コールドチェーン物流向けリチウム電池電源ソリューション

コールドチェーン物流は、輸送、保管、流通の全過程において、確実な温度管理が不可欠です。. 冷蔵トラック、冷凍車、冷蔵倉庫、AGV、フォークリフト、および移動式冷凍システムは、いずれも稼働状態を維持するために、信頼性の高い電力供給を必要とします。.

物流車両の電動化が進むにつれ、冷蔵装置、資材運搬車両、補助システム、監視装置への電力供給にリチウム電池システムが採用されるようになってきています。しかし、適切な電池を選定するには、単に電圧や容量を選ぶだけでは不十分です。 バッテリーは、機器の電力需要、動作温度、設置スペース、充電条件、通信要件、および安全対策に合わせて選定する必要があります。.

本ガイドでは、コールドチェーン物流向けにリチウム電池システムを設計する方法と、機器メーカーがバッテリー駆動ソリューションを開発する際に考慮すべき点について解説します。.

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コールドチェーン物流におけるリチウム電池による電力ソリューションとは？

リチウム電池電源ソリューションとは、冷蔵輸送や冷蔵倉庫で使用される機器に電力を供給するために設計された充電式電池システムです。.

用途に応じて、本システムは以下の機器に電力を供給することがあります：

• 冷凍ユニット
• 電動コンプレッサー
• 冷蔵トラック
• 冷蔵トレーラー
• 冷蔵倉庫用AGV
• 電動フォークリフト
• パレットトラック
• 温度監視システム
• 車両用補助装備
• 冷蔵コンテナ
• 移動式冷凍装置

一般的なバッテリーシステムは、いくつかの構成要素から成り立っています：

リチウムイオン電池 → バッテリーパック → BMS → 保護システム → 出力 → 冷凍・物流機器

バッテリーの化学組成、セル構成、BMS、熱管理システム、筐体、コネクタ、および充電システムは、実際の用途に応じて選定する必要があります。.

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コールドチェーン物流でリチウム電池が使用される理由

コールドチェーン機器は長時間稼働することがあり、車両の積み込み、積み下ろし、駐車、走行中も、所定の温度を維持する必要がある場合があります。.

バッテリー式電源システムは、本来であればエンジン駆動の発電機やその他の電源に依存することになる機器に対して、独立した電力源を提供することができます。.

リチウム電池システムが採用される一般的な理由としては、次のようなものがあります：

• エンジン稼働への依存度の低減
• 電気式冷凍設備のサポート
• 柔軟な設置オプション
• BMSによるバッテリー監視
• 自動物流機器との互換性
• 頻繁な充電用途への対応
• 車両や倉庫のエネルギーシステムとの連携

しかし、リチウム電池がすべてのコールドチェーン用途に自動的に適しているわけではありません。設計段階において、低温充電、熱管理、電気的保護、および機械的保護について検討する必要があります。.

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コールドチェーン物流におけるリチウム電池の活用

1. 冷蔵トラック

冷蔵トラックでは、貨物の温度を所定の温度に保つために冷凍システムが必要です。.

専用のリチウム電池は、電動式冷凍装置に電力を供給することができます。.

単純化したシステムは、次のように表すことができます：

バッテリーパック → BMS → 電力分配 → 冷凍コントローラー → コンプレッサー／冷凍システム

バッテリーの容量は、冷凍負荷と必要な稼働時間によって異なります。.

例えば、ある冷凍システムの平均電力負荷が 3 kW で、バッテリー駆動で 8 時間稼働する必要がある場合、理論上のエネルギー必要量は次のようになります：

3 kW × 8 h = 24 kWh

実際のバッテリー仕様では、システムの効率、利用可能なSOC範囲、周囲温度、バッテリーの経年劣化、ピーク負荷、および動作条件を考慮に入れる必要があります。.

したがって、24 kWhを自動的に必要な公称バッテリー容量とみなすべきではありません。.

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2. 冷蔵トレーラー

冷蔵トレーラーでは、冷凍システム用に独立した電源が必要となる場合があります。.

バッテリーの設計において考慮すべき点は以下の通りです：

• 冷凍能力
• 稼働時間
• トレーラー設置スペース
• 充電方法
• 最大電流
• 周囲温度
• 振動
• 防水
• 通信要件

トレーラーへの搭載の場合、バッテリーは路面の振動や機械的衝撃にさらされるため、バッテリー収納ケースには適切な機械的取り付けシステムも必要となります。.

