機器に適したバッテリーパックの選び方

機器用のリチウムイオンバッテリーパックを選ぶ際には、単に電圧や容量を決めるだけでは不十分です。バッテリーは、機器の電気系統、物理的構造、動作環境、および充電システムと互換性がある必要があります。.

用途が異なれば、求められる要件も異なります。AGV（無人搬送車）には頻繁な充電やCAN通信が必要となる一方、電動バイクには高い放電電流や耐候性が求められる場合があります。医療機器には特定のサイズや安全性の要件が課される一方で、エネルギー貯蔵システムでは容量や充放電サイクル性能が重視されることがあります。.

適切なバッテリーパックを選ぶには、まず機器の要件をすべて把握することから始めます。.

このガイドでは、リチウム電池パックの選定やカスタマイズを行う際に考慮すべき主な要素について解説します。.

1. 機器の電源要件を理解する

まず、通常時およびピーク時の稼働において、その機器がどれだけの電力を必要とするかを把握する必要があります。.

重要なパラメータには、次のようなものがあります：

• 定格出力
• 動作電圧
• 連続電流
• ピーク電流
• 稼働時間
• 1日あたりの利用頻度

例えば、モーター駆動の装置では、起動時や加速時に、通常運転時よりも大きな電流が必要になる場合があります。.

したがって、バッテリーパックは、連続電力およびピーク電力の両方の要件に基づいて設計されるべきである。.

バッテリーのエネルギー要件を算出する

バッテリーのエネルギーは、以下の式を用いて推定できます：

エネルギー（Wh）＝電圧（V）×容量（Ah）

たとえば、48V 20Ahのバッテリーパックの公称エネルギー容量は、およそ以下の通りです：

48 × 20 = 960Wh

実際の稼働時間は、機器の消費電力、稼働条件、負荷、およびバッテリーシステムの効率によって異なります。.

2. 適切なバッテリー電圧を選択する

バッテリー電圧は、機器の電気系統と互換性があるものでなければなりません。.

リチウム電池パックの一般的な電圧範囲には、次のようなものがあります：

• 12V
• 24V
• 36V
• 48V
• 52V
• 60V
• 72V

バッテリー電圧は、以下の基準と照らし合わせて確認する必要があります：

• モーター電圧
• コントローラの電圧
• 機器の入力電圧
• 充電器の出力電圧
• BMSの設定

例えば、48Vシステム向けに設計されたリチウム電池パックの場合、標準的なリチウムイオンセルを使用すると、13直列構成となり、満充電時の電圧は約54.6Vとなる。.

システムの互換性を確認する際には、公称電圧と満充電電圧の両方を考慮する必要があります。.

3. 必要なバッテリー容量を決定する

容量は通常、アンペア時（Ah）で表されます。.

容量の大きいバッテリーは、より多くのエネルギーを蓄えることができますが、その分、バッテリーのサイズや重量も増える可能性があります。.

容量の選定にあたっては、以下の点を考慮する必要があります：

• 必要な稼働時間
• 機器の消費電力
• 利用可能な設置スペース
• バッテリーの最大許容重量
• 充電頻度

長期間稼働する機器の場合、より大容量のバッテリーが必要になることがあります。.

携帯用機器の場合、設計においては、容量と重量・寸法とのバランスを考慮する必要がある場合があります。.

4. 適切な電池の化学組成を選ぶ

電池の化学組成が異なれば、その特性も異なります。.

NMCリチウムイオン電池

NMC電池は、エネルギー密度やコンパクトな電池設計が重視される場面で広く使用されています。.

主な用途としては、次のようなものが挙げられます：

• Eバイク
• 電動バイク
• スクーター
• 携帯用機器

LiFePO4電池

LiFePO4電池は、安定した動作や繰り返しの充放電が求められる用途で広く使用されています。.

主な用途としては、次のようなものが挙げられます：

• AGV
• AMR
• 産業機器
• 海洋システム
• エネルギー貯蔵

リチウムポリマー電池

リチウムポリマー電池は柔軟なパッケージングが可能であり、特定の形状やスペースの要件がある製品に使用できます。.

主な用途としては、次のようなものが挙げられます：

• ドローン
• 携帯用電子機器
• コンパクトな機器

電池の化学組成は、単一の性能パラメータではなく、用途全体を考慮して選択すべきである。.

5. 連続放電電流およびピーク放電電流を確認する

バッテリーの容量だけでは、そのバッテリーが機器を正常に駆動できるかどうかは決まりません。.

また、バッテリーパックは十分な電流を供給できなければなりません。.

重要なパラメータは次の2つです：

• 連続放電電流
• ピーク放電電流

例えば、電気モーターは起動時に短時間、大電流を必要とすることがあります。.

