パウチセルバッテリーパックの計算方法:直列、並列、電圧、容量、kWh

パウチセルバッテリーパックの計算は、いくつかの簡単な公式から始まりますが、使いやすい設計には、電圧と容量を増やすだけでは不十分です。

直列接続によりパック電圧が決まります。並列接続はパック容量を決定し、現在の容量に影響します。セルの化学的性質、電圧制限、放電率、内部抵抗、温度、機械的圧縮、およびバッテリー管理システム (BMS) によって、計算された構成が意図したアプリケーションで安全に動作できるかどうかが判断されます。

このガイドでは、直列数と並列数、公称電圧、Ah、Wh、使用可能なkWhの計算方法について説明します。あ P70A 3.7V 70Ah NMC パウチセルが 主な例として使用されます。

この計算は、予備的なバッテリーのサイジングに適しています。最終的なモジュールおよびパックの設計は、最新のセル データシート、完全な負荷プロファイル、およびパックレベルのテスト結果に対して検証する必要があります。

重要なポイント

• セルを直列に接続すると電圧が増加します。 Ah 容量は増加しません。

• セルを並列接続すると Ah 容量が増加します。電圧は上がりません。

• Wh 単位のパックエネルギーは、公称パック電圧にパック容量を乗じたものに等しくなります。

• Wh を 1,000 で割って、結果を kWh に変換します。

• 銘板エネルギーと使用可能エネルギーは同じではありません。

• 連続電流は、公称電圧だけでなく、最低動作電圧でもチェックする必要があります。

• 最大充電電圧と放電電圧は、選択したセルのデータシートから取得する必要があります。

• パウチセルには、セル固有の機械的拘束、膨潤許容値、および熱設計が必要です。

• 最終的な BMS、ヒューズ、コンタクタ、および導体の定格は、単一のパーセンテージ ルールから選択することはできません。

1. 最初にバッテリーシステム要件を定義します

バッテリーパックは用途から逆算して選ぶ必要があります。セルを選択する前、または直列および並列構成を決定する前に、次の要件を定義します。

• 目標公称システム電圧

• 最大許容入力電圧

• 最低動作電圧

• 必要な銘板または使用可能なエネルギー

• 所要稼働時間

• 継続的な電力と電流

• ピーク電力、ピーク電流、ピーク持続時間

• 充電電力と充電時間

• 取り付け可能寸法

• 最大バッテリー重量

• 動作温度および保管温度

• 予想されるサイクル寿命

• 冷却方法

• 適用される認証および輸送要件

たとえば、「48V」として宣伝されているシステムは、モーター コントローラー、インバーター、DC/DC コンバーター、またはその他の接続された機器に応じて、非常に異なる最大電圧と最小電圧を受け入れる可能性があります。公表されているシステム電圧だけでは、正しいシリーズ数を判断するのに十分ではありません。

2. セルの仕様を理解する

計算には、選択したセルの承認された仕様を使用する必要があります。最も重要な入力は次のとおりです。

セルパラメータ	重要な理由
公称電圧	予備的なパック電圧とエネルギーの計算に使用されます。
推奨充電終止電圧	充電器の出力と通常の最大パック電圧を計算するために使用されます。
放電終止電圧	電圧の下限値を評価するために使用されます
定格または標準容量	予備的なAhとエネルギーを決定します
連続放電定格	現在の能力を判断するのに役立ちます
ピーク放電定格と持続時間	加速やモーター始動などの短い負荷イベントに使用されます。
直流内部抵抗	負荷時の電圧低下と抵抗熱の推定に役立ちます
充放電温度	許可される動作と電流ディレーティングを決定します
寸法と重量	モジュールのレイアウトとパックレベルのエネルギー密度の計算に必要
機械的予圧と膨張代	パウチセルモジュール設計に必要
サイクル寿命試験条件	予想耐用年数を正しく比較するために必要

同じ化学的性質を持つセルであっても、電圧制限、電流定格、温度範囲が異なる場合があります。すべての NMC、LFP、または LTO パウチ セルに 1 つのユニバーサル電圧設定を適用しないでください。

