研究論文各種電動車両に搭載したリチウムイオン蓄電池の許容劣化度に関する検討 * 1) 隅田祐介 2) 松村広基 3) 楊瑋翔 4) 紙屋雄史 5) 大聖泰弘 6) 森田賢治 Investigation of Acceptable Levels of Li-ion Battery

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ことこいなくら
4 years ago
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1 研究論文各種電動車両に搭載したリチウムイオン蓄電池の許容劣化度に関する検討 * 1) 隅田祐介 2) 松村広基 3) 楊瑋翔 4) 紙屋雄史 5) 大聖泰弘 6) 森田賢治 Investigation of Acceptable Levels of Li-ion Battery Deterioration in Different Electric-driven Vehicle Types Yusuke Sumida Hiroki Matsumura Yang Wei Hsiang Yushi Kamiya Yasuhiro Daisho Kenji Morita This paper discusses the levels of deterioration in Li-ion batteries that are acceptable in different types of electric-driven vehicles. Simulation-based analysis of the adverse effects of battery deterioration on vehicle performance was carried out, and acceptable degrees of battery deterioration are proposed based on the criteria of 2% loss of performance (2% reduction in cruising range for BEVs, 2% increase in fuel consumption for HEVs and 2% increase in CO 2 emissions for PHEVs). KEY WORDS: EV and HV systems, Lithium ion battery, Battery deterioration, CO 2 emissions (A3) 1. まえがき近年, 環境エネルギー問題の観点から, 自動車の電動化が精力的に進められている. 本論文は, 電動車両の心臓部と見なされている蓄電池の許容劣化度について検討した結果をまとめたものである. 電動車両に搭載された蓄電池の劣化が進行すると, 当然ながら車両の動力性能や環境性能が悪化する. しかし, 悪化の内容や程度については, 車両方式により大きく異なったものとなる. 例えば, 同一の劣化進行特性を有する蓄電池をハイブリッド自動車に搭載した場合とプラグインハイブリッド自動車に搭載した場合では, 車両性能悪化現象は全く異なったものとなる. したがって, 蓄電池の許容劣化度については, 現象の特徴をふまえつつ, 車両方式ごと別々に定める必要があると考える. このような背景のもと, 本研究では電動車両の中でも, 近年普及が進みつつある電気自動車, ハイブリッド自動車, プラグインハイブリッド自動車 (Battery Electric Vehicle,Hybrid Electric Vehicle,Plug-in Hybrid Electric Vehicle, 以後,BEV, HEV,PHEV と略す.) の 3 種類の車両方式を対象とした検討を行う. はじめに, 搭載したリチウムイオン蓄電池の劣化 ( 容量劣化ならびに内部抵抗劣化 ) が進行した際に, 車両性能が悪化する様子について, 数値シミュレーションにより詳細な評価を行う. そして, 得られた情報をもとに, 各車両方式への要求事項を踏まえ, 車載リチウムイオン蓄電池の許容劣化度の決定を試みる. * 212 年 1 月 4 日受理.212 年 1 月 4 日自動車技術会秋季学術講演会において発表. 1) 2) 3) 4) 5) 早稲田大学 ( 新宿区大久保 S55-74) 6) ( 財 ) 日本自動車研究所 ( つくば市苅間 253) 2. シミュレーションの詳細 2.1. 