リチウムイオン電池保護基板の役割

リチウムイオン電池保護基板は、バッテリー管理システム (BMS) または保護回路モジュール (PCM) と呼ばれることがあり、リチウムイオン電池の管理と保護において重要な役割を果たします。主な機能は次のとおりです。

過充電保護

BMS は、バッテリー パック内の個々のセルの電圧を監視します。いずれかのセルが最大安全電圧レベルに達すると、BMS は充電源を切断して、過熱、膨張、さらには発火につながる可能性のある過充電を防ぎます。

過放電保護

同様に、BMS は放電中のセル電圧を監視します。いずれかのセルが安全な電圧レベルを下回ると、BMS は負荷を切断して過放電を防止します。これにより、バッテリーが損傷したり、使用できなくなる可能性があります。

短絡保護

バッテリーパック内の短絡または外部短絡が発生した場合、BMS は電流の流れを遮断して、熱暴走を引き起こして安全上の問題を引き起こす可能性のある過剰な電流の流れを防ぎます。

温度管理

BMS はバッテリーセルの温度を監視し、温度が安全限界を超えた場合に保護措置をトリガーできます。これには、バッテリーパックを一時的にシャットダウンしたり、充電/放電電流を制限したりすることが含まれます。

細胞のバランスをとる

マルチセルのリチウムイオン バッテリ パックでは、個々のセルの容量や電圧が若干異なる場合があります。 BMS は、充電中にセル間で電荷を再分配することでセルのバランスをとり、各セルが同じ充電状態と電圧に達するようにし、全体的なバッテリ寿命を延長します。

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容量の監視

BMS は、バッテリーの全体的な健全性、容量、サイクル数を追跡します。この情報は、バッテリの残り寿命を判断し、バッテリの交換が必要になる時期を特定するのに役立ちます。

通信とデータロギング

一部の高度な BMS は、バッテリ充電器やバッテリ監視システムなどの外部システムに接続するための通信インターフェイス (SMBus、I2C など) を提供します。また、バッテリーのパフォーマンスや安全イベントに関連するデータをログに記録することもできます。

アラームと保護アラート

BMS が障害または異常な状態を検出すると、LED や警告音などのアラームまたはアラートをトリガーして、ユーザーまたはオペレーターに問題を通知します。

安全性の遵守

BMS は、リチウムイオン バッテリー パックが安全性および規制基準 (Underwriters Laboratories (UL) などの組織によって設定されている基準など) を確実に満たしていることを確認するために不可欠です。

全体として、リチウムイオン電池保護基板は、電圧、電流、温度を管理し、バランスのとれたセル動作を保証することにより、リチウムイオン電池パックの安全性、性能、寿命を最大化するために非常に重要です。これは、家庭用電化製品から電気自動車、再生可能エネルギー貯蔵システムに至るまで、さまざまな用途において重要なコンポーネントです。

過充電保護電圧

過充電保護電圧は、過充電しきい値または限界と呼ばれることが多く、リチウムイオン電池が完全に充電されているとみなされる最大電圧レベルであり、過充電を防ぐためにこれ以上充電すべきではありません。これは、バッテリの製造元によって設定され、バッテリを過充電から保護するためにバッテリ管理システム (BMS) または保護回路モジュール (PCM) にプログラムされる重要なパラメータです。

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具体的な過充電保護電圧は、リチウムイオン電池の種類と化学的性質、および電池パックで使用される BMS または PCM の設計と仕様によって異なります。ただし、一般に、ほとんどのリチウムイオン電池の過充電保護電圧は、セルあたり 4.2 ～ 4.3 ボルトの範囲内にあります。

たとえば、単一セルのリチウムイオン バッテリを使用している場合、通常、過充電保護電圧は 4.2 ボルトに設定されます。これは、充電中にそのセルの電圧が 4.2 ボルト以上になると、BMS または PCM が充電電源を切断して、セルのさらなる充電や過充電を防ぐ措置を講じることを意味します。

過充電保護電圧を超えると、過熱、膨張、さらには火災や爆発の危険など、安全上の危険が生じる可能性があることに注意することが重要です。したがって、安全で適切な動作を確保するには、これらの電圧制限を順守するように設計された充電器と充電システムを使用し、メーカーの仕様で意図されている範囲でのみリチウムイオン電池を使用することが重要です。

