直列接続は、各セルの電圧を加算することで電圧を上昇させます。 同一のセルをプラスからマイナスへ接続した場合、ストリング電圧は概ね (V_{\text{total}} = V_1 + V_2 + \cdots + V_n) となります。したがって、2 Vのセルを3つ直列に接続すると約6 Vになります。直列接続ではアンペア時（Ah）容量は倍増せず、負荷時の総電圧は各セルの充電状態（SOC）、内部抵抗、および動作温度に依存します。
重要なポイント： 直列接続されたセルはより高い電圧を提供しますが、ストリングの性能は最も弱いセルによって制限されます。過充電、過放電、電圧逆転、およびパックの早期故障を防ぐためには、均一な製造、個々のセルの特性評価、セルレベルでの電圧監視、および適切なバランス調整が不可欠です。
直列接続がバッテリー性能を変化させる仕組み
ストリング全体で電圧が加算される
あるセルのプラス端子を次のセルのマイナス端子に接続すると、各セルの起電力が蓄積されます。
個々の電圧が (V_i) である (n) 個のセルについて：
[ V_{\text{series}} = \sum_{i=1}^{n} V_i ]
例えば、公称3.7 Vのセルを4つ直列に接続すると、公称14.8 Vのストリングが形成されます。
アンペア時容量は加算されない
直列ストリングは一般的に、最も使用可能容量が低いセルまたは並列セルグループのアンペア時容量を維持します。
例えば、2 Ahのセルを4つ直列に接続しても、容量は8 Ahではなく約2 Ahのままです。この構成は電圧を上昇させるため、結果として蓄積される総エネルギー量が増加します：
[ \text{Energy} \approx \text{Voltage} \times \text{Capacity} ]
抵抗と電圧降下も蓄積される
直列接続されたセルの内部抵抗は、概ね以下のように加算されます：
[ R_{\text{total}} = R_1 + R_2 + \cdots + R_n ]
その結果、直列ストリングは単一セルよりも負荷時の電圧降下が大きくなります。また、抵抗の差によって、一部のセルが他のセルよりも加熱しやすくなったり、電圧制限に早く到達したりする可能性があります。
なぜセルの均一性が重要なのか
小さな差がシステムレベルの問題になる
セルが完全に同一であることはありません。製造上のばらつき、経年劣化、温度差、機械的損傷、および充電状態のドリフトにより、容量や内部抵抗が乖離する可能性があります。
長い直列ストリングでは、これらの差によって、どのセルが最初に上限または下限の電圧制限に達するかが決まります。パック全体の電圧は正常に見えても、個々のセルがすでに過充電または過放電されている可能性があります。
最も弱いセルがストリングを制限する
充電中、最も充電状態が高いセルが最初に最大許容電圧に達します。他のセルが完全に充電されていなくても、その時点で充電を停止または制御しなければなりません。
放電中、最も容量が低い、または最も劣化したセルが最初に最小電圧に達します。放電を続けると、そのセルが有害な過放電や電圧逆転の状態に陥る可能性があります。
製造品質がマッチングに直接影響する
電極のコーティング、乾燥、カレンダー加工（プレス）、電解液注入、封止、および化成プロセスを均一に行うことで、セル間のばらつきを抑えることができます。
ラボ用プレス機、加熱プレスや等方圧プレス、制御されたクリンピングツールなどの精密機器は、電極密度、セル形状、封止、および内部抵抗の一貫性をサポートします。
セル製造時の予防措置
電極の密度と形状を制御する
活物質の密度と厚みがセル間で一貫するように、電極プレスを慎重に制御する必要があります。
不均一なプレスは、多孔性、イオン輸送、容量、出力能力、および内部抵抗を変化させる可能性があります。これらの差は、後にセルを直列接続した際に特に顕著になります。
一貫した組み立て条件を維持する
電極の位置合わせ、セパレーターの配置、タブ溶接、電解液の添加、封止、およびクリンピングには、制御された手順を使用してください。
