24V 対 48V リチウム バッテリ パック: OEM が適切なシステム電圧を選択する方法

多くの場合、機器プロジェクトの開始時には、バッテリ電圧の決定は簡単に見えます。エンジニアリング チームは、必要な実行時間を見積もり、利用可能な設置スペースを確認し、24 V または 48 V バッテリーを選択します。

結果は後から現れます。

モーターコントローラーは加速中に電流制限に達します。コネクタは予想よりも暖かく動作します。充電器はバッテリーの実際の上限電圧と一致しません。主電源バスは 48V に移行しましたが、補助ポンプには依然として 24V が必要です。別のケースでは、電気システムは動作しますが、マシン コントローラーがバッテリー管理システムの CAN メッセージを解釈できません。

これらはバッテリー単独の問題ではありません。これらはシステム電圧の問題です。

24V と 48V のリチウム バッテリの比較における正しい選択は、ピーク電力、平均エネルギー消費、ケーブル長、電圧降下、コントローラの互換性、充電戦略、補助負荷、通信要件、およびマシンの将来の開発パスによって決まります。

短い答え

24V リチウム バッテリ パックは、多くの場合、コンパクトな機器、中程度の電力負荷、短いケーブル配線、および確立された 24V コンポーネント エコシステムを中心に構築されたマシンにとって実用的な選択肢です。

一般に公称 51.2V と表現されるシステムを含む48V リチウム バッテリ パックは、多くの場合、マシンがより高い連続電力またはピーク電力、特定の電力レベルでのより低い電流、より長い配線、または将来のパフォーマンス アップグレードのための追加の余地を必要とする場合に適しています。

どちらの電圧が自動的に優れているわけではありません。

エンジニアリング上の考慮事項	24V プラットフォームは多くの場合適合します	多くの場合、48V/51.2V プラットフォームに適合します
設備電力	低から中程度	中程度から高程度
等電力時の電流	より高い	より低い
ケーブルとコネクタの負担	パワーが上がるほど大きくなる	高出力で管理が容易になる
既存のコンポーネントエコシステム	レガシー機器やコンパクト機器に共通	大型のモバイル機器や産業機器に一般的
補助 24V デバイス	電圧範囲が合えば直接接続可能	通常はDC-DCコンバータが必要です
アップグレードの可能性	電流制限になる可能性あり	電気的ヘッドルームの拡大
統合の複雑さ	多くの場合、既存の 24V マシンの場合はより簡単です	電圧互換性の完全なレビューが必要
典型的な意思決定要因	シンプルさと互換性	電力供給と電流の削減

正しい決定は、電圧だけからではなく、動作プロファイルから行う必要があります。

「24V」と「48V」はシステム名であり、完全な仕様ではありません

最も一般的な調達ミスの 1 つは、24V と記載されているすべてのバッテリーが同じ動作電圧を持つと想定していることです。

そうではありません。

実際の電圧ウィンドウは、バッテリーの化学的性質、直列セル数、充電状態、BMS 制限、および充電戦略によって決まります。 「48V」リチウムイオンパックと 51.2V リン酸鉄リチウムパックは、フル充電、放電カットオフ、およびコントローラの要件が異なりますが、同様の機器クラスに属している可能性があります。

たとえば、eDailyMag にはコンパクトな情報がリストされています。 25.2V 10.2Ah リチウム電池公称エネルギー量 257.04Wh、最大連続放電定格 20A、RS485 通信を備えています。この製品は一般的な 24V システム ファミリに属しますが、記載されている公称電圧は 25.2V です。

範囲の大きい方では、同社の51.2V 108Ahバッテリー最大連続放電定格 150A と RS485/CAN 通信で仕様化されています。

これらの製品は、2 つの電圧クラスの幅広さを示しています。これらは直接的な同等のエネルギーの代替手段ではありません。

バッテリーを選択する前に、少なくとも次の 3 つの電圧値を取得してください。

1. 公称バッテリー電圧。

2. 最大充電電圧。

3. 意図した負荷下での最小許容放電電圧。

モーター コントローラー、充電器、DC-DC コンバーター、コンタクター、コンデンサー、およびその他の接続された電子機器は、製品名に記載されている電圧だけでなく、動作ウィンドウ全体に耐える必要があります。

電圧が高くなると電流が減少する理由

基本的な関係は次のとおりです。

電力 = 電圧 × 電流

理想的な 2,000W の電気負荷の場合:

