セルの仕様が明確であれば、LTO バッテリーの充電は難しくありません。通常、問題は LTO パックが NMC、LFP、または鉛蓄電池用に設計された充電器に接続されたときに始まります。
一般に LTO と呼ばれるチタン酸リチウムは、従来のグラファイト陽極リチウムイオン電池とは異なる動作電圧を使用します。また、比較的平坦な電圧曲線を備えており、選択されたパワータイプのセルでは高い充電電流を受け入れることができます。これらの特性により、LTO は AGV、産業機器、電動モビリティ、回生システム、および 1 日に数回サイクルするアプリケーションにとって魅力的になります。
また、充電器、BMS、および直列構成は、単にバッテリーの公称公称電圧に合わせて選択するのではなく、正確な LTO セルに合わせて選択する必要があることも意味します。
このガイドでは、LTO パウチ セルとカスタム バッテリー パックの設計に特に注意を払い、LTO バッテリーを正しく充電する方法を説明します。
ほとんどの LTO セルは CC/CV 充電プロセスを使用します。
充電器は、主充電段階中に定電流を供給します。
バッテリーが指定された充電電圧に達すると、充電器は定電圧制御に切り替わります。
充電電流は徐々に減少します。
電流がセルまたはバッテリー パックに指定された終了条件に達すると、充電が終了します。
これは他のリチウムイオン電池の充電と似ていますが、電圧設定が異なります。
市販の LTO セルの公称電圧は通常、セルあたり約 2.3 V または 2.4 V です。指定された上限充電電圧は、セルの設計に応じて、多くの場合 2.7V ～ 2.8V の範囲になります。
これらは一般的な値であり、普遍的な設定ではありません。正しい電圧、充電電流、終端電流、および温度制限は、常に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。
3.2V LFP セルまたは 3.6V/3.7V NMC セル用に設計された充電器は、LTO 電圧範囲に合わせて再プログラムできない限り使用できません。
最初のステップは、セル仕様から 4 つの値を確認することです。
| パラメータ | 典型的な LTO 範囲 | 重要な理由 |
|---|---|---|
| 公称セル電圧 | 約2.3V～2.4V | バッテリーの公称システム電圧を表すために使用されます。 |
| 最大充電電圧 | 通常 2.7V ～ 2.8V | 充電器の定電圧設定を決定します |
| 推奨放電カットオフ | モデル固有の | 使用可能なエネルギーと BMS 不足電圧設定に影響します |
| 標準および最大充電電流 | モデル固有の | 充電時間、ケーブルサイズ、熱負荷を決定します |
公称電圧だけで充電器を選択しないでください。 2 つの LTO セルは両方とも 2.4V 製品として記述される場合がありますが、推奨充電電圧、電流制限、または温度制限が異なります。
また、最大充電電圧を、あらゆる用途における日常の最適な動作電圧として扱うべきではありません。最大の利用可能容量に焦点を当てたプロジェクトでは、長い耐用年数、低い温度上昇、または継続的なスタンバイ動作に焦点を当てたプロジェクトとは異なる動作ウィンドウが使用される場合があります。
したがって、動作ウィンドウはバッテリーシステムレベルで決定する必要があります。
直列に接続されたセルの場合、パック充電電圧は次のように計算されます。
パック充電電圧 = セル充電電圧 × 直列セル数
たとえば、選択した LTO セルの指定充電電圧が 2.7V の場合、次のようになります。
6Sパック：2.7V×6＝16.2V
10Sパック：2.7V×10＝27.0V
20Sパック：2.7V×20＝54.0V
別のセルが 2.8V に充電するように指定されている場合:
6Sパック：2.8V×6＝16.8V
10Sパック：2.8V×10＝28.0V
20Sパック：2.8V×20＝56.0V
どちらのバッテリーも LTO 化学を使用しているにもかかわらず、その違いは充電器に互換性がなくなるほど大きいです。
これは、鉛酸バッテリー、LFP バッテリー、または NMC バッテリーを交換する場合に特に重要です。製品は「12V」、「24V」、または「48V」バッテリーとして販売されている場合がありますが、その説明は実際の動作範囲を定義するものではありません。
直列の LTO セルの数を決定する前に、次のことを確認してください。