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3. 冷蔵コンテナ

バッテリーシステムは、冷蔵コンテナやその他の移動式冷凍・冷蔵用途にも適用可能です。.

これらのシステムでは、長期間にわたって冷凍運転を継続できるため、比較的大きなエネルギー容量が必要となる場合があります。.

コンテナ型バッテリーシステムには、以下のものが含まれる場合がある：

• 高容量リチウム電池
• ビーエムエス
• ヒューズ
• コンタクタ
• プリチャージ回路
• 温度センサー
• 通信インターフェース
• 外部充電インターフェース
• 保護筐体

最終的な構成は、冷凍設備およびコンテナの電気系統によって異なります。.

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冷蔵倉庫用AGVおよびフォークリフト向けリチウム電池

コールドチェーン物流は、輸送だけにとどまりません。.

冷蔵倉庫内では、AGV、AMR、フォークリフト、パレットトラック、その他の資材運搬機器が、低温環境下で稼働する場合があります。.

これにより、バッテリーの設計要件がこれまでとは異なるものとなります。.

低温動作

低温はリチウムイオン電池の性能に影響を与える可能性があります。.

考えられる影響には、次のようなものがあります：

• 内部抵抗の増加
• 利用可能な容量の減少
• 低電力対応
• 充電行動の変化
• 負荷時の電圧降下の増加

何よりも重要なのは、, 低温下での充電には、特に注意が必要です.

許容充電温度は、選択したセルメーカーの仕様およびBMSの保護戦略に基づいて決定する必要があります。.

冷凍庫内で稼働する機器については、加熱機能を内蔵したバッテリーの採用を検討するとよいでしょう。.

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寒冷環境向け自己発熱型リチウム電池パック

自己発熱型バッテリーパックは、許容される充電条件の前またはその最中に、発熱体を使用してセルの温度を上昇させます。.

典型的な制御シーケンスとしては、次のようなものがあります：

温度検知

↓

BMSはセルの温度を測定する

↓

暖房システムが作動しました

↓

セルの温度が許容範囲に達しました

↓

充電可能

この手法は、バッテリーが定期的に低温環境下で動作するアプリケーションにおいて有用である。.

暖房システムは、独立した構成要素として扱うのではなく、BMSと一体となって設計されるべきである。.

設計には、以下の要素が含まれる場合があります：

• 発熱フィルムまたは温熱パッド
• 温度センサー
• 加熱制御回路
• BMSロジック
• 断熱
• 加熱電力の管理

加熱戦略は、実際の運転条件下での温度試験を通じて検証されるべきである。.

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冷凍機器のバッテリー容量の計算方法

蓄電池の容量選定は、蓄電池の機種ではなく、冷凍負荷を基準として行うべきである。.

基本的な計算式は次のとおりです：

バッテリーエネルギー ＝ 負荷電力 × 稼働時間 ÷ システム効率

例えば、こうだ：

• 平均負荷：4 kW
• 必要な稼働時間：6時間
• 推定システム効率：90%

理論上のバッテリー必要エネルギー量は次のとおりです：

4 × 6 ÷ 0.90 = 26.67 kWh

これは、最終的なバッテリー仕様というよりは、あくまで出発点に過ぎません。.

その他の要因についても評価を行うべきである。.

1. ピーク出力

コンプレッサーやその他の電気機器には、起動時や過渡的な電力需要が生じる場合があります。.

2. 使用可能なSOC範囲

通常の動作時には、バッテリーが公称容量のすべてを使い切らない場合があります。.

3. 温度

低温または高温は、バッテリーの利用可能なエネルギー量や出力に影響を与える可能性があります。.

4. バッテリーの劣化

必要容量の算定にあたっては、予想される耐用年数にわたる容量の低下を考慮する必要がある場合があります。.

5. 補助負荷

ファン、ポンプ、制御装置、ディスプレイ、通信機器、および暖房システムもエネルギーを消費することがあります。.

したがって、詳細なバッテリー容量の算出には、電気負荷の全プロファイルを用いるべきである。.

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コールドチェーン用途向けリチウム電池セルの選び方

セルは、バッテリーパックにおいて最も重要な構成要素の一つです。.

細胞の選定にあたっては、いくつかの技術的パラメータを考慮すべきである。.

定員

セルの容量によって、必要なセル数と、その結果として得られるバッテリーのエネルギー量が決まります。.

