ソーラー街灯バッテリーパックのリチウムイオン電池の基礎知識
（1）リチウムイオン電池の構成
リチウムイオン電池は、主に電池セルと保護ボードPCM（パワーバッテリーは一般にバッテリー管理システムBMSと呼ばれる）の2つの部分で構成されています。 リチウムイオン電池セル はリチウムイオン電池の心臓部であり、管理システムはリチウムイオン電池の頭脳に相当します。
コアは主に正極材料、負極材料、電解質、隔膜、シェルで構成され、保護板は主に保護チップ（または管理チップ）、MOSチューブ、抵抗、静電容量、PCBボードで構成されています。
（2） リチウムイオン電池の長所と短所
リチウムイオン電池には、高電圧プラットフォーム、高エネルギー密度（軽量、小型）、長寿命、環境保護など、多くの利点があります。
リチウム電池の欠点は、価格が比較的高く、温度範囲が比較的狭く、一定の安全上のリスクがある（保護システムを追加する必要がある）ことです。
| 各種バッテリーの比較パラメータ | 鉛蓄電池 | ニッケルカドミウム電池 （ニッカド） |
ニッケル水素電池 （ニッケル水素） |
リチウム電池 |
| 公称電圧
（V） |
2 | 1.2 | 1.2 | 3.2/3.6/3.7 |
| 重量エネルギー密度
(WH/kg) |
25~30 | 40~45 | 60~65 | 120~200 |
| 体積エネルギー密度
(白/左) |
65~80 | 150~180 | 300~350 | 350~400 |
| 最適動作温度（℃） | -40~70 | -20~60 | -20~45 | 0~45 |
| 環境に優しい | 鉛汚染 | カドミウム
汚染 |
/ | / |
| リサイクル
(回） |
200~300 | 500 | 1000 | 500~1500 |
| 料金
(人民元/Wh) |
0.6~1.0 | 2.0~2.6 | 2.5~3.8 | 2.0~3.5 |
| 充電器の費用 | 低い （安定化電圧源） |
一般的な （定電流源） |
一般的な
（定電流源） |
高い （定電流・定圧） |
（3） リチウムイオン電池の分類
リチウム電池は、使い捨ての非充電式電池と充電式電池（バッテリーとも呼ばれる）の 2 つのカテゴリに分けられます。
二酸化マンガンリチウム電池、硫化リチウム電池などの充電不可能な電池。
充電式電池は、さまざまな状況に応じて次のカテゴリに分類できます。
- 外観によると、角型リチウム電池（一般的な携帯電話の電池など）と円筒形リチウム電池（電動工具の18650など）があります。
- 外注材料別：アルミシェルリチウム電池、スチールシェルリチウム電池、ソフトバッグ電池。
- 正極材料としては、コバルト酸リチウム（LiCoO2）、マンガン酸リチウム（LiMn2O4）、三元リチウム（LiCoYMn2）、リン酸鉄リチウム（LiFePO4）などがある。
- 電解質の状態による：リチウムイオン電池（LIB）とポリマー電池（PLB）。
- 用途に応じて、一般バッテリーとパワーバッテリー。
- 性能特性に応じて：高容量バッテリー、高レートバッテリー、高温バッテリー、低温バッテリーなど。
（4）共通用語の説明
- 容量
一定の放電条件下でリチウム電池から得られる電気量を指します。
高校の物理では、電気量の式は q = I * t で、単位はクーロン、電池容量の単位は Ah (アンペア時間) または mAh (ミリアンペア時間) で指定されることを学習します。これは、1Ah の電池は、完全に充電されると 1A の電流で 1 時間放電できることを意味します。
かつて、ノキアの古い携帯電話（bl-5cなど）のバッテリーは一般的に500mAhでした。現在、現在のスマートフォンのバッテリーは800〜1900mAh、電動自転車のバッテリーは一般的に10〜20Ah、電気自動車のバッテリーは一般的に20〜200Ahです。
- 充電率/放電率
充電や放電にどれだけの電流が使われているかを示すもので、一般的には電池の公称容量の倍数で計算され、一般的に「数C」と呼ばれます。