検討対象とする各車両の諸元とシミュレーションの要検討対象とする BEV,HEV,PHEV の車両諸元を表 1 に示す.HEV PHEV ではシリーズパラレル型ハイブリッドシステムを搭載した乗用車を想定している (1). シミュレーションにおいては, 車両に搭載されたモータエンジン発電機を連結する動力分割機構や, エンジンクランキング現象等を再現している ( 図 1). なお, 検討する走行モードは JC8 モードである (2). Table 1 Vehicle Specifications Parameter Value BEV HEV PHEV Curb Weight kg Engine Max. Power kw Motor Max. Power kw Generator Max. Power kw Weight kg Battery System Voltage V Number of Cells (Series Parallel) 192 (96 2) 92 (92 1) 184 (92 2) Capacity Ah (kwh) 66 (24) 6.5 (2.2) 17 (6.) Split Control System Accessory Generator Battery Vehicle Speed (Input) Drive Power Power Split Device Motor Fig. 1 HEV/PHEV Simulation model Engine Fuel Tank Vol.44,No.2,March

2 2.2. エンジン起動条件と暖機条件 (HEV PHEV) HEV PHEV におけるエンジン起動条件を表 2,3 に示す. PHEV では, 電力消費を主として走行する Charge Depleting (CD) mode とガソリン消費を主として走行する Charge Sustain (CS) mode でエンジン起動条件が異なる. 起動時のエンジンは, オペレーティングカーブ上を動作させる (1). エンジン暖機については,HEV では走行開始時に行うものとする.PHEV では,CD mode をモータのみで走行する All Electric (AE) 制御時には CS mode に切り替わる際に, モータとエンジンを併用する Blended (Bld.) 制御時には, 走行開始時に行うものとする. 暖機運転中のエンジン出力は触媒暖機に専念するものとし, 車両要求出力は蓄電池が担当する (1). Table 2 HEV's Engine ON Conditions High (SOC 5% or over) Low (SOC under 5%) Drive Power:15kW or over Drive Power:1kW or over Vehicle Speed:55km/h or over (Engine 52.5% or over) Engine Control AE Bld._ X kw Vehicle Speed:25km/h or over SOC: under 47.5% Table 3 PHEV's Engine ON Conditions CS mode CD mode High (SOC (SOC %) 32.5% or over) (Engine stops Drive Power: all time) 15kW or over Drive Power: X kw or over Vehicle Speed: 55km/h or over Vehicle Speed: 55km/h or over (Engine 35% or over) Low (SOC under 32.5%) Drive Power: 1kW or over Vehicle Speed: 25km/h or over SOC: under 3% 2.3. 検討対象とする蓄電池各種電動車両に搭載する蓄電池の単セルあたりの開放電圧と内部抵抗の State of Charge( 以後,SOC と略す.) 依存性を図 2,3 に示す. これらの特性は, 市販の BEV 用蓄電池,HEV 用蓄電池の放電特性等を参考 (3) にしており, それぞれの車両に適用される. なお,PHEV には,HEV 用蓄電池の特性を適用する. また, 内部抵抗は, 想定する蓄電池システムの容量に合わせて補正している (4). 本検討では, 端子電圧の上下限と, 車両方式毎に許容最大充放電率の制限を設定する. これらの蓄電池条件を表 4 に示す. 本論文では, 蓄電池の新品時に対する容量を容量維持率 Cs [%] と定義する. 内部抵抗増加率 Rs [%] も同様とする. 実使用環境下では, 容量劣化と内部抵抗劣化は同時に進行するが, その際の進行比率は, 保存劣化試験の結果 (5) を参考とした. 蓄電池の SOC については, 新品時劣化時ともにその時点での容量を基準に決定し, 容量劣化は開放電圧の SOC 依存性には影響しないとした (6). Open Circuit Voltage V Internal Resistance mω BEV HEV PHEV SOC % Fig. 2 Characteristics of Open-Circuit Voltage of Lithium-ion Battery (Single Cell) BEV(33Ah) PHEV(8.7Ah) HEV(6.5Ah) SOC % Fig. 3 Characteristics of Internal Resistance of Lithium-ion Battery (Single Cell) Table 4 Conditions of Lithium-ion Battery (Single Cell) Vehicle Types BEV HEV PHEV Upper Limit Voltage V 4.3 Lower Limit Voltage V 2.5 Max. Discharge Rate C Max. Charge Rate C 蓄電池劣化が進行した際の車両性能悪化現象本章では, リチウムイオン蓄電池の劣化 ( 容量劣化内部抵抗劣化により再現 ) が各車両の性能に及ぼす悪影響について, 分析評価した結果をまとめる BEV における車両性能悪化現象分析対象とする車両性能 BEV における分析対象性能として,1 出力 (JC8 モードの最大要求出力の満足 ),2 電力消費率,3 一充電走行距離を選定した.BEV では, エンジンを有する HEV や PHEV と異なり, モータのみで走行を行う. ゆえに, 蓄電池の劣化が進行した場合でも, 出力性能を満足していることを確認する必要がある. 電力消費率 E CR [km/kwh], 一充電走行距離 R D [km] については,BEV の代表的な性能値であることから, 当然ながら対象とする. ここで, 電力消費率は次式で定義する. E CR =R D / E C_BEV (1) E C_BEV [kwh] は一充電消費電力量である. 本検討では, 走行後の蓄電電力を使い果たした状態から満充電までに要するエネルギーとする. 424 自動車技術会論文集

3 蓄電池劣化による影響はじめに,1 出力性能について分析する. 蓄電池劣化と最大出力の関係を図 4 に示す. 蓄電池最大出力は, 許容最大放電率, さらには下限電圧の制約を受けて内部抵抗増加とともに減少するが, 本検討における JC8 モードの最大要求出力は 22kW 程度であり, 内部抵抗増加率 5% 程度でも十分に要求を満たすことが可能との結論となった. 次に, 蓄電池劣化が車両性能に及ぼす影響について,2 電力消費率, および3 一充電走行距離の悪化の様子を図 5 に示す. また, 容量劣化と内部抵抗劣化の影響について個別に分析するため, それぞれが単独で進行した場合の結果を補足的に表 5,6 にまとめる. 電力消費率については, 容量維持率 4% ( その際の内部抵抗増加率は約 5%) 時でも, その悪化率は 1% 未満である. この悪化の原因は, 表 6 に示す通り, 内部抵抗劣化によるジュール損失増大によるものである. 一方, 一充電走行距離については, 容量維持率 4%( その際の内部抵抗増加率は約 5%) 時では 6% 程度の悪化となる. これは, 表 5 に示す通り, 主に容量劣化によるもので, 当然ながら容量低下率と同等の悪化率となる. 以上の検討結果より,BEV において蓄電池劣化の影響を受けやすい車両性能は一充電走行距離と言える. また, その性能悪化をもたらす支配的な蓄電池劣化因子は, 容量劣化である. Max. Output Power kw Electricity Economy km/kwh SOC 1% SOC 2% SOC 3% Max. Request Battery Output mode Fig. 4 Relationship between Battery Deterioration and Max. Output Power of BEVs Battery System Electricity Economy km/kwh Fig. 5 Relationship between Battery Deterioration and Vehicle Performance of BEVs 6 Table 5 Relationship between Capacity Maintenance Rate and Vehicle Performance of BEVs Cs [%] Req. E CR [km/kwh] R D [km] 1 satisfied satisfied 9.97 (+.33%) 16 (-2%) 6 satisfied 9.97 (+.38%) 12 (-4%) 4 satisfied 9.92 (-.12%) 8 (-6%) Table 6 Relationship between Internal Resistance Increasing Rate and Vehicle Performance of BEVs Rs [%] Req. E CR [km/kwh] R D [km] 1 satisfied satisfied 9.76 (-1.8%) 196 (-1.6%) 3 satisfied 9.59 (-3.5%) 193 (-3.1%) 4 satisfied 9.35 (-5.9%) 189 (-5.2%) 5 satisfied 9.17 (-7.7%) 186 (-6.8%) 3.2. HEV における車両性能悪化現象分析対象とする車両性能 HEV では, モータのみで走行を行う BEV と異なりエンジンも併用するため, 蓄電池の出力性能が悪化しても車両要求出力を満足することができる. そのため,JC8 モード最大要求出力に係る検討は行わない. ここでは, 燃費 F CR [L/1km] を分析対象性能とする. 