• 24V での電流は約 83.3A です。

• 48V では、電流は約 41.7A です。

電圧を 2 倍にすると、同じ電力を供給するのに必要な電流が約半分になります。

実際の機器はさらに複雑です。バッテリー電圧は充電状態や負荷によって変化しますが、モーター、コントローラー、ポンプ、インバーターには効率が低下します。起動時や加速時の電流も定常動作値の数倍になる場合があります。

それでも、マシンの出力が増加するにつれてシステム電圧がますます重要になる理由が計算からわかります。

10A の差は管理しやすいかもしれません。 50A か 100A の違いは、ケーブル、端子、バスバー、ヒューズ、コンタクタ、PCB 銅線、発熱、エンクロージャ レイアウト、およびサービス手順に影響します。

ケーブルサイズ以上に電流が変化する

導体の電気損失は、以下を使用して推定できます。

電力損失 = 電流² × 抵抗

正と負の大電流経路の合計抵抗が 10 ミリオーム、つまり 0.01Ω であると仮定します。

単純化された 2kW の例の場合:

• 24V および 83.3A の場合、ケーブル経路の損失は約 69.4W です。

• 48V および 41.7A の場合、ケーブル経路の損失は約 17.4W です。

電流は半分に減少しますが、抵抗損失は約 1/4 に低下します。

この I²R 関係は、米国エネルギー省の資料にも記載されています。 DC マイクログリッドの範囲調査。この研究はより広範な配電の状況に取り組んでいますが、根底にある導体損失の原理は同じです。

電力が等しい場合、通常、高電圧システムの方が流す電流は少なくなり、大電流経路全体の抵抗加熱が減少します。

電圧降下はオームの法則に従います。

電圧降下 = 電流 × 抵抗

フルークによるオームの法則の説明は、電気回路におけるこれらの関係を診断するための有用な基盤を提供します。

同じ 0.01Ω パスの場合:

• 24V の例では、約 0.83V 低下します。

• 48V の例では、約 0.42V 降下します。

したがって、より高い電圧のシステムでは、絶対的な降下とパーセント降下の両方が小さくなります。

ビクトロン・エナジー社ワイヤリング アンリミテッド テクニカル ガイド同様の実際的な比較を示します。2,400W の負荷は 24V で 100A を消費しますが、48V では 50A にすぎず、48V の例では電圧降下のパーセンテージが大幅に低くなります。

重要な点は、抵抗はケーブル自体に限定されないということです。それは次の範囲にわたって蓄積されます。

• バッテリー端子

• ケーブルラグと圧着

• コネクタ

• ヒューズとヒューズホルダー

• コンタクタ

• 電流シャント

• 絶縁スイッチ

• バスバー

• PCB接続

端子の圧着が不十分だと、期待される利点の一部が失われる可能性があります。したがって、電圧の選択と接続の品質を組み合わせて設計する必要があります。

電圧だけでは稼働時間を決定できない

もう 1 つのよくある間違いは、バッテリーをアンペアアワーだけで比較することです。

バッテリーのエネルギーはおよそ次のとおりです。

ワット時 = 公称電圧 × アンペア時

2 つの簡略化されたパックについて考えてみましょう。

• 24V × 100Ah = 2,400Wh

• 48V × 50Ah = 2,400Wh

アンペアアワー定格は異なりますが、公称エネルギーはほぼ同じです。

2 つのパックが両方とも 100Ah 定格の場合、48V パックは 24V パックの公称エネルギーのおよそ 2 倍を蓄えます。通常、より多くのセルが含まれ、より大きく、より重く、より高価になる可能性があります。

したがって、実行時間は、使用可能なワット時とマシンのデューティ サイクルから推定する必要があります。実際の見積もりでは、次のことも考慮する必要があります。

• バッテリーの放電限界

• セル温度

• 変換効率

• 補助消費電力

• 老齢手当

• 必要な予備容量

• ピーク負荷時の動作

• 充電前にマシンがデューティサイクルを完了できるかどうか

有用な仕様とは、「マシンには 8 時間が必要」ということだけを示すものではありません。 8 時間の間にマシンが何をするかを説明します。

実行時よりも前にピーク負荷によって電圧を決定できる

平均エネルギー消費量は控えめに見えるかもしれませんが、ピーク電流は厳しいです。

移動ロボット、清掃機、昇降プラットフォーム、または自動カートは、牽引、ステアリング、昇降、ポンプ、ブラシ、コンピュータ、センサー、および通信ハードウェアからの負荷を同時に受ける可能性があります。始動トルク、ランプ、急旋回、カーペットでのトランジション、またはリフトイベントにより、短時間の大電流が発生する可能性があります。

