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LiFePO4 (リチウムイオン) バッテリーで幸せを見つける方法
| ここで、新しく購入した貴重なバッテリーの管理方法、つまり、リチウム鉄バッテリーを最適に充電する方法、放電する方法、リチウムイオンバッテリーの寿命を最大限に引き出す方法を知りたいと考えています。この記事では、すべきこととしてはいけないことについて説明します。 リチウムイオン電池の価格 法外に高価なバッテリーから、少しずつ手の届かない程度のバッテリーへと徐々に変化しており、BSLBATT ではこのタイプのバッテリーの売上が着実に増加しているのを目にしています。ほとんどのユーザーは、RV、五輪車、キャンピングカーなどの車両でそれらを使用しているようですが、一部のユーザーは実際の定置式オフグリッド システムに導入しています。 この記事では、リチウムイオン電池の特定のカテゴリについて説明します。化学式ではリチウム鉄リン酸塩または LiFePO4 であり、LFP 電池とも略されます。これらは、携帯電話やラップトップに搭載されているものとは少し異なり、（主に）リチウムコバルト電池です。 LFP の利点は、安定性が高く、自己発火しにくいことです。これは、バッテリーが損傷した場合に燃焼できないという意味ではありません。充電されたバッテリーには大量のエネルギーが蓄えられており、予期せぬ放電が発生した場合、すぐに興味深い結果が得られる可能性があります。また、LFP はリチウムコバルトと比較して寿命が長く、温度安定性も優れています。世の中にあるさまざまなリチウム電池技術の中で、LFP はディープサイクル用途に最も適しています。 12/24/48 ボルト パックとして販売されているほぼすべての LFP バッテリーと同様に、バッテリーには BMS またはバッテリー管理システムが搭載されていると仮定します。 BMS はバッテリーの保護を担当します。バッテリーが放電したり、過充電される恐れがある場合、バッテリーの接続が切断されます。 BMS はまた、充電および放電電流の制限、セル温度の監視 (および必要に応じて充電/放電の抑制) も行い、ほとんどの場合、完全充電が完了するたびにセルのバランスをとります (バランスとは、すべてのセルを内部に持ち込むことだと考えてください)。鉛酸バッテリの均等化と同様に、バッテリ パックを同じ充電状態にします)。危険な生活を好まない限り、BMS のないバッテリーを購入しないでください。 以下に記載するのは、多数の Web 記事、ブログ ページ、科学出版物、および LFP メーカーとの議論を読んで収集した知識です。世の中には誤った情報がたくさんあるので、何を信じるかに注意してください。私たちがここで書くことは決してLFPバッテリーに関する究極のガイドを意味するものではありませんが、この記事が牛の排泄物を徹底的に解明し、リチウムイオンバッテリーを最大限に活用するための確かなガイドラインを提供することを願っています。
なぜリチウムイオンなのか?鉛蓄電池の記事で、その化学反応のアキレス腱が部分充電状態で長時間放置される様子を説明しました。高価な鉛蓄電池バンクを部分的に充電したままにしておくだけで、わずか数か月で盗んでしまうのはあまりにも簡単です。 LFP ではそれが大きく異なります。リチウムイオン電池は部分充電のままでも損傷することなく永久に放置できます。実際、LFP は完全に満充電または空の状態よりも部分充電の状態を好みます。寿命を延ばすためには、バッテリーをサイクルするか、部分充電の状態で放置する方が良いでしょう。 でも待ってください！さらにあります! リチウムイオン電池はまさに電池の聖杯に近いものです。適切な充電パラメータがあれば、電池の存在をほとんど忘れてしまうほどです。メンテナンスはありません。 BMS が処理してくれるので、安心してサイクリングを続けることができます。 でも待ってください！まだまだあります！ (特定のインフォマーシャルとの類似点はまったくの偶然であり、率直に言って、私たちはその提案に憤慨しています!)