蓄電池性能悪化による出力不足を補うためにエンジン稼働率が上がれば, 燃費は悪化する. また, 回生エネルギー回収率が悪化しても燃費の悪化を招く. 燃費を分析対象とすることで, これらの事象の影響を踏まえ, 総合的な評価を行うことができるようになる蓄電池劣化による影響蓄電池劣化と燃費悪化の関係を図 6 に示す. また, 容量劣化と内部抵抗劣化の影響について個別に分析するため, それぞれが単独で進行した場合の結果を補足的に表 7,8 にまとめる. 表中には,JC8 モードを 1 回走行した際のエンジン稼働時間と回生電力回収率 ( 回生により充電され得る電力のうち, 蓄電池入力性能悪化現象を考慮することで導出される回収可能電力の割合 ) も記載している. 内部抵抗増加率約 5%( その際の容量維持率は 4%) 時の燃費の悪化率は 2% 程度である. これは, 表 8 に示す通り, 内部抵抗劣化による影響が支配的である. 内部抵抗劣化によるジュール損失の増大以外にも, エンジン稼働時間の増加や回生電力回収率の悪化も燃費の悪化をもたらしている. 以上の検討結果より,HEV において蓄電池劣化の影響を受けやすい車両性能は燃費と言える. また, その性能悪化をもたらす支配的な蓄電池劣化因子は, 内部抵抗劣化である. Vol.44,No.2,March

4 Fuel Consumption L/1km Fuel Consumption L/1km Fig. 6 Relationship between Battery Deterioration and Vehicle Performance of HEVs Table 7 Relationship between Capacity Maintenance Rate and Vehicle Performance of HEVs Engine Max. F Cs [%] CR 1/F CR ON Time Regeneration [L/1km] [km/l] [s] Rate [%] (+.37%) (-.36%) (+.7%) (+1.%) 3.13 (+1.9%) (-1.%) 32. (-1.8%) (-.82%) 275 (-2.2%) 1 Table 8 Relationship between Internal Resistance Increasing Rate and Vehicle Performance of HEVs Rs [%] Engine Max. F CR 1/F CR ON Time Regeneration [L/1km] [km/l] [s] Rate [%] (+3.2%) (-3.1%) (+1.2%) (+8.4%) (-7.8%) (+6.1%) (+16%) 3.7 (+21%) (-14%) 27. (-17%) (+11%) 314 (+12%) PHEV における車両性能悪化象分析対象とする車両性能 PHEV においても,HEV と同様の理由で JC8 モード最大要求出力に係る検討は行わない. ここでは, 国土交通省の定める 7 つの評価指標 (7) を分析対象性能とする. 以下, その詳細について記述する. 1 CD レンジ R CD [km]:cd mode 走行が可能な距離 2 CD 燃費 F CD [km/l]:cd mode 走行時の燃費 3 CS 燃費 F CS [km/l]:cs mode 走行時の燃費 4 複合燃費 F PH [km/l]:f CD と F CS を複合させた燃費で, 次式で導出される. 1/ F PH = UF 1/ F CD + (1 UF) 1/ F CS (2) ここで UF( ユーティリティファクタ ) は以下の通りである (2). UF (R CD ) = 1 exp (29.1 (R CD / 4) (R CD / 4) (R CD / 4) (R CD / 4) (R CD / 4) (R CD / 4)) (3) 5 等価 EV レンジ R EV [km]: 外部充電エネルギーを用いて走行した距離で,AE 制御を採用する PHEV については R CD と R EV は同値となる. 本検討では以下のとおり算出する. R EV = R CD (1/ F CS 1/ F CD ) / (1/ F CS ) (4) 6 一充電消費電力量 E C_PHEV [kwh]: 走行終了後, 外部充電器を用いて満充電する際に要する電力量である. 