機器入力電圧範囲
最大許容システム電圧
最低動作電圧
充電器の出力範囲
BMS 電圧しきい値
ピーク負荷時の電圧降下
回生充電時の電圧上昇
完成したバッテリーは、完全充電から許容される最低充電状態まで、機器との互換性を維持する必要があります。
充電電流は通常、C レートとして表されます。
20Ah セルの場合:
0.5C は 10A に相当します
1C は 20A に相当します
2C は 40A に相当します
5C は 100A に相当します
LTO は強力な充電受け入れで知られていますが、すべての LTO セルが高出力セルであるわけではありません。モデルによっては、高エネルギー向けに設計されたもの、高出力向けに設計されたもの、およびその 2 つのバランスを考慮して設計されたものもあります。
チタン酸リチウムを使用しているという理由だけで、LTO セルが 5C または 10C の充電をサポートしていると想定しないでください。許容充電電流は、セルのモデル、温度、充電状態、冷却条件、必要な耐用年数によって異なります。
新しいバッテリー設計の場合は、メーカーの標準充電電流から始めます。より高い充電速度は、以下を確認した後にのみ使用してください。
最大連続充電電流
回生充電のピーク電流と持続時間
セル表面温度
タブ温度
充電時の電圧上昇
接続抵抗
セル間の温度差
充電器と BMS の電流定格
ケーブル、コネクタ、ヒューズ、バスバーの容量
制御された実験室条件下で測定されたセル仕様は、緊密に組み立てられたモジュール内の温度を自動的に予測しません。圧縮プレート、断熱材、間隔、パックの筐体はすべて熱放散に影響します。
急速充電アプリケーションの場合、完成したモジュールはセル容量だけから評価するのではなく、実際の充電プロファイルでテストする必要があります。
定電流段階では、バッテリー電圧が上昇する間、充電器はプログラムされた電流を供給します。
パックが目標充電電圧に達すると、充電器は定電圧段階に入ります。その後、電流が徐々に減少する間、電圧を保持します。
これら 2 つの段階間の移行は充電器によって制御される必要があります。 BMS は保護システムであり、通常の充電サイクルを終了するための主な方法ではありません。
1 つのセルが過電圧しきい値に達したために BMS が繰り返し充電器を切断する場合、考えられる原因は次のとおりです。
間違った充電器電圧
セルのマッチングが不十分
アンバランスなパック
過大な充電電流
高抵抗接続
不正確な電圧検出
1 つの弱いセルまたは損傷したセル
セルと一致しない BMS しきい値
BMS がトリップするまで繰り返し充電することは、適切な充電制御方法ではありません。 BMS が過電圧保護をアクティブにする必要がある前に、充電器は通常の CV 目標に到達する必要があります。
LTO バッテリーには、選択した LTO セルに適した電圧設定を備えた BMS が必要です。
固定パラメータの NMC または LFP BMS は、過充電、過放電、およびバランスのしきい値が異なる電圧範囲に基づいているため、通常は適していません。プログラム可能な BMS は、その調整範囲と測定精度が LTO セルの要件を満たしている場合にのみ使用できます。
BMS は以下について評価する必要があります。
直列セルの数
セルの過電圧保護
セルの低電圧保護
充放電電流
過電流遅延
短絡保護
バランス開始電圧
平衡電流
温度監視
電圧測定精度
電流測定精度
SOC の推定
必要に応じてCAN、RS485、またはUART通信
充電器の目標電圧と BMS 保護電圧を調整する必要があります。 BMS の過電圧設定は保護制限であり、充電器の通常の CV 設定の代わりとなるものではありません。
LTO セルは、比較的平坦な動作電圧曲線を持つことができます。このため、電圧のみから SOC を推定することは、産業用機器にとっては十分な精度ではない可能性があります。正確な SOC レポートが重要な場合は、実際のセルに基づくモデルと組み合わせたクーロン カウンティングが必要になる場合があります。
すべての直列接続バッテリーにはセルバランスを監視する方法が必要ですが、アクティブバランスはすべての LTO パックで必須ではありません。
次の場合には、パッシブバランスで十分な場合があります。
細胞は厳密に一致しています
直列セルの数は比較的少ない
バランスをとる時間は許容範囲内です
充電電流は中程度です
動作中のセルドリフトは小さいまま
