HVバッテリーパック

科目：

はじめに
各種バッテリーの材質と仕様
鉛蓄電池
ニッケルカドミウム (Ni-Cd)
ニッケル水素（Ni-MH）
リチウムイオン（リチウムイオン）
スーパーキャパシタ (スーパーキャパシタ)
バッテリーセルのバランス調整

導入：
ハイブリッド車または完全電気自動車は、内燃機関のみを搭載した自動車よりも大きくて重いバッテリーを搭載しています。ハイブリッドカーは高電圧を使用するため、資格のない人が修理を行うと生命に危険が及ぶ可能性があります。例として:

動作中のスターターモーターは約 1,2 kW (1200 ワット) を消費します。
完全に電気で走行するハイブリッドカーは約 60 kW (60.000 ワット) を消費します。

ハイブリッドカーは、特別な訓練を受けた人のみが作業できます。独自の小型バッテリーを備えたアクセサリ (ラジオなど) の電源用に 12 ボルトのオンボードネットワークがあり、400 ボルトで動作する高電圧のオンボードネットワークもあります (ブランドによって異なります)。）。 400 V の電圧は特別な DC/DC コンバータによって 12 V に変換され、該当するバッテリーに充電されます。

ハイブリッド駆動用バッテリーには高い要求が寄せられています。とても大きいはずですストレージ容量持つため。大量のエネルギーが蓄えられ、内燃機関をサポートするとき (ハイブリッド)、または完全な推進のためのエネルギーを供給するとき (BEV) に非常に高い電圧が消費されます。

下の画像は、トヨタプリウスのバッテリーパックを示しています。このニッケル水素 (NiMH) バッテリーには 28 個のモジュールが含まれており、それぞれが 6 つのセルで構成されています。各セルの電圧は 1,2 ボルトです。このバッテリーパックの合計電圧は 201,6 ボルトです。

さまざまな種類のバッテリーの材質と仕様:
電気ドライブトレインを開発する際には、さまざまな種類のバッテリーの中から選択が行われます。特性、性能、建設オプション、コストが重要な役割を果たします。ハイブリッド車や完全電気自動車で最も一般的に使用されるバッテリーの種類は、Ni-MH (ニッケル水素) バッテリーと Li-ion (リチウムイオン) バッテリーです。

Ni-MH タイプや Li-ion タイプに加えて、電解コンデンサも開発されており、当社ではこれを「スーパーキャパシタ」または「スーパーキャパシタ」と呼んでいます。

この表は、さまざまなバッテリーの材質とその仕様を示しています。

鉛バッテリー:
この表には、鉛酸バッテリーについても記載されています (ゲルおよび AGM バージョンは考慮されていません)。鉛蓄電池は最大放電 20% で最も寿命が長く、経年劣化により硫酸化が発生し、エネルギー密度と含有量が低いため、電気自動車での使用には適していません。アクセサリバッテリーとして鉛蓄電池が見つかります。照明、快適システム (車体)、インフォテインメントなどの低電圧消費者は、約 14 ボルトの電圧で動作します。

ニッケルカドミウム (Ni-Cd):
昔はニカドバッテリーにはメモリー効果があるため、電気推進での使用には適していません。部分的な充電と放電が常に発生します。最新の Ni-Cd バッテリーはメモリー効果の影響をほとんど受けません。このタイプのバッテリーの最大の欠点は、有毒物質カドミウムが存在することです。このため、ニカド電池は環境に非常に優しくありません。したがって、このバッテリーの使用は法律で禁止されています。

ニッケル水素 (Ni-MH):
ニッケル水素バッテリーは鉛酸バッテリーよりも早く充電できます。充電中は熱とガスが発生するため、これらを除去する必要があります。バッテリーには冷却システムと通気バルブが装備されています。 Ni-MH バッテリーは、寿命が長く、エネルギーと電力密度が高いため、電気自動車での使用に適しています。ただし、このタイプのバッテリーは過充電、過剰な放電、高温、急激な温度変化に敏感です。