過電流保護電圧

過電流保護電圧は、過電流しきい値または制限とも呼ばれ、バッテリー管理システム (BMS) や保護回路モジュール (PCM) などのリチウムイオン電池保護回路が作動して制限または中断する電圧レベルです。バッテリーに有害となる可能性のある過剰な電流の引き込みや放電を防ぐために、バッテリーパック内の電流の流れを遮断します。

具体的な過電流保護電圧は、バッテリー保護回路の設計と仕様、およびアプリケーションによって異なります。通常、バッテリから引き出される電流が安全な動作限界を超えるレベルに設定されます。保護回路内の電流検出素子 (シャント抵抗器など) の両端の電圧が過電流保護電圧に達するかそれを超えると、保護回路は電流を制限するか負荷を切断する動作を実行します。

過電流保護電圧は、バッテリーとそれを使用するデバイスまたはシステムを次の状況から保護するように設計されています。

短絡

バッテリーパック内または外部回路で短絡が発生した場合、電流が劇的に増加する可能性があります。過電流保護が作動し、安全上の危険、過熱、または損傷につながる可能性のある過剰な電流の流れを防ぎます。

過負荷

接続されたデバイスまたはシステムがバッテリーが安全に供給できる以上の電流を消費する場合、過電流保護によって電流が制限され、潜在的な損傷からバッテリーを保護できます。

異常状態

過電流保護は、デバイスの誤動作や故障など、突然の電流サージを引き起こす異常状態がバッテリーに発生した場合にも作動することがあります。

過電流保護の具体的な電圧レベルは、バッテリーの容量、化学的性質、保護回路の設計によって異なります。多くの場合、これはバッテリーの仕様と安全要件に基づいて慎重に選択されたしきい値です。

過剰な電流は熱暴走を引き起こし、バッテリーの故障、火災、またはその他の危険な状況を引き起こす可能性があるため、過電流保護は重要な安全機能であることに注意することが重要です。適切に設計および校正された過電流保護は、さまざまな用途でリチウムイオン電池を安全に動作させるために不可欠です。

過放電回復電圧

過放電回復電圧は、リチウムイオン電池の管理における重要なパラメータであり、通常は電池パック内の電池管理システム (BMS) または保護回路モジュール (PCM) に関連付けられています。この電圧レベルは、バッテリーが一時的に切断されたり、過放電により低電力状態になったりした後に、BMS がバッテリーを通常動作に再開できるポイントを表します。

過放電回復電圧の仕組みは次のとおりです。

電圧の監視

BMS は、放電中にバッテリー パック内の各セルの電圧を継続的に監視します。いずれかのセルの電圧が特定のしきい値以下に低下すると、過放電とみなされます。過放電はバッテリーの損傷や寿命の低下につながる可能性があります。

過放電保護

過放電を防ぐために、BMS は 1 つ以上のセルの電圧が過放電保護しきい値を下回ったことを検出するとアクションを実行します。通常、このアクションには、さらなる放電を防ぐために負荷 (バッテリーを使用するデバイスまたはシステム) を切断することが含まれます。

復帰電圧

過放電回復電圧は、過放電状態が修正された後に BMS がバッテリーを通常の動作に再開できるようにする電圧レベルです。セルの電圧がこの回復しきい値を超えて上昇すると、BMS が負荷を再接続し、バッテリーが再び電力を供給できるようになります。

具体的な過放電回復電圧は、バッテリーの化学的性質と BMS の設計によって異なります。リチウムイオン電池の場合、過放電回復電圧はセルあたり約 2.5 ～ 3.0 ボルトに設定されることがよくあります。個々のセルまたはバッテリー パックの電圧がこのしきい値を超えると、BMS は過放電状態が解決されたとみなして、バッテリーを再び安全に使用できるようにします。

過放電の保護と回復は、リチウムイオン電池に悪影響を与える可能性がある深放電を防ぐために重要です。深放電は、容量の損失、バッテリー寿命の短縮、さらには永久的な損傷につながる可能性があります。過放電回復電圧しきい値を適切に設定および実装することは、リチウムイオン電池の寿命を延ばし、安全な動作を保証するのに役立ちます。