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3. セルの化学的性質の選択

化学的性質は、電圧計算、直列セル数、エネルギー密度、サイクル寿命目標、電力能力、熱戦略に影響します。

化学	一般的な暫定公称電圧	共通選択の優先順位
NMCパウチセル	約 3.6 ～ 3.73V (セルに応じて)	高エネルギー密度と小型軽量のバッテリーシステム
LiFePO4パウチセル	通常約3.2V	サイクル寿命、熱安定性、産業用途または定置用途
LTOパウチセル	通常約 2.3 ～ 2.4V	高出力、急速充電、低温動作、長いサイクル寿命

これらは暫定的な参考値であり、ユニバーサルデザインの設定ではありません。選択したセルの仕様に記載されている公称電圧、充電制限、および放電制限を常に使用してください。

4. リファレンスセル: P70A 3.7V 70Ah NMC パウチセル

主な計算例では、大判の P70A NMCパウチセル.

簡単な予備計算の場合、市場向きの値は次のとおりです。

• 公称電圧: 3.7V

• 公称容量クラス：70Ah

• 暫定公称電力量: 3.7V × 70Ah = 259Wh

• 最大連続吐出量:指定条件下で25℃で最大3℃

• 3C相当の概算電流：70Ah×3C＝210A

詳細なセル データにより、より具体的なテスト条件が提供されます。

• 公称電圧: 0.33Cで3.73Vまたは0.5Cで3.70V

• 標準容量: 0.33C で少なくとも 68.7Ah、または 0.5C で少なくとも 67.8Ah

• 計算上のエネルギー: 3.73V × 68.7Ah に基づいて約 256.3Wh

• 推奨充電終止電圧：4.3V

• 放電終止電圧：2.75V（記載の常温条件下）

• AC内部抵抗:指定されたテスト条件下で1.2mΩ以下

• DC内部抵抗：規定の試験条件下で3.0mΩ以下

3.7V と 70Ah の値により、基本的な公式が理解しやすくなります。最終的な工学計算、調達仕様、性能保証については、該当するデータシートの値とテスト条件を使用してください。

5. 直列接続による電圧上昇の仕組み

セルが直列に接続されている場合、1 つのセルまたは並列グループの正端子は次のセルまたは並列グループの負端子に接続されます。

直列接続すると電圧が増加しますが、Ah の容量は変わりません。

公称パック電圧 = 直列セル数 × 公称セル電圧

14S 構成で市場向け P70A の値を使用すると、次のようになります。

14 × 3.7V = 公称 51.8V

したがって、14S1P パックには次のものが含まれます。

• 公称電圧: 51.8V

• 容量: 70Ah

• セルの総数: 14

完全な電圧範囲も確認する必要があります。

推奨される P70A 充電カットオフ電圧を使用する場合:

14 × 4.3V = 60.2V

記載されている 2.75V の放電終止電圧を使用すると、次のようになります。

14 × 2.75V = 38.5V

したがって、該当する条件下での予備的な電圧範囲は約 38.5V ～ 60.2V になります。

14S NMC バッテリーは 48V クラスのシステムとして販売される場合がありますが、すべての 48V コントローラーまたはインバーターと自動的に互換性があるわけではありません。接続されているすべての機器は、完全なバッテリー電圧範囲に対してチェックする必要があります。

より詳細な説明については、を参照してください。 NMC パウチセル電圧: 制限と BMS 設定.

6. 並列接続により容量が増加する仕組み

セルが並列に接続されている場合、すべての正端子は一緒に接続され、すべての負端子は一緒に接続されます。

並列接続により Ah 容量が増加しますが、電圧は 1 つのセルまたは 1 つの直列グループに等しいままです。

パック容量 = 並列セル数 × セル容量

4 つの P70A セルを並列に使用:

4×70Ah = 280Ah

したがって、4P グループには次のものがあります。

• 公称電圧: 3.7V

• 容量: 280Ah

• セルの総数: 4

並列接続により電流容量も増加します。予備的なサイズ設定については、次のとおりです。

並列グループの電流能力 ≈ 並列セルの数 × 承認された単一セル電流

1 つの 70Ah クラス P70A セルが、指定されたテスト条件下で 3C で約 210A をサポートする場合、4 セル並列グループの理論上のセル レベル電流能力は約 840A になります。

