リチウムボートバッテリーの取り付け方法

今日のクルージングヨットの電力需要が増大し続ける中、ダンカン・ケント氏がボートのリチウム電池に着目し、安全でトラブルのないシステムを保証するために何が必要かを説明します。

ブルーウォータークルーザーなど、セーリングを頻繁に行う人は、さまざまな電源から電力を供給されるリチウムボートバッテリーの追加容量の恩恵を受けることができます。

リチウムボートバッテリーの取り付け方法

青海を航行するヨットの場合、電力需要の増大に対する最新の解決策は、特に調理用の LPG の使用を排除する予定の場合、リチウムイオン電池バンクを設置することです。

ただし、リチウムイオンの設置は複雑で問題が発生する可能性があり、正しく行われないと重大な火災の危険が生じる可能性があります。

何よりもまず、ボート上での使用が安全であるとして現在推奨されている唯一のタイプのリチウムイオン電池化学物質は、通常 LFP と略されるリン酸鉄リチウム (LiFePO4) です。

これらの電池はそれ自体は事実上耐火性であり、いくつかの国の消防当局によって広範なテストが行​​われていますが、設置または使用が間違っている場合は（他の電池と同様に）火災を引き起こす可能性があります。

リチウムボートバッテリーにより、船上でのIH調理が可能になります

ニッケル、コバルト、マンガンなどの元素を含む自動車用リチウムイオンブレンドの使用は、故障した場合に「熱暴走」を起こしやすいため、ボートでの使用は強く推奨されません。

これにより、古い電気自動車用バッテリーの使用が事実上排除されます。なぜなら、元々バッテリーが動作するように設計されていたのと同じ複雑な保護システムを移行する現実的な方法がないからです。

電気推進ヨットには通常、より高い電圧システム (通常は 48V、72V、または 96V) が搭載されており、非常に慎重に考案された制御システムが必要です。

これらの目的のために、リチウムコバルト (LiCoO2) など、よりエネルギー密度の高いリチウムイオン電池を組み込むことは魅力的ですが、これには専門的な設計と設置が必要であり、非常に高価になります。

それに、このタイプのバッテリーを搭載したボートに保険をかけることができないのであれば、なぜ保険をかける必要があるのでしょうか?

LFP バッテリーの主な利点は、非常に急速な大電流の再充電が可能であり、鉛のように定期的に 100% の充電状態 (SoC) まで充電する必要がなく、ほぼ空になるまで放電できることです。 -酸（LA）電池。

実際、ほとんどの場合、SoC が 20% ～ 80% の間にあると満足します。 LFP に害を与えることなく完全に放電することもできますが、ほとんどの内蔵バッテリー管理システム (BMS) は約 12V (SoC の約 10% に相当) でシャットダウンします。

正しく取り付けられていないボート用リチウム電池は、熱暴走や火災の危険性があります。 クレジット: Alamy ストックフォト

完全に充電されている場合も同様です。過充電を防ぐために、BMS は約 14.2V で充電電源を自動的に遮断します。

また、LFP バッテリーは、同等の容量の LA バッテリーよりもはるかに多くの充電サイクルを提供し、最終的にはどのタイプの LA バッテリーよりもかなり軽量であるため、セーリング ヨットのバランスと性能に大きな違いをもたらす可能性があります。

非常に高い電流を受け入れ、放電する能力があるため、LFP バッテリーに関連する配線および回路保護は、その任務に応じて適切に調整する必要があります。

すべての LFP バンクには、逆極性保護、個々のセルのバランス、充電電圧と電流の制限、管理と緊急切断、バッテリーとオルタネーターの温度検知、放電電流の制限と管理、さらに視覚/聴覚アラームを提供する包括的なバッテリー管理システムが必要です。

また、多くのブランドのいわゆる「ドロップイン」LFP バッテリー (一体型 BMS を備えたバッテリー) では、2 つ以上を直列または並列に接続して大きなバンクを形成できるとは限らないことにも注意してください。

LFP バッテリー管理システムが十分な高速出力を妨げる可能性があるため、始動バッテリーには鉛酸が引き続き推奨されます。 クレジット: Graham Snook/Yachting Monthly

