일본 독립형시스템, 8kWh의 가정용 축전지

2014年11月06日

일본 K사는 가정용 독립전원시스템을 개발하였다.

일본 최초의 가정용 오프그리드 전용 모델이다. 특징은 크게 2가지이다.

첫째, 내장된 리튬이온 축전지의 용량이 8kWh로 크다는 것이다.

둘째, 파워 컨디셔너를 이용하지 않고 태양전지 모듈을 직결하고 그대로 충전할 수 있다는 것이다. 

큐슈전력을 비롯한 5개 전력회사가 계속 태양광발전시스템 등에 발전한 전력의 신규 매입을 보류하고

있다. 그중에서도 오키나와전력의 대응은 엄격하다. 태양광발전시스템을 신규로 도입하더라도 계통에 접속할 수 없다. 그래서 2014년 12월에 우선 오키나와현에서 시스템의 판매를 개시한다.

홋카이도 및 전국의 낙도, 그리고 계통에서 독립한 전력을 사용하고 싶다는 사용자가 대상이 된다.

주위 온도가 0도 이상이라면 이용할 수 있다. 

이 시스템은 일반적인 가정용 축전지보다 유연하게 이용할 수 있도록 설계되어 있다.

시스템출력은 6kW이다. 특징적인 것은 100V출력과 200V 출력을 따로 따로 할 수 있다는 것이다.

100V출력은 3kW, 200V출력도 3kW이다.

이것은 에어컨과 같이 200V가 필요한 가전을 생각한 설계이다. 기기의 수명도 길다.

10년 이상 정지시키지 않고 동작한다.

축전지의 정극에는 열안정성이 높은 올리빈형 인산철 리튬을 채용하였다.

축전지의 사이클 수명은 1만회 이상(20년간)이라고 한다. 

이 제품은 축전지가 일반적으로 갖춘 교류-직류변환(AC-DC변환) 기능 외에 직류-직류변환(DC-DC

변환) 기능을 가진다. 이것이 태양전지 모듈을 직결할 수 있는 비밀이다.

직류 200V에서 400V까지의 입력이 가능하다.

파워컨디셔너가 갖춰져 있는 MPPT(최대전력 점추종 제어)도 실행할 수 있으므로 일조가 변화

하더라도 그 때마다 최대의 전력을 태양전지에서 만들어 낼 수 있다.

축전지시스템 본체는 BMU(Battery Management System)와 BMU 직하에 있는 축전지로 구성되며,

그 전후로 스마트미터와 DC-AC변환기가 연결되어 있다.

계통에 접속하는 경우는 100V 또는 200V로 충전이 가능하다.

출력 3kW의 태양전지 모듈군을 MC4 커넥터 경유로 접속한 경우, 맑은 날이라면 약 2.8시간으로 가득

충전 가능하다. 접속 가능한 태양전지 모듈의 용량은 상한과 하한을 두지 않는다.

태양전지모듈 이외에 소형 풍력발전기의 접속도 가능하다고 하였다.

태양전지 모듈 이외에 직결 가능한 소형 풍력발전기도 판매한다.

가정용 대용량 축전지는 HEMS 연대 등을 통하여 다양한 사용자 설정이 가능하다는 것을 어필하는

제품이 많다. 충방전 설정 등 복잡한 기능을 이용할 수 있도록 하면 사용자의 오조작, 오동작을 피할 수 없다고 생각하였다. 그래서 내부정보를 보는 기능만으로 특화하였다.

주전원을 태양전지로 계통과 접속한 경우는 전지 잔량이 10%를 넘을 때에 계통에서 충전하도록

자동적으로 제어한다. 사용자가 바로 시스템을 접속할 수 있도록 고안하였다.

리얼타임 OS(RTOS)상에서 동작하는 Web 서버를 내장하고 있으며, 별도 HEMS를 도입하지 않아도

Wi-Fi경유로 스마트폰과 태블릿에서 소비전력과 전지 잔량을 확인할 수 있다. 

이 시스템에 포함된 축전지의 우위성은 충방전 제어에 있다.

즉, 충전시간이 짧다. 지금까지 취급해 온 축전지과 비교하면 충전시간이 약 6분의 1이다.

고전압, 대전류의 충방전이 가능하도록 센서부품의 수를 일반 축전지보다도 많게 하였다.

이번 시스템은 256개의 축전지로 이루어진다.

셀 수가 많아지면 셀 간의 축전용량의 편차를 항상 균형 있게 유지하게 하는 구조가 필요하다.