産業用機器では、長時間の稼働中に安定した連続電流が必要となる場合があります。.

BMSの放電定格およびバッテリーセルの放電能力は、いずれも機器の要件に合致している必要があります。.

6. バッテリーのサイズと設置スペースを考慮する

バッテリーパックは、機器の内部または外部に物理的に収まるものでなければなりません。.

バッテリーを設計する前に、以下の項目を測定してください：

• 長さ
• 幅
• 高さ
• 取り付け位置
• コネクタの位置
• ケーブル引き出し位置
• 利用可能なクリアランス

機械的な要件は、バッテリーの構成に大きな影響を与える可能性があります。.

例えば、電動自転車のバッテリーは、ダウンチューブやリアラック、あるいはシートチューブの中に収まる必要がある場合があります。.

産業用機器には、特定の取り付けブラケットを備えた特注の金属製筐体が必要となる場合があります。.

バッテリーメーカーに機械図面や設置スペースに関する情報を提供することで、バッテリーパックの設計に役立てることができます。.

7. 適切なBMSを選択する

バッテリー管理システム（BMS）は、リチウムイオンバッテリーパックの重要な構成要素です。.

BMSは、以下の項目を監視する場合があります：

• 細胞電位
• パック電圧
• 充電電流
• 放電電流
• 温度
• 充電状態

一般的な保護機能には、次のようなものがあります：

• 過充電保護
• 過放電保護
• 過電流保護
• 短絡保護
• 温度保護

バッテリー通信を必要とする機器の場合、BMSは以下の機能もサポートしている場合があります：

• CAN
• CAN FD
• RS485
• UART
• Modbus

BMSは、機器の電気的および通信上の要件に応じて選定する必要があります。.

8. 運用環境を考慮する

バッテリーの動作環境は、バッテリーの設計に影響を与える可能性があります。.

重要な環境要因には、次のようなものがあります：

• 周囲温度
• 湿度
• 水への曝露
• ダスト
• 振動
• 機械的衝撃
• 屋内または屋外での運用

アウトドア用機器の場合、バッテリーケースには、水やほこりに対する追加の保護措置が必要になる場合があります。.

産業用機器の場合、耐振動性や機械的な取付けについて、さらに検討が必要となる場合があります。.

低温環境では、設計段階で充電および放電の温度限界を評価する必要があります。.

9. 充電要件の評価

バッテリーパックは、充電システムと互換性がある必要があります。.

重要な充電パラメータには、以下のものがあります：

• 充電器の出力電圧
• 充電電流
• 充電方法
• 充電時間
• 充電可能温度範囲
• 充電コネクタ

充電器とBMSの設定は、バッテリーの構成に合わせて調整する必要があります。.

頻繁に動作させる用途では、充電時間も重要な設計パラメータとなる場合があります。.

10. バッテリーの通信要件を検討する

機器によっては、メインコントローラと通信するためにバッテリーが必要なものがあります。.

スマートバッテリーシステムは、次のような情報を提供することがあります：

• 充電状態（SOC）
• バッテリー電圧
• 現在
• 温度
• 障害情報
• 残りの容量

通信プロトコルには、CAN、RS485、UART、またはModbusなどが含まれます。.

この関数は、一般的に次のような場合に検討されます：

• AGV
• AMR
• ロボット
• 産業機器
• 電気自動車

BMSを選定する前に、通信要件を確認しておく必要があります。.

11. 安全性および認証要件を確認する

バッテリーの要件は、販売先市場や用途によって異なる場合があります。.

一般的な規格や認証には、次のようなものがあります：

• UN38.3
• IEC 62133-2
• CE
• UL2271
• FCC
• RoHS

リチウム電池を海外へ発送する際には、輸送に関する要件についても考慮する必要があります。.

OEMプロジェクトにおいては、認証要件は、理想的には製品開発の段階で特定しておくべきである。.

これにより、試作開発後にバッテリーの設計を変更する必要が生じるリスクを低減できます。.

12. バッテリーの保護対策と筐体設計について検討する

バッテリー筐体は、内部のセル、BMS、配線、およびその他の部品を保護します。.

用途によっては、筐体において以下の点に対応する必要がある場合があります：

• 防塵対策
• 水資源保護
• 衝撃保護
• 放熱
• 機械的取り付け

一般的な住宅用建材には、次のようなものがあります：

• プラスチック
• アルミニウム
• 鋼
• 特注複合構造物

屋外での使用においては、適切なIP保護等級が必要となる場合があります。.

13. セルの均一性とバッテリーパックの品質を評価する

バッテリーパックには通常、直列および並列に接続された複数のセルが含まれています。.

したがって、細胞の一貫性が重要となります。.