汚染、セパレーターの損傷、不完全な封止、位置ずれ、または不均一な電解液量は、異常な抵抗、漏液、自己放電、または内部短絡のリスクを引き起こす可能性があります。
セルレベルの製造データを記録する
各セルには、その製造条件とテスト結果に紐付いた追跡可能なIDを割り当てるべきです。
重要な記録には、電極バッチ、プレス条件、質量や厚みの測定値、化成履歴、開回路電圧、容量、内部抵抗、漏液、および目視可能な欠陥などが含まれます。
適切なラボ安全管理を適用する
セルの製造は、対象となる化学物質、電圧、電解液、およびエネルギー量に適した設備と手順で行う必要があります。
適切な換気、温度監視、電気的絶縁、保護具、火災対策、およびメーカーや機関が承認した取り扱い手順を使用してください。リチウム系セルは、過充電、内部短絡、機械的損傷がガス発生、火災、または熱暴走を引き起こす可能性があるため、特に注意が必要です。
セルテスト時の予防措置
接続前に個々のセルをテストする
同じ製造バッチのセルが電気的にマッチしていると想定しないでください。
直列モジュールを組み立てる前に、初期電圧、容量、内部抵抗、自己放電、および温度応答を測定・比較してください。異常な結果を示したセルは、自動的に組み込むのではなく、隔離して調査する必要があります。
セルレベルの電圧監視を使用する
パックレベルの電圧測定では、特定のセルが安全限界に近づいているかどうかを判断できません。
テストシステムは、適切に絶縁されたタップ接続を通じて、個々のセルの電圧測定値を提供する必要があります。特に充電中、大電流放電中、および乱用や特性評価テスト中には、温度検知も重要です。
保守的な充放電制限を設定する
最初のセルがその化学的特性に応じた最大電圧に達した時点で、充電を終了しなければなりません。放電は、最初のセルが許容最小電圧に達した時点で停止する必要があります。
正しい制限値は、セルの化学的性質とメーカーの仕様に依存します。ストリング全体のカットオフだけでは、個々のセルの危険な状態を隠してしまう可能性があるため、直列バッテリーには不十分です。
過放電時の電圧逆転を防ぐ
最も弱いセルが下限に達した後も放電を続けると、そのセルが電圧逆転の状態に追い込まれる可能性があります。
これは一部の化学系では危険であり、恒久的な損傷、ガス放出、破裂、または火災を引き起こす可能性があります。テストシステムは個々のセルの電圧を監視し、いずれかのセルが定義された制限に達した時点で直ちにテストを停止する必要があります。
温度と電流を監視する
電流測定は、意図した電気的ストレスが印加されていることを確認し、異常な抵抗や接続の問題を特定するのに役立ちます。
温度監視は、局所的な加熱、接触不良、内部欠陥、または故障の予兆を明らかにできます。電圧、温度、電流、または物理的挙動が定義された制限から逸脱した場合は、テストを停止すべきです。
バランス調整とバッテリー管理
なぜバランス調整が必要なのか
標準的な充電器は、直列ストリングの総電圧のみを調整する場合があります。その合計が正しく充電されたセルの集まりなのか、それとも過充電されたセルと複数の充電不足のセルが混在しているのかを判断することはできません。
バランス調整は、個々のセルが安全な動作範囲内に留まるように、電荷を再分配またはバイパスします。
パッシブおよびアクティブなアプローチ
パッシブバランス調整は、通常、制御されたバイパス経路を通じて、高電圧セルの余剰エネルギーを放散します。
アクティブバランス調整は、セルまたはセルグループ間でエネルギーを転送します。適切な方法は、パックのサイズ、化学的性質、効率要件、コスト、および安全アーキテクチャによって異なります。
BMSが監視すべきこと
マルチセル直列パックに適したバッテリー管理システム（BMS）には、通常以下が含まれます：
- 個々のセルまたはセルグループの電圧検知
- セルおよびモジュールの温度検知
- パック電流の測定
- 過充電および過放電保護
- バランス制御