容量1500mAhのバッテリーの場合、1c = 1500mAhと規定されます。2cで放電する場合、3000mAの電流で放電することを意味します。0.1cで充放電する場合、150mAの電流で充放電することを意味します。
- 電圧（OCV：開回路電圧）
バッテリー電圧は、一般的にリチウム バッテリーの公称電圧 (定格電圧とも呼ばれます) を指します。通常のリチウム バッテリーの公称電圧は一般的に 3.7V で、電圧プラットフォーム 3.7V とも呼ばれます。電圧と言う場合、一般的にバッテリーの開回路電圧を意味します。
バッテリーの容量が20-80%の場合、電圧は3.7V（3.6-3.9v）付近に集中しており、容量が高すぎたり低すぎたりすると、電圧が大きく変化します。
- エネルギー/電力
バッテリーを一定の基準に従って放電する場合、バッテリーが放電できるエネルギー（E）はWh（ワット時）またはkWh（キロワット時）で表され、1kwh = 1キロワット時です。
物理学の本には、e = u * I * t という基本概念が載っています。これは、バッテリー電圧とバッテリー容量の積に等しくなります。
電力の式は p = u * I = E / T で、単位時間あたりに放出できるエネルギーを表します。単位は w (W) または kW (kW) です。
容量が 1500mAh のバッテリーの場合、公称電圧は通常 3.7V なので、対応するエネルギーは 5.55wh になります。
- 抵抗
一定の内部抵抗があるため、充電と放電は理想的な電源と同等にはなりません。内部抵抗はエネルギーを消費します。内部抵抗が小さいほど良いです。
バッテリーの内部抵抗の単位はミリオーム（mΩ）です。
一般的に、電池の内部抵抗は、抵抗内部抵抗と分極内部抵抗で構成されます。内部抵抗の大きさは、電池の材質、製造プロセス、構造によって影響を受けます。
- サイクル寿命
バッテリーが充電と放電を繰り返すことをサイクルと呼び、サイクル寿命はバッテリー寿命性能を測る重要な指標となります。
IEC規格によると、携帯電話のリチウム電池は0.2Cで3.0Vまで放電し、1Cで4.2Vまで充電する必要があります。電池容量は500サイクル後も初期容量の60%以上に維持される必要があります。つまり、リチウム電池のサイクル寿命は500回です。
国家規格によれば、300 サイクル後も容量は初期容量の 70% を維持する必要があります。
バッテリー容量が初期容量の60%未満の場合、一般的には廃棄対象とみなされます。
- DOD: 排出深度
これは、バッテリーによって放出される定格容量のパーセンテージとして定義されます。
一般的に、放電深度が深くなるほど、バッテリーの寿命は短くなります。
- カットオフ電圧
終止電圧は充電終止電圧と放電終止電圧に分かれており、電池の充電や放電がこれ以上続けられない電圧です。終止電圧で充電や放電を続けると電池寿命に大きな影響が出ます。
リチウム電池の充放電終止電圧はそれぞれ4.2Vと3.0Vです。
リチウム電池を終止電圧を超えて充電または放電することは固く禁じられています。
- 自己放電
これは、生産中の容量の減少率を指します。
単位時間あたりの容量減少率として表されるストレージ容量。
一般的なリチウム電池の自己放電率は2%～9%/月です。
- SOC（充電状態）
バッテリーの残量と放電可能な総電力のパーセンテージを示します。0〜100%。バッテリーの残量を反映します。
（5） リチウムイオン電池の命名規則
違う バッテリー メーカー 電池の命名規則はそれぞれ異なりますが、一般的な電池については統一規格に従っています。電池のサイズは電池の名前でわかります。
IEC61960 によれば、円筒形および角形電池の規則は次のとおりです。
- 円筒形電池、3文字と5桁の数字、
3 文字で、最初の文字は負極の材質を表します。I はリチウムイオンが内蔵されていることを意味し、L はリチウム金属またはリチウム合金電極を表します。2 番目の文字は正極の材質を表します。C はコバルト、n はニッケル、m はマンガン、V はバナジウムを表します。3 番目の文字は R で、円筒を表します。5 桁で、最初の 2 桁は直径、最後の 3 桁は高さを表します。すべて mm 単位です。
