタムバッテリーパックにはBMSシステムが必要です。この必須コンポーネントは、バッテリー寿命を延ばし、複数のアプリケーションにおける潜在的な致命的な故障を防止します。
BMS に加えて、当社のエネルギー ソリューションに対する包括的なアプローチには充電器の設計と製造が含まれており、持続可能なテクノロジーに電力を供給するための完全かつ革新的なソリューションを保証します。
監視: 電圧、SOC、SOH、温度
スマートBMSシステムトラック 個々のセル電圧をリアルタイムで 正確なセルバランス調整を可能にすることは、バッテリーのライフサイクル全体にわたって使用可能な容量を最大化するために重要です。正しいセルバランスを設定することで、 リチウム電池のフロート電圧 は不可欠であり、BMSはこの精度を確保できます。温度監視は、リチウムイオン電池の危険な過熱状態を防ぎます。
充電状態（SOC）計算により、残りの電力レベルに関する情報が即座に提供されます。ユーザーは利用可能なエネルギーを正確に評価できます。 健康状態（SOH）測定 バッテリーの現在の貯蔵能力と供給能力を、元の仕様と比較した値で示します。これらの指標は、パフォーマンスの傾向と劣化パターンを予測します。
高度なシステムは、包括的な分析のためにデータをクラウド プラットフォームに送信し、予測メンテナンスとパフォーマンスの向上を可能にします。
保護機能: 過電流、低電圧、短絡
安全機構はBMSの中核機能です。過電流保護機能は、コンポーネントの損傷や危険な熱発生につながる過剰な電流の流れを遮断します。この保護機能は、危険な状態を検知すると数ミリ秒以内に作動します。
低電圧保護は、バッテリーが危険な閾値を下回るのを防ぎます。リチウムイオンセルの電圧は2.5～3.0Vを下回ってはいけません。短絡保護は、もう一つの重要な安全機能であり、瞬時に電流が急上昇する故障状態時に作動します。
これらの保護システムは独立して動作するのではなく、連携して動作することで、あらゆるバッテリー状態における包括的な安全監視を実現します。この統合アプローチにより、重大な故障を防止しながらパフォーマンスを最適化します。
通信プロトコル: SMBUS、BLUETOOTH、CAN
通信プロトコルは、BMSとシステムコンポーネント間のシームレスなデータ交換を可能にします。CANバス（Controller Area Network）は、優れたエラー処理能力とフォールトトレランス性により、最も広く採用されているプロトコルとしての地位を維持しています。マルチマスターアーキテクチャにより、専用のマスターノードを必要とせずに複数のノードがデータを送信できるため、安定性が向上した分散型アプローチが実現します。
Bluetoothは最小限の消費電力でワイヤレス機能を提供するため、リモートモニタリングが必要なポータブルシステムに最適です。ユーザーはスマートフォンアプリを使用してバッテリー残量を確認し、パフォーマンス設定を調整できます。多くのカスタムパックは、Bluetooth接続を備えたJBD、ANT、またはLLT BMSシステムを採用しています。
プロトコルの選択は、データ速度のニーズ、通信距離、統合の複雑さなどのアプリケーション固有の要件によって異なります。
サンプルカスタムリチウム電池パックの構築とテスト
バッテリーの設計仕様は開発の最初のステップに過ぎません。機能プロトタイプの作成とテストは、理論的な設計を実際の現実と照らし合わせる重要な段階です。私たちは単に紙の上で計画を立てるのではなく、実際の性能を検証しています。
カスタム バッテリー ソリューションに関するご相談や追加情報については、電子メールでお問い合わせください。
仕様書に基づいたプロトタイプの作成
プロトタイプ開発では、技術仕様を機能的なバッテリーパックに反映させます。技術書類の作成には、 機械構成、電気回路図、詳細な2D/3D図面3Dプリントされた筐体は、機械的な形状と適合性をテストし、生産ツールの投入前に物理設計を検証します。バッテリーパックの試作は迅速に実施でき、テスト結果に基づいて迅速な調整が可能です。この包括的なドキュメントにより、メーカーはカスタム部品を調達し、試作生産を開始できます。
電圧の一貫性と負荷処理のテスト
バッテリー負荷試験は、制御された条件下での性能評価に不可欠です。当社の試験プロセスは、以下の5つの主要なステップで構成されています。
- 推奨温度でのバッテリーのフル充電準備
- 校正済み負荷試験装置への接続
- 所定の期間にわたる制御された負荷の適用
- 継続的な電圧とパフォーマンスの監視
- バッテリー状態評価の結果分析
健全なバッテリーは、許容範囲内で安定した電圧を維持します。大幅な電圧低下は、容量の問題または内部抵抗の問題を示しています。負荷テストにより、ピーク需要への対応能力が明らかになります。これは、突発的な電力バーストを必要とするアプリケーションにとって非常に重要です。
実際のパフォーマンスに基づいて反復する
フィールドテストでは、ラボでの評価では見えなかった問題点を特定します。シミュレーション環境は、実際の使用パターンにおけるバッテリーの性能を再現します。このアプローチにより、以下の評価が可能になります。
- 予想される電流負荷下でのセル接続
- 運転加熱パターン
- 実際の容量と理論上の容量
- さまざまな条件におけるBMSの応答
性能データは設計の改良を推進します。初期テストの結果から、熱管理の調整、セル構成の変更、接続方法の改善などが得られることがよくあります。広範なフィールド動作解析により、バッテリーが実環境の要求を満たしていることが確認されます。
この開発サイクルでは、特定のアプリケーション要件に対して信頼性の高いパフォーマンスを備えたカスタム バッテリー パックが製造されます。
