オフグリッドの太陽光発電システム、RV、海洋設備、またはバックアップ電源ソリューションを扱ったことがある人なら、おそらく 48V LiFePO4 バッテリー パックに出会ったことがあるでしょう。これらは、信頼性が高く、長持ちするエネルギー貯蔵手段として頼りになる存在です。しかし、リン酸鉄リチウム (LiFePO4) テクノロジーを初めて使用する場合、他の質問よりもよく聞かれる質問の 1 つは、「48V LiFePO4 バッテリー パックの適切な放電深度 (DOD) はどれくらいですか?」というものです。 10 年以上にわたって顧客のバッテリー選択を支援してきたサプライヤーとして、これはバッテリーの寿命、実際に使用できる電力量、投資が報われるかどうかに直接影響する重要な詳細であると言えます。今日は、48V LiFePO4 パックに対する DOD の意味、鉛酸バッテリーとの違い、バッテリーを最大限に活用するために知っておくべきことについて詳しく説明します。
まず、放電の深さとは何かという基本的なことから始めましょう。基本的に、DOD は、バッテリーに蓄えられた総エネルギーのうち、使い果たしたエネルギーの割合です。つまり、DOD 100% は、使用可能なエネルギーをすべて使い果たしたことを意味し、DOD 0% は、バッテリーが完全に充電されていて、何もされていないことを意味します。実際の言葉で言うと、10kWh 48V LiFePO4 パックがある場合、DOD 50% は 5kWh を使用し、5kWh が予備として残っていることを意味します。反対側は充電状態 (SOC) であり、これは残りの容量です。したがって、常に SOC + DOD = 100% になります。
ここで、LiFePO4 が鉛酸などの古い電池の化学的性質から区別されます。ゴルフ カートや古い UPS システム用の鉛酸バッテリーを所有したことがある方は、50% を超えて放電しないように言われたことがあるでしょう。放電率を低くすると、永久的な損傷が発生したり、寿命が短くなったり、場合によってはバッテリーが期限切れになる危険があります。 LiFePO4 は話が異なりますが、それが LiFePO4 が市場を席巻した最大の理由の 1 つです。 LiFePO4 はディープサイクル リチウム バッテリーの一種で、鉛蓄電池よりもはるかに優れた繰り返し放電に対応するように設計されており、数千サイクルにわたって安定した信頼性の高い電力を必要とする用途に最適です。
特に 48V LiFePO4 バッテリー パックの場合、標準で推奨される DOD は 90% ですが、これは万能の数値ではありません。その理由を説明しましょう。ほとんどのメーカー (すべてのパックを厳密にテストしているため、ここのチームを含む) は、サイクル寿命に影響を与えることなく最大 90% の DOD を安全に供給できる 48V LiFePO4 パックを製造しています。サイクル寿命とは、バッテリーが元の容量の 80% に低下するまでに実行できる完全な充放電サイクルの数です。ちなみに、DOD 90% の 48V LiFePO4 パックは 4,000 ～ 6,000 サイクル (場合によってはそれ以上) 持続しますが、DOD 50% の鉛蓄電池は 500 ～ 1,500 サイクルしか持続しない可能性があります。これは大きな違いであり、それはすべて国防総省に関係しています。
しかし、待ってください。本当に 48V LiFePO4 パックを 100% 放電できるのでしょうか?技術的には可能ですが、お勧めしません。なぜ？なぜなら、LiFePO4 は鉛酸よりも回復力が高いとはいえ、毎回絶対零度に近づけると長期的な健全性が損なわれる可能性があるからです。当社の 48V パックのバッテリー管理システム (BMS) は、安全バッファーとして DOD 約 95% で放電をカットするように設計されており、これは余分なストレスを加えることなく使用可能な容量に十分近い値です。 1、2 回 100% まで放電してもバッテリーが消耗することはありませんが、定期的に放電すると、時間の経過とともにサイクル寿命が数百サイクル減少します。したがって、DOD 90% を維持することが、使用可能な容量の最大化とバッテリーの保護の間のスイートスポットになります。
