リン酸鉄リチウムイオンバッテリー 利用のススメ

リン酸鉄リチウムイオンバッテリー 利用のススメ

当店【蓄電システム.com】では、すっかりお馴染みとなったリン酸鉄リチウムイオンバッテリーですが、まだまだ蓄電側バッテリーとしての歴史は浅く、普及品としてわが国に流通させ、一般蓄電ファンに認知させたのは、実は当店であるといっても過言ではありません。

BMS(バッテリー・マネジメント・システム)と呼ばれ、リン酸鉄リチウムイオンバッテリーの動脈ともいえる充放電時のセルバランスを制御する機器基板を搭載し、ソーラー発電には必須の機器となるチャージコントローラーとの、さまざまな相性問題を完全解決できている製品は、いまだに日本では「当店以外に」販売されていないはずです。(平成24年から26年9月現在まで)

リン酸鉄リチウムイオンバッテリーとチャージコントローラーの相性問題を解決できている製品は、蓄電システム.com以外では販売されていないということを説明した画像です

もちろん、このBMSの搭載されていないリン酸鉄リチウムイオンバッテリーは、相当数が流通するようになりましたが、せっかく安全かつ長寿命なはずの高性能バッテリーを、鉛ディープサイクルと変わらない500サイクル程度でダメにしてしまうのは、やはりもったいないと言わざるを得ません。

肝心のBMSの仕様ほか、チャージコントローラーとの相性問題を、ここでは詳らかにすることは「企業秘密」ともなりますので公開できませんが、鉛ディープサイクルと比較して、どんな点が優位、優秀であるかをここでは解説してまいります。

ダントツのエネルギー密度について

リン酸鉄リチウムイオンバッテリーと鉛バッテリーとの体積差を比較してお分かりのとおり、そのエネルギー密度の差は歴然です。(本来、「エネルギー密度」は非常に難しい数式で表現されますので、ここでは簡単に解説します)

たとえば、当店で販売している台湾:LONG社製の50Ah容量ドライ式バッテリーと、ほぼ近い容量を持つリン酸鉄リチウムイオンバッテリー12.8V、40Ahタイプを比較してみましょう。

LONG ドライ式 12定格、50Ah ・理論容量 600Wh ・体積 198mm×166mm×171mm=0.562立方メートル ・重量 14.24kg

O’cell リン酸鉄リチウムイオンバッテリー 12.8V、40Ah ・理論容量 512Wh ・体積 195 mm×130 mm×182mm=0.461立方メートル ・重量 6s

もう、その差は歴然であり、対体積比ではほぼ同等見みえますが、リン酸鉄リチウムイオンバッテリーには、BMSと呼ばれる電子基板が2枚内蔵されており、バッテリーらしく見栄えよく見せるためにデザインされた筐体に包まれて、実際には概ね65%程度の体積しかありません。対重量比についていえば、何ら説明はいらないでしょう。

実際に放電できる容量と理論容量について

グラフ図(@、A)を見ておわかりのとおり、鉛ディープサイクルバッテリーが緩やかな曲線を描く放電カーブを持つのに対して、リン酸鉄リチウムイオンバッテリーでは、特に低電圧部分に突然鋭角的な電圧降下を起こす性質を持ち、既存のDC-ACインバーターの許容電圧値の範囲で概ね90%以上の放電深度を得られるのに対し、鉛バッテリーでは最大でも70%程度までの放電しか得られません。

リン酸鉄リチウムイオンバッテリー 放電特性グラフ(図@)

鉛ディープサイクルバッテリー 放電特性グラフ(図A)

したがって、同じ理論容量を持つそれぞれのバッテリーであっても、実際に放電できる容量は「20%以上」の差があり、特に、鉛ディープサイクルバッテリーの場合には経年劣化が早いので1年程度継続使用したバッテリー比較では、リン酸鉄リチウムイオンバッテリーの方が「1.5倍程度」の実容量を持つようなイメージとなります。

鉛バッテリーよりリン酸鉄リチウムイオンバッテリーの方が「1.5倍程度」の実容量を持つということを説明したイメージ画像です

また、大容量放電(0.5C〜1C)を行っている場合、特に鉛ディープサイクルバッテリーでは、低電圧部分(12.0V以下)の電圧降下度が大きく、「12.0V」は、概ねの放電深度50%に該当する電圧であるにもかかわらず、大容量放電時にはインバーターの低電圧保護遮断電圧に抵触して出力できないという現象も起こります。

リン酸鉄リチウムイオンバッテリーは、エネルギー密度が高いので、その分電圧降下も小さく、そのような現象を引き起こすことなく快適な放電をこなすことができるのです。

「BMS」(バランス・マネジメント・システム)とは?