- 故障アラームおよびイベントログ
- 該当する場合の高電圧絶縁およびリレー制御
- 充電状態（SOC）の推定
- システムが必要とする場合の絶縁監視
トレードオフを理解する
高電圧にはより慎重な保護が必要
直列接続はより高い動作電圧を得るための効率的な方法ですが、セルを追加するほど電気的な危険性も増大します。
また、セルを追加するごとに電圧、抵抗、温度、経年劣化の変数が加わるため、直列ストリングは不均衡が生じる機会も多くなります。
マッチングはリスクを軽減するが排除はしない
容量と抵抗でセルを分類すると一貫性は向上しますが、マッチングされたセルでも動作中に乖離が生じる可能性があります。
経年劣化、温度勾配、不均一な電流経路、製造欠陥、および異なる自己放電率によって、不均衡が再発する可能性があります。セルレベルの監視と保護は依然として必要です。
パックレベルの測定は不完全
総電圧、電流、温度のみを測定しても、弱いセルを見逃す可能性があります。
パックレベルのデータはシステム制御には有用ですが、直列セルの安全性と性能が重要である場合は、常に個々のセルの測定値で補完する必要があります。
直列構成と並列構成は異なる問題を解決する
直列接続は電圧を上昇させ、一般的にアンペア時容量を維持しつつ内部抵抗を加算します。
並列接続は、1つのセルまたは直列グループの電圧を維持しながら、容量を増加させ、等価内部抵抗を低減します。多くの実用的なパックでは、電圧、エネルギー、および電力の要件を満たすために両方の構成を組み合わせています。
目標に合わせた正しい選択
正しい設計は、電圧、エネルギー、電力、寿命、あるいは実験的な特性評価のどれを優先するかによって決まります。
- システム電圧の向上を最優先する場合： セルを直列に接続し、個々のセル電圧の合計から電圧を計算し、ストリング全体の電圧に合わせて絶縁、スイッチング、および保護機能を設計します。
- 信頼性の高いパック動作を最優先する場合： 容量、抵抗、自己放電でセルをマッチングし、適切なバランス調整機能を備えたセルレベルの電圧および温度監視を使用します。
- セル製造品質を最優先する場合： 制御されたプレス、コーティング、組み立て、封止、およびクリンピングプロセスを使用し、追跡可能な製造記録を維持します。
- 安全なラボテストを最優先する場合： まず個々のセルをテストし、化学的特性に応じた電圧と温度の制限を定義し、最初に危険な状態に達したセルに基づいて自動シャットダウンを行います。
- 高出力や大容量を最優先する場合： 直列と並列の両方の構成を評価してください。直列は電圧と抵抗を増加させ、並列は容量を増加させ等価抵抗を低減することを念頭に置いてください。
直列バッテリーの信頼性は最も能力の低いセルに依存するため、安全な性能は均一な製造から始まり、セルレベルのテストと保護によって維持されます。
要約表：
| 項目 | 直列接続の影響 | 主な予防措置 |
|---|---|---|
| 電圧 | セル間で加算される: V_total = V1 + V2 + ... + Vn | 総電圧に対する絶縁と保護を確保する |
| 容量 | 最も弱いセルと同じ（Ahは加算されない） | 均一性のために容量でセルを分類する |
| 内部抵抗 | 加算される: R_total = R1 + R2 + ... + Rn | 電圧降下を最小限に抑えるため、低抵抗でマッチングされたセルを使用する |
| セル不一致 | 最も弱いセルが充放電を制限する | 組み立て前に個別にテストする |
| 監視 | 総電圧では個々のセルの問題が隠れる | セルレベルの電圧および温度センサーを使用する |
| バランス調整 | 過充電/過放電防止に不可欠 | BMSによるパッシブまたはアクティブバランス調整を実装する |
| 安全性 | 高電圧により電気的危険が増大 | 保守的な制限を設定し、電圧逆転を防ぎ、熱管理を行う |
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