下の画像は、トヨタプリウスの Ni-MH バッテリーパックを示しています。このバッテリーパックは、後部座席の背もたれの後ろのトランクにあります。温度センサーが高温を検知すると、冷却ファンが作動します (右側の写真の白いハウジングで確認できます)。ファンは内部から空気を吸い込み、バッテリーパック内のエアダクトに送り込んでセルを冷却します。

リチウムイオン (リチウムイオン):
リチウムイオン電池は（Ni-MHと比較して）エネルギーと出力密度が高いため、通常、リチウムイオン電池パックはプラグインハイブリッド車や完全電気自動車に使用されます。リチウムイオン電池は低温でも優れた性能を発揮し、寿命が長くなります。今後の開発により、今後さらに性能が向上することが期待されます。

次の画像には、BMW i3 の (リチウムイオン) バッテリーパックが表示されます。蓋が外れて裏側にあります。取り付けると蓋がしっかりと閉まります。

i3 のバッテリーパックは車両の下に取り付けられています。フロントアクスルとリアアクスルの間のフロアスペースを可能な限り利用して、バッテリーパックに可能な限り多くのスペースを提供します。

この画像には、それぞれ 2,6 個のセルを持つ 22 つの個別のブロックが表示されます。各ブロックの容量は 3 kWh なので、合計 2020 kWh になります。比較のために、現行世代 i94 (22) には、容量 2013 Ah、電力 XNUMX kWh のバッテリーが搭載されています。バッテリーパックのサイズは XNUMX 年の発売以来変わっていませんが、その性能 (したがって航続距離) は大幅に向上しています。

テスラは、2013 年以降のモデル (モデル S およびモデル X) で、テレビのリモコンで知られている標準的な単三電池よりわずかに大きい小型電池セルを使用しています。バッテリーセル (Panasonic の 18650) は長さ 65 mm、直径 18 mm です。最も大規模なバッテリーパックには、これらのセルが少なくとも 7104 個含まれています。

下の画像では、左側に個々のバッテリーセル、右側に 7104 セルを含むバッテリーパックが表示されます。

リチウムイオン電池は、次の XNUMX つの主要コンポーネントで構成されています。

リチウムの合金からなるカソード（+）
グラファイトまたはカーボンからなるアノード (-)
多孔質セパレーター
電解質

放電中、リチウムイオンは電解質中をアノード (-) からカソード (+) に移動し、消費者に到達し、アノードに戻ります。充電中、イオンは反対方向に移動し、カソード (+) からアノード (-) に移動します。

電解質にはイオンを輸送するためのリチウム塩が含まれています。セパレーターは、アノードとカソードが分離されたままである一方で、リチウムイオンが確実に通過できるようにします。

バッテリーセルはモジュールに収容されており、モジュールは直列に接続されています。以下の概略図は、フォルクスワーゲン E-UP のバッテリーパックと非常によく似たバッテリーパックを示しています。そしてルノー・ゾーイ。セル数のみが異なります：E-UP!のバッテリーパック。ルノー Zoë 204 のセル数は 192 です。

この例では、バッテリーパックは 10 つのモジュールからなる XNUMX つのパックで構成されています。各モジュールには、XNUMX 個の直列接続セルを並列に接続した XNUMX つのグループが含まれています。

直列接続：バッテリー電圧が上昇します。セル電圧 (リチウムイオン) が 3,2 ボルトの場合、3,2 つのバッテリーモジュールは (10 * 32) = XNUMX ボルトを供給します。
直列接続の欠点は、セルが不良になると直列接続全体の容量が低下することです。
並列接続：電圧は同じですが、電流と容量が増加します。不良セルは、それに並列接続されている回路内のセルには影響を与えません。

したがって、メーカーはモジュールごとに複数の並列回路を使用することを選択できます。したがって、フォルクスワーゲン E-ゴルフのモジュールでは (この例では XNUMX つ) ではなく、XNUMX つのグループのセルが並列に接続されています。