システム電圧が低い場合、同じピーク電力でもより多くの電流が必要になります。それにより、以下が生成される可能性があります。

• 電圧低下が大きい

• 以前のコントローラの不足電圧アラーム

• BMS過電流保護

• コネクタの加熱

• コンタクタのストレス

• 利用可能なモータートルクの減少

• バッテリー残量があるにもかかわらず予期せずシャットダウンする

このため、連続負荷プロファイルとピーク負荷プロファイルの両方に対してバッテリーを選択する必要があります。

プロトタイプが存在する場合は、機器チームに電流測定データを問い合わせてください。そうでない場合は、各サブシステムの連続電力、起動電力、持続時間、および同時動作の確率を含む負荷テーブルを作成します。

24V プラットフォームが合理的な場合

24V アーキテクチャは、マシンを制約するのではなく、マシンに適合する場合には依然として強力なオプションです。

次のような場合には、これがより良い選択となる可能性があります。

• 機器には中程度の電力需要があります。

• 大電流のケーブル配線が短い。

• 既存のコントローラー、アクチュエーター、ポンプ、充電器は 24V 用に設計されています。

• 設置環境により、コンパクトなバッテリーが有利になります。

• 24V 補助負荷を直接サポートすることで設計が簡素化されます。

• 確立された製品ファミリーとの互換性を維持することは商業的に重要です。

• サービスチームはすでに適切な 24V コンポーネントを在庫しています。

多くの場合、システムの単純さが利点となります。

必要な電流がバッテリ、BMS、コネクタ、ヒューズ、コンタクタ、およびコントローラの定格内に十分に収まっている場合、システム電圧を上げると、意味のある運用上の利点が得られずにコストが増加する可能性があります。

ただし、決定には余裕が必要です。通常の状態で電流制限近くで動作する 24V システムは、コールドセル、老朽化し​​たコネクタ、モーターの停止、将来のアクセサリ、またはより高性能なソフトウェア設定に対してほとんど耐性がない可能性があります。

48V または 51.2V が魅力的になるとき

多くの場合、エネルギーではなく電流が主な設計制約になっている場合、高電圧プラットフォームが正当化されます。

典型的な理由は次のとおりです。

• より高いトラクションまたはモーター出力

• 長いケーブル配線

• 頻繁な加速またはピークの上昇

• 複数のモーターが一緒に動作する

• 高出力ポンプ、コンプレッサー、ヒーター、またはインバーター

• 24V 設計でのケーブルまたはコネクタのサイズが大きすぎる

• 電圧降下を減らす必要がある

• より高速な移動またはより高い積載量を実現するための将来の計画

• 複数のマシンサイズをカバーする製品プラットフォーム

同じ電力でより低い電流により、熱管理と配電が容易になりますが、48V アーキテクチャは自動的に小型化または軽量化されるわけではありません。最終的な結果は、エネルギー容量、化学的性質、筐体構造、保護ハードウェア、および機械的要件によって異なります。

OEM はまた、プラットフォームが本当に公称 48 V であるか公称 51.2 V であるかを判断し、すべてのコンポーネントを全電圧範囲に対して検証する必要があります。

24V から 48V への変更はバッテリー交換ではありません

接続されたシステムを再設計せずに 24V バッテリを 48V バッテリに交換すると、機器が損傷したり、重大な安全上のリスクが発生したりする可能性があります。

次のコンポーネントはレビューが必要です。

成分	確認しなければならないこと
モーター	定格電圧、速度、絶縁、温度制限
モーターコントローラー	最小および最大 DC 入力、電流定格、回生動作
充電器	化学的性質、直列セル数、充電プロファイル、最大電圧、通信
DC-DCコンバータ	入力範囲、出力電圧、ピーク補助負荷
ヒューズ	DC 電圧定格、遮断容量、電流時間曲線
コンタクタ	コイル電圧、接点電圧、連続電流、遮断容量
プリチャージ回路	抵抗、エネルギー定格、タイミング、コントローラー静電容量
コネクタ	電圧、連続電流、嵌合サイクル、環境シール
ケーブル	導体面積、絶縁定格、温度、配線
BMS	セル構成、電流制限、保護ロジック、プロトコル
マシンコントローラー	CAN/RS485 ハードウェア、メッセージ形式、アラームおよび状態ロジック
サービス機器	隔離プロセス、診断ツール、技術者のトレーニング