例えば、大容量のプリズム型セルを使用することで、一部のパック設計において必要なセル数を減らすことができます。.

連続放電電流

電池は、必要な連続動作電流に耐えられなければならない。.

おおよその放流量は、次のように計算できます：

Cレート = 放電電流 ÷ セル容量

例えば、100 Ahのセルが100 Aを供給する場合：

100 A ÷ 100 Ah = 1C

実際の許容電流については、必ずセルメーカーの仕様書と照らし合わせて確認する必要があります。.

ピーク電流

また、バッテリーについては、短時間のピーク負荷についても評価を行う必要があります。.

設計では、以下の点を区別する必要があります：

• 連続電流
• ピーク電流
• ピークの持続時間
• ピーク周波数

動作温度

コールドチェーン用途においては、温度仕様について特に注意を払う必要があります。.

携帯電話のデータシートについては、以下の点を確認する必要があります：

• 充電温度
• 放電温度
• 保存温度
• 低温性能
• 低温充電時の制限事項

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コールドチェーン用バッテリーパックにおけるLiFePO4とNMCの比較

LiFePO4およびNMCのリチウムイオン技術はいずれも物流用途での採用が検討できますが、どの化学組成が適切かはシステムの要件によって異なります。.

化学物質は、その名称だけで選定すべきではありません。.

実際のセルモデル、メーカーの仕様、電流要件、温度範囲、機械設計、BMSの運用方針、および認証要件のすべてを考慮する必要があります。.

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コールドチェーン用リチウム電池のBMS設計

バッテリー管理システムは、バッテリーの監視と保護を担っています。.

コールドチェーン用途において、BMSは以下の項目を監視する場合があります：

• 個々の細胞の電位
• パック電圧
• 充電電流
• 放電電流
• 細胞温度
• BMS温度
• SOC
• SOH
• 故障状態

保護機能には、次のようなものがあります：

• 過電圧保護
• 低電圧保護
• 過電流保護
• 短絡保護
• 過熱保護
• 低温時の充電保護
• 温度センサーの故障検出

冷凍設備や商用車の場合、通信機能が必要となる場合もあります。.

一般的な通信インターフェースには、次のようなものがあります：

CAN

RS485

UART

BMSの開発を開始する前に、機器コントローラ側と通信プロトコルについて合意しておく必要があります。.

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冷蔵車両用バッテリーパックの機械設計

コールドチェーン用バッテリーは、多くの場合、移動環境に設置されるため、機械設計はPACKの重要な要素となります。.

この筐体は、バッテリーを以下のものから保護する必要がある場合があります：

• 道路の振動
• 機械的衝撃
• 水分
• ダスト
• 結露
• 気温の変化
• 外部からの影響

特注のバッテリー筐体には、以下のものが含まれる場合があります：

• アルミニウムまたはスチール製のハウジング
• エンドプレート
• セルホルダー
• 断熱材
• 振動吸収材
• シーリング構造
• 防水コネクタ
• 取り付けブラケット
• 圧力制御部品

目標とするIP保護等級は、設置環境に応じて決定し、適切な試験を通じて確認する必要があります。.

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コールドチェーン用バッテリーパックの振動試験

冷蔵トラックのバッテリーは、輸送中に繰り返される振動にさらされます。.

したがって、振動試験をバリデーションプロセスに組み込むべきである。.

このテストプログラムでは、以下の項目を評価できます：

• 細胞の運動
• バスバーの接続
• 溶接継手
• コネクタの保持
• BMSの取り付け
• 住宅市場の堅調さ
• ケーブルの配線
• 断熱性能の健全性

実験室での静的条件下で良好な性能を示すバッテリーであっても、自動車への応用にあたっては、追加の機械的検証が必要となる場合がある。.

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充電システムの設計

充電器は、バッテリーの構成およびBMSと互換性があるものでなければなりません。.

例えば、12Sバッテリーから6Sバッテリーに変更する場合、単にセルを交換するだけでは済みません。充電器の電圧、BMSの設定、配線、保護パラメータ、および機器とのインターフェースなど、すべてを変更する必要がある場合があります。.

したがって、充電システムは以下の点を踏まえて設計すべきである：

セル化学特性 ＋ シリーズ接続 ＋ 充電電圧 ＋ 充電電流 ＋ 温度条件 ＋ BMS

充電プロファイルは、選択したセルおよびバッテリーシステムの仕様に準拠している必要があります。.

