プロのボートチームを想像してみてほしい。すべての漕ぎ手が完璧なクローンであり、同じ強さ、同じスタミナを持っていれば、ボートは難なく水面を滑っていく。今、一人の漕ぎ手がほんの少し弱かったり、少し早く疲れたりしたとする。遅くなるのはその一人だけでなく、ボート全体がすぐに危険にさらされる。リズムは崩れ、ボートはコースを外れ、他の漕ぎ手はそれを補うためにより懸命に働かなければならない。
マルチセルバッテリーパックは、まさにそのボートチームのようなものだ。
産業用ドローンやポータブル医療カート用の高価な新品のバッテリー・パックが、わずか1年で稼働時間が激減する。開けてみると、1つの「不良」セルが見つかる。しかし、そのセルは本当に不良品だったのでしょうか、それとも最初からパック全体が運命づけられていたのでしょうか？私たちの経験からすると、その答えはほとんどの場合、2つの基本的な、しかし見落とされがちなプロセスの失敗にあります。
自律型倉庫ロボットから船舶用バックアップ電源まで、ミッション・クリティカルなバッテリー・システムを設計するエンジニアとして、マッチングとバランシングはオプションの「機能」ではありません。
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まず、何について話すのか？マッチングとバランスの定義
その結果に飛び込む前に、定義を整理しておこう。この2つの用語は関連しているが、別物である。
セル・マッチング：製造業の "指紋"
同じ高品質の製造ロットであっても、100%と同じバッテリーセルは2つとありません。製造上の指紋 "のような小さな違いがあるのです。セルマッチングとは、個々のセルをテストし、その主要な特徴に基づいてグループ化する、厳密でデータ駆動型のプロセスです。 以前 パックに溶接されることはない。
最低限、バッテリーを組み立てるプロがマッチングすべきである：
- 容量（Ah/mAh）： 各セルの "燃料タンク "の大きさ。
- 内部抵抗（mΩ）： セルが電力供給にどれだけ抵抗するかを示す指標。内部抵抗は低いほどよく、一貫性が重要。
- 自己放電率： 棚に置いておくだけで、セルがどれだけ早く充電を失うか。
マッチングせずにパックを作るのは、不釣り合いなピストンで高性能エンジンを作るようなものだ。失敗のもとだ。
セル・バランシングチームの同調を保つ
もしマッチングが、レース前に完璧な同じ漕ぎ手のボートを選ぶことだとしたら、バランシングは操舵手の仕事である。 期間中 レースは、全員が完璧に一体となって引っ張れるように、常に微調整を加えながら進んでいく。
セル・バランシングは電子的な機能であり、以下によって管理される。 バッテリー管理システム（BMS）これは、パック内の各セル（または並列セル・グループ）の充電状態（SoC）を均等にするために働くものである。これは、時間の経過とともにセルが離れていく自然な傾向と戦う、アクティブで継続的なプロセスです。
悪循環：アンバランスでミスマッチなパックで何が起こるか？
では、1つのセルがわずかに違っていたとしても、大した問題ではないだろう。その結果は深刻で、パック全体を早死にさせる負のスパイラルに陥る。
すべては "最も弱いリンク "から始まる
どのようなセル・シリーズでも、パック全体の性能は、最も弱いメンバー、つまり実際の容量が最も小さいセルによって決まります。このセルが、充電と放電の両方の制限要因となる。
充電問題：1つのセルが「ストップ！」と叫ぶ早すぎる
パックを充電するとき、すべてのセルに同じ量の電流が流れます。燃料タンクの小さい "弱い "セルが先に満充電になり、安全な最大電圧（例えば、多くのリチウムイオン・タイプでは4.2V）に達します。正しく機能するBMSはこれを察知し、危険な過充電を防ぐため、充電プロセス全体を正しく停止する。
結果 容量の大きい他の健康なセルは、慢性的に充電不足のまま放置される。パック 決して が本来の設計容量に達する。あなたの100Ahパックは95Ahまでしか充電できないかもしれない。
放電問題：片方のセルが先に諦める
反対側でも同じことが起こる。あなたの 産業機械 が電力を引き出すと、燃料の少ない弱いセルが先に空になり、安全な最低電圧（例えば3.0V）に達します。ここでもBMSがその役割を果たし、パック全体への電力を遮断して、その1つのセルが過放電され永久的な損傷を受けないように保護する。
結果 より強力なセルにはまだ10～15%のエネルギーが残っているかもしれないが、それはまったく使えない。パックの有効ランタイムは極端に短くなる。
早死にへのスパイラル
これは一度だけの問題ではない。充電と放電のたびに、このアンバランスは悪化する。弱いセルは常にストレスを受け、絶対的な最大値から絶対的な最小値まで押し上げられる。一方、強いセルはほとんど汗をかかず、快適な中間領域でサイクルしている。1つの弱いセルのこの加速された老化は、その化学的性質を急速に劣化させ、内部抵抗を増加させ、最終的には高価なパック全体の故障につながります。
ソリューション・イン・アクション2つのバランシング・メソッドの物語
BMSはこの下降スパイラルと戦うヒーローだ。その方法は主に2つある。
パッシブ・バランシング「芝刈り
ある芝生が他の芝生より少し早く成長する芝生を想像してほしい。パッシブ・バランシングは、芝刈り機を一番短い草丈に設定し、それに合わせてすべての草を刈るようなものだ。仕事はうまくいくが、本質的に無駄が多い。BMSは、最も速く充電されるセルに小さな抵抗器を配置し、遅いセルが追いつくまで、余分なエネルギーを微量の熱として文字通り「燃焼」させる。
