Johnson Matthey Battery Systems: 電子機器の現在および今後のトレンド

バッテリーは電動自転車にとって不可欠な部分であり、航続距離、性能、耐久性を決定するのに役立ちます。 この記事では、電動自転車のバッテリーの現在および今後のトレンドについていくつか見ていきます。

電動自転車のバッテリーで使用される最も一般的なセルは、NMC 化学構造を備えた 18650 および 21700 フォームファクターです。 いくつかの重要な理由から、より大きなセルサイズを使用するバッテリーが増えています。 その主な点は、必要な容量を達成するために必要なセルの数が少なくなるという事実です。 18650 で 10 Ah に近い容量を実現するには、並列接続された 3 つのセルが必要ですが、21700 では 2 つのセルが必要になります。 質量の違いは無視できません。構成 10S3P の 18650 の重量は約 1.5 kg であるのに対し、同じ構成の 21700 は約 0.1 kg 軽いです。 電圧が高いバッテリーほど、その差は大きくなります。

また、18650 フォームファクタの最大理論上の公称容量は 3.5 Ah ですが、21700 の場合は 5.0 Ah です。 現在、NMC 化学の最大重量エネルギー密度は 250 ～ 260 Wh/kg です。 より大容量のセルも発表されていますが、21700 サイズのみです。 目標は 5.5 ～ 5.65 Ah、おそらくは最大 6 Ah を達成することです。これにより、電圧範囲を縮小した後、バッテリーの総容量またはサイクルを延長できるようになります。 現在、サプライヤーは、より高い容量を実現するためにシリコンなどの新しい要素をセルに使用したり、コストを最適化するためにナトリウムを使用したりすることを検討しています。

すべての機械部品により、バッテリーの重量とサイズが増加します。 フレーム内に隠された一体型バッテリーは、多くの場合ブロックモジュール構造になっています。 1 つのブロックには、上部と下部のセル ホルダーと、適切な構成で接続された 4 ～ 10 個のセルと、次のセクションに接続するための端子付きコネクタが含まれています。 通常、追加の絶縁体、バスバー、またはワイヤもあり、ホットスポットや電圧降下の原因となります。

最長軸を横切るセルの配置には 2 つのセル ホルダーのみが必要で、電流はセル コネクタのみを流れます。 追加の BMS をコアパックの片側に取り付けて、すべての電圧ポイントに簡単にアクセスできるため、ワイヤー セットが不要になります。 バッテリーはコンポーネントの数が少ないため軽量であり、さらに組み立てが簡単かつ迅速です。

筐体も重量に大きく影響します。 現在、最も一般的に使用されている材料はアルミニウムとプラスチックです。 しかし、カーボンファイバーを使用すると、バッテリーの質量が減少するはずですが、これにより製造コストが増加します。

現在、欧州の規制は、環境への影響を軽減するために、バッテリーをより修理しやすくし、寿命を長くする方向に進んでいます。 したがって、新しいバッテリーはサードパーティによる修理が容易になる可能性があります。

現在、バッテリー管理システムは、さまざまな機能を備えたより複雑なデバイスになっています。 電動自転車バッテリーのほぼすべての BMS には、次のような機能が含まれています。

さらに、BMS はこれまで以上に安全になりました。 二重の保護機能が備わっているほか、故障モード影響解析 (FMEA) や安全機能解析などの要素が含まれています。

来年、リチウムイオン電池の安全基準が拡大される。 たとえば、セル破裂の可能性を検出するために BMS にガス センサーを取り付けたり、事故が発生した場合にバッテリー出力をオフにする加速度計を取り付けたりすることができます。

さらに、安全性を高めるためのエンドツーエンドの通信暗号化だけでなく、Bluetooth 接続などのスマート テクノロジーの使用も近いうちに見られるようになるでしょう。 スマート モードを使用すると、たとえば SoC や最大電力を制限することで、バッテリーの耐用年数を延ばすこともできます。 欧州の規制の変更により、一部の BMS 情報への第三者へのオープンアクセスなど、他の変更も強制されることはほぼ確実です。

充電器メーカーは近年、既製のソリューションに新機能を追加しています。 現在、バッテリーと充電器は追加のバスを介して通信します。 これにより、電圧や電流などの重要なパラメータがシステムの両方の部分で測定され、相互に比較できるため、安全性が向上します。 差が大きい場合は故障と判断して充電を停止します。 スマート充電器は、制限された電圧まで充電して、ライフサイクルを延長できます。 バッテリーを使用せずに長期間保管したい場合は、バッテリーを SoC の 50 ～ 60% まで充電して、セルの自然劣化を軽減することができます。

最大充電電流の増加により、急速充電がトレンドになっています。 以前は通常 0.5C でし​​たが、現在は 1C に近くなり、充電時間を短縮できます。 ただし、急速充電はバッテリーの寿命を縮めるため、妥協が必要になります。 たとえば、最大電流を使用して 80% に達した後、標準電流に切り替えることができます。

電動自転車のバッテリーは 4 つのグループに分類できます。

低エネルギーバッテリーは一般にスリムで軽量であり、電動自転車のデザインに組み込まれている場合はほとんど目立ちません。 このシステムは多くの場合、レンジエクステンダーと併用して動作します。 負荷がかかるとバッテリ電圧が低下するため、ドライブ ユニットには電力制限が必要です (SoP に関する情報は重要です)。

高エネルギーバッテリーは、モーターの過負荷に備えて長距離と電流予備を確保するために使用されます。 通常、これらはパワーが重要なオフロード バイクに取り付けられます。 適切な充電時間を実現するには、これらのバッテリーを高電流充電器で充電する必要があります。 これは最も高価なタイプのバッテリーです。 このタイプのバッテリーの新しいトレンドは、横から見るとスリムに見えますが、高容量を維持するために幅と長さを長くするようなバッテリー構成です。

中エネルギーバッテリーは、サイズ、エネルギー、価格の妥協点です。 現在、市場は中エネルギーバッテリーで飽和しているため、メーカーは競合他社との差別化を図るため、革新の機会を模索しています。 しかし現在、新しいトレンドのほとんどは他の 2 種類のバッテリーに焦点を当てています。

LFP 化学は NMC 化学よりも寿命が長く、さらに耐久性があります。 このため、カーゴバイクはレジャーではなく仕事用であるため、カーゴバイクに最適な化学反応を示します。 さらに、LFP 化学と比較して安全性が向上します。 欠点としては、エネルギー密度と公称電圧が両方とも低いため、バッテリーがより大きく、より重くならなければならないことを意味します。

メーカーの目標は、NMC セルと同様のエネルギー密度を備えた LFP セルを開発することです。 これにより、レジャーに使用される標準的な電動自転車を含む、ますます多くの用途に使用できるようになります。

この記事は Johnson Matthey Battery Systems の後援を受けています。