- 四角い電池、3文字の後に6桁、
3 文字。最初の 2 文字は円柱と同じ意味を持ちます。最後の文字は p で、正方形を意味します。
6桁あり、最初の2桁は厚さ、真ん中は幅、最後の2桁は高さ（長さ）を表し、単位もmmです。
たとえば、ICR 18650 は、直径 18 mm、高さ 65 mm の汎用 18650 円筒形バッテリーです。
ICP 053353は、厚さ5mm、幅33mm、高さ（長さ）53mmの角型電池です。
（6） リチウムイオン電池技術
電池やメーカーによってプロセスフローは多少異なり、詳細なプロセスフローは非常に複雑になります。以下に、基本的なプロセスフロー、セル製造のプロセスフロー、パック製造のプロセスフローを示します。
電池の製造プロセスには、主にポールピースの製造、電池の製造、バッテリーの組み立て、液体の注入、化学形成、分離などのプロセスが含まれます。
バッチ処理から巻き取りまで、正極と負極は別々の工場で同時に製造されます。正極と負極が製造された後、後続のプロセスは一緒に行われます。中間に品質検査の異なる QA リンクが挿入されます。
（7） リチウムイオン電池のグループ接続と直並列接続
分野によって、バッテリーに対する要件は異なります。システムには、電圧、容量、内部抵抗などに関する特別な要件があり、単一のバッテリーでは要件を満たすことができない場合が多く、外部に電力を供給するには、直列および並列に接続する必要があります。
直列および並列接続されたバッテリーの性能は、最も性能の悪いバッテリーの性能によって決まります。これは「バレル原理」と呼ばれることがよくあります。したがって、バッテリーのグループ化の最も重要なポイントは、バッテリーの性能パラメータの一貫性です。
たとえば、ノートパソコン、電動自転車、電気自動車、エネルギー貯蔵システムなどでは、バッテリー パックを形成するためにバッテリーの直列接続と並列接続を考慮する必要があります。
ノートパソコンのバッテリー電圧は一般的に11.1Vまたは14.8Vで、主に18650バッテリーなので、一般的には2直列3並列、または2直列4並列になります。
Apple iPad は 3 つのポリマー バッテリーが並列に接続されており、容量は約 25wh です。
電動自転車・電動バイクのシステムは、一般的に24V、36V、48V、60V、72Vシステムです。具体的なグループ条件については、次の表を参照してください（sは直列接続を表します）。
純電気自動車やハイブリッド電気自動車（EV/PHEV）は電圧が高く、約250～500Vで、直列接続すると最大電圧は150ノット以上になります。
さらに、直並列接続におけるバッテリーのグループ化では、バッテリー電圧プラットフォームの一貫性、バッテリー容量の一貫性、バッテリーの内部抵抗の一貫性など、考慮すべき点が多数あります。
直並列接続後のバッテリーパラメータの一貫性は、バッテリーの性能と寿命に大きな影響を与えます。
| バッテリーパック電圧 | マンガン酸リチウム/三元リチウム | リン酸鉄リチウム |
| 12V | 4S | 4S |
| 18V | 5S | 6S |
| 24V | 7S | 8S |
| 36V | 10S | 12S |
| 48V | 13S | 15S/16S |
| 60V | 16S | 19S |
| 64V | 18S | 20代 |
| 72V | 20代 | 23S |
8）各種動力電池の比較
動力バッテリーは主にその用途の観点から考えられ、主に電気自動車、電動自転車、電動工具などに使用されます。
パワーバッテリーは普通のバッテリーとは異なりますが、いくつかの特別な特徴があります
- 電池の直列接続と並列接続
- バッテリーの容量が大きい
- バッテリーの放電率が高い（ハイブリッドパワーと電動工具）
