電気自動車の構造に適したバッテリーの選択 - 株式会社アジャイルウェーブグループ

多くのハッカーは、自分のスクーター、自転車、またはスケートボードを見て、モーターが搭載されていればさらに優れていると判断しました。個人の交通手段の電動化に乗り出すことは、刺激的で生産的な旅となり、機械工学や電子工学について多くの教訓を得ることができるでしょう。基本的に、あらゆるビルドの鍵となるのはバッテリーであり、車両のパフォーマンスと航続距離に関して最大の影響力を持ちます。お客様のニーズに合わせて、適切なバッテリーを選択するための役立つガイドを用意しました。

バッテリーにはあらゆる形状とサイズがあり、さまざまな化学的性質があり、それぞれに独自の特性と用途があります。小型電気自動車に関しては、軽量、コンパクトなサイズ、素早い加速のための十分な電流供給、長距離のための高容量を備えたバッテリーを搭載することが望ましいです。

30 年前、選択肢は鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池に限られていました。これらは重く、低電流出力、貧弱な容量、そして信じられないほど遅い充電時間でした。ありがたいことに、その間にリチウムポリマー電池が登場し、全体的に性能が向上しました。膨大な放電率、高速充電、軽量、大容量を備えたこれらの製品は、間違いなく高性能電気自動車にとって究極の選択肢です。非常に人気があるため、価格も安いです。

ただし、いくつかのハングアップがあります。セルが互いに逆充電するのを避けるために、パック内のすべてのセルを同じ電圧に保つことが重要です。これにより、パックが損傷したり、爆発や火災が発生する可能性があります。これを回避するためにバッテリーの電圧を維持することを「バランスをとる」といいます。後で説明するように、使用しているバッテリーの正確なスタイルに応じて、さまざまな方法で処理できます。

さらに、リチウム電池は過放電を嫌います。経験則として、バッテリーがセルあたり 3.0 V を下回らないようにすることをお勧めします。これを抑制しないと、パックが破損し、最大容量と電流供給能力が損なわれる可能性があります。

ありがたいことに、これらの問題を回避する方法はありますが、どの方法を使用するかは、アプリケーションに選択したバッテリーによって異なります。

リチウムポリマーバッテリーを使用するべきであると言うのは 1 つのことですが、リチウムポリマーバッテリーには、さまざまな用途に応じてさまざまな種類があります。どのタイプを使用するかは、構築しようとしている車両、パフォーマンスと航続距離の目標、および構築または購入に対するあなた自身の能力と願望によって異なります。

リチウムポリマーセルの公称定格は 3.6 V で、その容量はアンペア時またはミリアンペア時で測定されます。電気自動車用のパックを検討するときは、パックの合計電圧と容量に注目してください。より高い電圧は、より少ない電流でより少ない損失でより多くの電力を供給できるため、より高性能な車両と効率の向上に適しています。ただし、これにはより多くのセルを直列に積み重ねる必要があり、コストが増加する可能性があり、より高価なコントローラーや充電ソリューションも必要になります。容量が大きいほど長距離に適しており、多くの場合、より多くのセルを並列にスタックすることで実現されます。

個々のセルの容量には限界があるため、電動自転車や電気自動車用のパックの多くは複数のセルを並列に積み重ねています。 18650 ベースのパックは、10S4P のような名称で呼ばれることが多く、バッテリー内にそれぞれ 10 セルの並列セットが 4 つあることを示します。このようなバッテリーの公称電圧は 36 V、容量は使用する特定の 18650 セルに応じて 10 ～ 14 Ah になります。

パックを組み立てるには、セルを加熱する危険があるため、はんだ付けは不適切な選択肢であり、通常、機械的な観点からは結果が弱くなります。最も信頼性の高い方法は、スポット溶接機を使用してセルを端子から端子まで金属ストリップで接続することです。スポット溶接機を自分で作ることを選択する人もいますが、単に車を走らせたいだけであれば、これは不必要なヤクの毛を剃ることとみなされるでしょう。代わりに購入することもできます。いずれの場合でも、セルが接続されたら、バッテリー管理システム (パック内のセルの個々の電圧を監視するボード) に接続するために、さまざまなセルに個別のリード線を追加できます。このボードは、バッテリの最大電圧にある壁の充電器からの接続を受け入れ、充電とバランスを処理してバッテリを良好な状態に保ち、過放電や過電流イベントから保護します。これらすべてを、選択したエンクロージャにまとめることができます。個々のセルは金属製のケースに覆われているため、多くの場合、単純なプラスチックのラップで十分です。

自作 18650 パックは、パックを独自の厳密な仕様にカスタマイズしたい場合、またはリサイクル部品を使用して安価に構築したい場合に便利です。ただし、多くの作業が必要であり、作業を完了するためにツールに費やしたお金が、途中で節約できる金額を上回る場合があります。

長所: 安価で、電圧、容量、パッケージングをカスタマイズ可能短所: 多大な作業が必要で、他のオプションよりも重い可能性がある

独自のパックを構築することに興味がない人には、別のオプションがあります。世界中で電動自転車が急増しているため、自分で自転車を始めたい人は部品を簡単に入手できるようになりました。現在、電動自転車用のさまざまなバッテリーパックが入手可能であり、そのほとんどは上記の自作パックとまったく同じツールと技術で作られています。ただし、これらのものの主な利点は、他の誰かがすべての大変な作業を行っていることです。