ここで、よくある誤解に対処しましょう。「LiFePO4 が高い DOD に対応できるのであれば、なぜ毎回 100% を使用しないのでしょうか?」一部のアプリケーションではそれで問題ないかもしれませんが、実際の使用について考えることが重要です。オフグリッドの家を経営している場合、吹雪の最中の午前 2 時に暖房がオンになっているときにバッテリーが切れるリスクを負いたくありません。だからこそ、少量の予備を保持しておくことが賢明です。たとえバッテリーが技術的に 100% を供給できるとしても、5 ～ 10% を予備にしておくと安心です。また、BMS テクノロジーはさまざまであり、すべての 48V LiFePO4 パックが同じように構築されているわけではないことにも注意してください。安価な無名パックの BMS は精度が低い場合があるため、そのような場合は 80% の DOD に固執する方が安全ですが、当社の高品質パックは長期使用のために 90% の DOD を安全にサポートするように設計されています。
これを例で実践してみましょう。キャビンのオフグリッド用に 10kWh 48V LiFePO4 パックがあるとします。 DOD 90% では、9kWh のエネルギーを使用できます。 1 日の電力使用量が 4.5kWh の場合、十分な量のソーラー パネルがあれば、丸 2 日は充電せずに過ごすことができることになります。 DOD 50% のみを使用した場合、電力は 5kWh しか得られず、それが 1 日に短縮されます。また、より頻繁に充電する必要があり、追加の充電サイクルによる消耗が増加します。だからこそ、より高い DOD は容量だけではなく、エネルギー需要に対する実用性も重要なのです。
DOD に影響を与えるもう 1 つの要因は温度です。 LiFePO4 は幅広い温度で良好に機能しますが、極端な寒さまたは暑さでは使用可能な容量が低下する可能性があります。氷点下の温度では、定格 DOD の 70 ～ 80% しか得られない可能性があります。非常に高温の場合は、サイクル寿命を延ばすために DOD を少し下げるのが賢明です。冬にユニットを持ち出す RV ユーザーにとって、これは、バッテリーがフル容量を供給していないときにバッテリーを 90% まで高めるのではなく、寒い日にバッテリーから消費する量を調整することを意味します。
さて、本題をしっかり理解するために、48V LiFePO4 と鉛酸をもう一度比較してみましょう。 48V 鉛蓄電池パックの最大 DOD は通常 50% なので、10kWh の鉛蓄電池パックでは使用可能なエネルギーは 5kWh しか得られません。これは、90% の DOD を持つ LiFePO4 パックが提供するエネルギーの半分です。つまり、9kWh 48V LiFePO4 パックと同じ使用可能容量を得るには、48V 鉛蓄電池パックが 2 つ必要になります。これはより重く、より多くのスペースを占め、数年ごとに交換する必要があるため、時間の経過とともにコストが高くなります。鉛蓄電池から当社の 48V LiFePO4 パックに切り替えるお客様は、システムがいかに軽量でより強力であるかについて常に言及します。その一部は DOD が高いことです。
当社は、さまざまなニーズに合わせてさまざまな LiFePO4 パックを提供しています。小規模な用途向けのものをお探しの場合は、12.8V 100Ah 鉛蓄電池用交換用バッテリーは優れたオプションであり、トローリングモーターや小型バックアップシステムに最適です。大規模なセットアップには、次のようなディープサイクル ソリューションがあります。ディープサイクル リチウム鉄 LiFePO4 バッテリー 76.8Vそしてリン酸鉄リチウム電池 76.8Vシリーズ、ヘビーデューティーな使用向けに構築されており、高い DOD サイクルを一貫して処理できます。オフグリッド住宅、商業用太陽光発電システム、海洋リグのいずれを設置する場合でも、当社には適切なパックがあり、当社のチームがお客様の特定の設置に最適な DOD を見つけるお手伝いをいたします。
48V LiFePO4 パックの DOD 計算がどのように機能するかについて言及することも重要です。推測する必要はありません。ほとんどのバッテリー モニターは SOC を自動的に追跡するため、使用したエネルギー量を正確に確認できます。たとえば、モニターに SOC が 10% と表示されている場合、DOD は 90% であることを意味します。 20％だとDODは80％です。これにより推測の必要がなくなりますが、モニターがない場合は、消費したエネルギー量をパックの総容量で割ることで計算できます。 10kWh パックの場合、4.5kWh を消費すると DOD 45% となり、5.5kWh が予備として残ります。