7 電力消費率 E CR [km/kwh]:cd mode 走行時の電力消費率であり, 次式で導出される. E CR = R EV / E C_PHEV (5) 蓄電池劣化にる影響蓄電池劣化と PHEV の車両性能の悪化の関係を図 7 に示す. また, 容量劣化と内部抵抗劣化の影響について個別に分析するため, それぞれが単独で進行した場合の結果を補足的に表 9, 1 にまとめる. ここでは, 紙面の都合上, 蓄電池劣化の影響を大きく受ける AE 制御のみを扱う (1). Fuel Economy km/l CD Total Electricity Charged kwh Electricity Economy km/kwh CD F.E. km/l Combined F.E. km/l UF CS F.E. km/l CD (a) Fuel Economy Performance 3.8 Electricity Economy km/kwh Total Electricity Charged kwh Equivalent EV (b) Electricity Economy Performance Fig. 7 Relationship between Battery Deterioration and Vehicle Performance of PHEVs (AE Control) Equivalent EV Utility Factor 426 自動車技術会論文集

5 PHEV において蓄電池劣化の影響を受けやすい車両性能は, CD レンジ, 複合燃費である. 容量維持率 4%( その際の内部抵抗増加率は約 5%) 時の悪化率は,CD レンジ :65%, 複合燃費 :4% 程度となる. その性能悪化をもたらす支配的な蓄電池劣化因子は容量劣化であるが, 容量劣化と内部抵抗劣化のうち一方が支配的となる BEV や HEV とは異なり, 内部抵抗劣化の影響も比較的大きく受けていることが特徴と言える. Table 9 Relationship between Capacity Maintenance Rate and Vehicle Performance of PHEVs (AE Control) Cs [%] UF R CD E CR F CS F PH [km] [km/kwh] [km/l] [km/l] (-19%) (+.68%) (+.47%) (-11%) (-4%) (-.48%) (+.65%) (-23%) (-6%) (-.63%) (+.72%) (-34%) Table 1 Relationship between Internal Resistance Increasing Rate and Vehicle Performance of PHEVs (AE Control) Rs [%] UF R CD E CR F CS F PH [km] [km/kwh] [km/l] [km/l] (-1.1%) (-1.3%) (+.72%) (+.4%) (-4.2%) (-4.7%) (-2.8%) (-5.4%) (-8.1%) (-8.7%) (-4.1%) (-9.%) (-12%) (-13%) (-5.8%) (-13%) 4. 各車両方式における蓄電池許容劣化度についての検討本章では, 各車両方式の蓄電池許容劣化度について検討する. ここでは, 統一的な処理を行うために, 以下の通りに進める. はじめに, 車両への要求事項や, 種々の性能に対する蓄電池劣化の影響の強さなどを踏まえ, 蓄電池許容劣化度決定に用いる最も重要な車両性能を各車両方式毎に定める. 次に, 容量劣化と内部抵抗劣化のうち, 選定した車両性能の悪化に対して支配的な劣化因子を定める. なお, ここでは内部抵抗劣化と同様の指標と見なせ, より把握が容易な蓄電池の最大出力維持率 Ps [%] も併用する. 最後に, 選定した車両性能が 2% (8) 悪化する際の劣化因子の劣化度を, 蓄電池許容劣化度と定める. 以下, 各車両方式の蓄電池許容劣化度について検討した結果をまとめる. BEV では, 前章の分析結果より, 一充電走行距離を蓄電池許容劣化度決定に用いる車両性能として選定した. これに大きく影響を及ぼす蓄電池劣化因子は, 容量劣化である. 図 8 のシミュレーション結果より, 一充電走行距離 2% 悪化をもたらす容量維持率 8% 程度を BEV における蓄電池許容劣化度と定めることとした. HEV では, 前章の分析結果より, 燃費を蓄電池許容劣化度決定に用いる車両性能として選定した. これに大きく影響を及ぼす蓄電池劣化因子は, 内部抵抗劣化である. 図 9 のシミュレーション結果より, 燃費 2% 悪化をもたらす最大出力維持率 4% 程度 ( 内部抵抗増加率では約 45% に相当 ) を HEV における蓄電池許容劣化度と定めることとした. PHEV では, 電力とガソリンを消費するため, これらを総合的に考慮する必要がある. 以下の式より電費と燃費を CO 2 排出率に換算し, 按分和させた CO 2 排出率 m PHEV_CO2 [g/km] を蓄電池許容劣化度決定に用いる車両性能として選定した. m CO2_CD = α gas / F CD + α ele / E CR (6) m CO2_CS = α gas / F CS (7) m PHEV_CO2 = UF m CO2_CD + (1 UF ) m CO2_CS (8) ここで,α gas はガソリンの CO 2 排出源単位 (2322g-CO 2 /L),α ele は電気エネルギーの CO 2 排出源単位 (375g-CO 2 /kwh) である (9). 