「BMS」とは、リン酸鉄リチウムイオンバッテリーに内蔵されている充放電制御基板は、当然のことながら鉛ディープサイクルバッテリーには内蔵されておりません。 ここでは、小難しい充放電制御については説明を避けますが、BMSは2枚の電子基板により構成されており、

  1. 多数複数直並列された電池セルの電圧バランスを整えるもの
  2. リン酸鉄リチウムイオン電池の性質に適合した充放電容量を制御するもの

との2枚構成になっています。

それに合わせて、DC-ACインバーターの過電圧・低電圧の各遮断保護回路が持つ「電圧閾値」に応じた、リン酸鉄リチウムイオンバッテリー自身が低電圧(過放電)や過電圧(過充電)から身を守るために、いわばシステム内で二重の保護回路を持つようになりました。

リン酸鉄リチウムイオンバッテリー自身が低電圧(過放電)や過電圧(過充電)から身を守るための二重の保護回路を持っているということを説明した画像です

後述する「メーカーの期待寿命とサイクル回数」を全うさせるための重要なBMSですが、今のところ我が国では(平成26年9月現在)、当店【蓄電システム.com】だけが、ソーラー蓄電システム周辺機器との相性問題を解決した製品を販売しているに過ぎません。仮に、リン酸鉄リチウムイオンバッテリーを採用しているソーラー蓄電システムが存在するとしたら、それはBMSが搭載されていない大容量セルを4並列構成にしただけの製品であるとも言えます。

BMSが実際に担う役割は、以下のような制御となります。

単セル電圧の管理制御

たとえば、12.8V、40Ahの定格電圧を持つリン酸鉄リチウムイオンバッテリーでは、1セル3.2Vの18650規格の棒電池を「4直列30並列」構成としており、多数の直並列接続にされたセルそれぞれの電圧を平準化する役割を担っています。

充放電容量の管理制御

リン酸鉄リチウムイオンバッテリーは、高エネルギー密度を持つために、鉛ディープサイクルバッテリーに比較して大容量充放電においても劣化や品質の低下を招き難い性質を持っていますが、それでもサイクル回数を上げるため、概ね「1C」(12.8V、40Ahであれば40A)までの充放電容量に留める必要があります。

過充電、過放電時の保護遮断制御

鉛ディープサイクルバッテリーにはない機能ですが、リン酸鉄リチウムイオンバッテリーでは、前述の「1C」を超えた充放電時には、瞬時に内部のリレー回路が動作して入出力を遮断します。ほかに、セルバランスが平準化されない場合にも、万一の安全確保のために、この保護遮断回路が動作する仕組みを持っています。

メーカーの期待寿命とサイクル回数

さて、ここまでくれば概ねリン酸鉄リチウムイオンバッテリーの優位性を理解いただけたはずですが、最後に当店で販売している、中国:O’cell社が公称する期待寿命とサイクル回数を見てみましょう。

※使用環境温度 23℃、充放電容量 2/3C、のときの公称データです。

期待寿命 約10年
※鉛ディープサイクルバッテリーは、概ね「2年程度」でしかありません。

サイクル回数 2,000回以上(このときの容量維持率は「70%」)
※鉛ディープサイクルバッテリーは、概ね400回程度、容量維持率は30%もないでしょう。

容量維持率とは、2,000サイクル使用後においても、たとえば12.8V定格、40Ahタイプであれば、

12.8V×40Ah×70%=約358Wh

までの充放電を行うことのできる容量を維持していると言う意味となります。

同じリン酸鉄リチウムイオンバッテリーでありながら、サイクル回数を「5,000回以上」と記載している製品を見かけますが、実はこの容量維持率までもサイクル回数として織り込んでおり、いくら高品質を謳った製品であっても、当然に経年劣化は避けられません。

いかがでしたか?

最後に、当店【蓄電システム.com】で販売しているリン酸鉄リチウムイオンバッテリーは、さまざまなメーカーから発売されているチャージコントローラー、DC-ACインバーターとの接続機器間に致命的な相性問題を一切解決した製品であり、

当店独自の各種保護回路の設定閾値を決めており、ほかにはない製品となっております。

先日、日本で販売が開始された、アメリカのEV車「テスラ」にも、パナソニック製の18650規格のリン酸鉄リチウムイオン電池が使われています。

ストレスのないソーラー蓄電を楽しむためにも、ぜひリン酸鉄リチウムイオンバッテリーをご検討ください!

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