… LFP バッテリーは非常に長持ちします。私たちの BSLBATT LFP バッテリー 定格は 3000 サイクル (完全な 100% 充放電サイクル) です。これを毎日行うと、8 年以上のサイクリングに相当します。 100% 未満のサイクルで使用するとさらに長く持続します。実際、簡単にするために線形関係を使用できます。50% の放電サイクルは 2 倍のサイクルを意味し、33% の放電サイクルは 3 倍のサイクルを合理的に期待できます。 でも待ってください！まだまだあります！ LiFePO4 バッテリーの重量も、同様の容量の鉛酸バッテリーの 1/2 未満です。大きな充電電流に対応でき (Ah 定格の 100% は問題ありません。鉛酸で試してみてください!)、急速充電が可能です。密閉されているので煙が発生せず、自己放電率が非常に低くなります (月あたり 3% 以下）。 LFP のバッテリー バンクのサイジング上でこれをほのめかしましたが、リチウムイオン電池の使用可能容量は 100% ですが、鉛蓄電池の実際の使用可能容量は 80% です。つまり、LFP バッテリー バンクのサイズを鉛蓄電池バンクよりも小さくしても、機能的には同じにすることができます。この数字は、LFP が鉛酸のアンペア時サイズの 80% になる可能性があることを示唆しています。ただし、これには続きがあります。 寿命を延ばすために、鉛蓄電池バンクは、SOC 50% 未満での放電が定期的に発生するようなサイズにすべきではありません。 LFP なら問題ありません。 LFP の往復エネルギー効率も鉛酸よりもかなり優れており、一定レベルの放電後にタンクを満たすために必要なエネルギーが少なくて済みます。その結果、100% への回復がより速くなりますが、すでにバッテリー バンクが小さいため、この効果はさらに強化されます。 結論としては、リチウムイオン電池バンクのサイズを同等の鉛蓄電池バンクのサイズの 75% に設定しても問題なく、同じ (またはそれ以上の) パフォーマンスが期待できるということです。太陽が不足している暗い冬の日も含みます。
でも、ちょっと待ってください！リチウムイオンは本当にバッテリーに関するすべての悩みを解決できるのでしょうか?まあ、完全には違いますが… LFP バッテリーにも限界があります。大きな問題は温度です。氷点下または摂氏 0 度以下ではリチウムイオン電池を充電できません。鉛酸はこれをまったく気にしませんでした。 (一時的な容量損失では) バッテリーを放電することはできますが、充電は行われません。 BMS は、偶発的な損傷を避けるために、氷点下での充電をブロックするように注意する必要があります。 ハイエンドでは温度も問題になります。バッテリーの劣化の最大の原因は、高温での使用、または単なる保管です。 30℃程度までは問題ありません。 45℃でもそれほど大きなペナルティはありません。ただし、それを超えると劣化が加速し、最終的にはバッテリーの寿命が来ます。これには、バッテリーをサイクリングしていないときの保管も含まれます。これについては、後で LFP バッテリーがどのように故障するかを説明するときに詳しく説明します。 高電圧を供給する可能性のある充電電源を使用すると、発生する可能性のある卑劣な問題があります。バッテリーが満杯になると、充電電源が充電を停止しない限り、電圧が上昇します。十分に上昇すると、BMS がバッテリーを保護して接続を解除し、充電源をさらに上昇させます。これは、（悪い）車のオルタネーターの電圧レギュレーターに問題がある可能性があります。常に負荷を監視する必要があるため、そうでないと電圧が急上昇し、ダイオードが魔法の煙を放出します。これは、制御をバッテリーに依存している小型風力タービンでも問題になる可能性があります。電池がなくなると逃げ出す可能性があります。 さらに、初期購入価格は非常に高額です。 しかし、あなたはまだそれを望んでいるはずです!… LiFePO4 バッテリーはどのように機能しますか?
