バッテリーパックと適切な電源およびDC-DCコンバーターの組み合わせ方

バッテリー駆動機器用の電源とDC-DCコンバーターを選ぶ際には、電圧とワット数の定格を合わせるだけでは不十分です。バッテリー電圧は充電と放電によって変化し、機器は通常動作時よりも起動時に多くの電流を消費する場合があります。仕様上は適切に見えるコンバーターでも、バッテリー残量がほぼゼロになると性能が低下する可能性があり、出力電圧が適切な電源でもバッテリーパックの充電には適さない場合があります。

選択プロセスは、バッテリーの実際の電圧範囲と負荷の電力要求から始まり、 充電要件コンバータの定格やシステムレベルのテストなど。12.8VのLiFePO4バッテリーパックは、これらの要素が部品選定にどのように影響するかを示す実例です。

1. バッテリーと負荷の要件を確立する

パックの実際の挙動と負荷の実際の要求から始めましょう。

• 電圧範囲。 BMSカットオフ電圧から満充電電圧までの全範囲を使用してください。公称値だけを使用する必要はありません。負荷がかかると電圧降下はさらに低くなります。
• 充電制限。 終端電圧、最大充電電流、および許容充電温度範囲に注意してください。
• プロファイルをロードします。 継続的な電力供給は重要だが、システムに負荷をかけるのは通常、短時間の起動時やピーク時の需要である。

次に、部品を一つ減らすことができる質問をしてみましょう。機器はバッテリーパックの全電圧範囲を直接受け入れることができるでしょうか？もし可能であれば、コンバーターは全く必要なくなり、コスト、損失、そして故障箇所を削減できます。

それができない場合は、バッテリーパックが供給しなければならない電流を計算します。電流はパック電圧が最も低いときに最大となり、BMS、ヒューズ、配線の選択に影響を与えます。

例では、 梱包と積載量は以下のとおりです。

コンバータの効率を90%と仮定すると、10Vでの連続電流は60÷(0.9×10)＝6.7Aとなり、14.4Vでの4.6Aよりも大きくなります。10Vでの起動時のサージ電流は180÷(0.9×10)＝20Aです。バッテリー、BMS、ヒューズ、配線、コンバータ入力はすべて、最低パック電圧でのこの負荷に耐えられる必要があります。

容量に関する注記：256Whは公称電圧における理論上のエネルギー量です。実際の稼働時間は、放電遮断、コンバータ効率、温度、セルの経年劣化、BMSの設定などによって低下します。

2. 充電源とバッテリーを一致させる

バッテリーは、どんな電圧でも受け入れる負荷ではありません。リチウムイオンバッテリーパックは、電流制限フェーズ、メーカー指定の終端電圧での定電圧フェーズという、定められた充電プロファイルに従って充電されます。電流は、セルとBMSが許容する範囲内に維持されます。充電は、セルまたはパックメーカーが指定する温度範囲内で行う必要があり、必要に応じて低温充電保護機能も備えている必要があります。BMSがこれらの保護機能を提供するとは考えないでください。最低充電温度は、セル、BMSの設計、パックによって異なるため、一般的な数値ではなく、バッテリーメーカーが指定する範囲に従ってください。

出力電圧が「正しく見える」電源でも実際には間違っている可能性があるのはそのためであり、よく混同される3つの事柄を区別しておくべき理由もここにある。

• AC-DC電源： DC出力を提供するが、必ずしもバッテリー充電制御や終端ロジックを備えているとは限らない。
• 充電器： バッテリーの要求に応じて、充電電圧、電流、および充電終了を制御します。
• 電源装置と適切な充電コントローラー： 構築方法によっては、有効な設計となる場合もある。

電源のサイズを決定する前に、充電プロファイルを制御し充電を停止するコンポーネントと、BMSが提供する保護機能を確認してください。BMSが、バッテリーパックに必要な電圧、電流、温度制限に合わせて設計された充電器の代わりになると想定しないでください。よくある不一致としては、バッテリーパックを満充電するには電圧が低すぎるレギュレータや、電流制限のない高電圧電源が挙げられます。後者の場合、バッテリーパックが消耗している状態で電流が流れ込み、BMSが作動したり、保護機能が故障した場合に過充電が発生したりします。

そして、その時点で初めて定格値を決定します。最大充電電圧×最大充電電流に、充電中に機器が消費する負荷を加えた値です。

指定された充電制限では、14.4 V × 10 A は 144 W に相当します。150～180 W の電源であれば十分な電力余裕が得られる可能性がありますが、その出力特性、充電制御、および熱定格も設計要件を満たす必要があります。機器が充電中に動作する場合は、その電力需要もサイズ選定に含める必要があります。

