リチウムセルの一貫性はバッテリーパックにどのような影響を与えますか?

木製の樽が保持できる水の量は、最も短い板によって決まります。これは「樽の原理」として知られています。

リチウムイオンバッテリーパックを水を入れる樽に例えると、バッテリーパックを構成する個々のリチウムセルが木の板に相当します。最も性能の低い単一のセルの性能が、バッテリーパック全体の性能を決定します。

リチウムイオンバッテリーパックの組み立て（PACK）において、セルの均一性は非常に重要です。セルの均一性が低いパックは、容量、サイクル寿命、充放電特性など、その性能に悪影響を及ぼします。充放電サイクル数が増えるにつれて、この影響は大きくなります。しかし、この「樽の原理」の影響はどの程度大きいのでしょうか？

リチウムイオンバッテリーパックは「樽の原理」に従います

その大きな理由の一つは、バッテリーマネジメントシステム（BMS）による管理と制御です。リチウムバッテリーパックのBMSには、個々のセルの過充電と過放電に対する保護が含まれています。これにより、リチウムイオンセルが充放電中に安全で信頼性の高い電圧範囲内で動作し、過充電や過放電による性能劣化、寿命の短縮、さらには安全上の危険を防ぎます。

バッテリーパックの放電中の均一性の影響

三元系リチウム（NMC/NCA）セルを例にとります。その単一セルの放電カットオフ電圧は通常2.5Vで、BMSは通常、単一セルの過放電保護を2.8Vに設定します。BMSの保護ロジックは、パック内のいずれかのセルが2.8Vに達すると、過放電保護がトリガーされます。放電MOSFETまたはリレーが開き、パック全体の放電が停止します。

10シリーズ1パラレル（10S1P）の三元系リチウムバッテリーパックを考えてみましょう。10個のセルのうち、最も容量の低いセルが2000mAhで、他の9個のセルはすべて2500mAhの容量を持っているとします。パックが放電すると、10個のセルが同時に放電します。セルの電圧は、その容量が減少するにつれて低下します。容量の低い2000mAhのセルが完全に放電すると、その電圧は2.8Vに達します。この時点で、他の9個のセル（2500mAh）にはまだ残りの容量があり、電圧は3.0Vを超えています。しかし、BMSが1つのセルストリングの電圧が2.8Vに達したことを検出したため、パックの過放電保護をトリガーし、パック全体の放電を停止します。その結果、パックの利用可能な放電容量は2000mAhに制限されます。

充電中の均一性の影響も、放電シナリオと同様です。

三元系リチウムセルは4.2Vで完全に充電されます。BMSは通常、単一セルの過充電保護を4.25Vに設定します。セルが充電されると、その電圧は容量の増加とともに上昇します。容量の低い2000mAhのセルが完全に充電され、その電圧が4.25Vに達すると、他の9個のセルはまだ完全に充電されていません（おそらく4.1V未満）。それでも、BMSは1つのセルストリングが4.25Vを超えていることを検出し、パックの過充電保護をトリガーし、パック全体の充電を停止します。これにより、パックは2000mAhの充電しか受け入れられません。

これが「樽効果」の現れ方です。容量が最も低いセルが、バッテリーパック全体の充放電容量を決定します。

パックのサイクル寿命と充放電特性に対する均一性の影響も、「樽の原理」に従います。パック全体の性能は、最もサイクル寿命と充放電特性が低い単一のセルによって決定されます。

バッテリーパックの均一性をどのように制御できますか？

バッテリーパックの均一性には、開回路電圧、容量、内部抵抗などのパラメータが含まれます。より深いレベルでは、K値（自己放電率）、サイクル寿命、充放電曲線特性などの要因も含まれます。

PACKの組み立て前に、セルは選別とマッチングが行われます。一般的なマッチング基準は次のとおりです。

• 容量偏差：1％以内に制御

• 電圧差：3mV以内

• 内部抵抗（IR）差：2mΩ以内

K値、サイクル寿命、充放電特性などの要因については、セルの製造元で均一性を制御する必要があります。これには以下が含まれます。

• 同じ製造バッチ内のセルに同一の材料システムを使用する。

• 量産における不良率を制御する。

• セルの量産プロセスを標準化し、自動化する。

要約すると：

リチウムバッテリーパック内のセルの均一性を厳密に制御することにより、「樽の原理」の影響下であっても、パックの性能を最大限に最適化できます。