バッテリーを放電すると、同じことが逆に行われます。電子が負極を通って流れ去ると、リチウムイオンは再び移動を始め、膜を通ってリン酸鉄格子に戻ります。これらは、バッテリーが再度充電されるまで、再びプラス側に保管されます。 よく注意を払っている方なら、右側のバッテリーの図がほぼ完全に放電した LFP バッテリーを示していることがおわかりいただけるでしょう。ほぼすべてのリチウムイオンは正極側にあります。完全に充電されたバッテリーでは、これらのリチウムイオンはすべて負極の炭素内に蓄えられます。 現実の世界では、リチウムイオン電池は、アルミニウム、ポリマー、銅箔を交互に重ねた非常に薄い層で構成されており、その上に化学物質が貼り付けられています。多くの場合、ゼリーロールのように丸めて、単三電池と同じようにスチール製の容器に入れられます。あなたが購入する 12 ボルトのリチウムイオン電池は、電圧とアンペア時容量を増やすために直列および並列に接続された多くのセルで構成されています。各セルは約 3.3 ボルトなので、4 つ直列に接続すると 13.2 ボルトになります。 12 ボルトの鉛蓄電池を交換するのにちょうどいい電圧です。 LFP バッテリーの充電通常のソーラー充電コントローラーのほとんどは、リチウムイオン電池を問題なく充電できます。必要な電圧は、AGM バッテリー (密閉型鉛蓄電池の一種) に使用される電圧と非常に似ています。 BMS は、バッテリー セルが適切な電圧を示し、過充電または過放電にならないようにするのにも役立ち、セルのバランスをとり、充電中のセル温度が適切な範囲内にあることを保証します。 以下のグラフは、充電される LiFePO4 バッテリーの一般的なプロファイルを示しています。読みやすくするために、電圧は 12 ボルト LFP バッテリー パックで表示される値 (単一セル電圧の 4 倍) に変換されています。
グラフに示されているのは 0.5C の充電率、または Ah 容量の半分です。言い換えれば、100Ah バッテリーの場合、これは 50A の充電率になります。充電電圧 (赤色) は、充電率 (青色) が高くても低くてもあまり変化しません。LFP バッテリーの電圧曲線は非常に平坦です。 リチウムイオン電池は 2 つの段階で充電されます。まず、電流が一定に保たれます。太陽光発電の場合は、一般に、太陽から得られる限り多くの電流を電池に送ろうとすることを意味します。この間に電圧はゆっくりと上昇し、上のグラフの「吸収」電圧 14.6V に達します。吸収に達すると、バッテリーは約 90% 充電され、残りを充電するために、電流がゆっくりと減少する間、電圧が一定に保たれます。電流がバッテリーの Ah 定格の約 5% ～ 10% に低下すると、100% の充電状態になります。 多くの点で、リチウム イオン バッテリーは鉛酸バッテリーよりも充電が簡単です。充電電圧がイオンを移動させるのに十分に高い限り、充電されます。リチウムイオン電池は、完全に 100% 充電されていなくても問題ありません。実際、充電されていない場合でも、寿命は長くなります。硫酸化やイコライジングはなく、吸収時間はあまり重要ではなく、バッテリーを実際に過充電することはできません。また、BMS が物事を妥当な範囲内に保つように管理します。 では、これらのイオンを移動させるのに十分な電圧はどれくらいでしょうか?少し実験してみると、13.6 ボルト (セルあたり 3.4 V) がカットオフ ポイントであることがわかります。それ未満ではほとんど何も起こりませんが、それを超えると、十分な時間があれば、バッテリーは少なくとも 95% 充電されます。 14.0 ボルト (セルあたり 3.5V) では、バッテリーは数時間の吸収時間で簡単に最大 95% 以上充電できます。また、14.0 ボルト以上の電圧では充電にほとんど違いはありませんが、14.2 ボルトでは充電が少し速くなります。ボルト以上。 バルク/吸収電圧 これを要約すると、14.2 ボルトと 14.6 ボルトの間のバルク/吸収設定が LiFePO4 に最適です。吸収時間の助けを借りて、約 14.0 ボルトまで下げることも可能です。