3. 適切なDC-DCトポロジーと定格を選択する

このトポロジーは、放電全体を通してパック電圧が出力電圧に対してどの位置にあるかによって決まります。

バッテリー電圧範囲が10～14.4V、出力が12Vに安定化されている場合、入力電圧が出力電圧を横切ります。そのため、バックコンバータは放電終盤、BMSが低電圧カットオフに達する前に電圧安定性を失う可能性があります。バックブーストコンバータは全範囲をカバーするため、この用途には最適です。ただし、この結論は今回の入力と出力の組み合わせにのみ当てはまり、すべてのシステムに当てはまるわけではありません。

トポロジーを選択したら、以下のデータシート項目を確認してください。

• 入力範囲に余白を設定します。 範囲には、BMSカットオフ電圧、負荷時の電圧降下、および充電時のオーバーシュートが含まれる必要があります。この例では、9～16V程度です。
• お客様の条件に応じた連続電流。 周囲温度と風量における定格値（ディレーティング値）を使用してください。25℃のベンチテスト値ではなく、実際の使用環境における定格値を確認してください。5Aの連続負荷には、熱による定格低下と過渡的な需要に対する余裕が必要となるため、定格電流値のみに頼るのではなく、メーカーの仕様書に基づいて必要な定格値を確認してください。
• 過負荷状態。 電流制限によって出力が維持されるのか、それともコンバーターがシャットダウンして再試行するのか（ヒカップモード）？
• 全製品において高い効率性を実現。 単一のピーク値ではなく、負荷時と両端の電圧における曲線を読み取ってください。
• 低電圧ロックアウトとヒステリシス。 これらはコンバーターのオフとオンのタイミングを決定します（セクション5を参照）。

これらの項目を、ご自身の荷物の積載量や梱包量と比較してください。候補となる製品の唯一信頼できる評価方法は、そのデータシートがご自身の数値を網羅しているかどうかを確認することです。

DC-DCコンバータを選択する際は、入力電圧範囲がバッテリーの全動作範囲をカバーしていること、および連続出力定格と過負荷耐性が通常動作と起動時の両方の要求に対応できることを確認してください。 パワーホーム 適切な候補者を絞り込むのに役立ちます。

4. 起動時の負荷と熱制限を考慮する

連続定格が十分なコンバータでも、起動時に故障する可能性があります。モーター、ポンプ、無線送信機などは、短時間であれば運転電流の数倍の電流を消費することがあります。出力側のピーク電流は、連続定格との比較だけでは判断できません。重要なのは、特定のコンバータがそのピーク電流を、その時間、その温度で明確にサポートしているかどうか、そしてその限界に達したときにどのような動作をするか（出力を維持する、出力を下げる、またはヒカップモードに入るなど）です。選択肢としては、ピーク定格が明記されているコンバータ、より大きな連続定格のコンバータ、または負荷側でソフトスタートを行うコンバータなどがあります。出力容量を増やすことでサージ電流を吸収できますが、起動時に独自の突入電流が発生します。

パック側にも制限があります。入力側のサージは、BMSの過電流トリップ電流と、同様に重要なトリップ遅延の範囲内に収まる必要があります。抵抗も重要です。セル、BMS、ヒューズ、配線の抵抗が10mΩ増えるごとに、20Aで0.2Vの電圧低下が発生します。11Vで待機しているパックは、サージ発生時にはコンバータから10Vのように見えることがあり、低電圧ロックアウトが早期に作動する可能性があります。

3つ目のチェック項目は熱です。コンバータの損失は出力電力×（1÷効率－1）で表され、密閉された筐体内では実際の温度上昇となり、連続定格を低下させます。ディレーティング曲線と過熱挙動を確認してください。冷却時にシャットダウンと再起動を繰り返すコンバータは、機器の動作を不安定にする可能性があるためです。

負荷の起動時の15Aのサージ電流（12V）は、200msの間180Wに相当します。90%の効率で、10Vのバッテリー入力からこのピーク電流を供給するには、コンバータがサージ電流中に出力を維持できると仮定すると、バッテリーパックから約20Aの電流が必要になります。60Wの連続負荷は、90%の効率でコンバータ内で約6.7Wを消費し、85%では10.6Wに増加します。これらの数値は、確認すべき定格を定義するのに役立ちますが、特定のコンバータが対応できることを保証するものではありません。

