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走行充電とソーラーチャージコントローラーの自動切り替え

 我が家のROOTSの走行充電方式はメインサブ直結方式で走行中は60Aを超える電流で充電が行われている。
しかし、日中はソーラーチャージコンバータからバルク充電⇒アブソープション充電へと移行することも多く、電圧が高い状態で走行充電リレーがオンになるとサブからメインバッテリーへ逆電流が流れてしまい充電ステージがリセットされてしまったり、メインやサブが過充電になるなど具合が悪い。そのため今までは手動で走行充電をスイッチでオンオフして対処してきた。

180729224819(1).jpg
そこで、ソーラーチャージコンバータからの充電中には自動的に走行充電コントローラを切り離せるように、右上のデジタル充放電モニタを追加しサブバッテリーの電圧を常時モニターして走行充電リレーを制御することにした。

走行充電コントローラ_フローチャート2
現在の走行充電コントローラーのシステムにサブバッテリー電圧コントローラーを追加したフローチャート

ROOTS12VDC回路図Rev24
走行充電コントローラーにより、IGNオンから8秒後に走行充電リレーがオン。また、オルタネータの不具合や、アイドリング併用でインバータで大電流を消費する場合などメインバッテリー保護のためヒステリシスコンパレータでメインバッテリー電圧が12.0Vでオフ、13.8Vで復帰するように設定。


DSC_0982.jpg
そして、今回のデジタル充放電モニターコントローラー追加でサブの電圧が13.8Vでオフ、12.8Vで復帰するように設定。

これで、
①エンジン始動時のメインサブバッテリー逆電流防止
②電圧低下によるメインバッテリー保護
③走行充電とソーラーチャージコンバータによる同時充電回避
の自動切り替え化が終了。今度の夏休みキャラバンでトリガー電圧設定を微調整すれば完成だ。











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サブバッテリー交換はAGMがベター!

 サブバッテリーラックの作製とサブバッテリー交換でDIYしたサブバッテリーラックに積載可能なサイクルサービスバッテリーを調べていくとEB130が最大となる。しかし、総高が高くなる上に液栓の配置が補水作業に不利になるのが悩むところ。

現サブバッテリーラックに収納可能なサブバッテリー一覧
バッテリータイプGSユアサ
EB100
GSユアサ
EB130
oriental
OPC12-150
O'cell
LiFePO4-100A
電圧[V]12121212.8
20時間率容量(A)125162.5160.8-
10時間率容量(A)--150.0-
5時間率容量(A)100130131.6-
3時間率容量(A)--119.3-
1時間率容量(A)6584.596.9-
充電電流 開始(A)23294580
充電電流 終末(A)8--
サイクル寿命(回)70%放電6506504502000
サイクル寿命(回)50%放電8008006502000
実用放電電力容量0.2C(W)840109211051152
最大放電電流(A)--1500A/(5秒)
3.8C(連続)
200(0.4s)
80(連続)
充電電圧(サイクルユース)(V)14.814.814.4~15.014.6
長さ(mm)409504483260
巾(mm)173182170157
箱高(mm)212212238.5-
総高(mm)244258238.5245
体積(㎥)0.01720.02370.01960.0100
質量(kg)34.545.543.514.5
補水必要必要不要不要
市場価格(千円)29.554.530170

上の表にそれぞれの特徴をまとめてみると、実用放電容量でのサイクル性能は5倍以上と圧倒的にリン酸鉄リチウムに軍配が上がるが、重量比で1/3、体積比で1/2程度とそれほどでもない。一方価格は5倍以上とサイクル性能にコストの多くがかかっている計算になる。車齢が12年を超える我が家のROOTSでは無駄な投資となってしまうためリン酸鉄リチウムイオンバッテリー化は見送ることにした。
4代目のサブバッテリーはどれにする?での計算ををもとに現在使用中のEB100を鉛バッテリーで容量アップするとなるとサイクル性能が多少落ちるものの補水作業の手間が掛からず、サージ耐電力にも強いAGMディープサイクルバッテリーでGS YUASA SEB130 SEB150・FIAMM 12SPX150と互換性を謳うオリエンタルOPC12-150が最適だ。
OPC12-150なら今のサブバッテリーラックに装着可能なうえにEB100の1.3倍容量で131.6 AH/26.3 A (5HR 1.75V/cell 25℃)と高性能で価格も3万切りと言うことなし。

DSC_0868.jpg
購入したOPC12-150

P1070011.jpg
交換前のEB100×2台。4年半以上も優れたサイクル性能を発揮していたが、ここでお役御免

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購入後すぐに補充電を済ませ3日放置。装着直前の簡易性能試験では2台とも電圧13.1V、CCA値1108

