24V リチウム電池充電器と鉛蓄電池充電器 |充電アルゴリズムと安全ガイド

24V リチウム電池充電器と標準鉛蓄電池充電器: 完全な充電アルゴリズムと安全性の比較

バッテリー システム設計者、機器メーカー、および輸出調達専門家にとって、24V バッテリー システムに適切な充電器を選択することは、バッテリー寿命、充電の安全性、および機器の稼働時間に直接影響します。標準的な鉛酸充電器は、定電圧または単純な定電流定電圧アルゴリズムを使用しているため、過充電や不適切な終了によってリチウム電池が損傷する可能性があります。 24V リチウム電池充電器 は、リチウムイオン化学に特化して設計されており、高精度の電圧調整、多段階充電アルゴリズム、およびバッテリーの性能と安全性を最適化する通信プロトコルを備えています。これらの充電器タイプの違いを理解することは、購入者が電動スクーターから資材運搬装置に至るまでの用途に最適なソリューションを選択するのに役立ちます。

標準的な鉛酸充電器は、通常、公称 24 ボルト システムで、吸収用に約 28.8 ボルト、フロート用に 27.6 ボルトの電圧設定値を持つ 3 段階のバルク、吸収、フロート アルゴリズムを使用します。このアルゴリズムは、鉛蓄電池が過充電に耐え、充電を維持するためにフロート ステージを必要とするため、鉛蓄電池でも機能します。リチウム電池には、定電圧段階の終わり、通常は電流が 0.05C ～ 0.1C に低下した時点で正確に終了する、定電流定電圧アルゴリズムが必要です。フロート充電は必要ありませんが、リチウムメッキを起こしてリチウム電池を損傷する可能性があります。次の表は、24V リチウム電池充電器と標準の鉛酸充電器の主な違いをまとめたものです。

業界のテストでは、専用の 24V リチウム バッテリー充電器を使用すると、鉛酸充電器を使用した場合と比較して、リチウム バッテリーのサイクル寿命が 30 ～ 50% 延長されることが確認されています。バッテリーが重要なコスト要素であるアプリケーションの場合、適切なリチウム充電器への投資は、バッテリーの耐用年数を延長することですぐに回収できます。

リチウム電池の充電段階とアルゴリズムを理解する

24V リチウム電池充電器は、リチウムイオン化学向けに設計された特別な充電アルゴリズムを使用しています。各段階を理解することは、購入者が充電器が特定のバッテリーの種類に合わせて正しく構成されていることを確認するのに役立ちます。

定電流段階は充電の最初の段階であり、電圧が上昇する間、充電器はバッテリーに固定電流を供給します。 24V リチウム電池システムの場合、一般的な定電流値の範囲は、電池の仕様と充電器の容量に応じて 0.5C ～ 1.0C です。たとえば、0.5C で充電された 20 アンペア時間のバッテリーは、この段階で 10 アンペアを受け取ります。定電流段階は、バッテリー電圧が最大充電電圧設定値 (通常、リン酸鉄リチウムまたは LFP 化学の場合は 29.2 ボルト、リチウム ニッケル マンガン コバルト酸化物または NMC 化学の場合は 29.4 ボルト) に達するまで継続します。この段階では、総充電量の約 70 ～ 80 パーセントが供給されます。

定電圧段階は、バッテリーが最大充電電圧に達すると始まります。充電器はこの電圧を維持しますが、バッテリーがフル充電に近づくにつれて電流は徐々に減少します。電流の減衰は指数曲線に従い、一定の電流値から始まり、バッテリーが飽和するにつれてゼロに向かって低下します。正常なリチウム電池の場合、定電圧段階は通常、0.5C の充電速度で 15 ～ 30 分間続きます。持続時間は、バッテリーの使用年数、温度、初期充電状態によって異なります。この段階では、バッテリーは容量の残りの 20 ～ 30 パーセントを受け取ります。

充電電流が事前に設定されたしきい値 (通常はバッテリ容量の 0.05C ～ 0.1C) を下回ると終了します。 20 アンペア時間のバッテリの場合、終端電流は 1.0 ～ 2.0 アンペアになります。終了時には、充電器は電流の供給を完全に停止する必要があります。リチウム電池にはフロートステージは必要ありません。フロート電圧を継続的に印加すると、アノードにリチウムメッキが発生し、容量が永久に低下し、安全上の危険が生じます。高品質の 24V リチウム バッテリ充電器は、バッテリ電圧が再充電しきい値 (通常 26.0 ～ 27.0 ボルト) を下回るまで、完全にシャットダウンするか、出力電圧なしのスタンバイ モードに入ります。

