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4万円で自作する1,280Wh級ポータブルリチウム電源

前回鉛シールドバッテリーを利用した安価な500Wh級ポータブル電源を製作してから約2年半が経ちました。

当時16万円以上していた100Ah級リチウムイオンバッテリーもすっかり安価になりましたね。

でもAmazonのレビューやYouTubeの故障品分解動画を見ていると、BMSと呼ばれる保護回路にショボい物が使われていたり内部セルの接続・絶縁が施工不良だったり、充電器が熱で溶けたりしているようです。

そこで今回は1,280Wh級のポータブルリチウム電源を極力安価に、でも安全面は妥協せずに製作してみたいと思います。

1. LiFePo4バッテリーセルを採用するメリット

実は同じ容量表記でも、リチウムイオンバッテリーと鉛シールドバッテリーでは実際に使える容量が全然違います。

鉛シールドバッテリーは容量表記通りの電力を使い切ると著しく寿命が縮むので、全部使い切らずに50%くらい余力を残して使う必要があります。それでも通常は500回程度、高耐久型でも800回くらいの充放電で劣化してしまいます。容量100Ahのバッテリーなら寿命トータルで25〜40kAhの電力しか充放電できない計算になります。

Long社高耐久型CWP100-12N 使用率別寿命グラフ

一方、リチウムリン酸鉄(通称LiFePo4)バッテリーは容量の90%近くまで問題なく使用でき、かつ3,000回以上充放電可能な物が多いです。容量100Ahのものなら寿命トータルで270kAh充放電可能という事になり、鉛シールドバッテリーの実に10倍使える計算になります。

EVE社105AhLiFePo4セル 放電特性グラフ

2. 遂にLiFePo4セルが鉛シールドバッテリーより安くなってきた!

そんな訳でLiFePo4バッテリーセルの流通相場が下がるのを待っていたのですが、本場中国のアリババやアリエクスプレスでは遂に100Ahクラスのセルが4本セットで日本までの輸送費込み2万円チョイで入手できるようになってきました!

(※ 1本あたり定格電圧3.2VのLiFePo4セルは、4本直列に接続することで12.8Vになり、12Vバッテリー用インバーター等が利用できるようになります。)

今回当方が購入したLiFePo4セルは購入時、4本セットで送料込22,648円でした。(※ 価格は為替相場で変動します。)

800サイクルの高耐久型鉛シールドバッテリーが3〜4万円する事を考えると、4倍近い寿命の3,000サイクル使えるLiFePo4セルが4本セットでこの値段はすごいですね。カタログスペックでは放電性能が良く、30秒以内なら3C(100Ahセルなら300A、12.8V換算でなんと3,840W)出力可能と謳われていました。

今回購入したLiFePo4セルはその後モデルチェンジしたようで、現在アリエクスプレスの製品リンクは違うセルへ差し替えられています。現行品の最大放電性能は2C(200A)になっているようです。

アリエクスプレスやアリババにはもっと安いセルが沢山ありますが、輸送費が別途1.8万円前後かかるものが多いので注意が必要です。

海外通販に抵抗がある方でも大丈夫!最近は国内AmazonでもLiFePo4セルを比較的安価に購入できるようになってきたようです。

と言っても販売・発送元はアリババやアリエクと同じく中国企業なので、着荷までは10日〜2週間程かかるようです。さすがに値段ははアリババ・アリエクのものには及びませんが、それでも先月までは100Ahセルが1本あたり4〜5万するようなのばかりだったのでだいぶ安くなりました。

3. BMSは妥協せず信頼性の高いものを

リチウムイオンバッテリーで一番大切なのはBMSです。例えばLiFePo4の場合は各セルの電圧が3.65Vを越えたり、2.5Vを下回ったりすると著しく劣化します。氷点下で充電しても破壊されます。(※ 正極材によって特性は違います。)LiFePo4は従来のLi-ionと違い燃えにくいとは言われているものの、劣化した状態で再充電すると膨らんだり発火したりする危険があります。