より大きな容量が必要な場合は、多くの場合、個々の 3.2V セルからカスタム バンクを構築し、単一の外部 BMS を接続してバンク全体を同時に制御する方が良いでしょう。

個々のセルから独自のバッテリー バンクを構築する予定がある場合は、新しいグレード A のセルを購入する必要があります。

中国からオンラインで手頃な価格で購入されるセルの多くは使用済みセルであり、データ ストレージ バンクの無停電電源装置 (UPS) などから交換されることがよくあります。

幸運かもしれませんが、返品は事実上不可能であるため、賭ける価値はありません。

リチウム ボート バッテリーの追加は、直接交換するよりも複雑です

理想的には、セルは容量テストされており、非常に似た電圧レベルに達しますが、確実にするために最初にバランスをとる必要があります。

可能ではありますが、LFP をエンジン始動やアンカー ウインドラスおよびバウ スラスターの操作に使用することはお勧めできません。 これらのデバイスが要求する瞬間的な大電流は、多くの場合、BMS の出力しきい値を超える可能性があるため、ほとんどのデバイスは動作しません。

LFP の設置において最も懸念される要素は、充電のためにシステムを安全にセットアップする方法です。

ボート上のほとんどの事柄と同様、考慮すべき個人的な選択と実際的な決定があり、その多くは船の大きさや種類によって異なります。

LFP バッテリーは、鉛酸 (LA) タイプと比較して抵抗が非常に低いため、最大 1C (容量の 1 倍、または 100Ah バッテリーの場合は 100A) まで、はるかに高いレートで充電および放電できます。

ただし、一般的には、充電電流が 0.015C ～ 0.03C に低下するまで 0.5C ～ 1.0C で充電され、セルが過充電されないように充電を停止する必要があります。

外部バッテリー管理システムを使用して個々の 3.2V セルから独自のバッテリーを構築すると、より大きなバンクを作成できます。

一部のメーカーでは、セルのストレスをさらに軽減し、寿命を延ばすために、0.1C で充電を停止することを推奨しています。

LA バッテリーとは異なり、LFP バッテリーが半分しか充電されていないときに電圧がピークに達する可能性があるため、SoC はバッテリー電圧だけで決定することはできません。

さらに、完全に充電された 12.8V LFP バッテリーの静止電圧は 13.4V ～ 13.6V であり、通常の鉛酸バッテリーの 12.7V をはるかに上回っています。 LA バッテリが 11.8V である場合でも、20% では SoCit は 13V を読み取ります。

LFP アップグレードで最も混乱する領域の 1 つは、設置場所や保持したい既存の機器に合わせてオルタネーターの充電を設定する方法です。

LFP バッテリーは内部抵抗が非常に低いため、オルタネーターから可能な限り多くの電流を引き出します。制御せずに放っておくとオルタネーターの巻線が過熱し、数分で破壊されてしまいます。

LA のエンジン始動用バッテリーをオルタネーターの出力に直接接続したままにし、電圧検出リレー (VSR) を組み込んで LFP レジャー バンクを充電すると (通常、LA の家庭用バッテリー バンクを使用する場合と同じように)、オルタネーターに過負荷がかかる可能性が非常に高くなります。 VSR またはその両方。

大規模銀行には外部バッテリー管理システムが必要です

実際、たとえ VSR がこのシナリオに耐えたとしても、LFP のより高い静止電圧によりリレーが永続的に作動したままになるため、正常に動作しません。

推奨される解決策の 1 つは、外部スマート オルタネーター レギュレーターを取り付けることです。これには、オルタネーターとバッテリーの温度センサーが取り付けられ、それに応じて充電を制限して、オルタネーターが動作温度範囲内に留まるようにしながら、LFP にできるだけ安全に充電できるようにします。銀行。

そのシンプルさで人気のある代替案は、オルタネーターの充電を始動バッテリーに直接送信し、その充電器と LFP ハウス バンクの間に DC-DC (B2B) 充電器を設置することです。

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独自のリチウム電池を船上に設置する予定のボート所有者は、専門家の助けを求めるか、危険を冒すことをお勧めします…

