鉛バッテリーの劣化
原因は色々考えられますが、容量違いのバッテリーを３個並列接続したのが一番の原因だと推測しています。 並列接続では容量の大きいバッテリーから他のバッテリーに常に電流が流れてしまうようで、自然放電以上の消耗となったと思われます。
後はソーラ充電のコントローラの繰り返し充電により、充放電サイクルがバッテリーの許容量を超えてしまったと考えられます。 一般的な鉛バッテリーの充放電回数は３００回程度のようですので、ディープサイクルバッテリーでも放電量をかなり絞らないと寿命が短くなるようです。
リチウムイオン電池のメリットとデメリット
それに対してリチウムイオン電池は放電能力が高く、充放電回数も５００回以上と鉛バッテリーの２倍程度の寿命とされます。 軽量であるためスマホのバッテリーにも使用されているのでその性能は想像しやすいです。
デメリットとしては充放電制御を行わないと過熱し最悪爆発する危険があることです。 また、充放電回数２０００回以上のリン酸鉄リチウムイオン電池は結晶構造が安定していて熱暴走による発熱・発火のリスクも少ないという優れ物ですが非常に高価です。
鉛電池に比べて同容量のリン酸鉄リチウムイオン電池は１０倍程度で、１００Ａｈのリン酸鉄リチウムイオン電池は電気用品安全法のＰＳＥ認証取得のものでは１０万円以上もします。
リチウムイオン電池の発熱・発火対策
ＢＭＳ（Battery Management System）とは主に充放電間に各電池セルに流れる電流を調節し、各セルの電圧を一定に保つバランス機能があります。 また、充放電間にあらかじめ設定した電圧、電流、温度等の上限値・下限値を超えた場合充放電を停止する機能があり、発熱・発火を防止するものです。
入手したＢＭＳは５個で１８００円程度と安価なもので、１８６５０バッテリー自体も再生品ですので発熱・発火リスクが完全に解消される訳ではないので、 電気製品用の消化器を準備しておきました。同様のバッテリーを使用する場合はあくまでも自己責任となりますので、ご注意下さい。
試作したリチウムイオン蓄電池
オフグリッド用ＤＩＹバッテリーＢＯＸ用にステラの電気自動車や家庭用蓄電池にも使用されていらしい「１８６５０」という規格のリチウムイオン電池の再生品を使用して安価なバッテリーＢＯＸを試作してみました。
使用したものは公称容量３５００ｍａｈの１８６５０リチウムイオン電池を４８個ですので、単純計算で１６８ａｈもの容量になります。 １００００ｍａｈのスマホ充電用のバッテリーが約１７個分ということになります。
実際は再生品で３２００～３４００ｍａｈであることと回路ロス等で８割程度の容量としても１３４ａｈとなります。 この再生１８６５０バッテリーは１個約３００円で入手できたので約１５千円、ＢＭＳや電池ケース他で約５千円ですので合計で約２万円です。
使用したＢＭＳは３直列１２．６Ｖ、２０Ａのもので、１セル当たり５Ａ以下にするため４並列で配線しました。１８６５０バッテリーを使用した１２Ｖバッテリーの情報をしらべた所、 ３直列５並列のもので２５ＡのＢＭＳを使用しているケースが多いようなので参考にしました。
３直列４並列で２０Ａのモジュールを４個作成して、更にモジュールを並列接続することで合計８０ＡのバッテリーＢＯＸとしました。 ８０Ａあれば１２Ｖ×８０Ａ＝９６０Ｗの出力可能となるので、既設の１０００Ｗインバーターへの電力供給量を賄える計算です。
１８６５０バッテリーを使用して連結する場合、ニッケル板を電池に直接溶接する方法が主流のようですが、電池の消耗時の交換を容易にするため、バッテリーを取外し可能な３直列電池ケースを使用しました。
後は設置や可搬性を上げるため、Ａ３サイズのファイルケースの底面に耐熱テープを貼って耐熱両面テープで固定しました。 ＤＩＹ電源ＢＯＸに新しいバッテリーＢＯＸを設置して配線するため、ファイルケースに穴あけしての外側に８ｍｍ径の端子を４個取付けました。
この状態では自重でファイルケースの中央部分が沈んでしまうので、電線ケーブルが巻いてあったプラスチックの芯を流用してファイルケースの中央部分に取付けました。 バッテリーＢＯＸの状態監視のため、バッテリーモニターを追加設置しました。
入手したのは電圧、電流、パワー、容量、エネルギー、バッテリーＳＯＣ、内部抵抗、実行時間、インピーダンスの９種類を計測可能なＤＣマルチメータです。 バッテリーのマイナス側にシャント抵抗を配線する必要がありますが、バッテリーの状態を詳細に監視可能です。
試運転と連続使用時間予測
１００Ｗソーラーパネルに接続済のＤＩＹ電源ＢＯＸに設置してインバーターから約４０Ｗの送風機を使用してみましたが、問題なく稼働しバッテリーモニター上の負荷は約５０Ｗです。差分は主にインバーターロスです。
主な利用想定は停電時に冷蔵庫に電源供給することで、冷蔵庫の年間消費電力量が２８０ＫＷｈで定常時で約５～８Ｗなので送風機と合わせも約６０Ｗ出力として５Ａなので計算上は２４時間以上稼働可能ということになります。
実際の使用可能時間は約半分としても冷蔵庫単体であれば１５Ｗｈとして２日程度は連続使用可能と思われるので、曇りや雨でソーラーパネルの発電量が２日間ほど減ったとしても連続して稼働できるのではないかと目論んでいます。
追記(2020/5/14)
作成したリチウムイオン蓄電池の容量ですが、１８６５０バッテリーセル１個当たり公称３．７Ｖ・３５００ｍＡｈですので１２Ｖシステムでは３個直列で利用しますので、１／３になります。ポータブルバッテリー等の容量表示は３．７Ｖでの容量のケースが多いです。
１８６５０バッテリーセル４８個で１セル当たり３２００ｍＡＨとすると３．７Ｖシステムで容量１５４Ａｈ、１２Ｖシステムで容量５１Ａｈ（６１４Ｗｈ）ということになります。ＤＣマルチモニター上で約４５ＡｈですのでＢＭＳや配線ロスが約１０％と推測できます。冷蔵庫単体でインバーターロスを含めて平均１５Ｗｈ消費とすると４１時間稼働可能な計算です。
また、修正正弦波のインバーターで短時間なら冷蔵庫が動きましたが、コンプレッサーには正弦波の方が良さそうなので安価な正弦波の１０００Ｗインバーターを追加入手しました。５０Ｈｚ／６０Ｈｚの切替が出来ないものですが約１万円です。
冷蔵庫が何れの周波数にも対応しているので良しとしました。約１時間の試験運転してみましたが、問題無く稼働しました。但しインバーターの消費電力が約１０Ｗと３割程上がりました。
蓄電容量１６８ahのリチウムイオン蓄電池
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