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の放電特性について

当ページでは、リン酸鉄リチウムイオンバッテリーの放電特性について、特にソーラー発電システムでは周辺機器(DC-ACインバーター、チャージコントローラー)との相性問題が多く潜んでおり、また、バッテリー本体を長持ちさせるためにも、各周辺機器の選定にも多様な配慮が必要となります。

大変に面白い考察として、バッテリーとDC-ACインバーターとの相性問題を考えるとき、鉛バッテリーは、インバーターよりもだいぶ昔に製造開発が行われた製品であるものの、リン酸鉄リチウムイオンバッテリーは最初から既製品、汎用製品としてインバーターの仕様に基づいて開発されているという経緯があります。

特に、蓄電システム用途として、当店のように販売している「ソーラー蓄電用リン酸鉄リチウムイオンバッテリー」では、DC-ACインバーター側に特別な仕様の変更を加えることなく、バッテリーに内蔵されているBMSの仕様を最適化すること、また、セル単位(リン酸鉄リチウムは「3.2V」)の直列接続数を増減させてインバーターとの相性問題を解決しています。

ソーラー蓄電用リン酸鉄リチウムイオンバッテリーでは、DC-ACインバーター側に特別な仕様の変更を加えることなく、バッテリーに内蔵されているBMSの仕様を最適化しているということを説明した画像です

ここでは、「DC-ACインバーター」「チャージコントローラー」との相性問題を軸足にして、初心者の方にもわかりやすいように解説いたします。

リン酸鉄リチウムイオンバッテリーの電圧と実際の放電深度

※ここでは、4直列仕様(定格12.8V、40Ah=512Wh)の新品状態のリン酸鉄リチウムを基準として解説します。25.6V仕様の製品では「2倍」、51.2V仕様の製品では「4倍」にして各電圧値を読んでください。

全く充放電のない状況における電圧と放電深度

※充放電後「30分以上経過」したときの電圧値です。

全く充放電のない状況における電圧と放電深度の表

全く充放電のない状況における電圧と放電深度のグラフ

上記数値を見ておわかりのとおり、放電深度が「70%」付近までは、非常に緩やかな放電特性カーブを持ちますが、その後も、放電深度が「90%〜95%」となるまで、インバーターの低電圧保護遮断回路が動作することなく、また電圧降下も少なくAC出力を可能にしています。

鉛バッテリーでは、この放電深度70%付近では、すでにインバーターの保護回路が動作する「10.5V〜11.0V」にまで電圧降下を起こしており、この段階でAC出力は停止します。

では、次に負荷出力中のバッテリー電圧と放電深度の関係を見てみましょう。

1/2C(約250W)連続負荷状況における電圧と放電深度

※負荷出力中のリアルタイム電圧値です。

1/2C(約250W)連続負荷状況における電圧と放電深度の表

1/2C(約250W)連続負荷状況における電圧と放電深度のグラフ

上記数値を見ておわかりのとおり、1/2C、すなわち250Wもの放電がありながら、鉛バッテリーに比較して大きな電圧降下も見られることなく、放電深度「80%」付近に特徴的な電圧降下はあるものの、インバーターの低電圧保護遮断回路が動作するまで快適な放電ができることになります。

リン酸鉄リチウムイオンバッテリーと関連機器の相性問題

独立型のソーラー発電システムでは、みなさんもご存じのとおり、主な関連接続機器には「ソーラーパネル」「チャージコントローラー」「DC-ACインバーター」があります。

ソーラーパネルに関しましては、リン酸鉄リチウムイオンバッテリーと直接接続することはありませんので、これ以外の接続機器の相性問題について解説いたします。

チャージコントローラーとの相性問題

一部の例外製品を除き、PWM制御チャージコントローラー、MPPT制御チャージコントローラーともに、機器自身が動作するためのセルフ電源を必要としますので、特にBMSが搭載されたリン酸鉄リチウムイオンバッテリー(当店の販売製品)では、BMSの各種保護電圧閾値をチャージコントローラーの電気的仕様に適合させなくてはなりません。(※BMS非搭載の製品は、過放電、過充電による極端な進度による劣化が進み、メーカー期待寿命である「サイクル回数2,000回以上のときの容量維持率70%以上」は実現しません)

BMS基板には、過放電時、過充電時に一切の充放電をさせないための「リレー制御入出力遮断保護回路」が搭載されており、仮に低電圧時にリレー制御で遮断された場合、当然のことながらセルフ電源を必要とするチャージコントローラーは動作できず、すなわちソーラーパネルからの出力を要求できない状態となります。

低電圧時にリレー制御で遮断された場合、セルフ電源を必要とするチャージコントローラーは動作できないということを説明したイメージ画像です

また、過放電時、過充電時にかかわらず、保護遮断制御がされた場合、特に問題となるのが過放電時であり、リレー回路を復帰状態とするためには、外部の充電機器を使いBMSに設定された閾値までバッテリー電圧を手動で上昇させる必要が出てきます。

そのほかにも、一般に市販されているチャージコントローラーでは、満充電にできない製品もありますので注意が必要です。

DC-ACインバーターとの相性問題

最も注意が必要なのは、BMSの設定閾値に適合、対応した出力仕様(サージも含む)を持つインバーターとの組合せが必要です。

BMS非搭載のリン酸鉄リチウムイオンバッテリーでは、過放電電流値の上限が制御されていないため、重大なバッテリー劣化、セル損傷を招くことになります。

当店で販売するほとんどのリン酸鉄リチウムイオンバッテリーの最大出力は「1C」が上限としてBMSを設定してあり、その上限値を超える出力要求があれば、直ちにBMSが出力を遮断し、バッテリーの劣化、セルの損傷を保護する仕組みを持っています。

最大出力は「1C」が上限としてBMSを設定してあり、その上限値を超える出力要求があれば、直ちにBMSが出力を遮断し、バッテリーの劣化、セルの損傷を保護する仕組みを持っているということを説明した画像です

当店でリン酸鉄リチウムイオンバッテリーのご購入を検討されていらっしゃる方は、誤った過放電を行わないためにも、「1C」以下のインバーターと組合せて使用されることをお勧めします。

※「1C」とは、たとえば定格電圧「12.8V、40Ah」(512Wh)のリン酸鉄リチウムイオンバッテリーでは、このバッテリーを1時間で完全放電させる電力値、すなわち512W以下の出力性能を持つインバーターと組合せるという意味です。

いかがでしょうか?

現在(平成26年11月)までに、BMSが搭載された「ソーラー蓄電用途」のリン酸鉄リチウムイオンバッテリーは、いまだわが国には存在していません。

すでに、当店で実証実験を開始して約3年、正式に販売を開始して約2年以上が過ぎようとしていますが、購入されたお客様からは「一度使ったら鉛バッテリーには戻れませんね!」というたくさんの声をいただいております。

まだ若干高価ですが、ご予算の許すお客様は、ぜひ一度使ってみてください。

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