生産、認証、長期サポート
カスタムバッテリーパックの製造には、厳格な認証プロセスが必要です。これらの必須プロトコルは、製品ライフサイクル全体を通じて安全性と法令遵守を保証します。
UN38.3およびCE認証要件
UN38.3認証は、すべてのリチウム電池輸送において必須要件です。これは、単体の電池、個々のセル、そして電池を組み込んだ製品に適用されます。国際規格では、以下のXNUMXつの厳格な試験が求められています。
- 高度シミュレーション
- 熱試験
- 振動
- ショック
- 外部短絡
- 衝撃試験
- 過充電
- 強制排出
認証プロセスは、試験機関によって異なりますが、4～12週間かかります。このスケジュールは生産スケジュールに組み込む必要があります。欧州市場では、EU安全基準への適合を自己宣言するCEマークの取得が義務付けられています。
品質管理：振動および放電試験
振動試験はバッテリー品質保証の基盤です。UN38.3規格では、3軸にわたる19453時間の正弦波スイープ試験が規定されています。電気自動車用途では、より包括的なISO 6-XNUMX規格に準拠しています。
品質管理プロトコルには、完全なバッテリーサイクル（パックの充電と放電）が含まれており、次のことを検証します。
- 健康状態
- 充電レベル
- 内部インピーダンス測定
これらの厳格なテストにより、顧客への納品前に潜在的な問題が特定され、バッテリーの寿命全体にわたって完全な信頼性が確保されます。
一緒に働く カスタムバッテリーパックメーカー
最適な製造パートナーを選定するには、認証能力、生産設備、品質システムの評価が必要です。当社の製造パートナーは、機械構成や電気回路図を含む詳細な技術文書を作成します。
一流メーカーはISO 9001認証を維持し、出荷前に徹底的な試験を実施しています。規制に関する専門知識を活かし、認定試験機関との確固たる関係を通じて認証プロセスを効率化しています。
生産品質保証では、手動検査と自動試験システムを組み合わせて、さまざまな負荷下での性能検証を実施します。仕様および適用されるすべての安全基準への完全な適合性を証明する試験結果の文書化が必要です。
結論
カスタムバッテリーパックは、既製ソリューションが不足している分野で優れた性能を発揮します。正確な要件定義が成功の基盤を築きます。電圧目標、容量要件、アンペア数要件が出発点となります。直列、並列、ハイブリッドレイアウトといった物理的な構成の選択は、パフォーマンス品質と動作寿命に直接影響を及ぼします。
セルの選定は、あらゆるカスタムバッテリープロジェクトにおいて極めて重要な意思決定ポイントです。パナソニック、サムスン、LGの高品質リチウムイオンセルは、過酷な放電条件下でも目に見える優れた性能を発揮します。適切なニッケルストリップの厚さと接続方法により、危険なホットスポットの発生を防ぎながら、最大限の電力供給効率を確保します。
電池管理システム あらゆるカスタムパックに不可欠なインテリジェンスセンターとして機能します。これらのシステムは重要なパラメータを監視し、重要な保護機能を提供します。適切なBMS統合がなければ、専門的に設計されたバッテリーパックであっても、最適な性能と安全性を実現することはできません。
プロトタイプテストにより、理論設計だけでは予測できない現実世界の特性が明らかになります。この体系的なプロセスにより、特定のアプリケーション要件に合わせてカスタマイズされた信頼性の高い電源ソリューションが実現します。
UN38.3を含む認証基準および CEマーキング バッテリーパックの耐用年数全体を通じて、安全性と法規制への適合性を確保します。カスタムバッテリー設計プロジェクトについては、 Large Power こうした複雑な技術要件に対応するために、当社が 20 年以上にわたって培ってきた業界横断的な専門知識を活用することができます。
よくあるご質問
Q1. カスタム バッテリー パックを設計する際の主な考慮事項は何ですか? 考慮すべき主な要素は、電圧と容量の要件、物理的なサイズの制約、環境条件、安全機能、そして規制遵守の必要性です。これらのパラメータを事前に慎重に定義することが、最適なパフォーマンスを実現するために不可欠です。
Q2. セル構成の違いはバッテリーパックの性能にどのような影響を与えますか？ 直列接続は電圧を上昇させ、並列接続は容量を増大させます。ハイブリッド直並列レイアウトは、特定の電圧および容量目標を達成するための柔軟性を提供します。物理的な配置（立方体、入れ子、または円形）は、熱管理と製造の複雑さに影響を与えます。
Q3. カスタムバッテリーパックではセルの選択がどのような役割を果たしますか? 適切なセルの選択は非常に重要です。パナソニック、LG、サムスンといった大手メーカーは、それぞれ異なる性能特性を持つセルを提供しています。セルのグレードと化学組成を一致させることは、パックの寿命と安全性にとって不可欠です。グレードの高いセルは、一般的に優れたエネルギー密度と寿命を提供します。
Q4. カスタム バッテリー パックにとってバッテリー管理システム (BMS) が重要なのはなぜですか? BMSは、電圧、充電状態、温度の監視に不可欠です。過電流、低電圧、短絡に対する重要な保護を提供します。高度なBMSシステムは、パフォーマンスの最適化と予知保全のためのデータ通信も可能にします。
Q5. カスタムバッテリーパックの設計を最終決定する前に、どのようなテストが必要ですか? プロトタイプテストは、性能検証に不可欠です。これには、電圧の安定性、負荷処理能力、そしてシミュレーション環境における実環境性能の評価が含まれます。反復的なテストと結果に基づく改良により、最終設計がすべての要件を確実に満たすことが保証されます。