それを避けるため、リチウムイオンバッテリーには電圧を監視するBMSという回路が必須になります。スマホやモバイルバッテリーにも大なり小なり必ず入っています。最近アマゾンでよく見る4万円台のLiFePo4バッテリーにも入っていますが、YouTubeの分解動画を見る限りでは温度管理もしていない小型のショボい物が使用されているようです。

安全に関わるモノなので、BMSは多少高くても信頼性の高いものを使用します。JBDとDALYの2社が有名ですが、JBDの製品の方が古くからキャンピングカー等の採用実績が多く、データも多いのでこちらを採用しました。スマホからのBluetoothを介した各種制御設定も、JBD製品の方がきめ細かく設定できるようになっています。

定格3.7VのLi-ion用のものと、定格3.2VのLiFePo4用の2種類があるので購入時に注意が必要です。間違えて使用すると設定電圧が違うので大変危険です。今回は150Aタイプのものにしたのですが、私が購入した5月中旬時点では8,774円でした。

スマホから各種設定をするため、忘れずにBluetoothモジュールも合わせて注文します。こちらは938円でした。

ここまでの材料代は輸送費込み合計32,360円です。

残念ながら2021年6月8日現在、国内AmazonではまだJBD社やDALY社の100AクラスのBMSは扱いがありませんでしたが、キャンピングカー電源関連のYouTubeやブログをされているBLUE SKY CAMPER PROJECTさんが国内で販売をされているようです。

4. 大陸から取り寄せたものはまず検品

今回注文したLiFePo4セルもBMSも、思いの外早く2週間チョイで到着しました。

アリエクスプレスの顧客保護の仕組みはメルカリ形式で、受け取り確認ボタンを押すと販売者へ代金が振り込まれます。受け取りボタンを押してから所定の日数が経過すると異議申し立てリンクにアクセスできなくなりますので、届いたらなるべく早い段階で検品しましょう。

今回も少々トラブルがあったのですが、長くなるので詳しくは別の記事で。微妙に膨らんでるセルがあったんですよね…。

電圧はいずれも3Vを切っていました。カタログスペックに載っていなかったのですが、自己放電率の高いセルを買ってしまったのかもしれません。多少セルバランスが揃ってませんがこれくらいの電圧差なら接続後放っておけば勝手に揃うと思われます。

日本の直流機器はプラス極側に赤色、マイナス極側に黒色が使用されている場合が多いですが、中国の直流機器はプラス極側に黒色、マイナス極側に白色が使用されている事が多いです。日本人には「黒色=マイナス極」というイメージが強いですがお間違いなく。

LiFePo4バッテリーセルを購入すると大抵は、バスバーと呼ばれる金属板と、固定するためのM6ネジが付属します。これらを利用して直列に接続すると定格12.8Vのバッテリーとして使用できるのですが、届いたセルは合計11.86Vしかありませんでした。これは早めにBMSを組み付けて充電してあげたほうが良さそうです。

5. BMSの組み付け

今回購入したのはJBD社製のJBD-SP04S028というBMSです。左側に写っている小さな基盤がセットで購入したBluetoothユニットです。セルの温度を計測するセンサー(黒いケーブル)と、各セルの電圧を検出するためのリード線が5本ついたコネクタ、それを接続するための圧着端子5個、電力ケーブルを固定するためのネジと角型ワッシャーが4本付属します。

但し付属の圧着端子は電圧検出用リード線の細さにもバッテリー端子のM6ネジにも適合しない物だったので、別途φ6の丸端子を購入しました。カー用品店やホームセンターでも安く売ってます。

家に電工ペンチが無かったりする場合は、端子類と電工ペンチをセット購入すると安いです。こちらは実店舗よりAmazonが安いです。

説明書は付属していませんでした。写真ではちょっと分かりづらいので、配線方法を図に整理するとこんな感じです。

一旦BMSから電圧検出リード線のコネクターを抜いておき、各リード線先端にφ6丸端子を取り付けてから、コネクターに生えてる順番に左側からテプラで番号を振っておきました。なんか自分絶対間違えそうな気がするので…。