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例：カスタムバッテリーパックの開発

コンパクトなバッテリーパックを必要としている冷凍機器メーカーを例に考えてみましょう。.

開発プロセスは、次のようなことから始まる場合があります：

必要なシステム電圧

↓

平均冷凍能力

↓

ピーク出力

↓

必要な実行環境

↓

利用可能な設置スペース

↓

細胞の選択

↓

直列・並列接続

↓

BMSの選定

↓

熱管理

↓

機械用筐体

↓

テスト

例えば、メーカーは、所定の電圧とエネルギー容量を備えつつ、所定の筐体に収まるバッテリーを要求する場合があります。.

その後、PACK設計者は、円筒形、角形、あるいはその他の適切なリチウムイオン電池セルを用いて、目標を達成できるかどうかを判断する必要があります。.

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カスタムリチウム電池パックの設計プロセス

専門的なバッテリー開発プロセスは、まず必要な設備の要件から始めるべきである。.

ステップ1：電気的要件の定義

収集：

• 公称電圧
• 動作電圧
• 定員
• 平均電流
• 最大電流
• ピーク電流
• 充電電流
• 必要な実行環境

ステップ 2：環境要件の定義

次のことを決定する：

• 最低動作温度
• 最高使用温度
• 充電温度
• 湿度
• 水への曝露
• 振動
• 衝撃
• インストール環境

ステップ3：セルを選択する

評価：

• 細胞化学
• 定員
• 電圧
• 内部抵抗
• Cレート
• 温度範囲
• 寸法
• メーカー仕様

ステップ4：PACKの設計

次のことを決定する：

• 直列接続と並列接続
• バスバー
• ビーエムエス
• ヒューズ
• コンタクタ
• NTC
• コネクタ
• 住宅
• 取付構造

ステップ5：BMSの開発

設定：

• 保護パラメータ
• 温度範囲
• SOCの算出
• コミュニケーション
• 障害管理
• 必要に応じて暖房の制御

ステップ6：試作サンプルの製作

プロトタイプのテストでは、以下のような問題点を特定することができます：

• インストール
• 配線
• 温度
• 機械的クリアランス
• 充電
• コミュニケーション
• 出力

手順 7：バッテリーの検証

テストには、以下のものが含まれる場合があります：

• キャパシティ・テスト
• 充放電試験
• BMS保護機能の試験
• 温度試験
• 低温試験
• 高温試験
• 振動試験
• 絶縁試験
• 該当する場合は、防水試験を実施する
• エージング試験

具体的な試験プログラムは、製品の種類、ターゲット市場、顧客の要件、および適用される規格に基づいて策定すべきである。.

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安全性および認証に関する考慮事項

物流機器に使用されるリチウム電池は、輸送および製品安全に関する要件の対象となる場合があります。.

適用される要件は、以下の要因によって異なります：

• 電池の化学組成
• バッテリー構成
• 最終用途機器
• 国または地域
• 輸送方法
• バッテリー容量
• インストール構成

海外へ出荷される電池については、生産後ではなく、製品開発の段階で輸送上の要件を考慮すべきである。.

EU、米国、日本、韓国などの市場に投入される機器については、製造業者は設計を確定する前に、該当する製品および電池に関する要件を確認する必要があります。.

また、電池メーカーは、セルの検査、溶接の検査、電気的試験、BMSの試験、エージング、および最終検査を含む、適切な生産および品質管理手順を維持すべきである。.

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コールドチェーン用リチウム電池メーカーの選び方

カスタマイズされたバッテリーソリューションを求める機器メーカーにとって、サプライヤーの技術力と生産能力は重要な要素となります。.

メーカーが以下を提供できるかどうかを検討してください：

細胞の選択

サプライヤーは、電圧、容量、電流、温度、サイズ、および用途の要件に応じてセルを選定できる必要があります。.

PACKエンジニアリング

サプライヤーは、以下の分野での実務経験を有している必要があります：

• 電気設計
• 機械設計
• BMS開発
• 熱管理
• 配線
• 保護回路

試作開発

試作機があれば、量産前に実際の機器内でバッテリーのテストを行うことができます。.

テスト

サプライヤーは、電気的、熱的、機械的、および環境的検証を行うための適切な試験能力を備えている必要がある。.

認証サポート

サプライヤーは、対象市場に関連する認証および輸送要件を把握しておく必要があります。.