前章の分析結果より,PHEV の車両性能に支配的な劣化因子は, 容量劣化であることが確認できている. 図 1 のシミュレーション結果より, CO 2 排出率 2% 悪化をもたらす容量維持率 5% 程度を PHEV における蓄電池許容劣化度と定めることとした. 5. まとめ 1) BEV において重要かつ蓄電池劣化の影響を受けやすい車両性能は一充電走行距離である. また, その性能悪化をもたらす支配的な蓄電池劣化因子は, 容量劣化である. 本研究では, 一充電走行距離 2% 悪化をもたらす容量維持率 8% 程度を BEV における蓄電池許容劣化度と定めることとした. 2) HEV において重要かつ蓄電池劣化の影響を受けやすい車両性能は燃費である. また, その性能悪化をもたらす支配的な蓄電池劣化因子は, 内部抵抗劣化である. 本研究では, 燃費 2% 悪化をもたらす最大出力維持率 4% 程度を HEV における蓄電池許容劣化度と定めることとした. 3) PHEV において重要かつ蓄電池劣化の影響を受けやすい車両性能は,CD レンジと複合燃費である. また, その性能悪化をもたらす支配的な蓄電池劣化因子は, 容量劣化である. 本研究では, 電費と燃費を総合的に考慮し, CO 2 排出率 2% 悪化をもたらす容量維持率 5% 程度を PHEV における蓄電池許容劣化度と定めることとした. Vol.44,No.2,March

6 Max. Output Power Maintenance Rate Ps % Fig. 8 Relationship between Range and BEV's Battery Deterioration F.C. L/1km Max. Output Power Maintenance Rate Ps % Fig. 9 Relationship between Fuel Consumption and HEV's Battery Deterioration Fuel Consumption L/1km 参考文献 (1) 木野戸秀将, 落合和樹, 松村広基, 紙屋雄史, 大聖泰弘, 森田賢治 : プラグインハイブリッド自動車におけるリチウムイオン蓄電池の許容劣化度についての検討, 自動車技術会論文集,Vol. 43,No. 2, ,pp (212) (2) 軽中量車燃料消費率試験方法 (JC8 モード燃料消費率等試験方法 ), TRIAS, (29) (3) GS YUASA: 産業用リチウムイオン電池製品カタログ (211) (4) 仁科辰夫, 高速充放電リチウムイオン二次電池の開発, FB テクニカルニュース,No.64 号 (28) (5) 竹井勝仁 : 重要性が増してきた二次電池技術の最前線, 電気学会誌,No. 13, Vol. 5, pp (21) (6) 廣田幸嗣, 足立修一, 出口欣高, 小笠原悟司 : 電気自動車の制御システム, 東京電機大学出版局,ISBN (29) (7) 河合英直, 新国哲也 : プラグインハイブリッド車の特徴とその評価に対する課題, 自動車技術,Vol. 63,No. 9,pp (29) (8) Japan automobile research institute, Japan Electric Vehicle Standard D78(1999) (9) 環境省 : 温室効果ガス総排出量算定方法ガイドライン (211) CO2 Emissions g/km Max. Output Power Maintenance Rate Ps % Fig. 1 Relationship between WtoW CO 2 Emissions and PHEV's Battery Deterioration CO 2 Emissions g/km 428 自動車技術会論文集

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IIC Proposal of Range Extension Control System by Drive and Regeneration Distribution Based on Efficiency Characteristic of Motors for Electric IIC-1-19 Proposal of Range Extension Control System by Drive and Regeneration Distribution Based on Efficiency Characteristic of Motors for Electric Vehicle Toru Suzuki, Hiroshi Fujimoto (Yokohama National

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