構成によってバッテリーが得る特性が決まります。セルを直列に接続すると総電圧が上昇し、並列に接続するとアンペア時（Ah）容量が増加します。2Vのセルを3つ直列に接続すると約6Vになりますが、同じ2V・10Ahのセルを3つ並列に接続すると電圧は約2Vのままですが、30Ahの容量が得られます。実際の実験室での組み立てでは、セルマッチング、接触抵抗、およびバランシングによって、測定された性能がこれらの理想値にどれだけ近づくかが決まります。
直列は電圧を加え、並列は容量を加えます。直列の容量は実質的に最も弱いセルによって制限されます。一方、並列グループは電流を共有し、セルが適切にマッチングされていればAh定格が加算されます。
直列接続がバッテリー性能を変化させる仕組み
直列セルは電圧を上昇させる
直列接続は、あるセルのプラス端子と次のセルのマイナス端子を接続します。これによりセル電圧が加算されます：
- 2Vセルを3つ直列：約6V
- 3.7Vセルを4つ直列：約14.8V（公称）
正確な動作電圧は、セルの化学組成、充電状態、負荷、温度によって異なります。
直列では容量は加算されない
同一のセルを直列に接続した場合、パックのAh容量は1つのセルの容量とほぼ等しいままです。
例えば、3.7V・10Ahのセルを4つ直列に接続した場合、結果は約以下のようになります：
- 14.8V
- 10Ah
- 148Wh（公称エネルギー）
直列ストリングはより高い電圧を出力できますが、Ah容量が4倍になるわけではありません。
最も弱いセルがストリングを制限する
実際の直列ストリングでは、使用可能な容量は、充電中に上限電圧に達するか、放電中に下限電圧に達するセルによって制限されます。
そのため、容量が低い、内部抵抗が高い、または充電状態が異なるセルは、ストリング全体の利用可能なエネルギーを減少させる可能性があります。
並列接続がバッテリー性能を変化させる仕組み
並列セルは容量を増加させる
並列接続は、プラス端子同士、マイナス端子同士を接続します。電圧は1つのセルの電圧とほぼ同じまま、容量が加算されます：
- 2V・10Ahセルを3つ並列：約2V、30Ah
- 3.7V・5Ahセルを2つ並列：約3.7V、10Ah
並列セルは負荷電流を共有することもできるため、より高い電流容量が必要な場合にこの構成が役立ちます。
並列接続は実効抵抗を低減する
適切にマッチングされたセルの場合、並列接続することで、電流が複数の導電経路に分散されるため、グループの実効内部抵抗が減少します。
これにより、負荷時の電圧安定性が向上し、利用可能な電力が増加しますが、セル抵抗が不均一な場合は電流共有が不均一になる可能性があります。
直列・並列の組み合わせ（直並列）は両方の効果を併せ持つ
バッテリーモジュールでは、P×SまたはS×Pと表記される直並列構造がよく使用されます。
例えば、10Ahセルを使用した5P95S構成では、約以下のようになります：
- 5つの並列セル：並列グループあたり50Ah
- 95の直列グループ：95個分のセル電圧に相当する電圧
- 公称電圧約3.2VのLFPセルの場合：約304V、50Ah
並列数は容量と電流共有能力を決定し、直列数は電圧を決定します。
実験室での組み立てにおける意味
まず電気的な目標を定義する
希望するシステム電圧によって、直列に接続するセルまたはグループの数が決まります。必要なAh容量と電流能力によって、並列に配置するセルの数が決まります。
この分離により、設計の評価が容易になります：
- 直列数：電圧を制御
- 並列数：Ah容量と電流共有を制御
- セル化学組成：公称電圧、動作制限、充電要件を決定
接続前にセルをマッチングする
同じ直並列アセンブリで使用するセルは、以下について厳密にマッチングする必要があります：
- 容量
- 初期電圧
- 充電状態
- 内部抵抗
- 温度特性
均一な電極コーティング、一貫したプレス密度、信頼性の高い端子取り付け、再現性のあるシーリングは、セル間のばらつきを抑えるのに役立ちます。
各セルを個別に測定する
実験室のテストシステムでは、公称仕様のみに頼るのではなく、組み立て前にセルを特性評価する必要があります。
有用な測定項目は以下の通りです：
- 制御された充放電時の容量
- 開回路電圧または初期電圧
- 内部抵抗
- 温度応答
- サイクル特性
個別のテストにより、直列ストリングの制限要因となったり、並列グループ内で不均一な電流共有を引き起こしたりする可能性のあるセルを特定できます。
物理的および電気的な接触品質を管理する
組み立て用の治具、プレス機、圧着工具、接続ハードウェアは、一貫した機械的圧力と低抵抗の電気的接触を維持する必要があります。
接触が不十分または一貫していないと、セル自体に起因すると誤認される抵抗が発生し、電力、効率、発熱、容量の測定値が歪む可能性があります。