リチウムイオン電池の寿命は、放電と充電のサイクルが約 2000 回あり、その後、容量が初期充電容量の約 80% に減少します。

リチウムイオン電池の電圧は次のとおりです。

定格電圧: 3,6 ボルト;
放電限界: 2,5 ボルト;
最大充電電圧: 4,2 ボルト。

ほとんどのバッテリー管理システム (BMS) は、2,8 ボルトの下限を使用します。セルが 2,5 ボルトを超えて放電すると、セルが損傷します。セルの寿命が短くなります。リチウムイオン電池の過充電も寿命を縮めますが、危険でもあります。セルを過充電すると、可燃性になる可能性があります。セルの温度も寿命に影響します。0°C 未満の温度では、セルは充電されなくなる可能性があります。この場合、加熱機能が解決策を提供します。

スーパーコードコンデンサ（スーパーキャパシタ）：
前の段落では、さまざまな種類のバッテリーについて説明し、それぞれの用途、長所、短所について説明しました。このようなバッテリーを使用するすべての人が直面する欠点は、充電時間です。バッテリーパックの充電には数時間かかる場合があります。急速充電もオプションですが、これにより発熱が増加し、場合によってはバッテリーパックの劣化 (および損傷) が早くなる可能性があります。

現在、スーパーキャパシタに関して多くの研究開発が行われています。これらは「スーパーキャパシタ」または「ウルトラキャパシタ」とも呼ばれます。スーパーキャップを使用すると、これに対する解決策が得られる可能性があります。

充電は非常に速いです。
非常に迅速にエネルギーを放出 (放電) できるため、出力の大幅な増加が可能です。
電気化学反応が起こらないため、無制限の充電サイクル (少なくとも 1 万回) により、リチウムイオン電池よりも耐久性が高くなります。
前の点と部分的に関連しますが、スーパーキャパシタは、その寿命に悪影響を与えることなく完全に放電される場合があります。

スーパーコンデンサは、標準の電解コンデンサよりも数千倍高い容量とエネルギー密度を持つコンデンサです。容量は、イオンを含む特殊な電解質 (絶縁材料) を使用することで増加するため、プレート間の誘電率は非常に高くなります。セパレーター (薄い箔) をイオンを含む溶媒に浸し、プレートの間に置きます。プレートは通常カーボン製です。

示されているコンデンサの静電容量は 5000 F です。

スーパーキャパシタは、リチウムイオン HV バッテリーと組み合わせることができます。短時間の加速時には、HV バッテリーからのエネルギーの代わりにキャパシタからのエネルギーを使用できます。回生ブレーキを使用すると、コンデンサは数秒以内に完全に充電されます。将来の開発により、リチウムイオン電池をスーパーキャパシタパッケージに置き換えることも可能になるかもしれません。残念ながら、現在の技術では、リチウムイオン電池に比べて容量、したがって電力密度が低すぎます。科学者たちは、容量と電力密度を高める方法を模索しています。

バッテリーセルのバランス:
パッシブおよびアクティブのバッテリセルバランシングを通じて、各セルは ECU によって監視され、バッテリの健全な状態が維持されます。これにより、深放電や過充電が防止され、セルの寿命が延びます。特にリチウムイオン電池は厳しい制限内に収める必要があります。セルの電圧は充電状態に比例します。セルの電荷は可能な限り相互にバランスを保つ必要があります。セルバランスを使用すると、充電状態を 1 mV (0,001 ボルト) 以内で正確に制御できます。

パッシブバランシングは、充電状態が高すぎるセルを部分的に放電することにより、すべてのバッテリーセルの充電状態の平衡を確保します (これについては、このセクションで後ほど説明します)。
アクティブバランシングは、充電および放電中にセルを個別に制御できる、より複雑なバランシング技術です。アクティブバランシングを使用した場合の充電時間は、パッシブバランシングを使用した場合よりも短くなります。