- バッテリーにはより高い安全要件がある
- バッテリーの動作温度範囲は広い
- バッテリーの耐用年数は長く、一般的に5～10年です。
動力電池の特殊性により、その製造工程と材料には若干の違いがあります。正極材料の状況に応じて、主にマンガン酸リチウム（LiMn2O4）、三元リチウム（LiMn2O2）、リン酸鉄リチウム（LiFePO4）などに分けられます。電圧プラットフォーム、エネルギー密度、価格、安全性など、すべて一定の違いがあります。詳細については、以下の表の比較を参照してください。
（コバルトリチウムは安定性が低く、価格が高いため、動力電池としてはあまり使用されていません。以下の表にリストおよび比較を示します）
| アイテム | 仕様 | コバルト酸リチウム | 三元リチウム | マンガン酸リチウム | リン酸鉄リチウム |
| 1 | タップ密度（g/cm3） | 2.8~3.0 | 2.0~2.3 | 2.2~2.4 | 1.0~1.4 |
| 2 | 比表面積（m2/g） | 0.4~0.6 | 0.2~0.4 | 0.4~0.8 | 12~20 |
| 3 | 容量密度（Ah/kg） | 135~140 | 155~165 | 100~115 | 130~140 |
| 4 | 電圧プラットフォーム（V） | 3.7 | 3.6 | 3.6 | 3.2 |
| 5 | リサイクル時間 | >300 | >800 | >500 | >2000 |
| 6 | 遷移金属 | 貧しい | 貧しい | リッチ | 非常に裕福 |
| 7 | 材料費 | すごく高い | 高い | 低い | 低い |
| 8 | 環境に優しい | コバルト | ニッケルとコバルトを含む | / | / |
| 9 | 安全性 | 貧しい | 一般的な | 良い | 素晴らしい |
| 10 | 応用 | 小型バッテリー | 小型バッテリー、小型電力バッテリー | パワーバッテリー | パワーバッテリー、超大容量電源 |
（9）リチウム電池モデル
電気特性上、バッテリーの内部抵抗は抵抗器と完全に同等ではありません。詳細については、海外のPNGV等価回路モデルを参照してください。下図のとおりです。
バッテリーの内部抵抗は主にオーム抵抗 R0 と分極抵抗 R1 で構成され、C1 は分極容量です。
業界におけるバッテリーの内部抵抗測定には、主にDC放電法とAC注入法の2つの試験方法があります。これらは通常の抵抗測定方法では測定できず、専用の内部抵抗測定器でのみ測定できます。
バッテリーの内部抵抗は、バッテリーの性能と寿命を反映する重要なパラメータです。バッテリーのサイクル寿命が近づくと、バッテリーの内部抵抗は急激に増加します。サイクル数と内部抵抗の関係を下図に示します。
10） リチウムイオン電池の電気的特性と主要パラメータ
- バッテリーの充放電曲線
リチウム電池の充放電曲線とは、電池容量と開放電圧の関係曲線を指します。放電曲線に基づいて、下図に示すように、電池の電力を大まかに推定できます。
リチウム電池の充放電曲線は、充放電電流だけでなく、温度にも関係しています。下の図に示されています。
- バッテリーの主なパラメータ
リチウム電池は、その特性上、過充電、過放電、過電流、過熱の恐れがあります。したがって、安全性と電池寿命を考慮すると、電池を適切に保護する必要があります。頻繁に遭遇するパラメータがいくつかあり、それらは並列にリストされています。異なるメーカー間で電圧にほとんど違いはありません。ただし、動作温度、放電率、またはメーカーが異なる電池間では、多少の違いが生じます。
| 比較項目 | マンガン酸リチウム/三元リチウム | リン酸鉄リチウム |
| 電圧 | 3.7V/3.6V | 3.2V |
| カットオフ充電電圧 | 4.2V | 3.6V |
| 放電カットオフ電圧 | 3.0V | 2.0V |
| 動作温度 | -20〜60℃ | -10〜65℃ |
| 最大排出速度 | 3〜10℃ | 3〜10℃ |
11） リチウムイオン電池の保護と管理の要件とシステム