ただし、これは自動的に安全なパック電流になるわけではありません。

最終的な電流制限は、次の中で承認された最小制限によって決まります。

• 細胞

• セルタブ

• バスバーまたはフレキシブルコネクタ

• 溶接またはボルト締めされたジョイント

• BMS

• コンタクタ

• ヒューズ

• ケーブルとコネクタ

• 冷却システム

• 許容温度上昇

並列電流共有は、セル抵抗、接続抵抗、バスバーの対称性、温度、セルのマッチングにも依存します。理論上の乗算の後には、常に電気的および熱的検証を行う必要があります。

7. 直並列パックの計算方法

14S4P 構成には 14 の直列接続グループが含まれており、各グループ内で 4 つのセルが並列接続されています。

総セル数は次のとおりです。

総セル数 = 直列数 × 並列数

14 × 4 = 56 セル

P70A の例の場合:

• シリーズ数: 14

• 並列数：4

• 総セル数: 56

• 公称パック電圧: 51.8V

• パック容量：280Ah

「14S4P」という用語は、並列グループ、BMS 検出ポイント、主電流経路、および保護デバイスを示す電気図によって裏付けられる必要があります。サプライヤーの図面を確認するときは、書かれた構成名だけに頼らないでください。

一部のバッテリー システムでは、パック レベルで並列に接続された個別に保護された直列ストリングを使用します。この配置により冗長性を提供できますが、BMS ユニット、コンタクタ、ヒューズ、通信システム間の慎重な調整が必要です。正しいトポロジは、プロジェクトの安全性、サービス、および障害分離の要件によって異なります。

8. WhとkWhの計算方法

バッテリーのエネルギーは通常、ワット時またはキロワット時で表されます。

パックエネルギー (Wh) = 公称パック電圧 × パック容量

同じ結果をセル数から直接計算することもできます。

パックエネルギー (Wh) = S × P × セル公称電圧 × セル容量

14S4P P70A の例:

• 公称パック電圧: 51.8V

• パック容量：280Ah

51.8V × 280Ah = 14,504Wh

Wh を kWh に変換します。

14,504Wh ÷ 1,000 = 14.504kWh

したがって、予備の銘板エネルギーはおよそ次のようになります。

14.50kWh

より控えめなデータシートのテスト値 3.73V および 68.7Ah を使用すると、次のようになります。

14×4×3.73V×68.7Ah＝約14.35kWh

この違いは、市場向けの容量クラスとデータシートでテストされた最小容量を同じものとして扱うべきではない理由を示しています。パックの性能を保証するには、該当する仕様値を使用してください。

セルレベルとパックレベルのエネルギーの違いについて詳しくは、 パウチセルのエネルギー密度の説明: Wh/kg、Wh/L、および使用可能なパックエネルギー.

9. P70Aパック簡易計算​​表

次の値は、予備的なサイジングに 3.7V と 70Ah を使用しています。

構成	セル数	公称電圧	容量	銘板エネルギー	80% 使用可能な SOC ウィンドウでの概算エネルギー
14S1P	14	51.8V	70Ah	3.63kWh	2.90kWh
14S2P	28	51.8V	140Ah	7.25kWh	5.80kWh
14S3P	42	51.8V	210Ah	10.88kWh	8.70kWh
14S4P	56	51.8V	280Ah	14.50kWh	11.60kWh

これらの値は暫定的なものです。実際に供給可能なエネルギーは、承認された電圧ウィンドウ、負荷電流、温度、セルの経年劣化、BMS 設定、およびシステム損失によって異なります。

10. ネームプレートのエネルギーと利用可能なエネルギー

銘板エネルギーは公称電圧と公称容量から計算されます。使用可能なエネルギーは、選択した動作ウィンドウ内でアプリケーションがアクセスできる量です。

早期の見積もりについては、次のとおりです。

使用可能エネルギー ≒ 銘板エネルギー × 使用可能 SOC ウィンドウ

14S4P P70A パックに 14.50kWh の予備ネームプレート エネルギーがあり、80% の SOC ウィンドウで動作する場合:

14.50kWh × 0.80 = 約11.60kWh

これは推定値であり、保証された出力ではありません。

実際に使用可能なエネルギーは次の影響を受けます。

• 電池の放電曲線

• 充電および放電の制限

• 吐出量

• 電圧低下

• 周囲温度とセル温度

• 細胞間の変動

• 健康状態

• BMS カットオフ戦略

• ケーブルとコンタクタの損失

• DC/DCコンバータ、モータコントローラまたはインバータの効率

バッテリーの耐用年数の終わり近くになっても使用可能なエネルギーを達成する必要がある場合は、初期のサイジングで耐用年数終了後の容量目標と変換効率も考慮することがあります。