アクティブ バランシングは、次のような場合に役立ちます。
パックには多数のセルが直列に含まれています
充電機会が短い
バッテリーは高出力で動作します
利用可能なバランス調整時間は限られています
システムはエネルギーを熱として放散するのではなく、回収する必要があります。
パッシブバランシングだけではセル間の変動を制御するのは困難
バランス戦略は、実際のパックの動作から選択する必要があります。高電流アクティブ バランサーを取り付けても、低品質のセル、不適切な電圧設定、弱い電気接続は修正されません。
組み立て前のセルのマッチングは引き続き重要です。
LTO パウチセルプロジェクトの場合、マッチングには以下が含まれる場合があります。
能力テスト
開放電圧比較
AC内部抵抗
直流内部抵抗
自己放電またはK値スクリーニング
厚み・寸法検査
タブとシール部分の検査
バッチおよび製造日のトレーサビリティ
適切に適合したパックは通常、より多くの使用可能な容量を提供し、1 つの不一致セルによって早期に保護限界に達する可能性が低くなります。
LTO はバッテリーの化学的性質を表します。ポーチ、円筒形、および角柱形は、物理的なセルの形式を表します。
LTOパウチセルは、硬い金属缶ではなく、ラミネートされたエンクロージャを使用します。これにより、非アクティブ重量が軽減され、平らなバッテリーコンパートメントを効率的に使用できます。また、モジュールの機械的および電気的要件も変わります。
LTO アノード材料に関連する「ゼロひずみ」の動作は、完全なパウチセルの厚さが決して変化しないことを意味するものではありません。
セルの厚さは、充電状態、温度、経年劣化、ガス発生、および他のセル材料の設計によって影響を受ける可能性があります。モジュールは、過剰な圧力や不均一な圧力を加えずに、制御されたサポートを提供する必要があります。
設計には以下を含める必要があります。
平らで絶縁された支持面
セル仕様で必要な場合は圧縮を制御
製造公差と通常の厚さの変更のためのスペース
鋭いエッジや点荷重からの保護
振動や動きに対するサポート
筐体からの電気的分離
選択したセルの圧縮要件を確認する必要があります。 1 つのパウチ セルに使用される圧力値は、自動的に別のパウチ セルに適用されるべきではありません。
パウチセルタブには、慎重な機械的サポートと適切な接合プロセスが必要です。製品によっては、プラスタブとマイナスタブで異なる材質が使用されている場合があります。
モジュール設計者は以下を確認する必要があります。
タブ材質
タブの幅と厚さ
許容曲げ方向
溶接または接合方法
電流密度
接合抵抗
ストレインリリーフ
パウチシール部との隙間
充電電流が高いと、タブの接続不良がすぐに露呈する可能性があります。セル本体が通常の温度範囲内にある場合でも、接合部での局所的な加熱が発生する場合があります。
温度センサーは、充電中に意味のある変化を検出できる場所に配置する必要があります。エンクロージャ内の周囲空気のみを測定しても、ホットタブ、バスバー、または接続が明らかにならない場合があります。
プロトタイプのテストでは次のことを記録する必要があります。
セル表面温度
正および負のタブ温度
接続温度
周囲温度
セル間の温度差
CC および CV ステージ中の温度上昇
許容温度はセルとパックの仕様に基づく必要があります。すべての LTO 製品に 1 つの汎用停止温度を使用するべきではありません。
厳選された LTO セルは、多くのグラファイトアノード リチウムイオン セルよりも優れた低温充電性能を提供します。これが、LTO が冷蔵設備、屋外産業システム、寒冷地で動作する車両に検討される理由の 1 つです。
ただし、低温機能はモデルによって異なります。
-30°C で動作すると記載されているセルには、次の制限が異なる場合があります。
充電と放電
連続電流とパルス電流
利用可能な容量
電圧降下
充電時間
サイクル寿命性能
温度が下がると、許容充電電流を減らす必要がある場合もあります。
メーカーが特に許可しない限り、-20°C または -30°C での室温急速充電速度を適用しないでください。 BMS はバッテリー温度を測定し、承認された範囲外での充電を減らすか停止する必要があります。
重要なプロジェクトの場合、完成したモジュール、充電器、BMS、エンクロージャを使用して低温テストを完了する必要があります。
基本的な CC/CV 方法は変わりませんが、充電システムはアプリケーションのデューティ サイクルを反映する必要があります。