リチウム電池の特性上、電池保護ボード（PCM）または電池管理システム（BMS）を追加する必要があります。保護ボードまたは管理システムのない電池は使用禁止であり、大きな安全上のリスクがあります。安全性は常に電池システムの最優先事項です。
バッテリーが適切に保護または管理されていない場合、寿命が短くなったり、損傷したり、爆発したりする危険があります。
PCM（電源回路モジュール）は、主に携帯電話やノートパソコンなどの民生用製品に使用されます。
バッテリー管理システム（BMS）は、主に電気自動車、電動自転車、エネルギー貯蔵などの大規模システムなどの動力バッテリーに使用されます。
PCM の主な機能には、OVP、UVP、OTP、OCP などがあります。異常が発生した場合、システムは自動的に遮断され、システムの安全性が確保されます。
バッテリー保護システム技術は非常に成熟しており、関連するボード工場が多く、主に華南に集中しています。また、特殊なリチウムバッテリー保護チップを提供する専用ICメーカーもあります。この部品は比較的成熟しており、中国には成熟した保護ICチップがたくさんあります。
保護システムの基本的な保護機能に加えて、バッテリー管理システム (BMS) の主な機能には、バッテリー電圧、温度、電流の測定、エネルギーバランス、SOC の計算と表示、異常アラーム、充放電管理、通信などが含まれます。一部の BMS システムでは、熱管理、バッテリー加熱、バッテリー健康状態 (soh) 分析、絶縁抵抗測定なども統合されています。
BMS機能の紹介と分析：
- バッテリー保護は PCM に似ており、過充電、過放電、過熱、過電流、短絡保護が含まれます。通常のリチウムマンガン電池や三元リチウム電池と同様に、いずれかの電池の電圧が 4.2V を超えるか、いずれかの電池の電圧が 3.0V を下回ると、システムは自動的に充電または放電回路を遮断します。電池の温度が電池の動作温度を超えるか、電流が電池の放電電流を超えると、システムは自動的に電流経路を遮断し、電池とシステムの安全を確保します。
- 一定期間動作した後のバッテリー パック全体のエネルギー バランスには大きな違いが見られます。これは、多数のバッテリーが直列に接続されていること、セル自体の不一致、動作温度の不一致、またはその他の理由による可能性があります。これは、バッテリーの寿命とシステムの使用に大きな影響を与えます。エネルギー バランスは、個々のセル間の差を補い、アクティブまたはパッシブな充電または放電管理を行って、バッテリーの一貫性を確保し、バッテリーの寿命を延ばすためのものです。
業界にはパッシブイコライゼーションとアクティブイコライゼーションの 2 種類の方法があります。パッシブイコライゼーションは主に抵抗によって消費される電力量のバランスをとるためのものです。アクティブイコライゼーションは主に、容量、インダクタンス、またはトランスを介して、より電力の高いバッテリーの電力を電力の低いバッテリーに転送するためのものです。パッシブイコライゼーションとアクティブイコライゼーションの比較を次の表に示します。
能動的均衡システムは比較的複雑で、コストも比較的高いため、主流は依然として受動的均衡です。
| 比較項目 | 受動的な均衡 | 能動的平衡 |
| 平衡モード | 抵抗消費 | 誘導等価伝達 |
| 均衡効率 | 低い | 高い |
| プログラムの成熟度 | 成熟した | より成熟した |
| システムの複雑さ | 低い | 高い |
| システムコスト | 低い | 高い |
- SOC計算、バッテリー電力計算はBMSの非常に重要な部分であり、多くのシステムは残りの電力をより正確に知る必要があります。技術の発展により、SoC計算には多くの方法があります。精度要件が高くない場合は、バッテリー電圧に応じて残留電力を判断できます。主な正確な方法は、電流積分法（ah法とも呼ばれます）、q = ∫ I DT、内部抵抗法、ニューラルネットワーク法、カルマンフィルター法などです。現在、業界の主流は依然として電流スコアリング法です。
