リチウムイオン電池を直列接続すると容量は上がる?電圧は変化する?【直列接続時の問題】

リチウムイオン電池を直列接続すると容量が上がる?電圧は変化する?【直列接続時の問題】

 

リチウムイオン電池をはじめとした電池において、組電池を作る際に直列接続(直列つなぎ)や並列接続(並列つなぎ)を行って作成します。

 

それでは、そもそも直列接続(直列つなぎ)をすると、容量や電圧など各パラメータがどのように変化するかしっていますか?

 

電池のつなぎ方の直列接続・並列接続ともに重要ですが、ここでは「リチウムイオン電池の直列接続(直列つなぎ)」について解説していきます。

 

 

・そもそも直列接続(直列つなぎ)とは?リチウムイオン電池における直列接続(直列つなぎ)

 

・リチウムイオン電池で直列接続すると容量は上がる?直列接続のメリット(特長)

 

・リチウムイオン電池で直列接続すると電圧は上がる?直列接続のデメリット(課題)

 

というテーマで解説していきます。

 

そもそも直列接続(直列つなぎ)とは?リチウムイオン電池における直列接続(直列つなぎ)

リチウムイオン電池を始めとした電池において組電池にする際に、並列接続や直列接続を行います。

 

それでは、そもそも直列接続(直列つなぎ)とはどのように接続する方法のことを指すのでしょうか?
実は直列接続とは、ある電池Aの-(マイナス)極とつぎに接続する電池Bの+(プラス)極を接続し、電池Bの-(マイナス)極とつぎに接続する電池Cの+(プラス)極を接続し・・・というようにつないでいく接続方法です。

 

以下に直列接続時のイメージを示します。

 

 

角型電池であれば上の様子のように直列接続し、接続時にはバスバーとよばれる金属部材を用いて使用することが基本です。

 

ラミネート電池(パウチ電池)では、タブリード同士を超音波溶着などにより直列接続します。

 

リチウムイオン電池に問わず、アルカリ電池マンガン電池であったり、二カド電池リチウムポリマー電池など、どのような電池であっても直列接続の意味はかわりません。

 

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リチウムイオン電池で直列接続すると容量は上がる?直列接続のメリット(特長)・デメリット

リチウムイオン電池を始めとした電池を直列接続(直列つなぎ)するとどのようなメリットがあるのでしょうか?

 

実は直列接続することで電圧を高くすることができることが、直列接続のメリットです。

 

組電池の作動電圧(V) ≒ 単電池の作動電圧(V) × 直列接続した電池の数となります。
たとえば平均作動電圧が3.7Vのリチウムイオン単電池を4つ直列接続したときは、およそ14.8V程度の作動電圧となります。

 

ただ、電池パックのようにパック内部で直列つなぎになっている場合では、電池の容量のバラつきがあるケースではSOCが高めの電池のみ電圧が高くなり、過充電となる場合があります。

 

基本的には電池パック(電池モジュール)内部でのシステムでの制御によって、セルバランスを保っています。そのため、外部からの衝撃などでシステムが破損したときはセルバランスが制御できなくなり、先にも述べたように過充電から熱暴走、破裂・発火に至ります。

 

以下にイメージ図を示します。

 

 

直列つなぎにより高電圧・高出力であることが直列接続のメリットですが、セルバランスを保つことが難しくなることが直列接続のデメリット(課題)です。

 

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リチウムイオン電池で直列接続すると容量は上がる?【直並列の演習問題】

電圧と同様に、直列接続すると組電池の容量も上がるのでしょうか?

 

実は、組電池にする際に直列接続しても容量は変わらず単電池と同じです。容量を上げたい場合は、組電池にする際に並列接続にする必要があります。

 

最終製品において、大容量や高出力が必要となるケースでは、直列接続だけではなく、直列と並列を組み合わせることが多いです。

 

例えば、容量は10Ahで平均作動電圧が3.7Vである電池Aの直並列について以下の例題で考えていきましょう。

 

例題
 
電池Aを2並列(パラレル)、4直列(シリーズ)にした場合の容量・電圧を計算してみましょう。

 

解答

 

2並列のため、容量が2倍で約20Ahとなります。ただ、組電池では電池の性能のバラつきの影響もあるために、組電池の容量は単電池の単純和以下になります。

 

さらに、電圧は4直列であるために、3.7 × 4 = 14.8Vとなります。

 

このように、最終製品に合わせて、直列数や並列数を調整していくことが基本です。

 

直列接続・並列接続のメリット・デメリットを理解し、電池・組電池設計に生かしていきましょう。

 

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