Lifepo4　リチウム　バッテリーヒーターコントロールシステム　バッテリー保温ケース　電池鍋

鍋猫ならぬリチウムバッテリーヒーター用の鍋のようなバッテリーケースをつくりました。

設計通り12.8V/100Aのバッテリーが4個入ったのは良いのですが、きっちり作りすぎて手が入らず取り出せなくなって困ってます。

ヒーターを並べて鍋底に密着します。
制御特性を良くするためです。

床側は、耐熱断熱シートで熱が逃げないようにします。消費電力を抑えるためです。

測定点は、箱内部の中心と長辺側の立ち上げ部分のセンター部分、ヒーターから一番遠い角の部分です。
車内温度は、2nd,3rdシートの間にセンサーを置いて測定します。

温度センサーは、K型熱電対です。データロガーを使い10分ごとにサンプリングしていきます。

温度制御は、PIDです。ヒーターリレーのショート固着があっても熱暴走しないように熱量を最小限に抑えて異常時にリレーが常時ONとなっても外気温＋10～15度ぐらいに収まるようにしました。

ヒーターリレーは、消費電力を抑え故障を回避するため無接点駆動としました。

1０月末にドイツでLPFバッテリーを30kWh使ったソーラー住宅で爆発事故がありました。

https://www.pv-magazine.com/2023/10/30/cause-of-30-kwh-battery-explosion-in-germany-remains-unclear/

それについて、このフォーラムでも色々な意見が出ています。
LPFバッテリーが異常時に放出する可燃性ガスに火花が引火したというシナリオも考えられるそうで水素爆発のようなものです。

https://diysolarforum.com/threads/wow-basen-rack-mounts-batteries-destroy-a-home-in-germany.71959/

機械式リレーは、アークによる火花が避けられないので無接点化は有効です。まーほとんどの基板実装用ミニチュアリレーは、窒素充填の密閉型ですから気休めですけど

ACアダプターを使い消費電力を測定しました。DC26VのときにSW電源込みで最高で23Wでした。
ヒーター全体の消費電力は箱あたり18Wで2台で36W になります。
ちょっと多すぎますが、実際は保温と温度制御で低くなります。

測定には、風の影響を避けるため断熱シートを被せて行います。

外気温10度で目標温度25度設定で23度～20度となりました。
常時ONで外気温＋15度～10度となり、当初の目標に近い値になりました。

目標温度を外気温10度から－10度としたときにー10度シフトするとすると、0度～5度になります。その２では、目標温度5度で設定し消費電力を測ってみましょう

冷え込みそうな夜を狙って再測定しました。よりバッテリー周囲を冷やすためMAXXFANを全開にして一晩測定しました。
この朝の最低温度は、バッテリー周囲温度が7時50分で4.8度まで下がりました。
バッテリーケースの内側底面の最低温度は、8時10分で18.2度、横面では、14.3度、端面で14.7度を同じ時間に記録していました。
意外な点は、端の方が横中心よりヒーターまでの距離があるにも関わらず高かった点です。僅か0.4度ですが測ってみないとわからないものです。想定では、1～2度程度低くなると思っていました。この測定によりケース全体で温度のばらつきは運用上問題にならないことがわかりました。

実際の実装ではケース外周部分の断熱材の熱抵抗を5倍程度UPすることで低消費電力を目指します。

温度設定では、目標温度25度設定で外気温5度で最高温度は、18.2度でした。常時ヒーターONでも外気温5度で18度までしか上がらない発熱量と言うことが分かりました。また、鍋底の温度から鍋周囲は約4度低くなることから、鍋全体で0度以上を確保するには、4度＋ヒーターセンサーのオフセット２度を加え６度程度を目標温度として温度コントローラーに設定すれば良いことが分かりました。

目標温度を６度に設定して一晩様子を見ました。外側のヒーター側が６度設定で鍋の内側の底部分で１度のオフセットがあります。4時30分頃に平衡に達して5度のプラトーになりました。ここでPID制御に移り横、端とも4.２～４．5度で安定しました。

外気温は、４時で3.5度、7時半で2.4度ほどに程よく下がっています。実験環境としては最高です。
今回の設定で周囲温度-10度ぐらいまではケース内部は0度以上に保温できます。
あとはケースの断熱を充実して対応温度と消費電力を減らす様にします。