このマシンの回生エネルギー経路にも特別な注意が必要です。制動中または負荷の低下中に、コントローラーはエネルギーをバッテリーに戻すことがあります。バッテリが冷えているか、満充電に近いか、回生電流を受け入れることができない場合、バス電圧が急速に上昇する可能性があります。

BMS、コントローラー、およびブレーキ戦略には、調整された制限が必要です。

システム電圧を変更すると、バッテリーだけでなく、電力経路全体、補助電源、充電器、保護システム、および機械通信に影響します。

補助荷重を覚えておいてください

ほとんどの制御ハードウェアは依然として 24V または 12V で動作しますが、機械は 48V のトラクションバスを使用する場合があります。

考えられる補助負荷には次のものがあります。

• PLCおよび産業用コンピュータ

• センサー

• カメラとスキャナー

• 点灯

• ファン

• 電磁弁

• アクセスポイントと通信モジュール

• パンプス

• ディスプレイとユーザーコントロール

適切に選択された DC-DC コンバータは、メイン バッテリからこれらの負荷に電力を供給できます。その設計では、完全な入力電圧ウィンドウ、ピーク出力需要、絶縁要件、電磁適合性、効率、スタンバイ消費、および起動動作を考慮する必要があります。

コンバータのサイズを平均補助負荷のみから決定しないでください。複数のデバイスが同時に起動する可能性があり、一部のコンピュータやラジオでは入力電流のピークが短時間発生します。

通信の互換性は電圧の互換性とは別です

バッテリーとマシンの両方に RS485 または CAN が存在しても、通信は保証されません。

物理インターフェイスは 1 層のみです。統合を成功させるには、次の事項についての合意も必要です。

• ボーレート

• ノードアドレス指定

• メッセージ識別子

• バイトオーダーとスケーリング

• 充電状態の定義

• アラームコードと障害コード

• 充電および放電の制限

• 心拍のタイミング

• 起動とシャットダウンのシーケンス

• 終端抵抗

• 通信不能後の行動

たとえば、eDailyMag の48V 46.2Ahバッテリーには RS485 通信がリストされており、より大きな 51.2V 製品には RS485 と CAN がリストされています。この情報は選択肢を絞り込むのに役立ちますが、OEM は依然としてプロトコル文書とベンチレベルのハンドシェイク テストを必要とします。

電圧の適合、コネクタの適合、およびプロトコルの適合は、3 つの個別の承認ゲートとして扱う必要があります。

実践的な選考プロセス

1. 実際の動作プロファイルを定義する

平均電力、連続最大電力、ピーク電力、ピーク継続時間、デューティ サイクル、動作温度、充電ウィンドウ、および必要な耐用年数を記録します。

測定された情報を推定値から分離します。

2. 両方の電圧レベルでの電流を計算します。

最大電流をチェックするときは、予想される最低バッテリ電圧を使用してください。理想的な電力方程式のみに依存するのではなく、コントローラーと変換の損失を含めます。

3. 抵抗予算を構築する

ケーブル、コネクタ、ヒューズ、コンタクタ、シャント、圧着端子、バスバーを含む大電流ループ全体の抵抗を推定します。

連続電流とピーク電流での電圧降下と I²R 加熱の両方を計算します。

4. 完全なアーキテクチャを比較する

バッテリーの見積もりを単独で比較しないでください。含む：

• バッテリーとBMS

• 充電器

• DC-DCコンバータ

• コントローラ

• コンタクタとプリチャージ回路

• ヒューズ

• コネクタ

• ケーブルアセンブリ

• 冷房または暖房

• 機械的取り付け

• ソフトウェアの統合

• 認証と検証

バッテリーの購入価格が低いと、電気アーキテクチャがより高価になる可能性があります。

5. 電圧ウィンドウを確認する

公称電圧、満充電電圧、通常の放電範囲、保護カットオフ、過渡限界、回生条件、および充電器の許容差を確認します。

6. 通信プロトコルをテストする

実際のバッテリまたは BMS シミュレータを使用して、通常のステータス メッセージ、制限コマンド、警告状態、通信タイムアウト、再起動動作、障害回復をテストします。