わずかに高い電圧も可能ですが、ほとんどのバッテリーの BMS は、バッテリーを取り外す前に約 14.8 ～ 15.0 ボルトを許容します。ただし、電圧を高くしてもメリットはなく、BMS によって切断され、場合によっては損傷するリスクが高くなります。 フロート電圧 LFP バッテリーをフローティングする必要はありません。鉛酸バッテリーの自己放電率が非常に高いため、バッテリーを満足させるためにはより多くの充電を継続するのが合理的であるため、充電コントローラーはこれを備えています。リチウムイオンバッテリーの場合、バッテリーが常に高い充電状態にあることは良くありません。そのため、充電コントローラーがフロートを無効にできない場合は、実際の充電が行われない十分に低い電圧に設定するだけです。 13.6 ボルト以下の電圧であれば問題ありません。 電圧を等化する 14.6 ボルトを超える充電電圧は積極的に抑制されているため、リチウムイオン電池に対して均等化を行うべきではないことは明らかです。イコライズを無効にできない場合は、14.6V 以下に設定すると、通常の吸収充電サイクルになります。 吸収時間 単純に吸収電圧を 14.4V または 14.6V に設定し、バッテリーがその電圧に達したら充電を停止するだけでも言うべきことはたくさんあります。つまり、吸収時間はゼロ（または短い）です。この時点で、バッテリーは約 90% 充電されています。 LiFePO4 バッテリーは、100% の SOC を長時間維持しないほうが長期的には満足できるため、これを実践するとバッテリー寿命が延びます。どうしてもバッテリーの SOC を 100% にする必要がある場合は、吸収がそれを行います。公式には、充電電流がバッテリーの Ah 定格の 5% ～ 10% に低下するとこの値に達します。つまり、100Ah バッテリーの場合は 5 ～ 10 アンペアになります。流れに基づいて吸収を停止できない場合は、吸収時間を約 2 時間に設定し、それを 1 日とします。 温度補償 LiFePO4 バッテリーは温度補償が不要です。充電コントローラーでこれをオフにしてください。そうしないと、非常に暖かいまたは寒いときに充電電圧が大幅にオフになります。 充電コントローラーの電圧設定を、高品質のデジタル マルチメーターで実際に測定した電圧設定と照らし合わせて確認してください。リチウムイオン電池の充電時には、電圧の小さな変化が大きな影響を与える可能性があります。それに応じて充電設定を変更してください。 LFP バッテリーの放電鉛蓄電池とは異なり、リチウムイオン電池の電圧は放電中に非常に一定に保たれます。そのため、電圧だけから充電状態を推測することが困難になります。中程度の負荷がかかったバッテリーの場合、放電曲線は次のようになります。
放電中のほとんどの場合、バッテリー電圧は約 13.2 ボルトになります。 SOC 99% から 30% まで、わずか 0.2 ボルトだけ変化します。少し前までは、LiFePO4 バッテリーの SOC が 20% を下回るのは Very Bad Idea™ でした。それは変わり、現在の LFP バッテリーは多くのサイクルで 0% まで快適に放電します。ただし、サイクリングの深さを浅くすることには利点があります。 SOC 30% までサイクリングすると、0% までサイクリングする場合に比べてサイクルが 1/3 多くなるというだけではなく、バッテリーはおそらくそれよりも長いサイクル寿命を持ちます。確かな数字を得るのは難しいですが、SOC 50% までサイクリングすると、100% サイクリングと比較してサイクル寿命が約 3 倍になるようです。 以下の表は、12 ボルトのバッテリー パックのバッテリー電圧と放電深度を示しています。これらの電圧値を割り引いて考えると、放電曲線は非常に平坦なので、電圧だけから SOC を決定するのは実際には困難です。負荷のわずかな変動や電圧計の精度により、測定に誤差が生じます。 リチウムイオン電池の保管自己放電率が非常に低いため、LFP バッテリーは長期間保管する場合でも簡単に保管できます。