エネルギーと電力が変化する理由
公称エネルギーはほぼ加算される
バッテリーエネルギーは以下のように推定できます：
[ \text{エネルギー (Wh)} \approx \text{電圧 (V)} \times \text{容量 (Ah)} ]
セルを直列に配置しても並列に配置しても、同じ数の同一セルを追加すれば、公称総エネルギーはほぼ同じになります。配置によって、そのエネルギーが高電圧として現れるか、高容量として現れるかが決まります。
実際の使用可能エネルギーは、電圧制限、抵抗、温度、バランシング、および最初に動作を制限するセルに依存します。
直列は高電圧システムに適している
直列構成では、特定の電力レベルに対して非常に高い電流を必要とせずに、システムが目標電圧に到達できます。
なぜなら：
[ \text{電力 (W)} = \text{電圧 (V)} \times \text{電流 (A)} ]
絶縁、スイッチング、測定、および安全システムがその電圧に対応するように設計されていれば、電圧を高くすることで同じ電力に必要な電流を減らすことができるからです。
並列は高電流能力に適している
並列グループはAh容量を増加させ、セル間で電流を共有できるようにします。これにより、負荷時の各セルの電圧降下や発熱を抑えることができます。
ただし、電流共有は、セルと相互接続の抵抗および電気的状態が十分に類似している場合にのみ信頼できます。
トレードオフの理解
直列ストリングにはバランシングと監視が必要
直列接続されたセルは、自動的に同じ充電状態を維持するわけではありません。充電中、最も電圧が高い、またはSoCが高いセルが最初に上限に達する可能性があり、放電中には最も弱いセルが最初に下限に達する可能性があります。
適切な監視とバランシングがないと、充電器や負荷が早期に停止し、他のセルに使用可能なエネルギーが残ったままになってしまいます。
並列グループでは不均一な電流共有が発生する可能性がある
並列セルは共通の電圧に電気的に接続されていますが、電流を均等に共有するとは限りません。内部抵抗、温度、充電状態、または接続抵抗の違いにより、あるセルが他のセルよりも多くの電流を流す可能性があります。
そのため、セルはマッチングを行い、制御された低抵抗の相互接続で接続する必要があります。
セル数が増えると複雑さが増す
大規模な直並列アセンブリでは、より多くの接続、より多くの測定ポイントが必要となり、組み立て不良の機会も増えます。
高電圧モジュールには、適切な絶縁、故障検出、リレー制御、温度監視、および安全なテスト手順も必要です。
公称値を動作制限として使用しない
セルの公称電圧は便利な定格であり、完全な充電または放電範囲を示すものではありません。実験室のプロトコルでは、選択した化学組成とセル設計に指定された電圧、電流、温度、およびカットオフ制限を使用する必要があります。
マルチセルリチウムイオンシステムの場合、バッテリー管理システム（BMS）には、通常、個別のセル電圧および温度センシング、電流測定、充電状態追跡、故障アラーム、および適切な保護制御が必要です。
目的に合った正しい選択をする
電気的要件とセルおよびテスト機器の制限に基づいて構成を選択してください。
- 主な焦点がシステム電圧の向上である場合：マッチングされたセルまたは並列グループを直列に接続し、各直列セルまたはグループの電圧と充電状態の不均衡を監視します。
- 主な焦点が容量や電流能力の向上である場合：マッチングされたセルを並列に接続し、低抵抗の相互接続を使用して均一な電流共有を促進します。
- 主な焦点が特定の電圧と容量である場合：直並列設計を使用し、直列数で電圧を、並列数でAh容量を設定します。
- 主な焦点が信頼性の高い実験データである場合：セルを個別に特性評価し、組み立て圧力と接触抵抗を制御し、制御された熱的および電気的条件下で完成したモジュールをテストします。
直列は電圧を決定し、並列は容量を決定します。そして、厳格なセルマッチングが、組み立てられたバッテリーが安全かつ予測通りに機能するかどうかを決定します。
要約表：
| 構成 | 電圧 | 容量 (Ah) | 影響 |
|---|---|---|---|
| 直列 | 加算される (例: 3×2V = 6V) | セル1つと同じ | 高電圧化、最も弱いセルによる制限 |
| 並列 | セル1つと同じ | 加算される (例: 3×10Ah = 30Ah) | 高容量化、抵抗低減、セルバランシングが必要 |
| 直並列 | 直列で電圧を設定 | 並列で容量を設定 | 電圧と容量をカスタマイズ可能、監視とバランシングが必要 |
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