さまざまな用途に合わせてさまざまな構成で組み合わされた 18650 セルで構成されており、36 V ～ 60 V、場合によってはそれ以上の電圧範囲で利用でき、長距離向けの大容量を備えています。大部分の製品には、統合されたバッテリー管理システムと充電コネクタがすでに接続されており、多くの販売者は適切な壁用充電器も投入します。

手間をかけずにすぐに使える大容量パックが必要な場合に最適です。ただし、欠点の 1 つは、これらのパックの多くは、電流出力の点で工場出荷時に多少の遅れがあることです。平均的な 18650 は、汗を流すことなく大量の電流を供給できますが、統合された BMS によって 36 V バッテリーの出力が 15 A という比較的低い出力に制限されることは珍しくありません。ビーチ沿いを走るための 200 ワットの電動自転車を組み立てる場合はこれで問題ありませんが、500 ワットのモーターで砂利道を走れる素早いスクーターを組み立てようとしている場合は、問題が発生することになります。 BMS が電力を遮断します。これはハッキングされることがよくありますが、すぐに使えるパックの利便性が損なわれてしまいます。

長所: すぐに使用できる、完全なソリューション、かなり堅牢な短所: 電流制限に関する問題が発生する可能性がある、パッケージングオプションが限られている

リチウムポリマーバッテリーは、出力密度が高く、瞬時に大量の電流を供給できるため、模型飛行の趣味に重宝されてきました。これらは典型的にパウチセルを使用しており、電解質は硬い外殻のないプラスチックパウチの中に含まれている。これらは優れた充填効率を備えており、金属ケースのセルよりもはるかに軽量ですが、非常に繊細でもあります。細胞は時間の経過とともに少し膨らむ傾向があり、圧迫したり穴を開けたりすると損傷しやすくなります。これは火災や爆発につながる可能性があるため、このようなセルは偶発的な損傷から保護する方法で設置する必要があります。

高出力ラジコン航空機の要求に合わせて設計されたこれらのセルは、一般的に総バッテリー容量の 20 倍、つまり 20C の高速で電流を供給することができます。 75C を超えるハイエンドパックはすぐに入手可能で、2 Ah パックの場合は 150 A に相当します。これにより、これらの RC パックは、負荷時に大型モーターが数キロワットの電力を消費する高性能アプリケーションに役立ちます。トレードオフはストレージにあり、RC パックは一般に、このような高電流引き込みを維持するために必要な電極のサイズにより、所定の容量に対してかなり大きくなります。これらのパックは通常、直列に最大 6 個のセルが入ったパックとしてのみ提供されます。多くの場合、電気自動車により適切な電圧に達するには、2 つ以上を組み合わせて使用する必要がありますが、通常は 10 S から 12 S がより望ましいです。

高性能パックは、特に規模のメリットがある 18650 セルと比較して、コストも高くなります。また、保護システムやバッテリー管理システムも搭載されていません。電気自動車で使用する場合は、使用後に取り外して標準の RC 充電器に接続することも、BMS に配線して充電のためのより包括的なソリューションを提供することもできます。いずれにせよ、これらの高電流パックは他のパックよりも発火や爆発が起こりやすいため、バランスとメンテナンスに注意を払うことが重要です。

長所: 大電流供給、軽量短所: 価格、慎重に扱う必要がある、充電ソリューションを取り付ける必要がある

リチウムポリマー電池は電動工具業界にも革命をもたらし、コードレス工具をこれまでよりもはるかに実用的なものにしました。市場にあるほとんどのツールは 18 V、つまり 5 セルパックを使用しており、さまざまなメーカーが好みに応じて 18650 セルまたはパウチセルを使用しています。これらは通常、特定のブランドのツールに接続するための独自のコネクタを備えた硬質プラスチックケースに入っています。内部には通常、セルのバランスを処理し、何か問題が発生した場合にシステムをシャットダウンするための基本的な BMS があります。

電動工具パックは、建設環境に耐えられるように設計されているため、非常に頑丈であるという利点があります。ツールは非常に電力を消費する可能性があるため、通常、現在の配信も非常に安定しています。欠点は、メーカーが消費者を自社のツールエコシステムに閉じ込めたいため、これらのパックが非常に高価になる可能性があることです。独自のコネクタがあるため、それらとのインターフェースも面倒になる場合があります。一般的な回避策には、釘とテープ、3D プリント、または単純に古いツールを取り除くことが含まれます。充電は標準の充電器に差し込むだけで簡単に行え、バッテリーは設計上簡単にホットスワップできるという利点があります。多くの場合、すでに存在しているため、より適切な恒久的なバッテリーソリューションに投資する前に、電気自動車の製造をテストする優れた方法となります。

長所: 簡単にホットスワップ可能、頑丈なコネクタがすでに備わっている短所: 高価、特にスペース効率がよくない、独自のコネクタ

幸いなことに、私たちはこれまで以上に多くのバッテリーの選択肢を手に入れることができ、容量と出力が増加し続けるにつれて、これまで以上に新しく革新的な電気自動車が登場し続けています。関連する要素を比較検討し、慎重に選択することで、あなたの人生における特別な車両に最適なソリューションを選択することができます。このガイドが、ご自身のビルドを正しい方向に導くのに役立つことを願っています。完成したら、ぜひご連絡ください。