OEM／ODM対応能力

冷蔵車や物流機器の種類によって、以下のような違いがあることがよくあります：

• 寸法
• 電圧
• コネクタ
• 通信プロトコル
• 取り付け位置
• 容量要件

したがって、カスタマイズ機能は重要となる可能性があります。.

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東莞易展電子技術有限公司によるカスタムリチウム電池ソリューション.

東莞伊湛電子科技有限公司 商業用および産業用アプリケーション向けの、カスタマイズされたリチウムイオン電池パックソリューションに注力しています。.

コールドチェーン物流機器については、お客様の以下の要件に合わせて、カスタマイズされたソリューションを開発することが可能です：

• 電圧要件
• 容量要件
• 冷凍負荷
• ピーク電流
• 動作温度
• 設置寸法
• BMS通信
• 充電に関する要件
• 機械的取り付け
• 保護要件

開発プロセスには、以下の内容が含まれる場合があります。 セル選定、PACK設計、BMS、試作開発、試験、認証支援、梱包、出荷.

寒冷地で稼働するアプリケーションの場合、バッテリーの設計については、低温環境下での動作や充電要件、さらにはバッテリー加熱システムの導入可能性についても評価を行うことができます。.

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コールドチェーン用リチウム電池に関するよくある質問

リチウム電池は低温環境でも動作しますか？

はい。リチウム電池は低温環境でも動作しますが、温度が低下するにつれて、利用可能な容量、出力、および充電特性が変化する場合があります。許容温度範囲は、個々のセルや電池の設計によって異なります。.

リチウム電池は0°C未満の温度でも充電できますか？

低温下での充電には、慎重な制御が必要です。一部のリチウムイオン電池セルには、特定の温度以下での充電に関する制限があります。BMSは、セルメーカーが指定した許容範囲外の充電を防止する必要があります。寒冷環境での充電が必要な用途では、加熱システムの導入を検討するとよいでしょう。.

コールドチェーン物流にはどのような電池の化学組成が適していますか？

あらゆるコールドチェーン用途に適した単一の化学系というものは存在しません。LiFePO4とNMCは、必要なエネルギー密度、出力、温度範囲、サイクル性能、設置スペース、システム設計に応じて、いずれも使用可能です。.

冷凍用蓄熱器の容量はどれくらいにすべきでしょうか？

バッテリーの容量は、冷凍能力と必要な稼働時間によって異なります。.

基本的な計算式は次のとおりです：

必要エネルギー ＝ 平均出力 × 稼働時間

次に、システムの効率、利用可能なSOC、温度、経年劣化、ピーク電力、および補助負荷について検討する必要があります。.

リチウム電池で冷蔵トラックの動力源とすることは可能でしょうか？

はい。リチウム電池は、電気式冷凍システム、補助機器、またはその他の電気負荷に電力を供給するように設計することができます。電池の電圧と出力は、冷凍システムの要件に合致している必要があります。.

コールドチェーン用バッテリーは加熱する必要があるのでしょうか？

すべての用途でバッテリーの加熱が必要なわけではありません。セルが通常充電可能な温度範囲外の環境で動作または充電しなければならない場合、加熱を検討することがあります。.

バッテリーは冷凍制御装置と通信できますか？

はい。機器のアーキテクチャに応じて、BMSにはCAN、RS485、UARTなどのインターフェースを搭載して開発することができます。通信プロトコルおよびデータ定義については、機器メーカーに確認する必要があります。.

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結論

リチウム電池は、冷蔵輸送、冷蔵保管設備、電気物流車両、および自動倉庫システムに対して、柔軟な電源を供給することができます。.

ただし、コールドチェーン用バッテリーは、 総合電力システム, 、単なるリチウム電池の集合体というわけではない。.

適切な解決策としては、以下の点を考慮すべきです：

電池の化学特性 + 電圧 + 容量 + 出力 + 温度 + BMS + 熱管理 + 機械的保護 + 充電 + 通信 + 試験

冷蔵車両および冷蔵設備については、特に以下の点に注意を払う必要があります。 低温充電、バッテリー加熱、耐振動性、防湿性、およびBMS保護機能.

OEMや機器メーカーにとって、最も現実的なアプローチは、まず機器の電気的要件および環境要件を定義し、その要件に基づいてセル構成、BMS、熱管理システム、筐体、および充電システムを開発することです。.

適切に設計されたリチウム電池パックは、機器に合わせて調整しなければならない既製の部品ではなく、コールドチェーン機器の不可欠な構成要素となり得ます。.