- 通信。システムによって通信インターフェースの要件は異なります。主流の通信インターフェースは、SPI、I2C、CAN、RS485 などです。自動車およびエネルギー貯蔵システムでは、主に CAN と RS485 が使用されています。
競争が不十分で、BMSシステムが複雑であるため、システムメーカーは比較的少なく、関連するチップメーカーは主に欧米のメーカーで、中国にもいくつかの大手企業があります。将来的には多くのチャンスがあります。
BMS の技術、製品、メーカーについて、メールでご連絡させていただければ幸いです。
（12） リチウムイオン電池の充電要件とシステム
リチウム電池の主流の充電方法は定電流定電圧（CC / CV）：定電流-定電圧です。最初に定電流で充電し、一定の電位に達した後に定電圧で充電します。優れた充電器は、電池の電圧状態に応じてトリクル充電することもできます。一部のシステムでは、背面にパルス充電モードを追加し、時間に応じて充電終了を設定します。
一般的な充電器には、電流制限、電圧制限、過電圧保護、過電流保護、過熱保護、逆接続防止などの機能が統合されています。具体的な充電システムは下の図に示されています。
さらに、充電器の充電は通常、PCM または BMS と組み合わせて、定電圧充電段階でエネルギーバランスをとります。
通常のコバルト酸リチウム電池の場合、電池電圧が3.0Vより低い場合、充電器は電池の損傷を避けるためにトリクル充電（約0.1C）を開始します。電池電圧が3.0Vまで充電されると、定電流充電（約1C、電流はシステムによって異なります）に変更されます。電池電圧が4.1Vに達すると、電池電圧が定電圧充電に変換されたことが検出されます。電池電流が約0.1Cまで低下すると、充電が完了し、充電システムと充電回路が閉じます。充電曲線を下図に示します。
異なる電力に応じて、充電器は異なる制御技術を採用しています。低電力の場合はリニア電源が主な方式で、高電力の場合はスイッチング電源が主な方式です。充電器技術はかなり成熟しており、充電器の性能と効率は基本的に比較的良好なレベルに達しています。関連メーカーは多数あります。充電器に関係する主な技術は、主に電源技術とバッテリー技術です。関連メーカーは以前にも電源製造を行っていました。
（13）リチウム電池の応用分野
バッテリーは主に、消費者向け製品、デジタル製品、電力製品、医療、セキュリティに使用されます。
| 動力 | 家電 | デジタル | 健康管理 | 安全 | 電熱式 | その他 |
| 電気自動車 | 携帯電話 | デジタルカメラ | 手のひら心電計 | 火災非常灯 | 暖かい衣類 | 電子メニュー |
| 電動自転車 | ノート | デジタルビジコン | バイタルサインモニター | 防犯カメラ | 加熱布 | 電気シェーバー |
| 電動バイク | タブレットPC | Bluetoothヘッドセット | ポータブル超音波診断装置 | POS端末 | ハンドウォーマー | ワイヤレス充電 |
| エネルギー貯蔵システム | ネットブック | ワイヤレスマウス | ポータブル酸素濃度計 | ワイヤレス通話 | 加熱インソール | 軍事装備 |
| バックアップパワーアップ | ミッド | Bluetoothキーボード | ポータブル胎児音モニター | ワイヤレスドアベル | 暖かい手袋 | 井戸検出 |
| 電動工具 | GPS | カーキット | レーザー治療器 | 入口ガードシステム | サーチライト | |
| 模型飛行機 | 電子書籍 | LED懐中電灯 | ワイヤレス電子医療 | 指紋認証 | LEDスクリーン | |
| ワイヤレススピーカー | 内視鏡 | RFIDモニタリング | LEDソーラー街灯 | |||
| アイケア | Zig Bee 盗難防止 | |||||
| 理学療法製品 |
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