4本のセルを互い違いに並べてバスバーで直列接続し、各セルのマイナス端子側に番号順にセル電圧検出リード線を接続していきます。最後に赤い線は一番プラス側の端子に接続します。

BMSの基盤の中段には、左右に「B-」と書かれた大きな端子が2つあります。ここがバッテリーセルのマイナス側に接続する電力端子になります。定格の150Aの電流を流すにはこの両方に14sqの極太ケーブルを接続する必要があります。充放電をするときは基盤上部の「C-」と書かれた端子に、充電器やインバーターのマイナス端子を接続します。充電器やインバーターのプラス端子はバッテリー側のプラス端子に接続します。

セルとBMSの間にセルを梱包してたスポンジを挟み、耐熱絶縁のカプトンテープで巻きつけ、温度センサーをセル表面の適当な位置に貼り付けて、各ケーブルを接続したらLiFePo4スマートバッテリーの仮組み完了です!BMSのB-端子とセルのマイナス端子は、仮組みなので片方しか繋いでません。

6. BMSの設定

Bluetoothユニットを接続していれば、スマホから各種設定をすることが出来ます。設定に使うアプリは、iOSの場合AppStoreで「xiaoxiang bms」と検索すれば一番上に出てきます。

アプリを起動するとBluetooth使用許可を求める画面が出るのでOKします。すると電波範囲内のBMSの一覧画面が表示されます。一番上はデモ画面みたいなので、2番目の「xiaoxiang BMS」をタップしてみます。

するとBMSが検出したバッテリー全体の様子と、各セル個別の電圧を概観できる画面になりました。バッテリー残量ゼロ表示だったので一瞬焦りましたが、各セルの電圧を見ると2.5Vまではまだ下がってないので充電しても大丈夫そうです。早速右下の「config」ボタンを押して初期設定画面に行ってみます。

ここでアプリ内課金を求められます。設定をBMSに書き込むためには課金が必須です。「Buy」ボタンからApp Storeへの支払いを済ませて左上の「<Back」から元の画面に戻ります。一度課金すると、同じApple IDを使用している他の端末でも追加課金無しで使えます。その際は画面最下部の「Restore Purchases」を押します。

元の画面に戻って再度右下の「config」ボタンを押すと、課金後はこんな画面が出るようになります。BMSの名前を変更したり出来ますが、とりあえず後回しににして画面最下部の「BMS Settings」を押します。

BMSの各種電圧設定画面になります。最初は空欄なので、画面左上の「BMS Read」を押して、BMSから現在の設定を読み出します。その後、使用するセルのカタログスペックを見ながら各項目を書き換えて行きます。

「Capacity configuration」の欄は、バッテリー使用率メーター表示の元になるデータです。安物セルには詳細なデータシートも無いので自己放電率とかは適当な数字を書いてます。セルの最大電圧や最小電圧はカタログスペック通りに書かず、念の為控えめな数値にしておきました。

設定画面を下にスクロールしていくと「Protections」という項目があります。ここがセルを保護する最も重要な設定項目になります。どの電圧・電流・温度で回路を遮断してセルを保護するのか、セルのカタログスペックを見ながら控えめな数値を設定していきます。

今回使用したセルのカタログスペックでは、最大電圧3.65V、最低電圧2.5V、最低充電温度0℃となっていましたが、ギリギリを攻めて劣化するのが怖いので余裕を持って最大3.48V、最低2.9V、+1℃としておきました。使いながら様子を見て後から適宜調整可能です。

各種数値の入力が終わったら、右上の「BMS Write」を押して、設定内容をBMSへ書き込みます。これでBMSの設定が完了しました!次はいよいよ充電です!