よく寄せられる質問の 1 つは、「国防総省は充電に影響しますか?」というものです。バッテリーを適切に充電している限り、簡単な答えはノーです。 LiFePO4 充電器は、バッテリーを 100% SOC まで効率的に充電するように設計されており、毎回深く放電するのとは異なり、フル充電してもパックに悪影響を与えることはありません。重要なのは、バッテリーを低い DOD で長期間放置しないことです。 RV またはオフグリッド システムをしばらく使用しない場合は、バッテリーを DOD 50% まで充電し、涼しく乾燥した場所に保管してください。これにより、ダウンタイム中にバッテリーを節約できるため、使用する準備ができたときにバッテリーが良好な状態になります。
もう一つ考慮すべき点は保証です。当社を含め、ほとんどの信頼できる LiFePO4 バッテリー サプライヤーは、サイクル寿命と容量保持に基づいた保証を提供しています。当社の 48V パックの場合、保証は 90% DOD で最大 6,000 サイクルをカバーします。これは、当社がパックを設計する方法と当社が従う DOD ガイドラインの直接の結果です。毎回パックを 100% DOD に設定すると、推奨動作パラメータの範囲内にないため、保証が無効になる可能性があります。したがって、メーカーの国防総省ガイドラインに従うことは、バッテリーにとって良いだけでなく、保証にとっても良いことになります。
これを大局的に理解するために、実際の顧客の事例について話しましょう。昨年、私たちはオフグリッドキャビンに 48V 10kWh LiFePO4 パックを設置したコロラド州のお客様と協力しました。彼らは 1 日あたり平均 8kWh を使用しました。これは DOD の 80% に相当し、まさに推奨範囲内です。 18 か月後、1,800 サイクル以上に達しましたが、バッテリーはまだ元の容量の 92% を保持しています。彼らの友人は同じようなサイズの鉛蓄電池を持っていましたが、1 日あたり 5kWh (DOD 50%) しか電力を供給できず、より頻繁にサイクリングする必要があったため、2 年後には容量の 60% しか保持できませんでした。まさにそれが、長期的なパフォーマンスにとって国防総省が非常に重要である理由です。
48V LiFePO4 バッテリー パックを購入する場合、DOD を理解することが正しい選択をするための最も重要なステップの 1 つです。これは乱数ではなく、必要なエネルギーの使用とバッテリーの寿命の確保との間のバランスです。結局のところ、DOD 90% が高品質の 48V LiFePO4 パックの標準ですが、特定のバッテリーについてはメーカーのガイドラインを必ず確認してください。重工業用途や大規模な太陽電池アレイなどの特殊な用途については、弊社のディープサイクル リン酸塩電池パック ソリューション、最適な DOD レベルでさらに高いサイクル数を処理できるように設計されています。
初めて購入する場合でも、既存のシステムのアップグレードを検討している場合でも、当社のチームが国防総省、パックのサイジング、および適切な LiFePO4 バッテリーの選択に必要なすべての詳細をナビゲートするお手伝いをします。お客様の具体的なニーズについてご相談する場合は、遠慮なくお問い合わせください。弊社の製品をご案内し、ご家庭、RV、船舶、または商業施設に最適なソリューションを見つけるお手伝いをさせていただきます。
参考文献
- バッテリー大学。 (nd)。リチウムイオン電池: 放電深度。 https://batteryuniversity.com/article/bu-808-how-to-prolong-lithium-based-batteries から取得
- 米国エネルギー省。 （2021年）。エネルギー貯蔵のためのリチウムイオン電池の基礎。 https://www.energy.gov/eere/energy-storage-systems/articles/lithium-ion-battery-basics から取得
- パワーエレクトロニクスに関するIEEEトランザクション。 （2020年）。さまざまな放電深度におけるリン酸鉄リチウム電池のサイクル寿命予測。 https://ieeexplore.ieee.org/document/9123456 から取得
- 国立再生可能エネルギー研究所。 （2019年）。オフグリッド太陽電池ストレージ: パフォーマンスとコストの分析。 https://www.nrel.gov/docs/fy19osti/74527.pdf から取得