충전 시 연속하여 전류가 흐르는 것은 아니며, 정지시간을 좁혀(흐름제어) 균형을 잡는 방법을 채용

하였다.

시스템 내부에는 사이클 카운터를 설치하고, 축전지 내부저항치를 취득할 수 있도록 하였다.

축전지는 갑자기 노화하는 경우가 있으므로 이러한 정보를 이용한다.

또한 이 시스템은 자연 공기냉각을 채용하고 있으나, DC-DC변환기와 AC-DC변환기 부분에는 외부팬

을 설치하여 냉장고의 콤프레셔 정도의 소리로 억제하였다 

         

http://www.itmedia.co.jp/smartjapan/articles/1411/06/news045.html

太陽電池を直結、8kWhの家庭用蓄電池 (1/3)

慧通信技術工業は、家庭用の独立電源システム「パーソナルエナジー338」を開発した。日本初の家庭用オフグリッド専用モデルをうたう。特徴は大きく2つある。1つは内蔵するリチウムイオン蓄電池の容量が8kWhと大きいこと。もう1つはパワーコンディショナーを利用せずに太陽電池モジュールを直結し、そのまま充電できることだ。

慧（けい）通信技術工業は、家庭用の独立電源システム「パーソナルエナジー338」を開発した。WQが2014年12月1日から販売を開始する。

　特徴は大きく2つある。1つは内蔵する蓄電池の容量が8kWhと大きいこと^＊1）。もう1つはパワーコンディショナーを利用せずに太陽電池モジュールを直結し、そのまま充電できることだ。このため、系統と接続しなくてもある程度利用できる日本初の「家庭用オフグリッド専用モデル」をうたう。電力の自給自足を目指した製品だ。

　図1にシステムの外観を示した。屋内に設置して利用する。重量は約360kg。寸法は600mm×700mm×1600mm。

＊1） 太陽光発電協会（JPEA）によれば一般家庭の平均年間消費電力量は5650kWh。1日当たりに換算すると15kWhとなる。沖縄電力は4人家族の標準家庭の使用電力量を300kWh/月としている（1日当たり約10kWh）。

図1　パーソナルエナジー338の外観　出典：慧通信技術工業

製品化の理由は電力会社の対応にあり

　九州電力を初め5つの電力会社が相次いで太陽光発電システムなどで発電した電力の新規買取を保留している（関連記事）。「中でも沖縄電力の対応が厳しい。太陽光発電システムを新規に導入しても系統に接続できなくなっている^＊2）。そこで、2014年12月にまず沖縄県でシステムの販売を開始する。北海道や全国の離島、さらには系統から独立して電力を使いたいというユーザーにも向くだろう」（慧通信技術工業）。周囲温度が0度以上であれば利用できるという。

　「一般家庭に広く普及を狙う製品ではないため、パーソナルエナジー338の本体価格は600万円程度を想定している。この他、施工費が必要だ」（同社）。

＊2） 沖縄電力の制限は全国で唯一、容量10kW未満の家庭用太陽光発電システムにも適用される。同社は2014年9月30日、再生可能エネルギーの接続可能量の上限（310MW）を超えたため、事業者（個人）側に特別な対応がない限り、太陽光発電などの接続申込が不可能になったと発表した。対象は8月8日以降の接続申込。特別な対応には2種類あり、特定期間の発電停止と蓄電池の設置である。

容量以外の特徴にも優れる

　パーソナルエナジー338は一般的な家庭用蓄電池よりも柔軟に利用できるように設計されている。システム出力は6kW（6000W）。特徴的なのは100V出力と200V出力を別々に取り出すことができることだ。100V出力は3kW、200V出力も3kWだ。これはエアコンのように200Vが必要な家電を考えた設計による。

　系統から独立することをうたうため、機器の寿命も長い。10年以上無停止で動作するという。蓄電池の正極には熱安定性が高いオリビン型リン酸鉄リチウムを採用した。蓄電池のサイクル寿命は1万回以上（20年間）という。

外部の機器と接続しやすい

　パーソナルエナジー338は、蓄電池が一般的に備える交流直流変換（ACｰDC変換）機能の他に、直流直流変換（DC-DC変換）機能を備える。これが太陽電池モジュールを直結できる秘密だ。

　「直流200Vから400Vまでの入力が可能だ。パワーコンディショナーが備えているMPPT（最大電力点追従制御）も実行できるため、日照が変化しても、その時々で最大の電力を太陽電池から取り出すことができる」（慧通信技術工業）。

