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53.2V 1/7リーフバッテリーシステム ② (1/7LEAF to Home)

電気自動車(EV)の日産リーフ(先代)には7.6V66.2Aのリチウムイオンバッテリーモジュールが48枚、合計24kWが搭載されているが、今回ROOTSにはそのうちの7枚を7/48 ≒ 1/7 リーフバッテリーシステムとして搭載を行った。

リーフのバッテリーはEVとしての電源だけではなくLEAF to Homeで深夜電力で蓄えた電力を昼間に家庭用電源として活用するシステムも用意されているのは有名だが、このLEAF to Homeの電力供給システムのように、前回の53.2V 1/7リーフバッテリーシステム ① (走行充電の設定)で95%まで充電されたリーフバッテリーをソーラーパネルに見立ててグリッド・タイ・インバータ(GTI)に接続し給電テストを行ってみた。

実は、キャンピングカーのソーラー発電で電気代を節約のブログで、480W ソーラーパネルの余剰発電力をグリッド・タイ・インバータで半年間自宅に給電をしていたが、秋分の日を迎えたあたりからガレージが日影が続くようになり給電量が著しく減少してしまっていたため、1/7リーフバッテリーシステムの搭載を機会にサブバッテリーシステムの見直しにも好都合となるのだ。

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600W MPPT microGrid Tie Inverter 22-60V DCに53.2V 1/7リーフバッテリーシステムを接続。
GTIの給電電力は節電エコタイマーET55Dで計測

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外部AC電源への給電電力の約560Wに対してリーフバッテリーの消費電力は約700Wで変換効率80%と低めだが、GTIとしてはまずまずの効率

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スマートBMSでの残容量95%から80%まで放電させてみると、

Screenshot_2018-11-13-00-42-50.png
約40分間で7.6A/420Wほど放電が行われ、

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開始直後の写真は撮り忘れたが、GTIの給電量は約330Wとなった。

仮に1/7リーフバッテリーシステムを100%放電させたとすると、GTIからは約2.2kW給電されるのでオール電化プランのデイタイム電気料金32円/kW換算で約71円、ナイトタイム電気料金10円/kWで充電に3kW消費として30円。差額の40円/dayが1/7LEAF to Home利益となる。365日続けたとしたら14,600円本家LEAF to Homeで年間約10万円の節電になると言う訳である。
しかし実際には、本家LEAF to Homeには夜間屋外の低温下充電や日中高温下での放電やEVで利用すると悪条件下での急速充放電などでバッテリーの劣化が早まってしまい実用性には乏しい結果となっているようである。

話はそれたが、断熱の効いたキャンカー用途では悪条件下での充放電やEV用途の3C急速充j放電もなく劣化も穏やかになるため、53.2V 1/7リーフバッテリーシステム搭載によりリチウムイオンバッテリの余った電力やソーラーで余剰発電した電力を、節電エコタイマーでデイタイムに放電させたりとうまく活用できるようになったのではないかと思う。












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53.2V 1/7リーフバッテリーシステム ① (走行充電の設定)

53.2Vリーフバッテリーでサブ増設も完成し、いよいよ実際のキャラバン中の走行充電の設定を行う。

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ギャレー下の53.2V66.2Aリーフバッテリーシステム(実容量2.766kW)と、上部には転送スイッチ・AC充電器内蔵48V1500W正弦波インバータTN-1500-148A

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手前左の走行充電用の1500WブーストアップDC-DCコンバータと真中右のPV入力用1500WブーストアップDC-DCコンバータ(デコデコ)
中央はPVとリチウムバッテリの放電用GTI。この時期日陰になるキャンカーのPVは雀の涙ほどの給電量のため、満充電なってしまったリーフバッテリーを保管に適した70%程度まで放電するために利用。

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リーフバッテリー走行充電用12V-120Aリレーと自動⇔強制切り替えスイッチ デコデコまでの配線は8sq

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TN-1500-148AはUPS mode(商用電力優先モード)
電力測定は12Vサブ用に10年以上前に自作した村田製作所製200Aシャント使用の12V系サブバッテリーAVモニターと48V系リチウムイオンサブバッテリーにはワイヤレスVAメータを利用

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12V系:ACフックアップONチャージコンバータ30Ax2でフロート充電中
48V系:ACフックアップON AC充電オフ インバータスタンバイ消費電力18.5W

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12V系:ACフックアップONチャージコンバータ30Ax2でフロート充電中だが、走行充電(DC-DCブーストアップコンバータ)に強制的に切替えたため48V系に3.1Aほど持ち出し状態
48V系:ACフックアップONインバータ内蔵充電器1.4A+DC-DCブーストアップコンバータ7A=最大約8.5A480Wで充電が行われており、残容量0%から約6時間で満充電の計算。ヒートシンクのファンは間欠運転で45℃程度。 