ダンカン・ケントは、リチウム電池に使用されている技術を調査し、それを管理者と組み合わせる際に何を考慮すべきかを説明します。

ダンカン・ケント氏によれば、正しい充電設定をインストールすることでリチウム電池の寿命と性能が向上します

ダンカン ケントが、リチウムイオン バッテリーを取り付ける際に品質を選択する必要がある理由と、私たちが選んだ最高のバッテリーについて説明します。

この方法の主な利点は、DC-DC 充電器が始動バッテリー、つまりオルタネーターから引き出される電流を制限し、同時に出力充電パラメーターが LFP ハウス バンクと完全に互換性があることを保証することです。

また、何らかの理由で LFP BMS がシャットダウンした場合でも、通常どおり始動用バッテリーの充電を継続できるため、オルタネーター ダイオードが保護されることも意味します。また、DC-DC 充電器はスマート レギュレーターよりもかなり安価です。

唯一の本当の欠点は、バンクに送られる充電が DC-DC 充電器の最大出力に制限されることですが、より大きな総充電電流が必要な場合は、複数の DC-DC 充電器を並列に設置することで克服できます。

私が最近見つけた「シューストリング」方式があります。これはよく「ロングワイヤー規制」と呼ばれます。

これには、オルタネーター (標準内蔵レギュレーター付き) を LFP バンクに直接接続し、ケーブルのサイズと長さを調整することで消費される電流の量を調整し、オームの法則を使用して充電電流を減らすために必要な抵抗を計算します。オルタネーターの安全な動作荷重制限内に収まるようにします。

寒冷地で航行する場合は、0°C 未満ではリチウム ボート バッテリーが充電を受け付けないことに注意してください。

この理論は確かに機能しますが、ワイヤを抵抗器として使用するとワイヤが加熱されるため、専門の海洋電気機関によって推奨されておらず、事故が発生した場合には保険会社から間違いなく眉をひそめられるでしょう。

「ドロップイン」タイプの LFP バッテリーの問題は、BMS がバッテリーが完全に充電されたと判断すると、充電源を単純に切断してしまうことです。

これがソーラー充電器またはDC-DC充電器であれば問題ありません。 しかし、それがオルタネーターの場合、負荷を瞬時に遮断すると、間違いなく出力ダイオードが飛ぶでしょう。

最後に、LFP バッテリーは 0°C 以下では充電を受け付けないことに注意してください。

したがって、バッテリーボックスが定期的にそのような温度に低下する場合は、バッテリーボックスをヒートパッドの上に置いて5°C以上に保つ必要があります。

DC-DC充電器はリチウム電池と鉛酸電池をリンクできます

これにより、ある程度の電力が消費されますが、少なくとも充電は受け入れられます。

LFP バッテリーに変換する場合は、物理的な側面にも留意する必要があります。

充電率が高くなるとオルタネーターにかかる負荷が大きくなるため、ドライブベルトが十分に機能していることを確認する必要があります。

正しいタイプのベルトであり、状態が良く、適切に張られていることを確認してください。

標準の V ベルトは、最大定格 75A のオルタネータにのみ十分です。

これを超えると、サーペンタイン マルチチャンネル ベルト ドライブなどの耐久性の高いベルトとプーリーに変換する必要があります。

LFP は大電流の一括充電を受け入れる能力があるため、一部の所有者は太陽エネルギーのみから充電することを選択します。

これは、とにかく晴れた気候ではうまく機能し、一日の中で最も生産性が高い時間帯にパネルが生成するのと同じくらい多くの電力をバンクに注ぐことができます。

ソーラーパネルは、高いピーク充電率を蓄えることができ、充電の遅い鉛蓄電池のように太陽エネルギーを無駄にしないため、リチウムボートバッテリーとうまく連携します。 クレジット: リチャード・ラングドン

これは、バッテリーが前提条件の SoC を達成したときに、BMS が損傷することなく PV パネルを簡単に切り替えることができることも意味します。

一年中クルーズする場合の明らかな欠点は、冬は日照時間が不足することです。

この場合、DC-DC 充電器を介してオルタネーターの充電を追加するか、小型のポータブル発電機と LFP 互換の主電源充電器を、曇りの短い冬の日に備えて車載しておくことをお勧めします。