7. LiFePo4バッテリーの充電器の選定

LiFePo4セルは3.65v以上の電圧で壊れるので、4本直列だと14.6Vまでしか電圧をかけることが出来ません。一方、従来の鉛バッテリー用の充電器は、段階によっては急速充電のために15V〜18V近くまで電圧が上がる物があり使えません。繋いでもBMSの保護機能が働いて回路が遮断されます。

14.6Vの2Aの小電力でゆっくりジワジワ充電するタイプのものならとても安価に購入することが出来ます。「BMSの設定で充電中止電圧を控えめに13.9V等に設定したから遮断されてしまうのでは?」と心配になるかもしれませんが大丈夫です。仮に充電器のワニ口クリップで測って14.6V出てても、LiFePo4セルはえらい勢いで電気ゴクゴク飲み込むのでセル端子側で測るとめっちゃ電圧下がってます。

安い充電器には充電完了を自動検知して充電停止する機能がありませんが、所定の電圧になればBMS側が検知して遮断するので問題ないと思われます。100Ah充電するには2〜3日かかりそうですが、非常用と割り切るならばこのクラスの充電器で充分と思われます。

高速に充電可能な10A以上の充電器となるとかなり発熱するので安物は危険です。Amazonの4万円台のLiFePo4バッテリーの付属充電器はレビューを見る焦げたとか溶けたとか恐ろしい記述が散見されます。発熱の事を考えると小型樹脂ボディの急速充電器はやめといたほうがいいと思います。信頼性の高い金属シャーシの大電流LiFePo4用充電器は「蓄電システム.com」さんに種類が揃ってます。10Aで14,800円、30Aで27,000円とかなり高額です。

個人的には自由に電圧や電流を設定できる安定化電源が他用途にも応用が効いてオススメです。10Aで充電可能で最安5千円台で購入できますし、セルバランスが崩れてきたら3.5V等に設定してセルを一本づつ充電してバランスを取り直すこともできます。10mV単位で微調整できるツマミのついたモデルは7千円台で購入可能です。冷却ファン内臓の金属シャーシでかなり信頼性の高い作りをしています。

8. BMSを経由した充電試験

充電器のプラスケーブルはLiFePo4セルのプラス端子へ、充電器のマイナスケーブルはBMS上方に2つある「C-」と書かれた端子へ繋げます。間違えても決してセル側のマイナス端子に繋がないようにしましょう。

充電の様子はスマホで遠隔で確認することが出来ます。安定化電源から9.13Aでぐいぐい電力を飲み込んでます。画面中段のセルバランスをみると3.4Vを越えたあたりでばらつきが出始めてバランサーが作動しているのが見えます。

セルのうち1本が設定しておいた3.48Vを超えたため、BMSの保護機能が働いて充電が遮断されました。充電が停止した途端に各セルの電圧がシューッと下がっていき、10分くらいかけて3.3Vあたりで落ち着きました。このあたりの電圧の挙動は鉛バッテリーに似ていますね。

これで充電はバッチリです!

9. BMSを経由した放電試験

今回採用したLiFePo4セルは100Ahで3C出力可能なので最大300Aの大電流を吐き出すことが出来ます。BMSの方は定格150A、最大200Aを出力することが出来ます。カタログスペック的には電子レンジやエアコンを余裕で駆動できる筈なので試してみます。

2本のケーブルで電圧降下を起こさずに150Aを流そうと思ったら14sqの太さが必要になります。そのケーブルをM6ボルトで固定するにはR14-6の圧着端子が必要になります。

こんな感じでBMSの2箇所の「B-」端子から、14sqのケーブル2本でセルのマイナス端子へしっかり接続します。

インバーターのプラス端子にセルのプラス端子、インバーターのマイナス端子にBMSの2箇所の「C-」端子を、それぞれ14sqのケーブル2本づつで接続。これでインバーターが電圧降下でピーピー言って止まることは無いはずです。

早速インバーターに電子レンジを接続し、まずは500Wであたためスタート!