アクティブ・バランシング「ロビン・フッド方式
アクティブ・バランシングはよりスマートです。これは、バッテリー内の小さな効率的なロビン・フッドのようなものです。リッチ」なセル（充電量が最も多いセル）からエネルギーを少しずつ積極的に取り出し、「プア」なセル（充電量が最も少ないセル）に効率的に与えます。小型で効率的なコンバーター（コンデンサーやインダクターのようなもの）を使ってエネルギーをパック内に移動させ、エネルギーが熱として無駄にならないようにします。
| 特徴 | パッシブ・バランシング | アクティブ・バランシング |
|---|
| 方法 | 余分なエネルギーを熱として燃やす | 細胞間のエネルギー伝達 |
| 効率性 | 低い（無駄が多い） | 高い（最大95%効率） |
| スピード | 遅い（通常、充電サイクルの最上部でしか機能しない） | 高速（充電中、放電中、休息中、いつでも動作可能） |
| コストと複雑さ | 低コスト、シンプルな回路 | コストが高く、回路が複雑 |
| 最適 | 低価格パック、民生用電子機器、低電流アプリケーション。 | 高性能パック、 商用ESSEVでは、使用可能な容量を最大化し サイクル寿命 が重要だ。 |
バッテリー・サプライヤーに尋ねなければならない質問
安価なバッテリーパックの見積もりは、多くの場合、これらの重要なプロセスで手抜きがあったことを示す赤信号です。製品、予算、そして会社の評判を守るために、サプライヤー候補に以下の質問をしてみてください：
- "細胞の調達と受入品質管理（IQC）プロセスについて教えてください。" (パナソニック、サムスン、CATLといった信頼できるメーカーのグレードAセルを使っているのか、それともトレーサビリティのないグレードBセルを使っているのか？)
- 「具体的な細胞照合プロトコルと許容範囲を教えてください。 (曖昧な回答は受け入れないこと。例えば、「容量は±1%以内、内部抵抗は±2mΩ以内に合わせます」など、明確な数字を求めること)
- 「BMSはどのようなバランシング方式を採用していますか？ (その答えは、パックの品質と用途について多くを物語っている）。
- 「BMSのバランス電流は？ (200Ahのパックでは、わずか30mAのバランス電流では意味がありません。電流はパックの容量に対して適切な大きさにする必要がある)。
- 「製造パックの初期セルバランスとスペックを示す工場テストレポートをいただけますか？ (自信のある、高品質のサプライヤーはイエスと言うだろう）。
結論
結局のところ、バッテリーパックは最も弱く、最もストレスのかかるセルと同じ強さしかありません。初日から綿密なセルマッチングを行わなければ、機能不全に陥ったチームを結成することになり、失敗する運命にある。バッテリーの寿命を通じてインテリジェントなバランシングを行わなければ、そのチームはますます同期を失っていくことになる。
セルマッチングとバランシングは経費ではありません。使用可能な容量、動作寿命、そして最も重要な安全性のために、譲れない先行投資なのです。セルマッチングとバランシングは、バッテリーパックの目に見えない心臓部です。 事業所毎年毎年。
ミッションクリティカルなアプリケーションにバッテリーを指定する場合、データシートのトップラインのスペックだけを見てはいけません。中身について厳しい質問をしてください。マッチングとバランシングに関するサプライヤーの哲学を理解することは、長期的な成功を保証するための最初の、そして最も重要なステップです。
よくあるご質問
アンバランスになったバッテリーパックのバランスを手動で取ることはできますか？
DIYの場合、専用のホビー用充電器や専用のバランシングボードを使えば技術的には可能だが、時間がかかり、細心の注意が必要で、潜在的にリスクのあるプロセスだ。市販の密閉パックの場合、それはほとんど常に非現実的で、保証が無効になります。真の解決策は、そもそも重大な不均衡が発生するのを防ぐ優れたBMSである。
アクティブ・バランシングはパッシブ・バランシングより常に良いのか？
必ずしもそうではない。「より良い」というのは、用途による。コストが最優先され、容量の最後の一滴まで絞り出すことが重要でない低電力デバイスの場合、うまく実装されたパッシブ・バランシング・システムは完全に適切です。大容量の エネルギー貯蔵システム（ESS） あるいは、効率と寿命が直接ドルに換算される電気自動車では、アクティブ・バランシングの高い初期費用は何倍にもなる。
なぜパックの中の1つの "不良 "セルを交換できないのですか？
なぜなら、それはただ単に、道ばたで缶を蹴飛ばしているに過ぎないからだ。古い、部分的に摩耗したパックに新しい、容量いっぱいのセルを導入すると、そのセルはさらに劣化する。 悪い のバランスが崩れる。新しいセルが完全に利用されることはなく、古いセルはさらにストレスを受けることになる。適切な修理には、新しくマッチしたセルでパックモジュール全体を再構築する必要があります。
私のデバイスが懐中電灯のように単一セルしか使用しない場合はどうなりますか？このことを心配する必要はありますか？
セルマッチングとバランシングは、直列に接続された複数のセルを含むバッテリーパックにのみ関連します。あなたのデバイスが単一セル（単一の18650や21700など）を使用している場合、これらの問題は適用されません。