DSC_0904.jpg
猛暑日の中、サイドオーニングを出して熱中症対策を行いながら作業を行う

DSC_0907.jpg
左図:交換前のEB100×2台 右図:メインバッテリー105D31Lx2

DSC_0908.jpg
EB100に比べて一回り以上大きいOPC12-150だが、バッテリ端子の位置はほぼ同じ高さ

00160001.jpg
EB100の重量34.5㎏に比べ9kg重い43.5kgを一気に持ち上げて水平に動かしながら収納するのには無理があるため、一旦ガーデニングカートに乗せ水平移動させて収納を行う。

DSC_0940.jpg
サブバッテリー装着終了。

DSC_0942_2018071918385893f.jpg
心配だった、バッテリーラックからのはみ出し量は35㎜で済んだが、2台で18㎏の重量アップの87㎏!


ROOTS12VDC回路図Rev23
AGM150A x 2台で263.2A(5時間率)、70%放電容量で12V184A=2.221kWのサブバッテリーに交換となった。
「脱ツインサブバッテリーのパラレル接続」のようにマルチチャージシステムの利点を最大限に生かし、普段はバッテリースイッチでシングル運用とし並列接続による相互充放電によってサイクル寿命の減少を保護。エアコンをバッテリー駆動させるなど比較的大電流放電時のみパラレル接続を行うことでサブバッテリーに優しい運用を続けていきたいものだ。
計算では、夏場の昼間だけだと480W ソーラー併用で5時間以上、夜間だけだとサブバッテリーのみで12時間以上停泊可能となる。また、長期キャラバンや天候不良時にもジェネレータを併用することでサブバッテリーの充電不足にも気を使うこともないため、ストレスの少ないキャラバンが可能になりそうだ。

以上、思いもよらぬ低価格でサブバッテリーの容量アップができ夏休みキャラバンが楽しみ。また、煩わしかったバッテリー液の補充作業(1回2L/年間3~4回)からも解放され一石二鳥。あとは、メジャーな商品ではないために耐久性が心配なだけとなった。











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4代目のサブバッテリーはどれにする?

 2014年1月にサブバッテリーをGSユアサ GrandStar EB100-LEx2に交換してから4年半が経過した。
経年劣化でバッテリー容量が半減したものの、大電流放電でも急激な電圧降下もなくまだまだ使えそうではあったが、この春に家庭用エアコン取り付けを行ってからは、サブバッテリーでのインバータ稼働時間が増加し、さらに容量不足が顕著になってきたため交換を行うことにした。

ROOTS 5.9 ORIGINALの歴代サブバッテリー
歴代サブバッテリー
①HEXA M27MF(105Ah) x2 納車時装着済み 1年8か月使用で寿命
②G&Yu セミサイクルバッテリー SMF31MS-850 (115Ah) x 2 購入価格 ¥16,000 x 2 (送料込み) 1年9か月で寿命
③GSユアサ製グランドスターEB100-LE x 2 購入価格 ¥22,650 x 2 (送料込)4年6か月で交換予定
今回で3回目のサブバッテリー交換となるが、やはり半島系のセミサイクルバッテリーは2年持たず交換となっておりキャンピングカー搭載には不向きで、ゴルフカートやフォークリフトなど業務用途に対応可能なEB系のサイクル性能とコストパフォーマンスには目を見張るものがあった。

先日行った家庭用セパレートエアコンの消費電力を24時間耐久テストで検証した結果から、猛暑日に家庭用エアコンをバッテリーのみで運用するとなるとほかの家電製品の利用も込みで12V500A=6kWが必要になることが分かった。鉛バッテリーの70%放電性能では715Aの計算となり、鉛バッテリーの重量換算では250㎏となってしまい車両設計当初からサブバッテリーの搭載スペースや重量バランスを考慮していなければ非現実的。

以前から、重量当たりのエネルギー密度が半分程度のリン酸鉄リチウムイオン電池への変更も考えてみたものの、4年半前のサブバッテリの選定での考察から価格の低下もほとんどなく、依然として12V200Aで30万円円以上と高額なうえに100V充電システムの変更・走行充電システムの変更・大容量化すれば充電時間の増大など数々の問題があって時期尚早。

特に勘違いしてしまいそうなのが、リチウムイオン電池はサイクル性能は5倍以上と優れているものの値段も5倍以上と高額で、この先価格破壊(せいぜい鉛の2倍程度)が起きない限りは触手が動かないだろう。また、大電流放電時のエネルギー密度は鉛バッテリーの1.5倍程度でしかなく、積載スペースさえ確保できれば100年の歴史を持ちつつも圧倒的に安価な鉛バッテリーでも十分対応可能だろう。
また、リチウムでも鉛バッテリーでも同じだが、大容量化に比例して充電時間が増大するので走行充電性能(充電制御車)やソーラー発電性能(天候により激変)、ジェネの装備など車両の充電性能に見合ったバッテリー容量の選択が必要になる。