最新の船舶用バッテリ充電器のほとんどには、充電電圧が正しいパラメータ内に維持されることを保証するための LiFePO4 充電方式が組み込まれています。

LFP はフロート モードであっても継続的な充電を嫌うため、LFP 互換の充電器を使用すると安全に放置できます。

適切な MPPT ソーラー充電コントローラーは、太陽光発電を最大限に活用するのに役立ちます。

ただし、バッテリーの状態を常に監視し、目的の SoC またはピーク電圧 (必ず 14.6V 以下) に達したらすぐに充電器を切断する限り、AGM モードで標準のシングルステージ LA バッテリー充電器を使用することは可能です。 14.2Vの方が安全です）。

非 LFP 陸上充電器を使用しているかどうかを確認するための重要な機能の 1 つは、充電電圧が数時間にわたって 15.5 V 以上に増加する自動脱硫 (平準化) サイクルを実行するように構成されているかどうかです。

これを有効にすると LFP セルが破壊されるため、無効にする必要があります。

何年にもわたってボート乗りたちに単一のバンク内で異なるバッテリーの化学的性質を決して混合しないように警告してきたが、「専門家」は、LA/LFP の場合はその逆が当てはまり、LA/LFP のハイブリッドバンクは完全に安全であり、提供することもできると宣言した。両方の長所を。

ここで話しているのは LA/LFP の 50/50 分割についてではなく、より一般的には LA の既存のハウスバンクの能力を増強するための単一の LFP にすぎません。

その背後にある理論は、LA バッテリー自体が最高の状態に維持されながら、LFP の過剰を調整するというものです。

RELION は、BMS を内蔵した LFP バッテリーの良い例です。

LFP バッテリーは LA ハウス バンクと並列に接続されているだけで、BMS 上で事前にプログラムされた上限電圧しきい値 (通常は約 90% SoC に設定) に達するまで、大量の充電を受け入れます。

この時点で、BMS は LFP へのチャージをシャットダウンし、LA 銀行は単独でチャージを続行します。

放電時、LFP は電圧が 12.8V に達するまで自然に最初に放電され、その時点で LA も電力の供給を開始します。

バンクが LFP の BMS 低電圧しきい値を下回ると、スイッチがオフになり、LA バッテリーが通常どおり動作し続けます。

このようなハイブリッド システムのポイントは、LA バッテリーの仕事量がはるかに少なく、LFP バッテリーによって恒久的に充電され続けることです。

これは、電荷が LA バンクに転送されるときに BMS がシャットダウンしても、オルタネーター ダイオードが安全であることも意味します。

このアイデアは多くの資格のある船舶電気技術者によってテストされ、安全に動作することが証明されているにもかかわらず、国際標準化機構 (ISO) と米国ボートヨット評議会 (ABYC) の両方は、リチウムイオン電池と LA 電池などの電池の化学的性質を混合することは危険であると述べています。推奨されず、認定も承認されません。

陸上電力が定期的な充電制度の一部であるかどうかを検討してください

海上保険会社が保険契約を策定する際に耳を傾けるのは後者です。

私たちはボート上の LFP バッテリーのみを信頼します。 現在入手可能な他の既存のリチウムイオン電池は海洋環境にはまったく適していません。

ただし、急速充電、使用可能な容量の増加、寿命の長さ、および長期間半分充電したままにしておく機能の利点は、初期充電量のわずかな増加をはるかに上回るため、次回アップグレードするときに LFP ハウス バッテリー バンクの設置を検討することをお勧めします。コストと、充電システムのいくつかの側面を変更する必要があります。

また、英国の日照量の少ない気候でも、LFP セルと連携して動作するため、たとえ小規模であっても、太陽光充電設備を設置することをお勧めします。

すべてのボートは、機器、予想される電気負荷、および使用の種類に応じて異なります。

ボートにリチウムバッテリーを追加する前に、専門家のアドバイスを求める価値は十分にあります。

単なる単純な交換以上のものがあります。

LA エンジン スタートと LFP ハウス バッテリーを使用する最も一般的な 3 つの設置方法は次のとおりです。

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