温度補償は、極端な環境でのリチウム充電にとって重要な機能です。リチウム電池には鉛蓄電池ほどの温度補償は必要ありませんが、リチウムめっきを防ぐために摂氏10度未満の低温では充電電圧を下げ、劣化を防ぐために摂氏45度を超える高温では充電電圧を下げる必要があります。プレミアム充電器には、バッテリーに取り付けられ、それに応じて充電パラメータを調整する温度センサーが含まれています。充電器とバッテリーが同じ環境にあるアプリケーションの場合、周囲温度補償で十分な場合があります。

通信プロトコルとスマート充電機能

最新の 24V リチウム バッテリ充電器には、充電器がバッテリ管理システムまたは BMS とデータを交換できるようにする通信プロトコルが組み込まれています。このスマート充電機能により、従来の充電器で可能な以上にパフォーマンスと安全性が最適化されます。

CAN バス通信は、産業用および電気自動車のアプリケーションで最も一般的なプロトコルです。充電器は車両のコントローラー エリア ネットワークに接続し、バッテリーの電圧、電流、温度、充電状態、最大許容充電電流などのリアルタイム データを BMS から受信します。充電器はこのデータに基づいて出力パラメータを調整し、バッテリーが熱すぎたり冷たすぎたりする場合は充電電流を減らし、いずれかのセルが電圧制限を超えた場合は充電を終了します。 CAN バス通信により、遠隔監視とフリート管理も可能になり、オペレーターが複数の車両の充電ステータスを中央の場所から追跡できるようになります。

SMBus またはシステム管理バス通信は、電動工具、電動自転車、ポータブル機器などの小型バッテリー システムで一般的に使用される 2 線式プロトコルです。 SMBus は CAN バスと同様の機能を提供しますが、データ レートが低く、配線が簡単です。充電器とバッテリーは、電圧、電流、温度、メーカーデータに関する情報を交換します。 SMBus はバッテリー認証もサポートしており、安全上の問題を引き起こす可能性のある偽造バッテリーや互換性のないバッテリーの使用を防ぎます。輸出用途では、多くの場合、地域の安全基準に準拠するために SMBus との互換性が必要です。

一部のメーカーは、認可された充電器とバッテリーのみが連携して動作する閉鎖システムを構築するために、独自の通信プロトコルを使用しています。これらのプロトコルは、メーカー固有のコマンド セットを備えた RS485 や RS232 などの標準物理層に基づいている場合があります。独自のプロトコルにより、メーカーは充電環境を制御し、安全性やパフォーマンスを損なう可能性のある未認定のサードパーティ製機器の使用を防ぐことができます。 OEM 顧客向けに、カスタム充電器ソリューションを提供するメーカーを含む多くのメーカーが、ブランド要件に合わせて独自のプロトコルを開発しています。

LED ステータス インジケーターは、デジタル プロトコルのない充電器でも基本的な通信を提供します。標準インジケータには、電源オン、充電中、充電完了、および障害状態が含まれます。より洗練された充電器は、マルチカラー LED またはデジタル ディスプレイを使用して、充電パーセント、電圧、電流、温度、およびエラー コードを表示します。 CAN バスまたは SMBus の統合が不可能なアプリケーションでは、視認性の高い LED インジケータが、充電器を安全かつ効果的に使用するために必要な情報をオペレータに提供します。

リチウム充電時の安全機能と保護回路

リチウム電池を充電する場合、安全性が最も重要です。リチウム電池には鉛酸電池とは異なる故障モードがあります。高品質の 24V リチウム電池充電器には、危険な状態を防ぐために複数の保護回路が組み込まれています。

過電圧保護により、充電器がバッテリーの最大安全電圧を超えることが防止されます。充電器の内部電圧検出回路が故障した場合、またはバッテリーが切断された場合、過電圧保護により出力がシャットダウンされます。冗長過電圧保護はハードウェアとソフトウェアの両方の監視を使用し、ハードウェア回路はマイクロコントローラーから独立した最終的なフェールセーフとして機能します。過電圧トリップポイントは通常、通常の最大充電電圧より 0.5 ～ 1.0 ボルト高く設定されており、バッテリを保護しながらマージンを確保します。

逆極性保護は、充電器の出力がプラスとマイナスを逆に接続してバッテリーに接続された場合の損傷を防ぎます。逆極性は充電器とバッテリーの両方を損傷し、火災や爆発を引き起こす可能性があります。保護方法には、逆電流を阻止するが充電効率を低下させる直列ダイオード、逆極性が検出されたときに出力を切断する P チャネル MOSFET、または誤接続を防止する物理コネクタが含まれます。モバイル アプリケーションの場合は、反転を防ぐために物理的にキーが付いている Anderson Powerpole または XT シリーズ コネクタなどのコネクタ設計が推奨されます。

