家用儲能 Powerwall DIY 第一回
其實我把要做土炮 Powerwall 的材料買齊已經一段時間了，今天第一次用小功率的電池組驗證了概念，就寫篇文章來記錄一下吧。
需要多少電池
要做 Powerwall，第一個問題就是想做多大、需要多少電池。
我本來想用 18650 來拼，但最近幾個月淘寶上出現大量來路不明的 21700 鋰電池，從評價看起來品質也還 OK，我就想試試 21700 電池。因爲最好的 18650 大概可以到 3200mAh，但 21700 隨隨便便都有 4000mAh，價格其實也沒貴多少。
淘寶上這種來路不明的 21700 電池有兩種，紫色封膜的比較貴，一顆大概 11-12 塊人民幣，號稱容量 4800mAh。另外有一種灰色封膜的，一顆 8-9 塊人民幣，容量比較小，宣稱從 4000mAh – 4400mAh 都有。我下單買了 50 顆紫色的，又買了 10 顆灰色的。
來算一下容量。哦不，算容量之前要先決定電壓，因爲電池組的電壓由串聯數決定，設計電池組時的電芯數量必須是串聯數的倍數。
我買了一台 1000W 的併網逆變器，它的工作電壓範圍是 22V – 60V，啓動電壓是 25V，因此我需要 24V 左右的鋰電池組。
鋰離子電池的電壓範圍其實蠻廣的，充飽 4.2V，放到 98% 容量時大概還有 3V 左右。如果我需要把電池榨到乾，大概就要用 8S (8 顆串聯) 的架構，才能讓電池放電到接近沒電時，還推得動變頻器。但我不想這麼操電池，畢竟淺充淺放才是讓電池活得久的祕訣，因此我決定用 7S 的架構。這樣滿電時的電壓是：
4.2V *7 = 29.4V
而變頻器啓動後可以持續放電的最低電壓是：
22 / 7 = 3.14V
其實也可以榨得蠻乾的，爲了電池的壽命著想，也許低電壓保護要設高一點。
爲了計算方便，我們用 3.6V 的高原期電壓來當作 cell 的電壓。如果我做 7S5P (7 串 5 並) 的話，總共 35 顆 21700 電池，每顆 4000mAh 來算好了，容量就會是：
3.6V * 7 * 4Ah * 5 = 25.2V * 20Ah = 504Wh
差不多半度電。
21700 持續放電電流可以到 10A，5 顆並聯的話可以到 50A，所以最大放電功率就是：
25.2V * 50A = 1260W
已經超過我的併網變頻器的功率，因此沒有問題。
所以我決定先來做個半度電試試。不過這之前，我要先決定用什麼 BMS。
很厲害的可通訊 BMS
我本來想用一般的 BMS 先做個電池組起來，之後再自己設計比較聰明的、可以讀取每顆 cell 電壓的 BMS。但我在逛美國的土炮 Powerwall DIY 討論串時，發現老外門在討論一套叫做 “JBD” 的 BMS，在 AliExpress 上可以買到，有通訊功能，可以用 UART 或 BLE 跟它連線、通訊，讀取每個 cell 的電壓，還可以設定 OVP、UVP、OCP 等保護的 threshold 和 delay，甚至可以知道電池平衡的狀態。
我用關鍵字去淘寶上找，原來是一家叫 “嘉百達” 的公司做的 BMS：
它的產品線非常豐富，從 3S 到 20S 都有，我買了 7S/50A、有 RS-485 和藍牙通訊的版本。不到台幣一千塊，真的很便宜。
它上面有 RS-485 和 UART 兩個界面可以同時使用，UART 可以接他們自己的藍牙 dongle，而 RS-485 也可以接他們的 RS-485 轉 USB 介面板接電腦。如果不用藍牙，UART 也可以轉 USB 接電腦。
我本來以爲藍牙也可以走 SPP 到電腦，但是拿到東西之後才知道，爲了能跟 iOS app 通訊，它附的 Bluetooth dongle 是 BLE 的，而 BLE 並沒有 serial port profile，因此沒辦法用它附的藍牙 dongle 跑 SPP 跟 PC 連線。不過我猜我可以用標準的 SPP dongle 取代它的 BLE dongle，就可以用藍牙跟 PC 連線了。
它的軟體也很齊全，除了有 iOS app、Android app 外，也有個 PC 上的軟體。另外我也跟客服要了通訊協定的文件，看起來是個類似 Modbus 的協定，指令不多，但該有的都有。
先來做組小的試試