5. バッテリー、充電器、コンバーター、BMSがどのように連携して動作するかを確認する

各部品にはそれぞれ独自の保護ロジックがあり、それらのロジックが競合する可能性がある。システム統合の際には、特に以下の4つの相互作用に注意を払う必要がある。

起動時にBMSが作動する。 サージ電流がBMSの過電流制限値を超えると、パックが切断され、コンバータ入力が崩壊し、機器がリセットされます。一部のBMS設計では、充電器が接続されるかリセットが適用されるまで電源がオフのままになります。サージ電流よりも高いトリップ電流と遅延時間を設定し、再接続動作を確認してください。

バッテリー残量低下によるシャットダウン時のチャタリング音。 BMSが負荷時に遮断されると、機器は動作中に停止します。コンバータの低電圧ロックアウトをBMSの遮断値よりも高く設定することで、より早期に、かつ正常なシャットダウンをトリガーできますが、しきい値は想定される負荷と電圧低下の下で検証する必要があります。設定値が高すぎると、機器が時期尚早にシャットダウンしてしまうためです。負荷が取り除かれるとパック電圧が回復するため、ヒステリシスが重要になります。ヒステリシスが十分でないと、コンバータが再起動し、負荷が再び電圧を低下させ、システムがループしてしまいます。

走行中に充電。 充電器はバッテリー電流と負荷電流の両方を検知するため、通常はバッテリー満充電を示すテーパーが終端しきい値に達しない、または充電電流制限が負荷と共有される可能性があります。負荷を充電経路とは別に給電するか、充電器の終端ロジックが負荷共有に対応するように設計されていることを確認してください。

パックを接続します。 コンバータの入力コンデンサはほぼ瞬時に充電されるため、BMS（バッテリー管理システム）からは短絡のように見えたり、コネクタに負荷がかかったりする可能性があります。BMSの突入電流許容値を確認し、必要に応じてプリチャージ回路またはソフトスタート機能付きコンバータを使用してください。

6. 展開前に設計を検証する

計算によって起こりうる不一致を特定することはできますが、実際の動作条件下での性能を確認するにはベンチテストが必要です。これらの4つのテストグループは実用的な出発点であり、要求の厳しい環境や安全性およびコンプライアンス要件のあるアプリケーションでは、さらに多くのテストが必要になる場合があります。

• 電気マッチ。 負荷時のパックの最低電圧と最高電圧をコンバータの入力範囲と照らし合わせ、最悪の場合のパック電流をBMS、ヒューズ、配線と照らし合わせ、充電器の設定をセルデータシートと照らし合わせて、紙上で照合する。
• ピーク負荷と温度上昇。 電流プローブとオシロスコープを用いて、電圧範囲の両端で実際の起動電流を測定します。まず、電流が最も高くなる最低パック電圧から測定を開始します。次に、予想される最高周囲温度で全負荷運転を行い、温度が安定するまで運転を続けます。
• バッテリー残量が少ない時の動作。 BMSの遮断点まで放電し、正常なシャットダウン、異音の発生がないこと、そして再充電後の正常な再起動を確認してください。
• 充電と回復。 負荷の有無にかかわらず、空の状態から満充電まで充電し、充電終了が意図どおりに動作することを確認します。バッテリーパックをホットプラグ接続し、最大負荷時にBMSの切断をトリガーした後、損傷がなくシステムが復旧することを確認します。充電制限を含む、想定される最低温度で主要なテストを繰り返します。

パックやデバイスが変更された場合に再確認すべき事項

4つのポイントは、どのパックやデバイスにも共通して当てはまります。

• 負荷がかかった状態でのバッテリーの実際の最小電圧と最大電圧、そして機器がコンバータなしでその電圧範囲に対応できるかどうか。
• 連続負荷時およびピーク負荷時の両方において、最低電圧時のパック側電流。
• 充電電圧、電流、終端処理、温度制限を誰が管理しているかは、バッテリー供給業者に確認済みです。
• BMSのトリップ、コンバータのロックアウトとヒステリシス、および充電器の終端が互いに一致しているかどうか。

信頼性の高いバッテリー駆動システムを実現するには、定格性能が一致する部品を選ぶだけでは不十分です。バッテリー、充電器、コンバータ、負荷は、起動時やバッテリー残量が少ない状態を含め、互換性のある電圧、電流、温度の範囲内で動作する必要があります。データシートを確認することで選択肢を絞り込み、実際の動作条件下でテストを行うことで、システム全体が意図どおりに動作するかどうかを確認できます。