プラスとマイナスのリード線が短絡した場合、短絡保護機能により充電器の出力がシャットダウンされます。これは、バッテリーの接続中に充電器のリード線が互いに接触した場合、またはケーブルの絶縁が損傷した場合に発生する可能性があります。短絡保護は通常、電流検出を使用して過剰な出力電流を検出し、マイクロ秒以内に出力をシャットダウンします。短絡が解消された後、充電器は自動的にリセットされるか、アプリケーションに応じて手動リセットが必要になります。信頼性の高いアプリケーションの場合は、手動リセットを必要とするラッチ式短絡保護が推奨されます。これは、障害が発生したことをオペレータに警告するためです。

熱保護機能は充電器の内部温度を監視し、温度が安全限界を超えた場合には出力電力を低減するか、シャットダウンします。充電器は動作中、特に高出力電流時に熱を発生します。充電器が密閉されたスペースに設置されている場合、または高い周囲温度で動作している場合、内部コンポーネントが過熱し、故障や火災につながる可能性があります。熱保護では、スイッチング トランジスタ、変圧器、出力整流器などの重要なコンポーネントにサーミスターを使用します。温度が設定値 (通常は摂氏 85 ～ 100 度) を超えると、温度が正常になるまで充電器は出力電流を減らすか、時間指定の再起動サイクルに入ります。

24V リチウム電池充電器のアプリケーション固有の選択

さまざまなアプリケーションには、特定の 24V リチウム電池充電器構成が必要です。これらの要件を理解することは、購入者が機器や動作条件に適した充電器の仕様を選択するのに役立ちます。

電動スクーターや電動自転車には、コンパクトで軽量な充電器が不可欠です。出力電流は通常、容量が 5 ～ 20 アンペア時間の標準バッテリの場合、2 ～ 5 アンペアの範囲になります。屋外で使用する場合、充電器は IP54 以上の密閉性を備え、張力緩和された出力ケーブルを使用する必要があります。 LED ステータス インジケーターが標準装備されており、一部のモデルではモバイル アプリ監視用に Bluetooth 接続が追加されています。車両と一緒に販売される電動自転車充電器の場合、XLR、RCA、またはバレル コネクタなどの適合するコネクタが必要です。欧州市場に輸出する場合、充電器は電動アシスト サイクル用の EN 15194 に準拠する必要があります。

無人搬送車やパレットジャッキなどのマテリアルハンドリング機器の場合、充電器は車両または専用の充電ステーションに組み込まれることがよくあります。出力電流はさらに高く、容量が 40 ～ 200 アンペア時間のバッテリーの場合、通常は 10 ～ 40 アンペアになります。 CAN バスまたはその他の産業用プロトコルを使用した、車両のバッテリー管理システムとの通信が不可欠です。マテリアルハンドリング用途の充電器は、洗浄環境向けに IP65 以上の密閉性を備えた頑丈なものでなければなりません。急速充電アプリケーションの場合は、1C 以上のレートが可能な充電器が利用可能ですが、充電レートが高いとバッテリのサイクル寿命が短くなる可能性があります。

船舶および RV 用途の場合、24V リチウム充電器は塩水噴霧、湿気、振動に耐える必要があります。出力電流は通常、100 ～ 300 アンペア時間の家庭用バッテリー バンクの場合、10 ～ 30 アンペアの範囲になります。複数のバッテリーバンクを独立して充電できるマルチバンク充電器が一般的です。海洋用途では、燃料蒸気の火花点火を防ぐために充電器を防火構造にする必要があります。 RV 用途では、乗員が寝ている間に充電器が動作する可能性があるため、静音動作の充電器が推奨されます。海洋設備の場合、リモート パネル付きの充電器を使用すると、操舵室または船室から監視できます。

太陽光充電アプリケーションの場合、最大電力点追跡または MPPT を備えた太陽光発電入力用に設計された 24V リチウム充電器が利用可能です。 MPPT アルゴリズムは、ソーラー パネルの出力電圧を最適化し、バッテリーへの充電電流を最大化し、標準の充電器と比較してエネルギー ハーベスティングを 20 ～ 30% 向上させます。ソーラー充電器には、バッテリーを過放電から保護するための低電圧切断機能と、照明やその他の DC 負荷を管理するための負荷制御出力が含まれています。オフグリッド システムの場合、発電機起動機能を備えた充電器は、バッテリ電圧が設定値を下回ると、自動的にバックアップ発電機を起動します。