電子レンジ500Wモードと言いつつ、インバーターの変換効率が悪いのか、バッテリーセルからは1,134Wもの電力が吸い出されて行きます。

しかし問題はそこではなく、3番セルが1本だけ異常電圧降下を起こしています。これは入荷時に微妙に膨らんでいたセルですが、どうやら放電性能が1Cにも満たない不良品が紛れ込んでいたようです。証拠写真を撮って販売元へ交換を請求することにしました。このあたりの顛末は長くなるのでまた別記事で。

電子レンジ600Wモードも試してみましたが、こちらは1,424Wの電力が吸い出され、インバーター側のリミッターが作動して停止してしまいました。電子レンジを稼働するには2000W〜3000Wクラスのインバーターが必要だったようです。

ちょっと不本意な結果になってしまいましたが、放電性能も試すことが出来ました。非常時はレンジ500Wなら使えるということが分かりましたし、なにより不良セルを発見できたので良しとします。

10. キャンプに持ち出せるステキな外装をこしらえる

薄いアルミ製のLiFePo4セルは落とせば容易に凹んでしまいます。その状態で使用すると内部ショートを起こして発火の危険があるので、丈夫な外装で保護してやる必要があります。

当初はダイソーの木材を使って30cm × 20cm × 20cmの木箱を作ろうと思ってたのですが、近所のホームセンターの木工コーナーに丁度そのくらいの大きさの端材利用木箱が安く売られていたので購入してきました。早速BRIWAXを塗って磨いてヴィンテージ風にします。ワックス塗る前にステンシルシートでヴィンテージ風ロゴとか入れとくと更に雰囲気出ていいと思います。

セルを購入した時の梱包材を中に敷き詰めて、箱の中でセルがガタつかないように詰め込んでみました。300Wの小型インバーターを内蔵しようと思ったのですが入りませんでした。丁度箱に取っ手の穴があいてるので、そこから配線を出してインバーターを外付けすることにしました。

冬キャンプで電気毛布でヌクヌクするには正弦波インバーターが必要です。電気毛布は定格80Wなので、インバーター出力は300Wクラスもあれば充分です。

ただ、家にあった小型インバーターは如何にも中華風な真紅のボディで気に入らなかったので、分解してプライマーを塗り、その上からミルクペイントのトリトンブルーを塗ってみました。

イメージではヴィンテージ風のブルーグレーになるはずでしたが、図らずもC○TEKとかDENRY○とかP○WER TITE風の色になってしまいました。後でそれっぽいロゴ作って貼ることにします…。

片手で持ち運べるようにベルトも付けてタッカーで木箱に留めておきました。ダイソーのレザー風コードクリップを広げてタイコ鋲で打ち付け、ベルトを固定するタッカーの針を隠してみました。

11. カスタマイズ次第ではトータル5万チョイでモンスター級に!

外装が木箱だとカスタマイズが容易です。

非常用として経済性最優先で作るなら、安価な150W矩形波インバーターがオススメです。トータル費用約3万6千円で大容量1,280Whのポータブル電源が実現できます。(線材等は含まず)

キャンプ用として可搬性や、電気毛布にも使える汎用性を重視するなら、今回当方が使用したような300W級小型正弦波インバーターがオススメです。こちらはトータル約4万円程で収まります。

↑電子レンジやスポットクーラーのような大電力が必要となった時には、このように大型インバーターに換装する事も可能!

2万円クラスのインバーターを載せるだけで、EFDELTA等のモンスター級と呼ばれる13〜14万円クラスのポータブル電源と同等の性能を得ることも出来ます。この場合はトータル5万円チョイで作れます。

LiFePo4に対応したチャージコントローラーを外装にネジ止めすれば、最安2千円チョイで手軽にソーラー充電機能も追加できますし、ソーラーパネルがあれば充電器を購入せずに済みます。

個人的には、操作パネルやLED類の眩しい無骨な電源をキャンプに持ち込んで雰囲気を壊さずに済むのが自作電源の魅力だと思ってます。必要な時はスマホで残量や使用電力をモニターできますし、BMS設定アプリで残量警告や温度警告等をスマホにプッシュ通知させることも可能です。これって14万円クラスの市販品より便利じゃね?と思ったり。

今年もそろそろ災害シーズンがやってきます!災害対策やキャンプ用を兼ねて、こんな電源を作ってみるのはいかが?


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