リン酸鉄リチウムイオンバッテリーが13.5Vで充電停止する原因とは？4直列LiFePO4の充電不足を解決する方法

リン酸鉄リチウムイオンバッテリー（LiFePO4）を自作した場合、設定した充電電圧まで上がらず途中で止まってしまうトラブルが発生することがあります。特に4セル直列（4S）の構成では、満充電付近の電圧管理やBMS設定、セルバランスが重要になります。

4SのLiFePO4バッテリーは満充電電圧が約14.4Vですが、13.5V付近で充電が進まなくなる場合はいくつかの原因が考えられます。この記事では、MPPTチャージコントローラーやBMSを使用した自作システムで充電が止まる主な理由と確認ポイントを解説します。

4セル直列のLiFePO4が13.5Vで止まる理由

4S構成のリン酸鉄リチウムイオンバッテリーでは、各セルの電圧を合計して全体電圧が決まります。通常、満充電時は1セルあたり約3.6Vとなり、4セル合計で約14.4Vになります。

しかし13.5V付近では、まだ満充電電圧に達していないように見えても、実際にはセル電圧のばらつきによってBMSが充電制御を行っている可能性があります。

例えば、4セルのうち1セルだけが3.55V付近まで上昇し、他のセルが3.35V程度の場合、BMSの過電圧保護やセルバランス機能によって充電電流を制限することがあります。

LiFePO4バッテリーでは、BMSの設定が充電状態に大きく影響します。JK-BMSなど高機能なBMSでは、セル過電圧保護（OVP）や充電停止電圧、バランス開始電圧などを細かく設定できます。

例えばセル過電圧保護が3.45Vなど低めに設定されている場合、4セル合計では13.8V程度で充電が止まることがあります。

確認する項目としては、以下のような設定があります。

・セル過電圧保護電圧
・充電過電圧解除電圧
・セルバランス開始電圧
・最大充電電流設定
・SOC設定

JK-BMSのアプリで充電中にどのセルが先に上昇しているか確認すると、原因特定がしやすくなります。

LiFePO4セルは満充電付近になると電圧変化が大きくなります。そのため、少しの容量差でも満充電直前にセル電圧差が大きくなることがあります。

質問のように各セルの内部抵抗が0.040〜0.085Ω程度と差がある場合、セルごとの充放電特性が異なる可能性があります。

例えば1番セルだけ容量が少ない場合、そのセルだけ先に電圧が上昇し、BMSがバッテリー全体を保護するため充電が止まったように見えることがあります。

375Wのソーラーパネルと40A対応MPPTコントローラーの組み合わせは、容量的には4S LiFePO4への充電に十分対応できる構成です。ただし、実際の発電量は日射条件によって大きく変化します。

パネル角度が約10度の場合、季節によっては発電効率が低下する可能性があります。また、配線長5mで4sqケーブルを使用している場合、電圧降下も確認する必要があります。

ただし、13.5Vまでは順調に充電できている場合、完全な発電不足よりも、BMS制御やセルバランスの問題である可能性が高くなります。

まず行うべき対策は、各セルの電圧を確認しながら満充電状態でセルバランスを取ることです。セル差が大きい場合は、BMSのアクティブバランス機能だけでは時間がかかる場合があります。

必要に応じて、各セルを個別に充電して電圧を揃えてから直列接続する方法もあります。

また、MPPTコントローラー側のバッテリー種類設定も確認しましょう。鉛バッテリー用設定になっている場合、LiFePO4に適した充電電圧にならないことがあります。

設定例として、LiFePO4用では吸収電圧を14.2〜14.6V程度、フロート電圧を13.5〜13.8V程度に設定するケースが一般的です。ただし、使用するセルやBMSの仕様に合わせて調整する必要があります。

セル内部抵抗はバッテリーの状態を判断する重要な指標です。4セル間で大きな差がある場合、容量差や劣化、接続不良などが疑われます。

特に満充電付近で特定セルだけ電圧が急上昇する場合、そのセルの内部抵抗や容量不足が原因になっている可能性があります。

セルごとの電圧推移を充電開始から記録すると、どのセルが問題になっているのか判断しやすくなります。

4Sのリン酸鉄リチウムイオンバッテリーが13.5V付近で充電停止する場合、単純な発電不足よりもBMS設定やセルバランスの影響である可能性が高くあります。

まずはJK-BMSアプリで各セル電圧の差を確認し、過電圧保護設定やバランス設定を見直すことが重要です。

また、LiFePO4は満充電付近でセル差が出やすいため、初期組み立て時のセルバランス調整や定期的な確認によって、14.4Vまで正常に充電できる状態を維持できます。