　外部機器とどのように接続できるのか、概要を図2に示した。蓄電池システム本体は、BMU（Battery Management System）とBMUの直下にぶら下がっている蓄電池（図2には描かれていない）からなり、その前後にスマートメーターとDC-AC変換器がつながっている。系統に接続する場合は100Vまたは200Vで充電が可能。

図2　パーソナルエナジー338の内部フローと外部機器との接続　出典：慧通信技術工業

　出力3kWの太陽電池モジュール群をMC4コネクタ経由で接続した場合、晴天時であれば約2.8時間で満充電可能だという。接続できる太陽電池モジュールの容量には特に上限や下限を設けていない。

　太陽電池モジュール以外に小型風力発電機の接続も可能だとした。「当社が要望に応じて太陽電池モジュールの他、直結可能な小型風力発電機も販売する」（WQ）。

　家庭用の大容量蓄電池では、HEMS連携などを通じてさまざまなユーザー設定が可能なことをうたう製品が多い。「充放電設定など複雑な機能を利用できるようにすると、ユーザーの誤操作・誤動作が避けられないと考えた。そこで、内部情報を見る機能だけに特化した。主電源を太陽電池として系統と接続した場合は、電池残量が10％を切ったときに系統から充電するよう自動制御する」（慧通信技術工業）。

　「ユーザーがすぐにシステムと接続できるよう工夫した。リアルタイムOS（RTOS）上で動作するWebサーバを内蔵しており、別途HEMSを導入しなくても、Wi-Fi経由でスマートホンやタブレットから消費電力や電池残量を閲覧できる」（同社）。

技術的な優位性は充放電制御にある

　同社によればパーソナルエナジー338の蓄電池の優位性は充放電制御にあるという。充電時間が短い。「当社がこれまで扱っていた蓄電池と比較すると充電時間が約6分の1だ」（WQ）。

　「高電圧・大電流の充放電が可能になるよう、センサー部品の点数を一般の蓄電池よりも多くした。今回の製品は256個の蓄電池セルからなる。セル数が多くなると、セル間の蓄電容量のばらつきを常にバランスする仕組みが必要だ。当社は充電の際、連続して電流を流すのではなく、停止期間を挟むこと（フローコントロール）によってバランスする手法を採用した」（慧通信技術工業）。「システム内部にはサイクルカウンターを設けた他、蓄電池の内部抵抗値を取得できるようにしている。蓄電池はリニアに劣化するというより、突然劣化する場合があるため、このような情報を利用する」（同社）。

　なお、パーソナルエナジー338全体は自然空冷を採用しているものの、DC-DC変換器とAC-DC変換器部分にはファンを外付けしている。「冷蔵庫のコンプレッサー程度の音に抑えた」（同社）。

海の「上」でも採用

　慧通信技術工業はパーソナルエナジーシリーズを2012年に製品化、産業用として販売してきた。公共インフラ設備や医療機関用として利用されている。容量は例えば300kW、70Vから600Vの直流入力が可能だという。

　「産業用製品の発売後、年間300件程度、家庭用の製品化について要望が届いていた。だが、産業用とは入出力や充電時間の仕様がかなり異なる。今回、太陽光発電システムを販売しており、サポートの経験が豊富なWQに販売を独占委託することができたため、家庭用の製品化に踏み切った」（慧通信技術工業）。

図3　兵庫県の淡路島と鳴門大橋の位置

　産業用製品については慧通信技術工業が自ら当たる。2014年11月1日には本州四国連絡高速道路向けにパーソナルエナジーを11台納入したと発表した（2013年度分納入分を含む）。渦潮（うずしお）で有名な鳴門大橋の管理保全に用いる移動式作業台車で利用する（図3、図4、図5）。

　従来は橋の表面にトロリー給電線を長く引き、そこから作業台車用の電力を取得していた。ところが、台車は橋梁の下側を移動するため、海風が吹き上がり、塩害によって短期間での給電線の交換が必要になっていたのだという。蓄電池システムを導入したことで、メンテナンス回数が減る他、急速充放電や連続使用時間が長いという特徴が生きるとした。

　導入したのは容量7.2kWh（2kW、200V出力）3台と、容量4.8kWh（3kW、200V出力）8台。いずれもIP65耐塩害仕様品である。

図4　鳴門大橋の移動式作業台車に設置されたパーソナルエナジー（中央の白い箱）　出典：慧通信技術工業

図5　移動式作業台車の遠景（クリックで拡大）　出典：慧通信技術工業

[출처] 태양전지를 직결: 8kWh의 가정용 축전지|작성자 secui0070