我が家のサブバッテリー選択基準
冬季の選択基準:ROOTSの電装品装備でスキー場での2泊3日の連泊可能なサブバッテリー容量
 ○冷蔵庫WAECO MDC-90 45W/12V(32℃ 32A/day)
 ○FFヒータWEBASTO AT-2000 14W~29W/12V(25A/day)
 ○26インチ液晶テレビ 66W(20A/day)
 ○電子レンジ950W(20A/day)
 ○LED照明・FANなど(10A/day)
 ●走行充電 スキー場連泊ではゼロ
 ●ソーラー発電 積雪があるとゼロ

冷蔵庫の消費電力を半分程度と見積もれば1日あたり約90A程度消費する計算になる。
低温時の容量低下や電圧降下を考慮すると、2日で250A程度が必要となってくる。

夏季の選択基準:ROOTSの電装品装備(家庭用エアコンを含む)で1泊2日のキャラバン可能なサブバッテリー容量
 ○冷蔵庫WAECO MDC-90 45W/12V(32℃ 32A/day)
 ○家庭用エアコン 2.2kW (200A/day)
 ○26インチ液晶テレビ 66W(20A/day)
 ○電子レンジ950W(20A/day)
 ○LED照明・FANなど(10A/day)
 ●走行充電60A
 ●ソーラー発電(480Wシステム)1.5kW/day=125A
天気により大幅に充電量が増減するが、ソーラーなしでも1日200A程度あれば問題ないだろう。

ジェネレータの利用:EU2000i(EU16iの北米版)のエコスロットルONででインバータエアコン(パワーセレクト運転)&インバータ電子レンジの同時使用可
トラック、乗用車などでの車中泊、ジェネ未搭載のキャンピングカーのほとんどがアイドリングでエアコン使用やサブの補充電を行っている現状をみると、やはりジェネレータの高燃費や二酸化炭素の低排出量など優位性は高い。ジェネレータの使用に於いては周辺の状況と時間帯を確認し、消音ボックスなどで騒音問題に配慮すればアイドリングに比べても、これほど有用性が高い電源システムは未だに変わるものがない。特に我が家のシビリアンバスベース(ガソリン)のROOTSではガソリンタンク(104ℓ)からジェネレータへ自動給油化しているため、煩わしい給油を車両燃料タンクとジェネ用タンクと分けてする手間がなく、しかも1週間以上の連続稼働が可能なので災害時にも利用可能なのもメリットの一つである。
また、ペット同伴の我が家では止む終えずエアコンを掛けたままのキャンプカーにペットを残して行く場面も多々あり、エアコン・ジェネレータ駆動⇒ジェネ停止⇒自動切換え⇒エアコン・インバータ駆動と2段構えのシステムにしておくためにもジェネレータは必需品である。

以上の考察により、発電機レス化するためには金銭的にもスペース的にもハードルが高く、すでに装備済みのジェネレーターを賢く利用するのがベストな選択。
現在使用中のHONDA EU2000iのエネルギー密度は重量22㎏で1.6kVA。12Vバッテリー換算で157Ahとなり24時間で3,765Aと比べるべくもない。
ジェネレータの使用が前提であれば、 鉛サブバッテリー12V300Aもしくはリン酸鉄リチウムイオン12V200Aが長期キャラバンに安心して出掛けられる最低ラインだろう。



次回は、「サブバッテリー交換」の予定。





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家庭用セパレートエアコンの消費電力を24時間耐久テスト

7月15日(日曜)

3連休の真っただ中、モーレツな暑さが続く日本列島。
そんな中、キャンピングカーに取り付けた家庭用エアコンの24時間耐久テストを行い、猛烈な暑さの中での消費電力や室外機の換気効率(ショートサーキット)のチェック、就寝時のリヤベッドの快適性などを調べてみた。

テスト環境
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車両:フィールドライフ ROOTS 5.9 ORIGINAL 高強度・高断熱ボディ(ハイドロバック)/ ウレタン塗装仕上げ
場所:屋根なし自宅ガレージにて100V商用電源にフックアップ

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キャブ部とシェル部を2級遮光プリーツカーテンで間仕切り、ダイネットとリヤベッドはデザインカーテンで間仕切り
冷房を行うダイネットの体積W203cm×L210cm×H191cm = 8.1m3(約2.5畳分)、リヤベッドW203㎝✕L120㎝×H100cm = 2.4m3(約0.6畳分)