リチウムイオン電池は 1 年間保管しておいても問題ありませんが、保管する前にある程度充電されていることを確認してください。 50% ～ 70% の間であれば問題ありません。これにより、バッテリが自己放電して電圧が危険点に近づくまでに非常に長い時間がかかります。 バッテリーは氷点下で保管しても問題ありません。バッテリーは凍らないので、温度はあまり気にしません。高温 (摂氏 45 度以上) での保管は避け、可能であれば完全に満杯 (またはほぼ空) で保管することは避けてください。 バッテリーを長期間保管する必要がある場合は、必ずすべてのワイヤーをバッテリーから外してください。そうすれば、バッテリをゆっくりと放電させる浮遊負荷が発生することはありません。 リチウムイオン電池の寿命あなたが恐怖にあえぐのが聞こえます。あなたの貴重な LFP バッテリー バンクがもうなくなってしまったと考えても、背筋がゾクゾクすることはありません。悲しいかな、どんな良いことにもいつかは終わりが来るのです。私たちが避けたいのは、早期の終焉であり、そのためには、リチウムイオン電池がどのように寿命を迎えるのかを理解する必要があります。 バッテリーメーカーは、バッテリーの容量が本来あるべき値の 80% に低下すると、バッテリーが「寿命」であると判断します。つまり、100Ah のバッテリーの場合、容量が 80Ah に低下すると寿命が来ます。バッテリーの寿命には、サイクルと経年劣化という 2 つのメカニズムが働いています。バッテリーを放電および再充電するたびに、バッテリーは少しずつ損傷し、容量が少しずつ失われます。しかし、たとえ貴重なバッテリーを美しいガラス張りの神社に保管し、決して自転車に乗せられなかったとしても、バッテリーには必ず終わりが来ます。最後のものはカレンダーライフと呼ばれます。 LiFePO4 バッテリーのカレンダー寿命に関する確実なデータを見つけるのは難しく、ほとんどありません。極端な温度 (温度と SOC) がカレンダーの寿命に及ぼす影響については、いくつかの科学的研究が行われており、それらは限界値を設定するのに役立ちます。私たちがまとめているのは、バッテリーバンクを乱用せず、極端な使用を避け、通常は妥当な範囲内でバッテリーを使用する場合、カレンダーの寿命には約 20 年の上限があるということです。 バッテリーの中にはセルのほかに、電子部品で作られたBMSもあります。 BMS が故障すると、バッテリーも故障します。 BMS が組み込まれたリチウムイオン バッテリーはまだ新しすぎるため、見極める必要がありますが、最終的には、バッテリー管理システムもリチウムイオン セルと同じくらい長く存続する必要があります。 バッテリー内部のプロセスが時間の経過とともに共謀して、電極と電解質の間の境界層を化合物でコーティングし、リチウムイオンが電極に出入りするのを防ぎます。また、プロセスによりリチウムイオンが新しい化合物に結合されるため、リチウムイオンは電極から電極へ移動できなくなります。これらのプロセスは私たちが何をしても起こりますが、温度に大きく依存します。バッテリーは摂氏 30 度以下に保つと、非常に遅くなります。摂氏 45 度を超えると、速度が大幅に上がります。公の敵No.リチウムイオン電池の最大の特徴は断然「熱」です。 カレンダーの寿命と LiFePO4 バッテリーの劣化の早さにはさらに多くのことがあります。充電状態も関係しています。高温は良くありませんが、これらのバッテリーは SOC が 0% で非常に高温になることを非常に嫌います。また、SOC 0% ほどではありませんが、SOC 100% および高温で放置されるのも問題です。非常に低い温度では影響は少なくなります。前述したように、氷点下では LFP バッテリーを充電することはできません (BMS では充電できません)。結局のところ、氷点下で放電すると、可能ではあるものの、老化を促進する効果もあります。バッテリーを高温に放置することほど悪いことはありませんが、バッテリーを氷点下にさらす場合は、充電も放電もしておらず、タンクにガソリンを入れた状態で行うことをお勧めします。満タン）。