製造業者は、以下の点を評価する場合があります：

• 細胞電位
• 内部抵抗
• 定員
• 細胞の形態

適切な粘度を持つセルは、電池の組み立て前に選別してグループ分けすることができます。.

バッテリーパックの製造には、以下の工程が含まれる場合もあります：

• 溶接検査
• BMS試験
• 充放電試験
• エージングテスト
• 最終電気検査

14. 想定される使用条件を考慮する

バッテリーの選定にあたっては、想定される使用パターンを考慮に入れる必要があります。.

考えてみてください：

• 毎日の営業時間
• 充電頻度
• 放電深度
• 想定される稼働期間
• 保管条件

例えば、1日に数シフト稼働するAGVと、週に数時間しか使用されない機器とでは、必要なバッテリーの要件が異なる場合があります。.

想定される使用パターンは、電池の化学組成、容量、BMSの設定、および熱設計に影響を与える可能性があります。.

15. 製品開発の過程でバッテリーメーカーと連携する

カスタムバッテリーのプロジェクトでは、機器の開発段階からバッテリーメーカーを巻き込んでおくことが有益な場合があります。.

バッテリーメーカーは、以下のサポートを提供できます：

• バッテリー仕様の設計
• 細胞の選択
• 直列接続と並列接続
• BMSの選定
• 構造設計
• コネクタの選定
• 試作
• バッテリーの検査
• 資格試験対策
• 量産

早い段階での連携により、電気的要件と機械的要件を一体として検討することが可能になります。.

16. 電池メーカーにはどのような情報を提供すべきか？

カスタムバッテリーソリューションをご依頼の際は、詳細な技術情報を提供していただくことで、設計プロセスをより効率的に進めることができます。.

役立つ情報には、次のようなものがあります：

一部のパラメータが不明であっても、機器の消費電力、稼働時間、設置寸法からは、バッテリーの予備設計に役立つ情報を得ることができます。.

17. バッテリーパックを選ぶ際のよくある間違い

バッテリーの選定において、電圧と容量のみに注目すると、いくつかの問題が生じる可能性があります。.

電流を確認せずに容量を選ぶ

バッテリーのAh容量が十分であっても、その放電電流が機器の要件を満たさない場合は、そのバッテリーは不向きとなります。.

設置スペースを無視する

電気的仕様が適切であっても、そのバッテリーが機器に収まらない場合があります。.

通信を確認せずにBMSを選定する

機器がCANまたはRS485通信を必要とする場合、BMSは必要なプロトコルに対応している必要があります。.

認定取得の検討が手遅れになる

認証要件は、セルの選定、BMSの設計、筐体の設計、および試験に影響を与える可能性があります。.

動作環境を無視する

温度、水、粉塵、振動、および機械的衝撃は、いずれもバッテリーパックの設計に影響を与える可能性があります。.

結論

適切なバッテリーパックを選定するには、電気的要件と機械的要件の両方を考慮する必要があります。.

主な要因としては、以下のものが挙げられます：

• 電圧
• 定員
• 連続電流およびピーク電流
• 電池の化学組成
• セルの構成
• ビーエムエス
• 外形寸法
• 充電に関する要件
• 動作環境
• 通信機能
• 安全認証

機器メーカーにとっては、固定された仕様の標準バッテリーを使用するのではなく、実際の製品要件に合わせてカスタムバッテリーパックを設計することが可能です。.

リチウム電池メーカーに詳細な機器情報を提供することで、試作段階に入る前に、電気的、機械的、環境的、および規制遵守の観点から電池の設計を評価することができます。.

よくあるご質問

自分の機器に必要なバッテリー電圧は、どうやって確認すればよいですか？

機器の定格入力電圧、モーターまたはコントローラーの仕様、および使用中のバッテリーの仕様を確認してください。バッテリーの公称電圧と満充電電圧の両方を考慮する必要があります。.

必要なバッテリー容量はどのように計算すればよいですか？

バッテリーのエネルギー量は、電圧×容量で概算できます。必要な容量は、機器の消費電力、想定される稼働時間、および稼働条件によって決まります。.

NMCとLiFePO4、どちらを選べばいいでしょうか？

どちらを選ぶかは用途によって異なります。エネルギー密度やコンパクトな設計が重視される場合はNMCが適している可能性がありますが、安定した動作や繰り返し充放電が求められる用途では、LiFePO4が検討される場合があります。.

バッテリーメーカーにはどのような情報が必要ですか？

有用な情報としては、電圧、容量、電流、稼働時間、外形寸法、充電要件、使用温度範囲、通信プロトコル、および認証要件などが挙げられます。.

バッテリーパックは、私の機器に合わせてカスタマイズできますか？

はい。特定の電気的仕様、設置寸法、コネクタ、取り付け構造、および通信要件に合わせて、カスタムバッテリーパックを設計することが可能です。.