AGV やロボットは、タスク間の短い休憩中に充電することがよくあります。これはオポチュニティ チャージとして知られています。
これらのシステムの場合、バッテリー設計者は以下を評価する必要があります。
充電可能時間
充電機会の間に必要なエネルギー
最大充電器電力
コネクタの電流とサイクル寿命
1 日あたりの部分サイクル数
次の充電時のセル温度
充電器、BMS、車両間の通信
高い充電速度は、充電器、コネクタ、および施設の電源が確実に充電速度をサポートできる場合にのみ役立ちます。
電気自動車、クレーン、産業用ドライブは、ブレーキをかけたり負荷を下げたりするときにエネルギーをバッテリーに戻すことがあります。
BMS とセルは、実際の SOC と温度で最大回生電流を受け入れることができなければなりません。バッテリーが冷えている場合、またはすでに上限電圧に近づいている場合は、回生充電を減らす必要がある場合があります。
制御システムは、回生イベント中にバッテリーを突然切断する BMS に依存すべきではありません。
太陽光発電およびバックアップ用途には、プログラマブル充電コントローラーを使用する必要があります。
鉛酸イコライゼーション設定を無効にする必要があります。フロート充電または連続定電圧充電は、選択した LTO セルで許可され、バッテリー システム設計でサポートされている場合にのみ使用してください。
充電コントローラー、BMS、およびインバーターは、互換性のある電圧制限を使用する必要があります。公称「48V」ラベルだけでは互換性を確認するのに十分ではありません。
LTO は、バッテリーの最小重量よりも急速充電、頻繁なサイクリング、または低温でのパフォーマンスが重要な場合に魅力的です。
航続距離、エネルギー密度、コンパクトなサイズが主な優先事項である場合、NMC パウチ セルがより良い選択肢となることがよくあります。極端な充電性能よりもコスト、熱安定性、および一般的なサイクル寿命が重要な場合には、LFP が推奨される場合があります。
化学的性質は、公表されている 1 つの仕様ではなく、アプリケーション要件から選択する必要があります。
充電器の電圧が LTO の動作ウィンドウと一致しません。これにより、過電圧保護、不完全な充電、またはセルの損傷が発生する可能性があります。
24V 製品として販売されている 2 つのバッテリーは、最大充電電圧が大きく異なる場合があります。全動作範囲を確認する必要があります。
高出力および高エネルギーの LTO セルの電流能力は同じではありません。実際の充電電流仕様を使用してください。
充電器は CC/CV プロセスを制御する必要があります。 BMS の過電圧保護は、バックアップの安全機能として維持する必要があります。
1 つの高抵抗セルまたは低容量セルがパックの残りのセルよりも先に電圧制限に達し、使用可能なエネルギーが減少し、BMS の早期シャットダウンが発生する可能性があります。
LTO セルが異なれば、電圧と温度の要件も異なる場合があります。 BMS 設定は、選択したセルに従う必要があります。
通常の合計電圧は、すべての直列セルが範囲内にあることを保証しません。個々のセルの電圧を監視する必要があります。
不適切な圧縮、サポートされていないタブ、または鋭い接触面は、電気的設定が正しい場合でも機械的損傷を引き起こす可能性があります。
セルが電流制限に達する前に、ケーブル、コネクタ、タブ ジョイント、またはバスバーが過熱する可能性があります。
| 項目 | LTO | NMC | LFP |
|---|---|---|---|
| 典型的な公称セル電圧 | 約2.3V～2.4V | 約3.6V～3.7V | 約3.2V |
| 代表的な上限充電電圧 | モデル固有、多くの場合 2.7V ～ 2.8V | 一般に約 4.2V、モデル固有 | 一般に 3.65V 付近、モデル固有 |
| 主な強み | 急速充電、高サイクルスループット、および低温の可能性 | 高いエネルギー密度と軽量なバッテリー | サイクル寿命、熱安定性、コスト |
| 充電に関する重要な問題 | 正しい LTO 電圧ウィンドウと電流能力 | 上限電圧と温度制御 | 低温充電と正確なSOC推定 |
| 一般的なアプリケーションの優先順位 | 使用率が高く、充電期間が短い | 範囲、重量、限られた設置スペース | 一般的なストレージおよび産業用の信頼性 |