次の画像では、XNUMX つのセルを備えたバッテリーモジュールが示されています。
90 つのセルは 100% まで充電されています。 30% まで充電し続けると、セルの寿命が短くなります。逆に、バッテリーが 30% を超えて放電すると、寿命も短くなります。充電状態が XNUMX% 未満では、セルは深く放電されます。

したがって、セルの充電状態は常に 30% ～ 90% になります。これは電子機器によって監視されていますが、車両のドライバーには見えません。
ダッシュボードのデジタル表示は、0% または 100% に達すると 30% または 90% を示します。

加齢により、一部の細胞が他の細胞よりも弱くなることがあります。これはバッテリーモジュールの充電状態に大きな影響を与えます。次の XNUMX つの画像は、経年劣化により XNUMX つのセルの容量が低下したときの充電状態を示しています。このような状況では、バッテリーセルのバランスが崩れています。

不良セルによる放電の高速化: 中央の XNUMX つのセルは容量が低いため、より高速に放電します。深放電を防ぐため、モジュール内の他の XNUMX つのセルはエネルギーを放出できなくなり、使用できなくなります。
不良セルが原因で完全に充電されません。中央の 90 つのセルの容量が低いため、より速く充電されます。他の XNUMX つのセルよりも XNUMX% 早く到達するため、それ以上充電することはできません。

容量の低いセルが、放電時 (走行中) と充電時の両方で制限要因となることは明らかです。バッテリーパックの全容量を最適に活用し、長寿命を確保します。

バッテリーバランスにはパッシブとアクティブの XNUMX つの方法があります。

バランスをとらない場合: 2 つのセルはすべて異なる充電状態になります。セル 4 はほぼ空で、セル XNUMX は完全に充電されています。
パッシブ: 最も容量の大きいセルが、最も弱いセル (この例ではセル 2) の充電状態に達するまで放電されます。セル 1、3、4 の放電は損失です。
この例では、ビーカーがセル 2 の充電状態に達するまで放電されることがわかります。
アクティブ: 満杯のセルからのエネルギーは、空のセルを満たすために使用されます。損失はなくなりましたが、ある細胞から別の細胞へのエネルギーの移動が発生しました。

パッシブセルとアクティブセルバランシングの動作原理を以下に説明します。

パッシブセルバランシング:
この例では、XNUMX つのバッテリーセルが並列に切り替え可能な抵抗 (R) と直列に接続されています。この例では、抵抗器はスイッチによってグランドに接続されます。実際には、これはトランジスタまたは FET です。

この例では、セル 3 が 100% ロードされていることがわかります。前の段落から、このセルは他の 3 つのセルよりも弱いため、より速く充電されることがわかりました。セル 100 の充電状態は XNUMX% であるため、他の XNUMX つのセルは充電されません。

セル 3 の両端に並列に配置された抵抗は、スイッチによって電流回路に組み込まれます。電流が流れるとすぐに抵抗器が電圧を吸収するため、セル 3 は放電します。放電は、セルが他のセルのレベルに達するまで続きます。この場合は90%です。

このモジュール内の XNUMX つのセルすべてが同じ充電状態にある場合、さらに充電できます。

パッシブセルバランスではエネルギーが失われ、並列接続された抵抗によって吸収された電圧が失われます。それにもかかわらず、多くの製造業者は今日に至るまで依然としてこのバランス調整方法を使用しています。

アクティブセルバランシング:
もちろん、アクティブセルバランシングの方がはるかに効率的です。満杯になったセルからのエネルギーは、空のセルを充電するために使用されます。以下にアクティブセルバランシングの例を示します。

この例では、3 つのセル (4 と 4) が直列に接続されており、電圧がそれらよりも高くなります (それぞれ 3,9 ボルトと 3 ボルト)。セル 4 は変圧器によって放電されます。一次側のFETにより放電が可能です。これによりトランス内のXNUMX次コイルが充電されます。二次側のFETはトランスの二次コイルをオンさせます。得られた充電電流は、別のセルの下にある変圧器に通電するために使用されます。セル XNUMX の下の変圧器も FET によってオンとオフが切り替えられます。