必要な銘板エネルギー ≈ 目標使用可能エネルギー ÷ (使用可能な SOC ウィンドウ × 寿命末期の容量割合 × システム効率)

この式は、予備的なサイジングに役立ちます。最終的な性能は、セルの放電データとパックレベルのテストから検証する必要があります。

11. 電力から電流を計算する

バッテリー パックの設計者は、アンペア単位の電流値ではなく、kW 単位で必要な電力値から始めることがよくあります。

関係は次のとおりです。

電力 = 電圧 × 電流

したがって：

電流 = 電力 ÷ 電圧

14S P70A パックの公称電圧での 10kW 負荷の場合:

10,000W ÷ 51.8V = 約193A

バッテリー電圧が 38.5V まで低下したときにコントローラーが 10kW を維持しようとすると、次のようになります。

10,000W ÷ 38.5V = 約260A

これは、電流を公称電圧のみで計算すべきではない理由を示しています。定電力負荷の場合、バッテリ電圧が低下すると電流が増加します。

セル、BMS、バスバー、コンタクター、ヒューズ、ケーブルは、電圧、電力、温度、持続時間の関連する最悪の組み合わせで評価する必要があります。

12. 瞬低と発熱

負荷時のセル電圧は、緩和された開回路電圧よりも低くなります。簡略化した電圧降下推定値は次のとおりです。

瞬時電圧低下 ≒ 電流 × 直流抵抗

実際のパック抵抗には、セル抵抗以外のものも含まれます。これには次のものも含まれます。

• タブ

• バスバー

• ジョイント

• ヒューズ

• コンタクタ

• ケーブル

• コネクタ

• 並列電流分布の違い

抵抗熱の単純な推定値は次のとおりです。

電力損失 ≈ 電流 2 × 抵抗

したがって、単純化された抵抗モデルでは、熱は指数関数的にではなく、電流の 2 乗にほぼ比例して増加します。実際の発熱と温度上昇は、SOC、セル温度、抵抗変化、冷却条件、デューティ サイクルによっても異なります。

1kHz で測定された ACIR は、負荷電圧低下の予測に自動的に使用されるべきではありません。定義された負荷条件下で測定された DCIR は、一般に、事前の電圧低下と発熱の計算により関連性があります。

13. セルマッチングと並列電流共有

数学的計算では、すべてのセルが同一に動作することを前提としています。実際のセルには、容量、内部抵抗、開路電圧、自己放電、経年変化に違いがあります。

1 つのパックを対象としたセルは通常、次のように一致する必要があります。

• 化学とモデル

• 実用的な場合の生産バッチ

• 容量

• ACおよびDC抵抗

• 開放電圧

• 充電状態

• 自己放電

• 年齢と使用歴

著しく異なる SOC レベルのセルを直接並列接続しないでください。電圧差により、主にセルと接続抵抗によって制限される高い等化電流が発生する可能性があります。

容量の異なるセルは、容量に応じて電流を自動的に分割しません。電流分布は、内部抵抗、相互接続抵抗、温度、バスバーのレイアウトに大きく影響されます。新しい実稼働パックの場合は、同じ承認済みモデルの適合するセルを使用することが推奨されるアプローチです。

BMS 平衡回路は、大容量パウチ セル パック内の容量または抵抗の大きな差を迅速に補償することはできません。セルのグレーディングは、組み立て前に依然として重要です。

14. パウチセルの機械設計

パウチセルには硬い金属缶がありません。モジュール構造はセルの膨張を管理し、均一なサポートを提供し、ラミネートフィルムを保護し、信頼性の高い熱接触を維持する必要があります。

すべてのパウチセルに適用できる普遍的な膨張許容値や予荷重圧力はありません。

P70A の場合、利用可能な仕様は次のとおりです。

• 初期予圧：400～500N

• 指定膨潤係数：6%

• 機械的拘束なしでの長時間の操作は許可されません

• 圧力はセル表面全体に均一に分散される必要があります

これらの値は P70A に適用され、別のパウチ セル モデルに自動的にコピーされるべきではありません。

モジュール設計では以下を考慮する必要があります。

• エンドプレートとフレームの剛性

• 予圧方式

• 圧縮または膨張パッド

• セル厚さの許容差

• サポート終了後の拡張

• 電気絶縁

• タブとシールの保護

• 冷却面接触

• 製造およびサービスの許容誤差

詳細については、「」を参照してください。 バッテリーパック設計においてパウチセルの圧縮が必要な理由.