因爲點焊機將鎳片焊接到電池上之後就很難拿下來，在真正動工做半度電的電池組之前，我想先用 7 顆 21700 做成 7S1P 的電池組，試試這個 BMS 的功能，順便試試這個 cell 的能耐。
做實驗用的電池我還想拿到電池組裡面使用，因此我不想用焊接的，想找個電池盒來做實驗用。18650 的電池盒非常好買，但 21700 畢竟是才剛上市不久的東西，電池盒沒那麼好找。
我在淘寶上看到一個賣家有在賣各種大小的 21700 電池盒，從單顆到 幾十顆的都有，我就下單買了兩個 7 顆的電池盒。
但收到東西後我有點傻眼：
這電池盒是 3D 列印做的就算了，所有的彈片、接點都要自己裝。
我趁著昨天晚上跟邱爸、粘董連線喝酒垃圾話的時間一邊把電池盒的接點一個一個裝上去。它附的接點其實也不是什麼接點，根本就只是一堆黃銅螺絲和螺帽，再加上彈簧而已。我把螺絲和螺帽鎖上去後，想了很久不知道該怎麼把相鄰的接點接起來，形成串聯的電路。
我如果直接用電線焊接那個黃銅螺絲的話，3D 列印的塑膠應該撐不住焊接的溫度，一定熔掉。後來我想到零件櫃裡還有一些 Y 型的壓接端子，我就去找了 1.6mm 的單芯線，把兩個 Y 型壓接端子用單芯線焊起來，變成一支像雙頭叉的樣子，剛剛好可以鎖在相鄰的兩個螺絲接點上。
我再把 BMS 的排線也焊上 Y 型壓接端子，一併鎖到每一節電池中間的接點上，電池盒就完工了。
BMS 開機
要把電池接到 BMS 上之前，我要先確訂串聯電池組接往 BMS 的排線順序沒有接錯，因爲這裡接錯的話有很大的機率會把 BMS 燒掉。
我把 7 顆 21700 電池裝進電池盒裡，再逐一測量 BMS 的排線在連接器端的電壓，確定相鄰兩條線之間的電壓都是單顆電池的電壓。
另外，電池要接到 BMS 上之前，電芯之間的電壓要先平衡到一定的範圍內。我用電錶量了每顆 21700 電芯的電壓，都在 3.60 – 3.62V 左右，非常接近，不需要另外再用充電器做平衡。我猜賣家在出廠前應該也有統一充到固定的電壓，而且過了這麼久幾乎都沒有跑掉，讓我對這個電池又放心了不少。
我照著接線的說明把電池組的負極跟 BMS 的 B- 連接，把 BMS 的測溫線黏到其中一顆電池上，再把排線插到 BMS 上。BMS 板的上下雖然都被散熱片蓋住了，但排線插上去時我看到 BMS 上的藍色 LED 亮了起來，我知道 BMS 活過來了。
我量了 BMS 的 C- 接腳跟電池組正級之間的電壓，跟電池組的電壓一樣，準確的 25.6V，我知道放電的 MOSFET 有打開，BMS 正正常工作中了。
併網供電
我想試試用大一點的功率來放電。直接用併網變頻器來做好了，這樣既可以控制放電功率，又不浪費能量。用併網變頻器放電時，電池的能量會進入我家的供電迴路，讓電錶稍微慢那麼一點點，真的只有那麼一點點。
我在做這些實驗的時候，對接線、接頭的處理都非常小心。因爲 21700 電池的內阻很低，大概只有十幾 milliohm，電池的短路電流可以到 20A 以上，而且鋰電池短路時的大量發熱會讓它有燃燒、爆炸的風險。
因此只要是沒用到的接頭，就算只是一下下，我都會用防焊膠帶包起來，避免它不小心去接觸到任何裸露的電路。
我先把併網變頻器插上電開機，進到它的 menu 裡去設定。這台併網變頻器本來是設計給太陽能電池用的，它有內建 MPPT 功能，可以自動追蹤太陽能電池的最大功率點電壓，榨出最大的功率。但鋰電池可不能用 MPPT 去操它，所以我把變頻器的工作模式改成定電流放電模式，把電流設成 2A。
當我把電池組插到變頻器的 DC 輸入時，就看到變頻器顯示開始併網了：
我終於成功把鋰電池的電送回交流電網了！雖然只有小小的三十幾瓦，連我的 iMac 5K 都推不動，但仍然是值得紀念的里程碑。我計劃了這麼久，一直想要自己做家用錶後儲能系統，終於邁出了第一步。
我用 FLIR 的紅外線熱像儀看了一下電池和板子的溫度：
整個系包括電池、電池盒、接線、BMS 跟所有的接頭，完全沒有任何發熱的跡象。畫面中稍微亮的地方其實是高反射率的材料反射 LWIR 造成的假影。看來 2A 的放電電流對 21700 來說輕輕鬆鬆。
接下來，我就可以開始組裝那顆半度的電池組了。
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