東芝ルームエアコン 2.2kW 6畳用 2017年モデル
DSC_0557.jpg
TOSHIBA RAS-2257V 消費電力530W (160~800W)
設定温度::27℃ 風量:自動パワフル パワーセレクト運転(最大電流値50%に制限)
電源はエアコン単体での消費電力を検証するため、100V商用電源オンリーで行う

ras_2257V_仕様書
RAS-2257V 仕様書

テスト期間:2018年7月15日(日)午前10時~2018年7月16日(月)午前10時
7月15日16日天気
テスト時間帯の気象情報
最高:15日15:00 気温36.0℃ 湿度48%
最低:16日05:50 気温25.8℃ 湿度90%


●テスト開始時の室温及び外気温
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左図:前日同時刻の室温湿度
右図:外気温湿度(室外機吸気温湿度)

●ロギングを行う温湿度センサーの場所
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左図:ダイネットテーブル上のキャビネット下部に温湿度センサー
右図:左リヤスカート内の室外機コンデンサ部の温湿度センサー

●室外機の吸気温度グラフ
室外機吸気温度
外気温と湿度の計測は室外機コンデンサ付近にセンサーを設置し、排熱気のショートサーキットの状況も併せてモニタリングする。
吸気温湿度センサーのデータは、車両下部に排気を抜いたことで排熱のショートサーキットが起きず、常に外気温に対して安定した吸気温度が保たれていた。

●Bluetoothワットチェッカーで消費電力をロギング
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●エアコン電源投入直後の消費電力
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左図:パワーセレクト運転モードの最大電力401W
右図:電源オンから1時間の消費電力(パワーセレクト運転)316W/h

●室温の推移
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テスト開始時の室温36.9℃から50分ほどで設定温度の26.9℃まで10℃降下

●消費電力の推移
180718102247.jpg
左図:最高消費電力は15時から16時まで411W/h
右図:最低消費電力はAM3時から4時までの42.3W/h

●SensorPush Wireless Thermometer/Hygrometerによる24時間の室温湿度モニタリンググラフ
180718092805.jpg
キャンピングシェル内の気温及び湿度の変化を24時間でグラフで表すと、パワーセレクト運転(最大電流値50%に制限)していたにもかかわらず最高気温が36℃を超える炎天下でも冷房性能は十分。また、23時頃に大人1人子供1人ベッドルームで就寝するため、エアコンのルーバーをベッドルームに向けた時の温度変化が見て取れる。
エアコンの設定温度27℃に対して、ダイネットは24.5℃/68%、ベッドルームでは27℃/60%と細かくインバータ制御されて快適に睡眠をとることができた。


●Bluetoothワットチェッカーによるエアコンの消費電力モニタリング
Screenshot_20180716-124100.png
24時間連続稼働させたエアコンのみの消費電力は4.5kW/dayと予想を大きく上回り、12Vバッテリー換算で4500÷12÷85%=440Aとなり、冷蔵庫やテレビ、電子レンジなど利用するとなるとリチウムイオンバッテリーで12V500Aは用意しておく必要がある。

一方、天気に左右されるものの500W程度のソーラー発電を併用すれば、夏場は1日当たり平均1.5kW程度の電力が期待できるので24時間停泊するためには12V350A程度の電力が必要となる。

実際のキャラバン中には走行充電も加味されるので鉛バッテリーでも12V300Aあれば2泊3日程度のキャラバンであればギリギリセーフといったところだろう。

また、6kW以上にバッテリーを強化しても、1週間を超えるような長期キャラバンでは天候不良による充電不足、電力不足が起きるのは必至で、アイドリングやジェネでの充電、または外部電源での充電が必ず必要になってくるだろう。

またリチウムイオンバッテリーはサイクル性能は5倍以上と優れているもの、大電流放電時のエネルギー効率は鉛バッテリーの1.5倍程度でしかなく、同容量で比べると圧倒的に安価な鉛バッテリーでも、積載スペースさえ確保できれば十分対応可能と思われる。



















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2018年6月のグリッド・タイ・インバータ給電状況


キャンピングカーのソーラー発電で電気代を節約で行った快適化だが、せっかくなので1年を通して『キャンピングカーのソーラー発電で電気代を節約』運用状況として、纏めてみることにした。

180606173304.jpg


平成30年6月5日に広島地方気象台が「中国地方は、梅雨入りしたとみられます。」と発表があった。
梅雨空が周期的に広がる気象条件にも関わらず、ひと月で30kWを超える給電量を記録した。

グリッド_タイ_インバーター給電状況2018年6月
▲▼マークの日は、サブバッテリー充電やお出かけ中のため給電時間が短縮

グリッド_タイ_インバーター給電状況グラフ2018年6月
オール電化住宅用ファミリープランⅠデイタイム(34円/kW)の電気料金で換算すると6月は約1000円の節電が出来たようだ。



注意
グリッド・タイ・インバータは実験用機器です。実際の運用では商用電源網に逆潮流させてしまう問題などがあり注意が必要になります。特に売電契約を結んでる場合は契約違反に問われる可能性も否定できないため自己責任での使用となります。



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