15. 熱管理

冷却要件を C レートだけから選択することはできません。密に詰め込まれたエンクロージャ内の 1C システムは、短いデューティ サイクルと効果的な冷却構造を備えた高電流システムよりも厳しい熱条件にさらされる可能性があります。

熱設計では以下を考慮する必要があります。

• セルの直流抵抗

• 連続電流

• ピーク電流と持続時間

• 充電電流

• モジュールの形状

• セル間隔

• 熱伝達方向

• 周囲温度

• 最大許容セル温度

• セル間の最大温度差

• 冷却システムの故障状態

考えられる戦略には、自然対流、強制空気、伝導性冷却プレート、液体冷却が含まれます。正しい解決策は発熱モデルから選択し、モジュールレベルの温度テストによって確認する必要があります。

温度センサーは、ホットスポットや接続抵抗により追加の熱が発生する可能性のある領域など、代表的な場所に配置する必要があります。

16. BMS と電気的保護

BMS は、正確なシリーズ数と承認されたセル電圧範囲をサポートする必要があります。 14S パックの場合、BMS は 14 個の直列接続されたセル グループを監視する必要があります。

BMS の選択では、次の点を考慮する必要があります。

• 細胞化学

• シリーズ数

• 通常の充電電圧目標

• 過電圧保護閾値

• 不足電圧保護しきい値

• 連続電流

• ピーク電流と持続時間

• 短絡検出

• 充放電温度

• センサーの数と配置

• バランス戦略

• 電圧および電流の測定精度

• コンタクタ制御

• 障害のログ記録と回復

BMS 過電圧しきい値は緊急保護設定であり、通常の充電器の目標ではありません。充電器は、日常的な BMS の切断に依存せずに、電圧と電流を正しく調整する必要があります。

また、すべての BMS、コンタクタ、またはヒューズの定格が予想電流の正確に 125% でなければならないという普遍的な規則もありません。適切な設計マージンは、コンポーネント、温度、デューティ サイクル、耐用年数、および適用される規格によって異なります。