より一般的な意味で、これらのバッテリーを長期保管する必要がある場合は、SOC が約 50% ～ 60% の状態で保管することをお勧めします。 溶けたバッテリー本当に知りたい場合は、リチウムイオン電池が氷点下で充電されると何が起こるかというと、金属リチウムが負極 (カーボン) に析出するということです。良い意味でもありませんが、それは鋭い針状の構造で成長し、最終的には膜に穴をあけてバッテリーをショートさせます（NASAが呼ぶところの、煙、極度の熱、そしておそらくかなりの可能性を伴う、壮大な予定外の急速な分解イベントにつながります）炎も同様）。幸いなことに、これは BMS によって発生が防止されます。 サイクルライフへ移行していきます。リチウムイオン電池では、完全に 100% の充放電サイクルを行った場合でも、数千サイクルを実行することが一般的になってきています。ただし、サイクル寿命を最大化するためにできることがいくつかあります。 私たちはその方法について話しました リン酸鉄リチウム電池 仕事：電極間でリチウムイオンを移動させます。これらは実際の物理的な粒子であり、サイズがあることを理解することが重要です。バッテリーを充放電するたびに、一方の電極から引き抜かれ、もう一方の電極に詰め込まれます。これにより、特に負極の炭素に損傷が生じます。バッテリーが充電されるたびに電極は少し膨張し、放電するたびに電極は再び細くなります。時間が経つと微細な亀裂が生じます。このため、100% をわずかに下回る充電ではより多くのサイクルが得られ、0% をわずかに超えるまで放電するとサイクルが長くなります。また、これらのイオンは「圧力」を及ぼしていると考えてください。極端な充電状態の数値はより大きな圧力を及ぼし、バッテリーにとって好ましくない化学反応を引き起こします。そのため、LFP バッテリーは SOC 100% で保管したり、(ほぼ) 100% でフロート充電したりすることを好みません。 リチウムイオンがどのくらいの速さであちこちに引き抜かれるかは、サイクル寿命にも影響します。上記を考慮すると、それは驚くべきことではありません。その間 リン酸鉄リチウム電池 は日常的に 1C (つまり、100Ah バッテリーの場合は 100 アンペア) で充電と放電を行うため、これをより適切な値に制限すると、バッテリーの使用サイクルが増加します。鉛酸バッテリーには Ah 定格の約 20% という制限があり、リチウムイオンの場合はこの制限内に抑えると、バッテリー寿命が長くなるという利点もあります。 言及する価値のある最後の要素は電圧ですが、これは実際には BMS が抑制するように設計されているものです。リチウムイオン電池は、充電と放電の両方において狭い電圧範囲を持っています。その枠の外に出ると、すぐに永久的な損傷が生じ、最悪の場合、RUD イベント (前述の NASA の話) が発生する可能性があります。のために リン酸鉄リチウム電池 そのウィンドウは約 8.0V (セルあたり 2.0V) ～ 16.8 ボルト (セルあたり 4.2V) です。内蔵 BMS は、バッテリーをこれらの制限内に十分に保つように注意する必要があります。 持ち帰りレッスンリチウムイオン電池がどのように機能するのか、何が好きで何が嫌いなのか、そして最終的にどのように故障するのかがわかったので、いくつかのヒントを得ることができます。以下に小さなリストを作成しました。他に何もしない場合は、最初の 2 つに注意してください。これらは、リチウム イオン バッテリーを楽しむ全体的な時間に最も大きな影響を与えます。バッテリーをさらに長持ちさせるには、他のことに注意することも役立ちます。 要約すると、LFP バッテリーを長く快適に使用するには、重要な順に次のことに注意する必要があります。 ● バッテリー温度を摂氏 45 度未満 (可能であれば 30 度未満) に保つ – これが最も重要です。 それです！あなたも LiFePO4 バッテリーで幸せと充実した生活を手に入れましょう!
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