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最大充電電力時のスマートBMSのbluetoothスマホアプリ画面をキャプチャ
キャラバン中にはスマホを利用する機会が多いので設定や確認が出来るのは非常に便利。

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充電中に外部AC入力をブレーカで遮断してみると、
12V系:ACフックアップOFF DC-DCブーストアップコンバータに12Vサブから32.8A420W消費。他にも12V照明などの電装品オンの状態
48V系:ACフックアップOFF インバータが自動起動した状態でDC充電中

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この後、エアコン(暖房560W)を起動し80%程度まで放電。

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そして、リモコンエンジンスターター(15分タイマー)でエンジン始動しアイドリングで走行充電テスト
12V系:ACフックアップOFF 12Vサブに11.1A154W充電中
48V系:ACフックアップOFF 走行充電(DC-DCブーストアップコンバータ)により5.2A290Wで充電

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12Vサブがフロート状態になったところで、アイドリング状態でリチウムバッテリの充電量調整を行う
12V系:ACフックアップOFF 12Vサブに11.3A154W充電中
48V系:ACフックアップOFF 走行充電器(DC-DCブーストアップコンバータ)から6.0A340Wに充電電力を設定

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スマートBMSスマホアプリの電圧・電流・残容量グラフ
AC充電+DC充電(7.4A)⇒エアコン560W放電(-12.6A)⇒アイドリング走行充電(6.0A)

リーフバッテリーの残容量80%から90%の状態で充放電テストを4時間ほど行ってみたが、思いの外順調でリチウムイオンバッテリーの充放電特性の素晴らしを実感できた。特に電流の入りがリニアで昇圧したオルタネータからの走行充電でもすぐに満充電になるため大消費電力家電製品用に48V化したメリットが最大限に発揮できそうだ。何よりも、配線ケーブルが5.5m2程度の細いもので済むためコスト的にも有利で100Aを超えるような大電流を流さなくて済むのは精神衛生上とても良くなった。

今後の改善点として、デコデコの容量アップと配線を14sqに変更して7.5A程度に走行充電量アップと夏場に向けての放熱対策。


















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リチウムイオンバッテリーでサブ増設 ⑦ (キャンピングカーにリーフバッテリーシステム完成)

システムインストールも済んで、走行充電テストも良好。
いよいよ、12V/48Vデュアルソースバッテリーシステムとして機能を持たせるため配線作業を行う。

リチウムイオンバッテリーでサブ増設 ①(システムの選定)
リチウムイオンバッテリーでサブ増設 ② (バッテリーの選定)
リチウムイオンバッテリーでサブ増設 ③ (リーフバッテリーの購入)
リチウムイオンバッテリーでサブ増設 ④ (UPSインバータ購入)
リチウムイオンバッテリーでサブ増設 ⑤ (システムインストール)
リチウムイオンバッテリーでサブ増設 ⑥ (ソーラー充電【走行充電】テスト)

大容量リチウムイオンシステムの導入による最大のデメリットは充電に時間が掛かるというところ。特に充電制御車ではメインバッテリが満充電になると電圧をフローティング電圧まで下げてしまいサブの充電がうまくできない。48Vサブバッテリーシステムの走行充電もそれと同じ理論でCTEKに代表されるブーストアップ機能付きの走行充電システムのようにDC-DCコンバータで適正な充電電圧まで昇圧しPWMチャージコントローラのバルク充電を利用しCCCV充電を行うことにした。
ROOTS12VDC回路図Rev26
そこで、今までDIYで改良を重ねてきた走行充電コントローラー、ソーラーパネル切替器、デジタル充放電コントローラーなどの既存のシステムを生かして充電を行うために、DC-DCブーストアップコンバータを負荷と見立て12Vサブバッテリーシステムのバッテリースイッチ出力端子に接続する方式とした。
サブバッテリースイッチ出力端子には、サブバッテリー、オルタネータ、MPPTソーラーチャージコントローラ、AC-DCチャージコンバータからの出力が状況により自動的に切り替わるため都合よく48Vリチウムイオンバッテリーシステム側のDC-DCコンバータへ振り分けられる。また、DC-DCコンバータにはローボルテージプロテクト機能もあるため13V程度に設定しておけばサブバッテリーが放電状態の場合は12Vサブバッテリーからの持ち出しも防ぐことが可能である。