ヒューズの選択には次の点を考慮する必要があります。

• 連続負荷電流

• ケーブルとバスバーの保護

• 直流定格電圧

• 利用可能な最大故障電流

• DC 遮断定格

• 時間-電流曲線

• I²t パフォーマンス

• BMS およびコンタクターとの調整

高電圧または高電力システムでは、メイン コンタクタ、プリチャージ回路、サービス切断、絶縁監視、および調整された障害分離も必要になる場合があります。

17. 実用的なバッテリーパックの計算ワークフロー

信頼性の高い予備計算は、次の順序で行うことができます。

1. 機器の完全な電圧範囲を定義します。

2. 必要な使用可能なエネルギー、連続電力、およびピーク負荷を定義します。

3. セルの化学的性質とセルのモデルを選択します。

4. 承認されたセル電圧制限および容量テスト条件を使用してください。

5. 必要な電圧範囲からシリーズ数を計算します。

6. エネルギー要件と電流要件の両方から並列数を計算します。

7. 総セル数、公称電圧、Ah、Wh、kWh を計算します。

8. 意図した SOC ウィンドウ内で使用可能なエネルギーを推定します。

9. 最低動作電圧での電流要件を確認してください。

10. 電圧低下、発熱、電流共有を確認します。

11. BMS、導体、接触器、保護デバイスを選択します。

12. 機械的拘束、断熱、冷却構造を設計します。

13. 意図した負荷と温度条件下でプロトタイプを構築し、テストします。

14. 必要な安全性、輸送性、およびアプリケーションの認証を完了します。

スプレッドシートで最初の計算を行うことはできますが、最終的なバッテリー システムを確認するにはテストが必要です。

18. パウチセルソリューションをリクエストする際に提供する情報

パウチセルまたはカスタマイズされたバッテリープロジェクトを評価するには、次の情報をできるだけ多く提供してください。

• 応用

• 目標公称電圧

• 最大および最小システム電圧

• 必要な使用可能エネルギーまたは稼働時間

• 連続電力または電流

• ピーク電力/電流と持続時間

• 充電時間または充電電流

• 最大寸法

• 最大重量

• 動作温度

• 予想されるサイクル寿命

• 冷却方法

• BMS通信要件

• 認定要件

• 試作と年間受注数量

Misen はセルの選択、グレーディング、モジュール構成、および カスタマイズされたバッテリー ソリューションの開発。 電動モビリティ、AGV、ロボティクス、産業機器、海洋システム、エネルギー貯蔵アプリケーション向けの

結論

基本的なバッテリー パックの計算式は簡単です。

公称パック電圧 = 直列数 × セル公称電圧

パック容量 = 並列数 × セル容量

パックエネルギー (Wh) = パック電圧 × パック容量

パックエネルギー (kWh) = パックエネルギー (Wh) ÷ 1,000

予備的な例として 3.7V 70Ah P70A セルを使用すると、14S4P 構成では次のことが可能になります。

• 51.8V公称電圧

• 公称容量280Ah

• 14.50kWhの予備銘板エネルギー

• 80% の使用可能な SOC ウィンドウを想定した場合、約 11.60kWh

これらの数値は設計プロセスの始まりにすぎません。最終的な性能は、電圧制限、放電条件、温度、セルのマッチング、電流分布、機械的圧縮、熱管理、BMS 設定、およびシステム損失によって決まります。

高エネルギー NMC パウチ セルを必要とするプロジェクトの場合は、 P70A 3.7V 70Ah パウチセルの仕様を確認 し、プロジェクトベースの評価のために電圧、エネルギー、電流、スペース、温度の要件を Misen に送信してください。

よくある質問

パウチセルバッテリーパックのkWhはどのように計算しますか?

公称パック電圧とパック容量 (Ah) を掛けて、Wh を求めます。 Wh の結果を 1,000 で割ると、kWh が得られます。

例えば：

51.8V × 280Ah = 14,504Wh = 14.504kWh。

セルを直列に接続するとAh容量は増加しますか?

いいえ、直列接続すると電圧が増加します。 Ah 容量は、1 つのセルまたは 1 つの並列グループに等しいままです。

セルを並列に接続すると電圧が上がりますか?

いいえ。並列接続により Ah 容量が増加し、電流容量が増加します。電圧は 1 つのセルまたは直列ストリングに等しいままです。

14S4P バッテリー パックにはセルが何個入っていますか?

14S4P パックには、各並列グループに 4 つのセルを含む 14 個の直列接続グループが含まれています。

14 × 4 = 56 セル。

14S P70A バッテリーはすべての 48V システムと互換性がありますか?

自動的ではありません。 P70A の基準値を使用すると、該当する条件下で 14S パックの公称電圧は約 51.8V、推奨充電カットオフ計算値は 60.2V、放電終了計算値は 38.5V となります。接続された機器は完全な動作範囲をサポートする必要があります。

P70A セルはどれくらいの連続電流を供給できますか?

入手可能な仕様には、記載された条件下で 25°C で 3C の最大連続放電速度が記載されています。市場向けの 70Ah 容量クラスに基づくと、これはセルあたり約 210A に相当します。最終的な電流制限は、該当するデータシートの条件とパックレベルの熱検証に従う必要があります。

異なる容量のパウチセルを並列接続できますか?

新しい実稼働パックには推奨されません。セルは通常、承認された同じ化学的性質とモデルを使用し、容量、抵抗、電圧、SOC、経年劣化状態が一致している必要があります。

使用可能なkWhは銘板kWhと同じですか？

いいえ。銘板のkWhは公称電圧と容量から計算されます。使用可能なエネルギーは、許容される SOC および電圧ウィンドウ、電流、温度、経年劣化、BMS 設定、およびシステム効率によって異なります。

パウチセルにはどのくらいの膨張スペースを許容する必要がありますか?

すべてのパウチセルに共通の割合はありません。機械設計は、選択したセルの予荷重、厚さの公差、および寿命末期の膨張要件に従う必要があります。入手可能な P70A 仕様では、膨潤係数が 6%、初期予圧が 400 ～ 500 N であることが示されています。