これらの値は、化学的比較のみを目的として提供されています。最終設定は、選択したセルの仕様に基づいて行う必要があります。
新しく構築した LTO バッテリー パックを充電する前に、次のことを確認してください。
セルモデルとデータシートは検証済みです。
すべてのセルは、承認され追跡可能なバッチから採取されます。
容量、電圧、抵抗のマッチングはプロジェクトの要件を満たします。
直列および並列構成は正しいです。
セルの極性とセンシングワイヤの順序がチェックされています。
充電器の CC および CV 設定はセルの仕様と一致します。
BMSの電圧、電流、温度設定が見直されました。
バランス動作確認済みです。
すべての接続には許容可能な抵抗があります。
パウチセルは機械的にサポートされ、電気的に絶縁されています。
温度センサーは意味のある場所に設置されています。
最初の充電では、セルの電圧、温度、電流が監視されます。
完成したパックは実際の機器負荷の下でテストされます。
保護機能は実稼働前に検証されます。
初期充電とパックの試運転は、適切なテスト機器を使用して資格のある担当者が実行する必要があります。一般的なオンライン電圧設定は、セル製造元の仕様を置き換えることはできません。
通常はそうではありません。従来の NMC リチウムイオン バッテリーの充電器は通常、LTO よりもはるかに高いセル電圧を使用します。選択したセルとシリーズ数に合わせて構成された LTO 充電器またはプログラム可能な CC/CV 充電器を使用します。
市販の LTO セルは通常、2.7V ～ 2.8V の範囲の上限充電電圧を使用しますが、正確な値はモデルによって異なります。常にセルのデータシートに従ってください。
固定パラメータの LFP BMS は通常、適切ではありません。選択した LTO セルに対して電圧範囲、測定精度、保護設定を構成できる場合は、プログラマブル BMS を使用できます。
最大充電率はモデルによって異なります。一部のパワータイプの LTO セルは高速充電をサポートしますが、エネルギータイプのセルには制限が低い場合があります。温度、SOC、冷却、およびバッテリー寿命の要件も、許容電流に影響します。
いつもではありません。アクティブ バランシングは、大規模、高出力、または充電時間の短いシステムで役立ちますが、適切に適合したパックはパッシブ バランシングでも効果的に動作する可能性があります。決定は、セルのドリフト、パック サイズ、および利用可能なバランシング時間に基づいて行う必要があります。
一部のモデルは氷点下でも充電できますが、許容温度と充電電流はセルによって異なります。データシートを確認し、必要な低温条件下で完成したパックを検証してください。
LTO は一般に熱安定性が高く、高速充電または低温充電中にリチウムめっきの傾向が軽減されます。ただし、充電式バッテリーは完全にリスクがないとは言えません。完成したバッテリーには、適切な保護、絶縁、融着、機械設計、テストが必要です。
どちらの形式が常に優れているというわけではありません。 LTO パウチセルは、効率的なスペース利用、少ないセル数、柔軟なモジュール構造を提供します。円筒形セルは、剛性の高い個別のハウジングと標準化された組み立て方法を提供します。正しい選択は、電流、寸法、重量、冷却および生産要件によって異なります。
正しい充電システムは、一般的な充電器ラベルではなく、セルから始まります。
味仙の供給と評価 LTO パウチ セル。 産業機器、AGV、電動モビリティ、エネルギー貯蔵、カスタム バッテリー モジュール用のセルの選択、サンプルテスト、セルのマッチング、BMS評価、パックの統合をサポートします。
技術的な推奨事項については、次の情報を提供してください。
応用
必要な公称電圧
必要な容量またはエネルギー
連続放電電流
ピーク放電電流と持続時間
最大充電電流
利用可能なバッテリーの寸法
使用温度範囲
充電時間
1 日あたりの予想サイクル数
通信要件
試作・生産数量
これらの要件に基づいて、ミセンは、LTO、NMC、またはLFPパウチセルが充電速度、エネルギー密度、耐用年数、重量、システムコストの最適なバランスを提供するかどうかを評価できます。
LTO セルのフォーマットとアプリケーションのより広範な比較については、以下を参照してください。 LTOバッテリーとは何ですか?利点、制限、および細胞の種類.
さまざまなパウチセルの化学的性質をまだ比較している場合は、次を参照してください。 カスタムバッテリーパック用のパウチセルを選択する方法.