ROOTS100VAC回路図rev26
これでキャラバン中には、オルタネータからの走行充電とMPPTソーラーチャージコントローラからの充電が行われ、充電不足時には、ジェネレータを起動してAC-DCチャージコンバータから充電、また、フックアップ時には、インバータの内蔵充電器とAC-DCチャージコンバータからの充電を状況に合わせて自動切り替えが行えるようになった。
今後は、実際のキャラバンでテスト運用し色々と設定を変更していくのが楽しみだ。



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リチウムイオンバッテリーでサブ増設 ⑥ (ソーラー充電【走行充電】テスト)

今回導入した48V1500WインバータのTN-1500-148Aには、最大1500Wの充電能力を持つPWMソーラーシャージコントローラーが内蔵されていて、これに見合う最大入力開放電圧75Vのソーラーパネルがあれば独立型蓄電システムとして運用が可能。しかし、ソーラー出力が不安定なキャンピングカーではPWMソーラーチャージコントローラーでは役不足。そこで、PWMソーラーチャージャーの特性を逆手に取り、電圧が異なるソーラー出力やオルタネーター出力(走行充電)をDC-DCブーストアップコンバータ(CCCV充電)を用いてリチウムイオンバッテリーに適した方法で効率の良く充電出来るかテストしてみた。

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転送スイッチ付き・AC充電器・PWMソーラーチャージコントローラー内蔵の1500W正弦波インバーターTN-1500-148A

リーフバッテリー14S
のソーラーパネル入力へオルタネーター出力をステップアップコンバータで昇圧し入力

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中華製1500WCVCCステップアップコンバータ

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巨大ヒートシンクが印象的

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テスト環境はスイッチング電源出力13.5Vをステップアップコンバータで60Vに昇圧し入力

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モニタリングソフトではソーラ入力により57.6Vで充電中の表示

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スイッチング電源の消費電力はワットチェッカーで450W(写真撮り忘れ)だったので、AC-DCコンバータのの変換効率を85%とすると13.5V23A程度の出力 

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リチウムイオンバッテリーへは290Wで安定して充電が行われているのが確認できたので、DC-DCコンバータの変換効率は90%程度と思われる。さらに安定したオルタネーター出力を入力すれば最大8A 480W程度の走行充電が期待できそうだ。これは、リーフバッテリー14Sシステムの容量を2.7kWで設定すると、6時間ほどの走行で満充電になる計算で、ソーラー入力を加えれば実際のキャラバンに於いても実用的な充電容量となりそうだ。








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リチウムイオンバッテリーでサブ増設 ⑤ (システムインストール)

必要機材が揃ったところで、いよいよ、リチウムイオンバッテリシステムのインストールだ。
【準備した機材】
リチウムイオンバッテリー(リーフバッテリー14S 53.2V 66.2A 3.5kW)
転送スイッチ付き48V1500Wインバータ(AC/DC充電器内蔵)
ワイヤレス電圧電流ワットメーター(DC100V50A)
250V63A/DC安全ブレーカ
端子台
KIV8sqケーブル

P1050637.jpg
コンパクトなバッテリーボックスはギャレー下収納庫へ設置

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パイン材にニスを塗りTモールで化粧した棚板を取り付け、その上部には巨大なインバータを設置


必要部品の配送を待ちきれず、この状態のままちょこっとテストをしてみた。

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エアコン(暖房)を起動しワットチェッカーで見るとACの消費電力は559W 694VA 力率80%

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一方DCの出力電力は670Wで変換効率83%と12Vシステムの約80%に比べて変換ロスが少なく高効率になっている。

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部品が揃ったところで、バッテリーボックスの上蓋を配電盤にして、端子台、ワイヤレスワットメータ、DC安全ブレーカの取り付けを行う。

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250V63A/DC安全ブレーカがでかすぎてアンバランスだが、インバータの待機電力35Wカットと何かと物の出し入れが多いギャレー下収納庫に設置したための措置。

P1050662.jpg
ワイヤレスワットメーターのテストも良好。50Aスケールのメーターは小数点以下二けた表示となっている。

リーフバッテリー14S
商用電源⇒ジェネレータ⇒12V1500Wインバータ⇒48V1500Wインバータの4電源自動切り替えシステムに変更
12V系AGMツインサブバッテリー70%放電容量2.2kWから
48V系リチウムイオンサブバッテリー90%放電容量2.7kWを追加し、
合計約5㎾ のサブバッテリーシステムへ増設が完了

キャンピングカーへの12V200A2.5kWリチウムフェライトバッテリーシステムを搭載するにはオプション価格50万円ほど掛かるようなので、今回はDIYで3分の1以下の予算に収めることが出来たのは期待以上の出来だった。最初は発電機の完全防音化を行うつもりだったが、このご時世では対費用効果も薄いためDIYによるリチウムイオンバッテリーの増設という形にしたが、今後のテスト運用が楽しみな内容となった。

















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