7. 信頼できる最悪の状態を検証する

新しいバッテリーを使用して室温で動作するシステムはまだ検証されていません。

次のような組み合わせをテストします。

• 低温とピーク加速

• 低充電状態とリフティング

• 高温および連続動作

• フルバッテリーと回生ブレーキ

• 古くなったバッテリーと高抵抗接続

• 異常温度時の充電器接続

• 動作中の通信中断

バッテリーのRFQに記入する質問

有用な見積依頼は、エンジニアリングレビューに十分な情報を提供する必要があります。

含む：

• 推奨電圧ファミリーと許容動作範囲

• 連続電流、ピーク電流、突入電流

• ピークイベントの期間と頻度

• 使用可能なエネルギーまたは実行時間を目標にする

• 充電時間と充電器の入力ソース

• 周囲温度およびセル温度の要件

• 設置可能スペース

• 最大許容質量

• コネクタとケーブルの要件

• 知的財産または環境保護のニーズ

• 衝撃および振動条件

• CAN または RS485 プロトコルの要件

• 必要な証明書

• 年間予想量

• 目標耐用年数

• 回生電流 (該当する場合)

負荷プロファイル、コントローラー仕様、充電器仕様、機械図面、通信マトリックスを共有することも役立ちます。

カスタム評価の場合、OEM チームはシステムの電圧と負荷の情報を、 eDailyMag のお問い合わせページ。

よくある質問

48V は常に 24V より効率的ですか?

必ずしも完全なシステム レベルであるとは限りません。 48V システムは通常、同じ電力に対してより少ない電流を流すため、抵抗損失が減少します。ただし、コンバータの効率、モータの効率、スタンバイ負荷、バッテリの設計、および動作プロファイルも全体の効率に影響します。

48V バッテリーは 2 倍の稼働時間を提供しますか?

ただし、同じ負荷に対して 2 倍の使用可能なエネルギーを提供する場合に限ります。電圧だけでは動作時間を決定しません。ボルトやアンペア時だけでなく、使用可能なワット時も比較します。

48V というラベルの付いたコントローラーに 48V バッテリーを接続できますか?

コントローラの完全な入力電圧範囲がチェックされるまでは行われません。バッテリーのフル充電電圧は、「48V」というラベルから予想される電圧を超える場合があります。

48V と 51.2V のバッテリーは交換可能ですか?

自動的ではありません。異なる化学薬品、直列構成、充電電圧、放電限界、および BMS 設定が使用される場合があります。電圧ウィンドウ全体と充電プロファイルを確認します。

48V モーター コントローラーを取り付けて 24V マシンをアップグレードできますか?

コントローラーはシステムの一部にすぎません。モーター、充電器、コンタクター、ヒューズ、補助装置、DC-DC 変換、コネクタ、絶縁、BMS プロトコル、回生動作も見直す必要があります。

電流が低いということは、常に細いケーブルを使用できるということですか?

電流が低いほど必要な導体面積は減少しますが、ケーブルの選択では、許容可能な電圧降下、温度、設置方法、絶縁、結束、コネクタの制限、ピーク持続時間、および適用される規格を考慮する必要があります。

バッテリー容量はAhまたはWhで指定する必要がありますか?

異なる電圧プラットフォーム間でエネルギーを比較する場合は、ワット時を使用します。アンペアアワーは、電圧と放電条件がすでに定義されている場合にも役立ちます。

48V システムでは CAN の方が RS485 より優れていますか?

どちらのインターフェースも本質的にバッテリー電圧によって選択されるわけではありません。決定は、マシンのアーキテクチャ、必要なデータ、プロトコル、配線環境、診断、および既存のコントローラーのサポートによって異なります。

通常、最終的な選択は何によって決まりますか?

コンパクトな機器の場合、取り付けられているコンポーネントの互換性により 24V が優先される場合があります。電力とケーブルの距離が長くなると、電流管理では 48V または 51.2V が優先される場合があります。最適な選択は、適切な電気的マージンがあり、総合的な統合リスクが最も低いプラットフォームです。

最終的な推奨事項

バッテリ電圧は、後段のバッテリ パラメータとしてではなく、機器プラットフォームの決定として選択します。

電力需要とケーブルの長さが適度な場合、24V システムはコンパクトで使いやすく、経済的になります。 48V または 51.2V システムでは、電力が増加するにつれて、電流、電圧降下、抵抗加熱を低減できます。ただし、これらの利点は、コントローラー、配線、保護、充電、通信、および補助アーキテクチャが同じ電圧ウィンドウに合わせて設計されている場合にのみ現れます。

OEM リチウム バッテリ パックをリクエストする前に、バッテリ サプライヤーに機械の電圧制限、連続負荷とピーク負荷、デューティ サイクル、動作温度、充電器の要件、通信プロトコル、および機械的制約を提供してください。

この情報により、不完全なバッテリー仕様に機械に適応させるのではなく、実際の機械に合わせてバッテリーを設計できるようになります。